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Hochskalierte Brennstoffzellen-Fertigung: Von der Handarbeit zur Massenproduktion

Mittlerweile ist auch der breiten Öffentlichkeit bewusst, dass ein „Weiter so“ bei der Verbrennung fossiler Energieträger immer stärker in eine Klimakrise führen wird. Doch die schwankende Energieproduktion der wesentlichen regenerativer Quellen (Windenergie, Solarenergie) erfordern Maßnahmen, Versorgungslücken aufzufüllen.

Eine vielversprechende Möglichkeit für eine auch länger andauernde (Tage, Wochen) Speicherung der volatilen Energie aus erneuerbaren Quellen ist Wasserstoff. Dieser Energieträger kann mit einem einfachen Prinzip (Elektrolyse) hergestellt werden. In Form von Druckgas oder verflüssigt als tiefkalter Wasserstoff kann die gespeicherte Energie längere Zeit gelagert und transportiert werden. Die Rückumwandlung erfolgt in Brennstoffzellen oder der Wasserstoff wird für chemische Prozesse (Raffinerien, Stahlherstellung, Düngemittelproduktion) genutzt.

Herausforderung: Die Kosten müssen runter - Skalierung der Fertigung

Diese altbekannte, jedoch teure Form der Energiespeicherung (Elektrolyse -> Power-to-Gas, PtL) und Energieerzeugung (Brennstoffzellen-Stack) wurde in der Vergangenheit nie zu einer industriellen Serienreife weiter entwickelt. Die fossilen Energieträger mit ihrem im Vergleich geringen Preis verhinderten diese Entwicklung. Nur die Alkalielektrolyse hat zur Herstellung von in der chemischen Industrie benötigtem Wasserstoff einen nennenswerten MRL (Manufacturing Readiness Level) erreicht - zum Beispiel von der Firma Thyssenkrupp Nucera.

Das Kernstück einer Brennstoffzelle ist die beidseitig beschichtete Membrane, die den Wasserstoff vom Sauerstoff getrennt hält und den Protonen-Austausch ermöglicht. Um diesen Austausch möglichst effizient zu gestalten, sind solche Membranen sehr dünn und damit mechanisch instabil. Eine als „Subgasket (Subframe)“ bezeichnete Dichtung stabilisiert die CCM (Catalyst Coated Membrane) und bewirkt gleichzeitig die elektrische Isolation zwischen den beiden Halbzellen. Bislang wird diese als MEA (Membranelektrodeneinheit) bezeichnete Einheit üblicherweise in einem langsamen Stapelprozess in manufakturhafter Produktion hergestellt.

Um die Wasserstofftechnologie zukünftig wettbewerbsfähiger zu machen, muss noch an vielen Stellschrauben gedreht werden. Eine wichtige ist die automatisierte und hochskalierte Produktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellenstacks.


Beispielhafte Projekte in Deutschland, die sich mit der Skalierung befassen:

HyFab - Forschungsfabrik für Wasserstoff und Brennstoffzellen am ZSW

2019 startete das Projektnbsp;HyFab (Forschungsfabrik für Wasserstoff und Brennstoffzellen). Dieses vom ZSW und Fraunhofer ISE geleitete Projekt (Kontakt: Dipl.-Ing. (FH) Frank Häußler) hat inzwischen zusammen mit den Projektpartnern eine automatisierte Fertigungslinie für Membranelektrodeneinheiten (MEA) aufgebaut. Erklärtes Ziel ist die Steigerung der Produktionsrate und die Senkung der Kosten durch die Economy of Scale und die signifikante Reduktion von Fertigungsmängeln.

Die Firma Optima, bekannt für ihre Automatisierungstechnik in der Verpackungsindustrie, steuert die Anlagentechnik bei, die in Bälde in der Forschungsfabrik HyFabnbsp;auf dem Gelände des ZSW aufgestellt werden wird.

