Neue Produktionsanlagen fĂŒr den Serienhochlauf

Bildtitel: Herstellung von Katalysatorschichten im Labor
Autor: Ulf Groos, Linda Ney

Neue Produktionsanlagen fĂŒr den Serienhochlauf

Brennstoffzellen stehen am Beginn des Markthochlaufs

Getrieben durch die Forderungen nach einem emissionsfreien Schwerlastverkehr auf der Straße investieren Lkw-Hersteller sehr stark in batterieelektrische sowie brennstoffzellenelektrische Antriebe. Es werden signifikante Anstrengungen zum Einsatz von Brennstoffzellen in Bussen, ZĂŒgen, Schiffen und Flugzeugen unternommen. DarĂŒber hinaus fĂŒhren vor allem asiatische, aber auch deutsche Automobilhersteller ihre AktivitĂ€ten zu Brennstoffzellen-Pkw fort. Aufgrund derer außergewöhnlichen Bauweise fĂŒhrt dieser Serienhochlauf zu beeindruckenden StĂŒckzahlen. Bei etwa 10 mÂČ Membranelektrodeneinheit pro Stack und drei Stacks pro Lkw-Antrieb werden pro Lastwagen 30 mÂČ Membran und 60 mÂČ Katalysatorschicht (fĂŒr Anode und Kathode) benötigt. ZukĂŒnftige Produktionsserien von 10.000 Lkw fĂŒhren also zu einem Bedarf von rund 300.000 mÂČ MembranflĂ€che bzw. 600.000 mÂČ Katalysatorschicht. Die dafĂŒr erforderlichen Produktionsanlagen zur Katalysatorschichtherstellung sollten also bei einem Zwei-Schicht-Betrieb Bandgeschwindigkeiten in der GrĂ¶ĂŸenordnung von 10 m/min realisieren.

Um die Komponentenhersteller und die Maschinen- und Anlagenbauer in ihrer Entwicklung durch fundierte Forschung zu unterstĂŒtzen, fördert das Bundesministerium fĂŒr Digitales und Verkehr (BMDV) das Fraunhofer-Institut ISE als Koordinator im Teilverbund R2MEA des Gesamtprojekts H2GO sowie die Fraunhofer-Institute ENAS, ICT, ILT, IPT und ISI. In R2MEA wird eine Forschungsplattform entwickelt und aufgebaut, die zukĂŒnftig Unternehmen bei der Untersuchung von Produktionsfragestellungen von der Katalysatorherstellung bis zur fertig konfektionierten 7-Lagen MEA (also dem Verbund aus Membran, Katalysatorschichten, VerstĂ€rkungsrahmen und Gasdiffusionslagen) zur VerfĂŒgung steht.

R2MEA adressiert Forschungsfragen zur MEA-Produktion

Um eine Serienherstellung von Membranelektrodeneinheiten mit den geforderten StĂŒckzahlen zu realisieren, mĂŒssen die heutigen Anlagenkonzepte angepasst werden. Die damit zusammenhĂ€ngenden Fragen werden in R2MEA adressiert:

  • Wie kann die heutige Herstellung von Katalysatorpulver von Batch-Prozessen auf kontinuierliche Prozesse umgestellt werden?
  • Sind neben der heute vorrangig eingesetzten SchlitzdĂŒse auch rotative Druckverfahren zum Aufbringen von Katalysatorschichten sinnvoll, zum Beispiel, um gezielt spezifische Formate abzubilden und Verschnitt einzusparen? Ist ein Direktdruck auf die Membran bei der geforderten hohen QualitĂ€t möglich? Können Lasertrocknungsverfahren die Trocknungsdauer und TrocknerlĂ€nge verkĂŒrzen?
  • Wie können in Rolle-zu-Rolle-Prozessen die Zuschnitte von Membran, Katalysatorschichten, VerstĂ€rkungsrahmen, Gasdiffusionslagen erfolgen? Wie wird ein verzerrungsfreier Bahntransport dieser unterschiedlichen Bahnwaren umgesetzt? Welche Positionierungs- und Laminierverfahren sind geeignet, um hochqualitative VerbĂŒnde der Einzellagen zu erzeugen?
  • Wie sollten TransportbehĂ€lter fĂŒr die Halbzeuge fĂŒr die Intra- und externe Logistik gestaltet werden, um durchgĂ€ngige Prozesse zu ermöglichen?

