Fraunhofer ISE forscht an zwei Projekten zur BZ-Großserienfertigung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE optimieren mit den Projekten „BI-FIT“ (Break-In for Fuel Cells Initializing and Testing) und „TiKaBe“ (Tintenentwicklung für die Brennstoffzellen-Katalysatorbeschichtung) die Großserienfertigung von PEM-Brennstoffzellen.

Die Projekte werden im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie mit rund 1,0 Millionen bzw. rund 1,3 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.

Die NOW erwartet „insbesondere für den globalen Schwerlastverkehr“  bald eine hohe Nachfrage an Brennstoffzellen. „Der Markthochlauf der PEM-Brennstoffzellentechnologie erfordert daher innovative Konzepte zur industriellen Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit (MEA), die große Stückzahlen bei gleichzeitiger Ressourcen- und Kosteneffizienz ermöglichen“, so die bundeseigene GmbH. Das Fraunhofer ISE soll hier mit seinen Projektpartnern die technologische Basis schaffen.

Im Projekt „TiKaBe“ sollen neuartige Katalysatortinten für unterschiedliche industrielle Beschichtungsverfahren und mit verkürzten Trocknungszeiten entwickelt werden. Kürzere Trocknungszeiten ermöglichen eine höhere Taktrate in der Produktion und damit potenziell Kosteneinsparungen, da die Anlage besser ausgelastet werden kann.

„Dafür entwickeln wir langlebige Membranelektrodeneinheiten mit niedrigen Edelmetallgehalten“, sagt Ulf Groos, Abteilungsleiter Brennstoffzellen des Bereichs Wasserstofftechnologien am Fraunhofer ISE. „Wir schauen uns die sogenannte Schlitzdüsenbeschichtung an, die wegen ihrer sehr homogenen, kontinuierlichen Beschichtungsmöglichkeit prädestiniert für industrielle Prozesse ist. Zukünftig sind auch Druckprozesse wie Inkjet, Gravur- und Siebdruck interessant, weil sie strukturierte Schichten ermöglichen und somit durch Druck einer definierten Katalysatorfläche Verschnitt und Materialverluste minimieren.“

Im Rahmen von „BI-FIT“ geht es nicht um die Optimierung einer konkreten Komponente, sondern um das grundlegende Verständnis für die entscheidenden Mechanismen bei der Erstkonditionierung von Brennstoffzellen. Als Break-In oder Erstkonditionierung wird der Prozess bezeichnet, bei dem ein neu produzierter Brennstoffzellenstapel zum ersten Mal mit Strom betrieben wird, um seine nominale Leistung und eine homogene Einzelzellspannung aufzubauen. Wegen der langen Prozessdauer stellt der Break-In derzeit noch einen erheblichen Engpass und einen großen Kostenblock im Fertigungsablauf der Brennstoffzellenproduktion dar.

Aktuelle Break-In-Methoden benötigen zwischen zwei und acht Stunden zur vollständigen Aktivierung eines Brennstoffzellenstacks. Bei einer Massenproduktion von Brennstoffzellenstacks macht das rund fünf Prozent der Gesamtherstellungskosten aus. Ziel des Forschungsprojekts ist die Verkürzung und Vereinfachung des Break-In durch innovative Konzepte auf maximal 60 Minuten bzw. auf ein Prozent der Gesamtherstellungskosten. „Dafür müssen die Zusammenhänge zwischen der Produktion der entscheidenden Komponente Membran-Elektroden-Einheit, Stapeldesign und Betriebsbedingungen beim Break-In betrachtet und optimal aufeinander abgestimmt werden“, wie es in den wortgleichen Mitteilungen der NOW und des Fraunhofer ISE heißt.
now-gmbh.de, fraunhofer.de