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, Zügen, Schiffen und Flugzeugen unternommen. Darüber hinaus führen vor allem asiatische, aber auch deutsche Automobilhersteller ihre Aktivitäten zu Brennstoffzellen-Pkw fort. Aufgrund derer außergewöhnlichen Bauweise führt dieser Serienhochlauf zu beeindruckenden Stückzahlen. Bei etwa 10 m² Membranelektrodeneinheit pro Stack und drei Stacks pro Lkw-Antrieb werden pro Lastwagen 30 m² Membran und 60 m² Katalysatorschicht (für Anode und Kathode) benötigt. Zukünftige Produktionsserien von 10.000 Lkw führen also zu einem Bedarf von rund 300.000 m² Membranfläche bzw. 600.000 m² Katalysatorschicht. Die dafür erforderlichen Produktionsanlagen zur Katalysatorschichtherstellung sollten also bei einem Zwei-Schicht-Betrieb Bandgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 m/min realisieren.

Um die Komponentenhersteller und die Maschinen- und Anlagenbauer in ihrer Entwicklung durch fundierte Forschung zu unterstützen, fördert das Bundesministerium für 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 zukünftig Unternehmen bei der Untersuchung von Produktionsfragestellungen von der Katalysatorherstellung bis zur fertig konfektionierten 7-Lagen MEA (also dem Verbund aus Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen) zur Verfügung steht.

R2MEA adressiert Forschungsfragen zur MEA-Produktion

Um eine Serienherstellung von Membranelektrodeneinheiten mit den geforderten Stückzahlen zu realisieren, müssen die heutigen Anlagenkonzepte angepasst werden. Die damit zusammenhängenden 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 Schlitzdüse 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 Qualität möglich? Können Lasertrocknungsverfahren die Trocknungsdauer und Trocknerlänge verkürzen?
• Wie können in Rolle-zu-Rolle-Prozessen die Zuschnitte von Membran, Katalysatorschichten, Verstärkungsrahmen, Gasdiffusionslagen erfolgen? Wie wird ein verzerrungsfreier Bahntransport dieser unterschiedlichen Bahnwaren umgesetzt? Welche Positionierungs- und Laminierverfahren sind geeignet, um hochqualitative Verbünde der Einzellagen zu erzeugen?
• Wie sollten Transportbehälter für die Halbzeuge für die Intra- und externe Logistik gestaltet werden, um durchgängige 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 durchgeführt.

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 durchgeführt und die Erkenntnisse auf den Technikumsmaßstab übertragen.

BZ-Produktionsforschung auf der hy-fcell

Das Thema Produktionsforschung für Brennstoffzellen wird unter anderem auf der Konferenz und Messe hy-fcell am 13. und 14. September 2023 in Stuttgart in einer eigenen, zweitägigen 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 Bundesländern Lösungen für die industrielle Serienproduktion von Brennstoffzellen mit Fokus auf den straßengebundenen Schwerlastverkehr. Der Gesamtverbund H2GO wird vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) mit rund 80 Mio. Euro gefördert. Die Gesamtkoordination übernimmt 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, Verstärkungsrahmen und Gasdiffusionslagen.

Weitere Teilverbünde beschäftigen 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 zuzuführen. Der übergeordnete NEXUS-Verbund ViR (Virtuelle Referenzfabrik) entwickelt digitale Abbilder der entwickelten Produktionslösungen und ermöglicht damit eine virtuelle Referenzarchitektur für Brennstoffzellenproduktion.

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