Labor für die Produktionsforschung zu Brennstoffzellen- und Elektrolyse-Membran-Elektroden-Einheiten

Die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) ist das elektrochemische Herz von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Unsere Produktionsforschung betrachtet die gesamte Wertschöpfungskette, vom Katalysatorpulver bis hin zu einer 7-Lagen-MEA, einschließlich der Qualitätskontrolle. Wir untersuchen die Einflüsse von Prozessdesign und -parametern, Materialien und Komponentenarchitektur auf Kosten, Qualität und Leistung der MEA. Wir konzentrieren uns auf Herstellungsverfahren im Labormaßstab mit genau definierten Bedingungen - typischerweise mit Sheet-to-Sheet-Produktion - sowie auf Verfahren im industriellen Maßstab wie die Rolle-zu-Rolle-Herstellung.

Damit wenden wir uns an Komponentenhersteller, die ihre Produktionsprozesse verbessern oder neue Materialien nutzen wollen, an Stapelhersteller, die zugelieferte Halbzeuge zu fertigen MEAs verarbeiten möchten sowie an Maschinenbauer, die ihre Anlagen abnehmen, neue Verfahren in ihre Maschinen integrieren möchten oder an Kundinnen und Kunden, die einen Forschungsdienstleister für ihre Prototypenentwicklung suchen.

Virtueller Rundgang durch das Labor zur Produktionsforschung für Membran-Elektroden-Einheiten

Unsere Service-Leistungen in diesem Lab umfassen:

 

  • Design von Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs)
  • Evaluation von Maschinen, Komponenten und Materialien (Rohmaterialien, Pasten und Tinten, Membranen)
  • Pasten- und Tintenentwicklung inklusive Homogenisierung und ex-situ Analytik
  • Entwicklung von Prozessen und Qualitätssicherungsmethoden entlang der vollständigen MEA-Wertschöpfungskette
  • Ex-Situ-Analytik und In-Situ-Charakterisierung von Schichten und Zellkomponenten 
  • Techno-ökonomische Bewertung von Produktionsprozessen

Unsere FuE-Leistungen entlang des Produktionsprozess von MEAs

MEA-Produktion: Mischen der Lösungsmittel
© Fraunhofer ISE / Foto: Dirk Mahler
1. Mischen der Lösungsmittel: Verschiedene Lösungsmittel werden mit der Ionomer-Dispersion nach einer bestimmten Rezeptur gemischt und abgewogen. Wir untersuchen Ihre Lösungsmittel- und Ionomerdispersionen.
MEA-Produktion: Zugabe des Katalysatorpulvers
© Fraunhofer ISE
2. Zugabe des Katalysatorpulvers zum Lösungsmittel und der Ionomer-Dispersion unter Stickstoffatmosphäre in einer Glovebox. Wir formulieren Katalysatortinten im Hinblick auf verschiedene Beschichtungstechnologien.
MEA-Produktion: Mischprozess
© Fraunhofer ISE
3. In der Glovebox werden der Mischprozess und erste Dispergierschritte durchgeführt, um Agglomerate in der Katalysatortinte aufzubrechen. Wir entwickeln Mischverfahren für Katalysatortinten.
MEA-Produktion: Katalysatortinte wird dispergiert
© Fraunhofer ISE
4. Die Katalysatortinte wird mit einem Ultraschallstab dispergiert, um die Agglomerate weiter zu reduzieren. Wir untersuchen Tintenhomogenisierungsprozesse zur Reduzierung von Agglomeraten.
MEA-Produktion: Schlitzdüsenbeschichtung
© Fraunhofer ISE / Foto: Dirk Mahler
5. Die Katalysatorschicht wird durch Schlitzdüsenbeschichtung auf einer Transferfolie hergestellt. Zur Einstellung der Platinbeladung können Volumenstrom, Beschichtungsgeschwindigkeit und Feststoffgehalt angepasst werden. Wir optimieren Beschichtungsprozesse und Prozessparameter.
MEA-Produktion: Durchlaufkonvektionsofen
© Fraunhofer ISE
6. Die nasse Katalysatorschicht wird in einem Durchlaufkonvektionsofen auf einem metallischen Träger getrocknet. Wir untersuchen und optimieren Trocknungsverfahren.
MEA-Produktion: Druckverfahren zur Herstellung von Katalysatorschichten
© Fraunhofer ISE / Foto: Dirk Mahler
7. Am Fraunhofer ISE stehen verschiedene Druckverfahren zur Herstellung von Katalysatorschichten zur Verfügung: Siebdruck, Schlitzdüsenbeschichtung, Inkjetdruck, Flexodruck und Tiefdruck. Wir untersuchen sowohl S2S-Laborverfahren als auch industrielle Rolle-zu-Rolle-Verfahren.
MEA-Produktion: Optische Analyse
© Fraunhofer ISE / Foto: Dirk Mahler
8. Jede Katalysatorschicht wird optisch analysiert, um die Anzahl und Größe der Defekte zu bestimmen, die durch Agglomerate, Luftblasen oder Risse entstehen können. Wir entwickeln Qualitätskontrollmethoden für die gesamte Wertschöpfungskette vom Katalysatorpulver bis zur MEA.
MEA-Produktion: Transferprozess der Elektroden auf die Membran
© Fraunhofer ISE
9. Der Rollen-Kalander wird für den Transferprozess der Elektroden (Anode und Kathode) auf die Membran verwendet. Wir untersuchen die Transferqualität und Auswirkungen auf die Katalysatorschicht durch Prozessparametervariationen.
MEA-Produktion: Transferprozess
© Fraunhofer ISE
10. Nach dem Heißpressschritt werden beidseitig die Decalfolien abgezogen und es entsteht die CCM (Catalyst Coated Membrane), auch 3-Lagen-MEA. Wir untersuchen den Abziehprozess im Hinblick auf die Transferqualität.
MEA-Produktion: 5-Lagen-MEA
© Fraunhofer ISE
11. Die CCM wird auf das richtige Maß geschnitten und zwischen zwei Subgasket-Folien gelegt, welche zunächst nur eine Öffnung für die aktive Fläche haben. Es entsteht eine 5-Lagen-MEA. Wir analysieren Laminier-Parameter und CCM-Schneidprozesse.
MEA-Produktion: 7-Lagen-MEA
© Fraunhofer ISE
12. Die Ports der Subgkasket-Folien wurden entfernt und die GDL (Gasdiffusionsschicht) wird beidseitig appliziert. Somit ist die 7-Lagen-MEA fertig hergestellt. Wir analysieren GDL-Schneidprozesse und die GDL-Applizierung.

