Man muß nicht alles wissen, nur, wo es steht

Auf dem Weg zu konkurrenzfähigen Brennstoffzellen

Die Speicherung grosser Energiemengen ist seit Beginn der Industrialisierung eine der grössten Herausforderungen. Abhilfe verspricht die vergleichsweise schon „alte“ Technik der Elektrolyse und Brennstoffzelle mit dem Energiespeicher „Wasserstoff“ dazwischen. Doch auch hier gibt es erhebliche Herausforderungen auf dem Weg zu einer ökologisch und ökonomisch vertretbaren Lösung. Insbesondere muß die Kostenstruktur der regenerativen Wasserstoff-Wirtschaft durch Scale-Up und Speed-Up an die Kosten anderer Energieträger angepasst werden.

Initiiert wurde das seit wenigen Jahren ansteigende Interesse an der Wasserstoff-Technik vor allem durch die CO2-Ziele zum Schutz vor der Klimaerwärmung. Ziel ist der Verzicht auf fossile Brennstoffe, die durch deren Nutzung unwiederbringlich aufgebraucht werden. Nur eine nachhaltige Energieerzeugung (u.a. mittels Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft) kann langfristig die Lösung sein. Doch Energieerzeugung und Energieverbrauch sind geographisch und zeitlich zueinander verschoben. Es bedarf also eines Energieträgers, der speicherbar und transportabel ist. Eine Lösung ist der Wasserstoff und daraus hergestellte Produkte wie synthetisches Methan oder Ethanol.

Neben einer noch vergleichsweise teuren Chemie für die Katalysatoren (u.a. Platin), einer fehlenden Infrastruktur für Transport und Lagerung sind die Herstellkosten ein Ansatzpunkt für die Kostenreduktion. Denn bislang ist die Wasserstofftechnik in den allermeisten Fällen deutlich teurer wie Lösungen mit fossilen Energieträgern. Ein Grund dafür ist der Vorsprung an Fertigungskompetenz bei solchen, bereits lange im Einsatz befindlichen Techniken sowie die noch fehlende Fertigungskapazität.

Bislang werden die einzelnen Bestandteile eines Stacks (Bipolarplatten BBP, Gasdiffusionslayer GDL und Membran-Elektroden-Einheit MEA mit der Catalyst Coated Membrane CCM) mehr oder weniger händisch bzw. sehr langsam arbeitend teilautomatisiert zusammengeführt. Große Stückzahlen sind auf diese Weise nicht zu erzielen, obwohl die Hersteller der Einzelkomponenten bereits wesentlich größere Stückzahlen liefern könnten.

Dies haben neben der Industrie auch die deutschen (NIP2) und europäischen Forschungsminister erkannt und geförderte Projekte ins Leben gerufen. Neben „HyFAB“, an dem das ZSW Stuttgart beteiligt ist, hat auch „Fit-4-AMandA“ das Ziel, eine massenfertigungstaugliche Anlage aufzubauen. Proton Motor Fuel Cell und Aumann Anlagenbau sind die beiden Hauptindustriepartner zusammen mit IRD Fuel Cells als Lieferant der Stackkomponenten. Auch das Projekt „AutoStack-CORE“ mit Partnern wie Powercell Sweden, Freudenberg Vliesstoffe, Volvo, Volkswagen, dem Stackhersteller Symbio und dem MEA-Hersteller Greenarity ist dabei, Zuverlässigkeit, Preiswürdigkeit und Fertigbarkeit von Brennstoffzellen speziell für den automobilen Bereich zu optimieren. Unterhalb des Leuchturmprogramms "Horizon 2020" ist das Progekt "MMAM-MEA" noch zu nennen, Forschungspartner wie das Fraunhofer ENAS und die Universität Unimore entwickeln zusammen mit Johnson Matthey und Nedstack Möglichkeiten zur massenhaften Fertigung von MEA`s.

In allen Projekten ist die Herausforderung, die sequenzielle Zusammenführung der Einzelkomponenten eines Stacks zu beschleunigen. Ähnlich der Fertigung von Pouch-Zellen bei den Lithium Ionen Batterien werden Verfahren gesucht, die eine exakte Positionierung zueinander garantieren bei gleichzeitig hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit. Schließlich können in größeren Stacks durchaus 100 - >200 gestapelte Einzelzellen enthalten sein.

Neben der automatisierten Fertigung mit einer angestrebten deutlichen Reduktion der Fertigungskosten ist es auch ein Ziel, den Anteil an Abfall und Nacharbeit gegen Null zu drücken. Prüfarbeiten und Funktionstests können ebenfalls automatisiert werden. Insgesamt sollen so die Taktzeiten pro Stapel soweit gesenkt werden, dass keine massive Parallelproduktion mit mehreren Fertigungsstrassen notwendig ist.

Auf dem Weg zu diesem Ziel müssen viele Verfahrensschritte erprobt werden, denn auch die Vielzahl der möglichen Lösungen ist enorm. So kann alleine schon die Befestigung der CCM in dem Subgasket-Rahmen auf unterschiedlichste Weise erfolgen. Das geht bei angespritzten Kunststoffrahmen los. Auch kann die Membrane bei gedruckten Katalysatorbeschichtungen über die beschichtete Fläche hinausragenden (problematisch, da Protonenaustauschmembranen sehr dünn sind). Am Naheliegensten sind hauchdünnen Klebefolien, die gleichzeitig als Dichtung und mechanische Befestigung dienen. Und selbst auf dieser unteren Fertigungsebene können wärmesiegelnde oder permanent haftende Kleber eingesetzt werden, die die Taktzeit beeinflussen. Allgemein habt solch ein Verfahren den Vorteil, dass es eine Herstellung im Rollenverfahren möglich macht und von Rolle-zu-Bauteil verarbeitet werden kann (der Vergleich mit der Lithium-Ionen-Batterie drängt sich wieder auf).

Insgesamt ist die Forschungsgemeinde (Universitäten wie KIT, RWTH Aachen, mehrere Fraunhofer-Institute, das ZBT Duisburg und ZSW Stuttgart und Helmholtz-Einrichtungen) sowie die Anlagenbauer im VDMA an vielen Stellen dabei, diese neue Technologie zur kostengünstigen Serienreife zu entwickeln. Bleibt zu hoffen, dass der Wasserstofftechnik das Schicksal von Solarenergie und Windkraftindustrie erspart und die Wertschöpfung nach der Forschungsarbeit in Deutschland bleibt.

© 03/2020 Gerald Friederici