FCPP

 

PEM forscht an effizienterem Produktionsprozess für Brennstoffzellen

Montage einer Brennstoffzelle Urheberrecht: © PEM RWTH Aachen

Der Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen und Partner aus Wissenschaft und Industrie forschen im Projekt „FCPP“ an preiswerteren Produktionsprozessen für Brennstoffzellen. Hintergrund des Vorhabens ist, dass die Lebensdauer im Verbund mit vergleichsweise hohen Kosten von Brennstoffzellen derzeit ihre Marktdurchdringung hemmen. Die hohen Preise werden bisher maßgeblich durch die Herstellungskosten bestimmt und sind auf teure sowie nicht für die Massenproduktion entwickelte Fertigungstechnologien zurückzuführen. Die hohen Gesamtkosten der Brennstoffzelle sind somit einerseits auf nicht genutzte Skaleneffekte und andererseits auf teure Produktionsprozesse zurückzuführen.

Direkte Beschichtung bislang nicht möglich

Als wesentlicher Kostentreiber gilt dabei der Beschichtungsprozess der Polymerelektrolytmembran. Diese „Catalyst Coated Membrane“ (CCM) kann in der Großserienproduktion ausschließlich mit Hilfe eines Supportmaterials hergestellt werden. Bei der zugrunde liegenden Decal-Methode wird der für die Gesamtreaktion der Brennstoffzelle notwendige Katalysator zunächst auf eine PTFE-Folie – auch „Decal-Folie“ genannt – aufgebracht und anschließend per Heißpressverfahren auf die Polymerelektrolytmembran übertragen. Eine direkte Beschichtung der Polymerelektrolytmembran ist nicht möglich, da sie bei Kontakt mit der noch feuchten Katalysatortinte beschädigt werden kann. Die Verwendung der Decal-Folie als Supportmaterial ist nicht wertschöpfend und verursacht Kosten-, Anlagen- sowie Materialaufwände, die sich vermeiden lassen sollten.

Neue Methode soll weniger Material und Zeit benötigen

Im Forschungsprojekt „Fuel Cell Performance Production“ (FCPP) soll die Decal-Methode zugunsten einer kostengünstigeren und ressourceneffizienteren Produktion durch ein direktes Beschichtungsverfahren ersetzt werden. Für produzierende Unternehmen bedeutet die erfolgreiche Umsetzung dieses Vorhabens einen verminderten Materialeinsatz, ein geringeres gebundenes Kapital sowie eine reduzierte Prozesszeit. Die Innovation des direkten Beschichtungsverfahrens liegt in der Beschichtungstechnologie selbst begründet. Der Übertrag des Katalysators erfolgt anstelle der Decal-Folie über ein mit PTFE beschichtetes Zwischenelement. Vom Materialauftrag auf das Zwischenelement bis hin zum Übertrag auf die Membran wird die feuchte Katalysatortinte auf einen Trocknungsgrad gebracht, der eine beschädigungsfreie Beschichtung der Membran ermöglicht. Als zweiter Kostentreiber gilt die automatiserte Stackmontage sowie das Verpressen und die anschließende Qualitätssicherung der Brennstoffzellenstapel. Um Hochgeschwindigkeits-Stapelprozesse zu ermöglichen, sollen im Rahmen des Projekts die Wechselwirkungen zwischen Brennstoffzellenstapel-Design und Hochgeschwindigkeits-Stapelprozessen erforscht werden. Außerdem ist die Entwicklung eines vollautomatisierten Prozesses zur schnellen Charakterisierung des Alterungsverhaltens der produzierten Brennstoffzellen vorgesehen.

Wasserstoff-Fahrzeuge punkten mit skalierbarer Reichweite

Wasserstoff als alternativem Energieträger wird das Potenzial zugesprochen, eine saubere Lösung für die Mobilität der Zukunft zu werden. Antriebskonzepte mit Brennstoffzellensystemen bieten neben lokaler Emissionsfreiheit den Vorteil einer mit der Tankgröße skalierbaren Reichweite. Außerdem liegt die Zeit zur Betankung für mehrere 100 Kilometer Reichweite im unteren Minutenbereich.

Kontakt

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Das Projekt

  • „FCPP“: Fuel Cell Performance Production

Forschungsziele

  • Entwicklung und prototypischer Aufbau der notwendigen Anlagentechnologie
  • Validierung der Anlage durch Erprobung einzeln montierter Brennstoffzellen
  • Produktion kleiner Mengen von Polymerelektrolytmembranen, Montage zu prototypischen Einzelzellen sowie Prüfung auf Leistungsfähigkeit, Wirkungsgrad und Lebensdauer
  • Verschaltung mehrerer Einzelzellen zu Stacks und anschließende Validierung

Forschungs- und Projektpartner

PEM der RWTH Aachen (Projektkoordinator)
Lehrstuhl für Thermodynamik mobiler Energiewandlungssysteme (tme) (RWTH Aachen)
FEV Europe GmbH
Laufenberg GmbH
WätaS Wärmetauscher Sachsen GmbH
Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH
OLBRICH GmbH (assoziierter Partner)

Laufzeit

  • 01.10.2021 bis 30.09.2024

Projektträger

Projektträger Jülich (PtJ)

Förderkennzeichen

  • 03EN5013A

Zuwendungsgeber

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)