Katalysator-Tinten-Mischprozess

Technische Daten:

  • Semi-automatisches Wiegen und Dosieren von Katalysatorpulver, Ionomer und Lösungsmittel
  • Tintenzirkulation mit Exzenterschneckenpumpe durch Wärmetauscher für Temperaturkontrolle
  • Erweitertes Dispergieren über Ultraschall-Bypass
  • Bis zu 4 Liter Tintenvolumen mischbar

Wir bieten Ihnen:

  • Materialscreening: Katalysatortinten aus unterschiedlichen Katalysatorpulvern können angemischt werden
  • Die Rezepturen werden gezielt an unterschiedliche Pulvereigenschaften und die jeweilige Beschichtungsmethode angepasst.
  • Unterschiedliche Misch- und Dispergiermethoden stehen zur Verfügung z. B. Magnetrühren, Speedmixer, Rotor-Stator-Mischer oder Ultraschall
  • Unterschiedliche Tintenvolumina können hergestellt werden, von 5 ml bis 4 l

Rolle-zu-Rolle-Beschichtungs- und Trocknungsanlage

Technische Daten:

  • Verschiedene Beschichtungswerke: Schlitzdüse, Rotationssiebdruck, indirekter Tiefdruck
  • Beheizbare Beschichtungswalze
  • Maximale Warenbahnbreite: 500 mm, maximale Beschichtungsbreite 470 mm
  • Bahnlaufgeschwindigkeit 0,1-10m/min
  • Temperatur der Konvektionstrocknung bis zu 180°C, in drei Zonen unterschiedlich regelbar als Tragrollentrockner oder Schwebetrockner nutzbar
  • Verschiedene Konfigurationen der Tintenzuführung (200ml bis zu 4Liter)
  • In-Line-Qualitätskontrolle via optischer Zeilenkameras (Reflexion), XRF, Flächengewichtsmessung an 3 Positionen und Nassschichtdickensensorik
  • In-Line-Bahnreinigung und Track & Trace via Inkjet Printer & Reader

Wir bieten Ihnen:

  • Materialscreening: Katalysatortinten aus unterschiedlichen Katalysatorpulvern können untersucht werden.
  • Verschiedenste Substrate wie Decalfolien, Membranen oder Gas-Diffusionslagen können beschichtet werden.
  • Untersuchung verschiedener Beschichtungsverfahren
  • Schlitzdüsen-Beschichtungsbreite anpassbar durch den Einsatz von Shims
  • Untersuchung diverser Prozessfenster angepasst an die jeweiligen Materialien 
  • Prozesskette bis hin zur elektrochemischen In-Situ-Charakterisierung im Teststand möglich

Rolle-zu-Rolle Transfer-Anlage

Technische Daten:

  • Vorheizen der Warenbahnen durch Infrarotstrahler
  • Rollenkalander mit bis zu 200°C und bis zu 10kN
  • Doppelbandheißpresse mit unabhängig kontrollierbaren Temperaturzonen, bis zu 200°C, statischem Druck bis zu 1,5N/cm² und maximalem Liniendruck bis zu 200N/cm
  • In-Line-Qualitätskontrolle der CCM und Decalfolien nach dem »Peel-off« via optischer Zeilenkameras (Reflexion und Transmission)
  • Schneiden der CCM in Bahnlaufrichtung
  • Maximale Warenbahnbreite: 500 mm
  • Bahnlaufgeschwindigkeit 0,1-10m/min
  • In-Line-Bahnreinigung und Track & Trace via Inkjet Printer & Reader

