Erforschung von Technologien zur Qualitätskontrolle in der Herstellung von neuartigen Hydrocarbon-basierten Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen – Ein HyFaB-Projekt (DirectStack2Scale)

Im Projekt ersetzt der Einsatz neuer fluorfreier Ionomere und Membranen, auf der Basis von Hydrocarbon- (HC)-Polymeren, die herkömmlicherweise verwendeten perfluorinierten Sulfonsäure-Polymeren (PFSA). Dies ermöglicht den besonders für Heavy-Duty-Brennstoffzellen so wichtigen Hochtemperaturbetrieb bei T > 100 °C. Dadurch können höhere Leistungen und Stabilitäten im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden. Daneben ist die Produktion der HC-Ausgangsmaterialien einfacher skalierbar und weniger umweltschädlich als die der fluorhaltigen PFSA- Polymere.

Der Ansatz der Direktbeschichtung direkt auf eine Membran ist eine zum Stand-der-Technik vereinfachte Herstellungsmethode für MEAs, die eine Kostenreduktion dieses Kernbauteils in Aussicht stellt. Im Projekt DirectStack wurde die industrielle Machbarkeit des Ansatzes auf einer Technikumsanlage erfolgreich demonstriert mit konventionellen PFSA-Materialien. Nun soll der Rolle-zu-Rolle-Herstellungsprozess zunächst auf einer Technikumsanlage an die Eigenschaften von Hydrocarbon-MEAs angepasst werden. Bis Projektende soll mit den im Technikum hergestellten MEAs eine kompetitive Leistung von > 2.2 A/cm² bei 0.65 V Zellspannung erreicht werden.

Wesentlicher Projektinhalt ist die Entwicklung und geeigneter, qualitätssichernder Maßnahmen zur Anwendung in der Herstellung von HC-MEAs durch Direktbeschichtung, die den Anforderungen Nutzfahrzeug-Zulieferer-Industrie entsprechen. Im Projekt werden bereits etablierte qualitätssichernde Maßnahmen wie Flächengewichtsmessungen und Spurkontrolle um moderne In-Line-Analysemethoden wie Röntgenfluoreszenz (XRF) und Hochauflösungskameras ergänzt.

Die Projektziele zur Beschichtungstechnologie und QC sind generisch für Herstellung von MEA- oder CCMs aus HC-Polymeren – daher ist im Projekt ein hohes Maß an Spill-Over-Effekten zur Herstellung von MEAs für Elektrolyseanwendungen gegeben.

Projektziele

Erstellung eines Katalogs mit klassifizierten detektierbaren Fehlerbildern und deren minimaler und maximaler detektierbarer Ausprägung
Bewertung des Einflusses von Fehlerart und -Ausprägung auf die Leistung und Lebensdauer der Brennstoffzelle
Evaluation von skalierbaren Herstellungsrouten für Hydrocarbon-basierte Brennstoffzellen-MEAs
Etablierung von QC-Routinen für die neuartigen MEAs auf Hydrocarbon-Polymerbasis
Aufbau eines integrierten QC-Workflows für die vollumfängliche und vernetzte Prozesskontrolle entlang der Beschichtung
Simulative Beschreibung des Leistungs- und Degradationsverhaltens von HC-MEAs

Assoziierte Partner

EKPO Fuel Cell Technologies GmbH | Max-Eyth-Straße 2, 72581 Dettingen an der Erms