Die Transformation des Schwer- und Nutzfahrzeugsektors hin zu emissionsfreien Antrieben steht vor einer entscheidenden Wende. Mit der steigenden Nachfrage nach Brennstoffzellen und Elektrolyseuren wird eine effiziente Serienfertigung sowohl für die Umwelt als auch für die Wirtschaft immer wichtiger. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat eine neuartige Forschungsplattform entwickelt, die darauf abzielt, die industrielle Produktion dieser Schlüsseltechnologien massentauglich zu machen. In diesem Artikel beleuchten wir die Merkmale und Vorteile dieser Plattform sowie deren Einfluss auf die zukünftige Produktion von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.
Innovative Forschungsplattform für die Industrie
Die Plattform für Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) stellt einen innovativen Ansatz dar, der es Herstellern und Anlagenbauern ermöglicht, effektive Fertigungslösungen zu finden. Die Plattform ist auf industrielle Durchsatzraten ausgerichtet und verfolgt ein kontinuierliches Rolle-zu-Rolle-Verfahren, das eine integrierte Qualitätssicherung bietet. Diese Funktionen sind entscheidend für die Serienfertigung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, da sie einen reibungslosen Übergang von der Forschung in die industrielle Anwendung gewährleisten.
Ganzheitliche Betrachtung der Produktionskette
Die Forschung am Fraunhofer ISE berücksichtigt die gesamte Wertschöpfungskette, beginnend mit der Entwicklung von Katalysatorpulvern bis hin zur Fertigung komplexer MEAs. Diese MEAs setzen sich aus mehreren Schichten zusammen, darunter die zentrale Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen. Die Wissenschaftler analysieren die Auswirkungen von Prozessdesign sowie Materialien und Komponentenarchitekturen auf Kosten, Qualität und Leistung der MEAs. Es wird ein umfassender Ansatz verfolgt, der alle Schritte der Produktion optimiert, um höchste Effizienz zu erreichen.
Fortschrittliche Herstellungsverfahren
Ein Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Entwicklung neuer hochratenfähiger Produktionsverfahren. Insbesondere der erste Schritt, die Herstellung von Katalysatortinten, wird intensiv untersucht. Hierbei werden verschiedene Mischverfahren und Rezepturen getestet, die auf die jeweiligen Beschichtungsverfahren abgestimmt sind. Weitere Prozessschritte umfassen die Membranbeschichtung, das Trocknen der Katalysatorschicht, die Applikation des Verstärkungsrahmens sowie die Vereinzelung der Gasdiffusionslage. Um die erforderliche Skalierung für den Markthochlauf zu erreichen, verfolgt das Fraunhofer ISE kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Prozesse mit Zielgeschwindigkeiten von bis zu 10 Metern pro Minute.
Pilotanlagen zur praktischen Erprobung
Die Entwicklungen werden in industrienahen Pilotanlagen im Wasserstoff-Technikum des Fraunhofer ISE getestet. Hier kommen modernste Technologien zum Einsatz, die eine schnelle Übertragung von labortechnischen Ergebnissen in die Produktion ermöglichen. Ulf Groos, Abteilungsleiter Brennstoffzelle, hebt hervor: «Wir sind das weltweit einzige Forschungsinstitut, das Produktionsanlagen in industriellem Massstab einschliesslich Mikrostrukturanalyse und Charakterisierung von MEAs im Teststand zur Verfügung hat, was einen schnellen Transfer aus dem Labor in die Fertigung erlaubt.» Diese Infrastruktur ist ein entscheidender Vorteil, um neue Technologien rasch in die Marktreife zu bringen.
Qualitätssicherung für hohe Durchsatzraten
Ein weiteres zentrales Element der Plattform ist die Implementierung eines integrierten Qualitätskontrollsystems. Dieses System ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung der Qualität während des gesamten Produktionsprozesses. Projektleiterin Linda Ney erklärt: «Trotz des durchlaufenden Prozesses können wir Veränderungen im Produktionsprozess und deren Auswirkungen auf spätere Prozessschritte oder die Produktqualität nachvollziehen. Wir nutzen dafür ein Track & Trace-System, das regelmässig Markierungen an den Produkten setzt.» Die MEAs, die in diesen Anlagen produziert werden, werden unter variierenden Betriebsbedingungen in Brennstoffzellen getestet, um die Qualität auch bei hohen Durchsatzraten sicherzustellen.
Zukunftsausblick: Die Entwicklung strukturierter MEAs
Ein zukunftsweisender Prozess ist die Herstellung von Katalysatorschichten, die entweder direkt auf die Membran oder auf eine Transferfolie aufgedruckt werden. Neben dem etablierten Schlitzdüsenverfahren werden auch alternative Drucktechniken wie Rotationsdruckverfahren und indirekter Tiefdruck erprobt. Diese Ansätze zielen darauf ab, die Produktionstechnik für die Serienfertigung zukünftiger strukturierten MEAs, die eventuell höhere Anforderungen an Form und Funktionalität stellen, technisch vorzubereiten.
Fazit: Ein Schritt in die Zukunft der Energieproduktion
Die neue Forschungsplattform des Fraunhofer ISE hat das Potenzial, einen wesentlichen Beitrag zur Massenfertigung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zu leisten. Durch die Kombination modernster Technologien und Methoden ermöglicht sie eine effiziente Produktionsweise, die auf die Bedürfnisse eines wachsenden Marktes reagiert. Der Erfolg dieser Plattform könnte nicht nur die Kosten der Herstellung senken, sondern auch den Übergang zu einer nachhaltigeren Energiezukunft beschleunigen. Angesichts der Dringlichkeit, emissionsfreie Technologien zu entwickeln, stellt diese Entwicklung einen bedeutenden Fortschritt dar und könnte den Grundstein für die nächste Generation von Energieversorgungssystemen legen.