Mit Hilfe der Automatisierungsstrecke soll ab diesem Jahr erforscht werden, welche Fertigungsverfahren und Materialien eine optimierte Membranelektrodeneinheit-Produktion mit kurzen Taktzeiten ermöglicht. Es geht vorrangig also um eine Prozessoptimierung.

Ende Februar 2022 kam mit HyFaB-2 als logische Konsequenz ein weiteres Gebäude dazu, in der eine Modellfabrik für die Montage von Brennstoffzellenstacks aufgebaut wird.

Das Projekt „Innovative, skalierbare Brennstoffzellenproduktion „i-skaB“

Dieses vom NOW-Förderprogramm geförderte Projekt (sieben Projektpartner: Thyssen Automation, ZBT Duisburg, Fraunhofer, BMW, Laufenberg, Siemens und SK Laser) verfolgt einen ähnlichen Ansatz, fokussiert sich jedoch stärker auf den Gesamtprozess der automatisierten Herstellung ganzer Stacks, also die Kombination aus MEA, GDL, Bipolarplatten usw.

Die Projektpartner (Kontakt: Dr. Marcus Gebhard) erwarten eine deutliche Erhöhung der Ausbringungsrate. Denn erst bei einer signifikanten Vervielfachung der Ausbringungsrate sind die angestrebten (wirtschaftlichen) Ziele einer auf Wasserstoff basierenden Energiewirtschaft überhaupt erreichbar. Zudem ist nur durch eine weitgehend automatisierte Produktion die benötigte Qualität und Betriebssicherheit erreichbar. In industriellen Serienfertigungsprozessen können in jeder Fertigungsstufe Maßnahmen zur Qualitätsüberprüfung eingeplant werden und so bei Abweichungen frühzeitig eingegriffen werden. Heutige, in Handmanufaktur hergestellte Brennstoffzellen haben eine zu hohe Ausschussrate. Häufig werden Mängel oft erst am Ende des Fertigungsprozesses festgestellt – also dann, wenn die gesamte Wertschöpfung des Fertigungsprozesses bereits in dem Brennstoffzellen-Stack steckt.

Nicht die zugrundeliegende Technologie der Brennstoffzelle oder der Elektrolysezelle sind die Hürden, die eine breite Einführung der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger entgegensteht. Vielmehr ist es die fehlende Produktionstechnik, die dann auch den sehr wichtigen Kostenvorteil einer Economy of Scale mit sich bringt.

Die beiden Projekte HyFab und i-skaB stehen jedoch nur stellvertretend für zahlreiche Entwicklungen, die zurzeit mit und ohne staatliche Förderung in etlichen Unternehmen und Forschungseinrichtungen verfolgt werden. Beispiele dafür sind Firmen wie Freudenberg und Schäffler, aber auch Forschungseinrichtungen wie das ZBT (Zentrum für Brennstoffzellenforschung; Kontakt: Dr.-Ing. Volker Peinecke) oder das PEM an der RWTH Aachen mit dem Projekt „FCPP“ (Fuel Cell Performance Production; Kontakt: Niels Hinrichs).

Wer als erster eine funktionierende und kostendeckende Produktion von PEM-Elektrolyseuren und PEM-Brennstoffzellen in Betrieb nehmen kann, wird auch als Erster die Kunden beliefern können, die einen großen Stückzahlbedarf haben.

Eine gute Übersicht über geförderte Forschungsprojekte im Bereich Wasserstoff/Brennstoffzellen findet man auf der Webseite der NOW-GmbH (Nationale Organisation Wasserstoff). Dazu gehören auch BI-FIT (Erstkonditionierung von Brennstoffzellen), GroProBiP (großvolumige Produktion von Bipolarplatten) und OREO (Übersichtsforschung für die Beschichtungsprozesse der Elektroden). https://www.now-gmbh.de/foerderung/foerderprogramme/wasserstoff-und-brennstoffzelle/forschung-entwicklung-im-nip/