Industrielle Massenproduktion: Referenzfabrik.H2 bringt Serienreife von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren voran

© Fraunhofer ENASChemnitz - Damit grüner Wasserstoff konkurrenzfähig wird, müssen Elektrolyseure und Brennstoffzellen preiswerter werden. Grundlage für sinkende Investitionskosten ist eine stärkere Automatisierung und eine Produktion im industriellen Maßstab. Lösungsansätze zu diesem Thema werden auf der diesjährigen Hannover-Messe vorgestellt.

In Elektrolyseuren und Brennstoffzellen bilden mehrere gestapelte, in Serie geschaltete Zellen einen Stack. Für den Stack steht nun ein neuer Designbaukasten zur Verfügung, aus dem maßgeschneiderte Zelldesigns abgeleitet werden können. Auf der diesjährigen Hannover Messe präsentieren die drei Fraunhofer-Institute IWU, ENAS und IPT ihre neuesten Forschungsergebnisse aus der Referenzfabrik.H2 zur Fertigung von Stacks.

Zelldesigns neu im Technologiebaukasten
Die auf der Hannover Messe 2022 vorgestellte und prämiert Referenzfabrik.H2 hat sich das Ziel gesetzt, Schrittmacher für die industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen zu sein. Auf diesem Weg sind die beteiligten Fraunhofer-Institute IWU, ENAS und IPT bereits ein gutes Stück vorangekommen. Die Fortschritte demonstrieren die drei Einrichtungen auch auf der diesjährigen Hannover Messe (17. - 21. April 2023).

Wesentliches Element der aktuellen Entwicklungen ist der Aufbau eines Technologiebaukastens mit verschiedenen Verfahrensvarianten, die für die Herstellung von Wasserstoffsystem-Komponenten eigens geschaffen oder optimiert wurden. Neu in diesem Technologiebaukasten ist ein Stack, der beispielhaft ein neuartiges, aus dem Designbaukasten abgeleitetes Zelldesign umsetzt.

Einen aktuellen Forschungsschwerpunkt in der Referenzfabrik.H2 bilden vor diesem Hintergrund effiziente, hochratenfähige Prozesse zur Herstellung von Bipolarplatten. In der neu entwickelten Walztechnologie beispielsweise wird die Struktur von Bipolarplatten durch ein Walzenpaar geprägt. Hauptvorteil dieses Verfahrens ist nach Angaben von Fraunhofer IWU die hohe Prozessgeschwindigkeit, die zu einer substanziellen Steigerung der Stückzahlausbringung, Skaleneffekten und schließlich zu einer deutlichen Reduktion der Kosten führt.

Auch die Weiterentwicklung der Inkjet-Drucktechnologie und daran anschließend die Entwicklung einer Anlagentechnologie für die wirtschaftliche Herstellung von CCM (Catalyst Coated Membrane, in Elektrolyseuren) und MEA (Membran-Elektroden-Einheit, in Brennstoffzellensystemen) in großen Stückzahlen nimmt die Referenzfabrik.H2 in den Blick. Dabei stehen insbesondere Verfahren zur Beschichtung und nachfolgende Prozesse im Fokus. Bei dem innovativen Inkjet-Druckverfahren kann z.B. der Auftrag von Platin- und Iridium-Partikeln präzise portioniert und positioniert werden.

Neben effizienten Produktionsprozessen konzentrieren sich Forschende und industrielle Partner bei CCM und MEA auf die Qualität, die großen Einfluss auf Effizienz und Haltbarkeit von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen hat.

Skalierbare Prozesse im Fokus
Stückzahlskalierbare Produktionslösungen und Prozessketten sind für den erfolgreichen Markthochlauf von Elektrolyseur und Brennstoffzelle entscheidend. Insbesondere bei den Brennstoffzellen stellt der jeweilige Einsatzbereich unterschiedliche Anforderungen an Robustheit und Lebensdauer. Produktionsprozesse müssen dies berücksichtigen und entsprechend anpassbar sein. Die Erstellung und Erprobung seriennaher Prototypen für diese Prozesse ist dabei ein wichtiger Schritt zur Beurteilung ihrer Skalierbarkeit. Die in der Referenzfabrik.H2 entwickelten Maschinenkonzepte eigenen sich aus diesem Grund auch zur Herstellung kleinerer Stückzahlen. Flexibilität hinsichtlich der Zelldesigns und der Zellchemie sei wichtig, um sowohl Kleinserien als auch große Stückzahlen fertigen zu können, so das Fraunhofer IWU.