Massig Wasserstoff Forscher machen Brennstoffzelle und Elektrolyseur serienreif

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Vom 17. bis 21. April 2023 präsentieren die drei Fraunhofer-Institute IWU, ENAS und IPT auf der Hannover Messe ihre neuesten Forschungsergebnisse aus der Referenzfabrik.H2 zur Fertigung von Stacks.

Elektrolyseure wandeln elektrische in chemische Energie um – diese speichert Strom dann in Form von Wasserstoff. Und Brennstoffzellen werden für die Rückverwandlung der chemischen Energie in elektrischen Strom eingesetzt. Beide Wasserstoffsysteme benötigen sogenannte Bipolarplatten, die die Umwandlungskomponenten MEA (Membran-Elektroden-Einheit in Brennstoffzellensystemen) und CCM (Catalyst Coated Membrane) in Elektrolyseuren) umschließen. Solche Einheiten werden Zellen genannt. In Elektrolyseuren und Brennstoffzellen bilden mehrere gestapelte und in Serie geschaltete Zellen einen sogenannten Stack. Für den Stack steht nun ein neuer Designbaukasten zur Verfügung, aus dem maßgeschneiderte Zelldesigns abgeleitet werden können.

Das Geheimnis liegt im Design der Zelle

Auf der Hannover Messe 2022 vorgestellt und prämiert, nimmt die Referenzfabrik.H2 weiter Fahrt auf, betonen die Forscher. Ihre Mission heißt, die Produktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen fit für die industrielle Serienfertigung zu machen. Ein wesentliches Element ist der Aufbau eines Technologiebaukastens mit verschiedenen Verfahrensvarianten, die für die Herstellung von Wasserstoffsystem-Komponenten eigens geschaffen oder optimiert wurden.

Neu im Technologiebaukasten und als „Star“ des gemeinsamen Messeauftritts bezeichnet, ist ein Stack, der beispielhaft ein neuartiges, aus dem Designbaukasten abgeleitetes Zelldesign umsetzt. In diesem Stack sind die bisherigen Forschungsergebnisse der drei Fraunhofer-Institute aus dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Wasserstoffleitprojekt H2GIGA (Verbundprojekt FRHY) gebündelt.

Herstellung von Bipolarplatten verbessert

Ein aktueller Forschungsschwerpunkt in der Referenzfabrik.H2 gehört effizienteren, hochratenfähigen Prozessen zur Herstellung dieser Bipolarplatten. Mithilfe der neu entwickelten Walztechnologie beispielsweise wird die Struktur der Bipolarplatte durch ein Walzenpaar geprägt. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens sei die hohe Prozessgeschwindigkeit, die zu einer deutlichen Steigerung der Stückzahlen führe, Skaleneffekte erzeuge und schließlich zu einer deutlichen Reduktion der Kosten beitrage.

Zur Herstellung einer Bipolarplatte können aber auch verschiedene Verfahren miteinander kombiniert werden, wie es weiter heißt. Und wenn eine besonders hohe Präzision der Prägung erzielt werden muss, ist ein getakteter Umformpress sinnvoll. Der hybride Umformprozess kombiniert dazu die Vorteile beider Verfahren, wobei die Maschinentechnik flexibel an die erforderlichen Geometrien und Fertigungstoleranzen angepasst werden kann, sodass sich wirtschaftliche Vorteile ergeben.

Inkjet-Druck appliziert Platin- und Iridiumpartikel

Auch die Weiterentwicklung der Inkjet-Drucktechnik und daran anschließend die Entwicklung einer Anlagentechnik für die wirtschaftliche Herstellung von CCM und MEA in großen Stückzahlen nimmt die Referenzfabrik.H2 in den Blick. Insbesondere Verfahren zur Beschichtung und nachfolgende Prozesse spielten eine Hauptrolle. Die Fraunhofer-Forscher setzen dazu beispielsweise auf das innovative Inkjet-Druckverfahren. Damit können nämlich Platin- und Iridiumpartikel präzise portioniert und positioniert werden. Der Clou ist, dass die Viskosität der Druckertinte so eingestellt ist, dass der Druckkopf nicht verstopft und die Membran dennoch nicht aufquellen kann, wie die Experten betonen.

Außer effizienteren Produktionsprozessen konzentriert man sich auch auf industrielle Partner mit Blick auf CCM und MEA. Und zwar auf die Qualität, die großen Einfluss auf Effizienz und Haltbarkeit von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen hat.

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