Begleitend zum Aufbau der Forschungsplattform werden umfangreiche Marktstudien zu den Industriebedarfen, techno-ökonomische Analysen zur Wirtschaftlichkeit verschiedener Produktionsprozesse sowie Lebenszyklusanalysen zum ökologischen Fußabdruck durchgefĂŒhrt.

Derzeit werden im Teilverbund R2MEA die diversen Prozesse abgestimmt, die im Projektverlauf untersucht werden sollen. Dazu werden die nötigen Anlagen beschafft und die Labore aufgebaut. Parallel dazu werden wissenschaftliche Untersuchungen durchgefĂŒhrt und die Erkenntnisse auf den Technikumsmaßstab ĂŒbertragen.

BZ-Produktionsforschung auf der hy-fcell

Das Thema Produktionsforschung fĂŒr Brennstoffzellen wird unter anderem auf der Konferenz und Messe hy-fcell am 13. und 14. September 2023 in Stuttgart in einer eigenen, zweitĂ€gigen Session unter der Koordination der an H2GO beteiligten Fraunhofer-Institute adressiert. Dort werden alle Aspekte entlang der Prozesskette durch internationale Sprecher aus der Industrie und Wissenschaft diskutiert. Die Wertschöpfung von der Katalysatorherstellung bis zur MEA wird in drei Einzelsessions vom Fraunhofer ISE, Freiburg, sowie vom ZSW, Ulm, geleitet.

Fraunhofer-Produktionsforschung H2GO

Im Gesamtverbund H2GO entwickeln 19 Fraunhofer-Institute aus neun BundeslĂ€ndern Lösungen fĂŒr die industrielle Serienproduktion von Brennstoffzellen mit Fokus auf den straßengebundenen Schwerlastverkehr. Der Gesamtverbund H2GO wird vom Bundesministerium fĂŒr Digitales und Verkehr (BMDV) mit rund 80 Mio. Euro gefördert. Die Gesamtkoordination ĂŒbernimmt das Fraunhofer IWU mit Dr. Ulrike Beyer.

Das Fraunhofer ISE leitet den Teilverbund R2MEA, in dem Rolle-zu-Rolle-Prozesse zur Hochskalierung der MEA-Produktion vom Katalysatorpulver bis zur 5-Lagen-Membran-Elektroden-Einheit entwickelt werden, also dem Verbund aus Membran, Katalysatorschichten, VerstÀrkungsrahmen und Gasdiffusionslagen.

Weitere TeilverbĂŒnde beschĂ€ftigen sich mit der Herstellung von Bipolarplatten: R2HP (Rolle zu Halbplatte mit den entsprechenden Form- und Schneidprozessen) und HP2BPP (Halbplatte zu Bipolarplatte mit den entsprechenden Schweiß-, Beschichtungs- und Schneidprozessen). Der Teilverbund ST2P (Stack zu Piece) konzentriert sich auf die Demontage von Brennstoffzellenstapeln, um die Einzelkomponenten einer Kreislaufwirtschaft zuzufĂŒhren. Der ĂŒbergeordnete NEXUS-Verbund ViR (Virtuelle Referenzfabrik) entwickelt digitale Abbilder der entwickelten Produktionslösungen und ermöglicht damit eine virtuelle Referenzarchitektur fĂŒr Brennstoffzellenproduktion.

AutorInnen: Ulf Groos, ulf.groos@ise.fraunhofer.de, Linda Ney, beide vom Fraunhofer-Institut fĂŒr Solare Energiesysteme ISE, Freiburg

Quellenangabe: Fraunhofer ISE

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