Smarte digitale Produktion

MAMA-MEA – Massenproduktion von MEAs durch schnelle Druck- und Beschichtungsprozesse#

Abb. 1: Ersatz von etablierten Prozessen durch additive Fertigungsschritte.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 1: Ersatz von etablierten Prozessen durch additive Fertigungsschritte.
Abb. 2: Ablauf der Zusammenarbeit der Partner im Projekt MAMA-MEA.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 2: Ablauf der Zusammenarbeit der Partner im Projekt MAMA-MEA.

Eine MEA (Membran-Elektroden-Einheit/Assembly) ist die Kernkomponente für die chemische Reaktion innerhalb von Niedertemperatur Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM-BZ). Die MEA enthält katalytische Bestandteile, die Wasserstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufspalten. Die Protonen rekombinieren mit Sauerstoff zu Wasser, während die Elektronen einen Stromkreislauf antreiben. Die PEM-BZ wird z. B. zum Antrieb von Fahrzeugen genutzt.

Für den Antrieb eines Personenkraftwagens wird ein Stapel von etwa 400 BZ verwendet, die 110 kW Leistung erzeugen. Die aktive PEM-Fläche eines Stacks zum Betrieb eines Autos beträgt etwa 30 m². Für die Herstellung von nur 1000 Autos werden 30 000 m² MEA benötigt – eine Größe, die fünf Fußballfeldern entspricht. Um solch große Flächen funktionaler MEAs zu produzieren, ist ein effektiver Fertigungsansatz erforderlich. MAMA-MEA wird von »The Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking« (FCH JU und dem Forschungs- und Innovationsprogramm »Horizon2020« der Europäischen Union (GA Nr. 779591) finanziert. Die Partner Informatics Energy Automation (INEA), Johnson Matthey Fuel Cells Ltd. (JMFC), Nedstack Fuel Cell Technology B.V. (NFCT), System S.p.A., TU Chemnitz (TUC), Universitá degli Studi di Mondena e Reggio Emilia (UNIMORE) und Fraunhofer ENAS begannen 2018 damit, bestehende Druck- und Beschichtungstechnologien auf ihr Potenzial für die Massenfertigung von MEAs zu evaluieren. Durch den Einsatz der Drucktechnologie kann auch der Fertigungsablauf verändert werden, so dass mit höherem Durchsatz produziert wird. Zur schnellen Erzeugung großer Flächen homogener Funktionsschichten wird Schlitzdüsen-Beschichtung eingesetzt. Als weitere Technologie ist der Inkjet-Druck, mit den Vorteilen der digitalen Ansteuerung und der Kontaktfreiheit, Gegenstand der Forschung. Das Fraunhofer ENAS trägt mit Erfahrungen und Maschinen im Inkjet-Druck bei.