Wir bieten Ihnen:

  • Verarbeitung verschiedenster Substrate wie Decalfolien oder Membranen
  • Untersuchung verschiedener Heißpressverfahren
  • Untersuchung diverser Prozessfenster (Temperatur, Druck und Zeit) angepasst an die jeweiligen Materialien
  • Konfektionierung von Bahnware: Zu- und Delaminieren und Schneiden

Rolle-zu-Rolle-MEA-Anlage

Technische Daten:

  • Herstellung von 5-Lagen MEAs als Rolle-zu-Rolle-Prozess
  • GDE & GDL-Schnitt
  • Vorbereitung von CCM und Subgasket-Rollenware via rotativer Schneidmesser (sog. „Kiss-Cut“) auf Trägerfolien
  • Assemblierung von CCM und 2 Subgaskets mit Heißsiegeln
  • Optische in-line-Qualitätskontrolle der Alignierung von Subgaskets und CCM via Registermarken
  • Formatgrenzen CCM: Bahnbreite (cross direction) min. 60mm bis max. 300mm
  • Formatgrenzen GDL: Bahnbreite (cross direction) min. 70mm bis max. 330mm, GDL-Länge (machine direction) kleiner als 600mm
  • Formatgrenzen MEA-Subgasket: Bahnbreite (cross direction) min. 105mm bis max. 316mm, MEA-Subgasket-Länge (machine direction) min. 100mm bis max. 550mm
  • Alle MEA-Designs müssen individuell geprüft werden.
  • Bahnlaufgeschwindigkeit bis 10m/min
  • Maximale Heißsiegeltemperatur für Subgaskets: 160°C

Wir bieten Ihnen:

  • Prototypen-Herstellung für individuelle MEA-Designs mit externer oder am ISE hergestellter CCM
  • Untersuchung verschiedener Subgasket- und CCM-Materialien, sowie deren Adhäsion auf verschiedenen Trägerfolien

Rolle-zu-Rolle-Anlage für Qualitätskontrolle und Konfektionierung

Technische Daten:

  • Maximale Warenbahnbreite: 500 mm
  • Bahnlaufgeschwindigkeit 0,1-10m/min
  • In-Line-Bahnreinigung und Track & Trace via Inkjet-Printer & Reader
  • In-Line-Qualitätskontrolle durch optische Zeilenkamera

Wir bieten Ihnen:

  • Verschiedenste Rollenware kann auf ihre Qualität untersucht werden
  • Konfektionierung von Rollenware, d.h. Zulaminieren und Delaminieren von Folienverbünden möglich, z.B. Schutzfolien oder Trägerfolien
  • Messtechnikhersteller können neue Systeme zur Qualitätskontrolle von Bahnware testen

Laborheißpresse

Technische Daten:

  • Maximale Presskraft 400kN ± 1kN
  • Größe der Druckfläche: 600 x 600mm
  • Maximale Temperatur 250°C
  • Verpress-Höhe 600mm (entspricht ca. 300 Zellen im Stack)

Wir bieten Ihnen:

  • Heißpressen von CCMs für den Decal-Transfer
  • Heißsiegeln von Subgaskets einer 5-Lagen MEA 
  • Verpressen eines Short-Stacks
  • Leckagetest und Leistungs- sowie Alterungscharakterisierung im Brennstoffzellen-Teststand

Handlaminator für 5-Lagen MEA

Technische Daten:

  • Herstellung von 5- und 7-Lagen MEAs als Sheet-to-Sheet
  • Bahnverarbeitungsbasierte Laboranlage mit skalierbarem Fertigungskonzept in höhere Produktionsserien
  • Formatgrenzen CCM: Bahnbreite (cross direction) min. 40 mm bis max. 300mm
  • Formatgrenzen GDL: Bahnbreite (cross direction) min. 36 mm bis max. 330mm, GDL-Länge (machine direction) kleiner als 600mm
  • Formatgrenzen MEA-Subgasket: Bahnbreite (cross direction) min. 70 mm bis max. 316mm, MEA-Subgasket-Länge (machine direction) min. 70 mm bis max. 550mm
  • Alle MEA-Designs müssen individuell geprüft werden.

Wir bieten Ihnen:

  • Halbautomatische Prototypen-Herstellung für individuelle MEA-Designs mit externer oder am ISE hergestellter CCM
  • Untersuchung verschiedener Subgasket- und CCM-Materialien, sowie deren Adhäsion auf verschiedenen Trägerfolien

Weitere Informationen zum Forschungsthema Brennstoffzelle

Geschäftsfeldthema

Brennstoffzelle

Geschäftsfeld

Wasserstofftechnologien