eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) die mit hilfe von zwei Pinzetten auseinandergebaut wird, stilistisch wird in einem Ausschnitt die Molekülstruktur vergrößert dargestellt

Membran-Elektroden-Einheiten

Die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bildet das Herzstück sowohl von Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen als auch von PEM-Elektrolyseuren. In ihr findet bei Brennstoffzellen die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie statt, während in Elektrolyseuren elektrische Energie genutzt wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten.

Um diesen Umwandlungs- bzw. Stromerzeugungsprozess möglichst leistungsstark und alterungsstabil gestalten zu können, bedarf es gezielter Forschung an den einzelnen Komponenten und Verbundstrukturen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen untereinander. Insbesondere bei der Herstellung und Übertragung von Katalysatorschichten auf die Membran gibt es eine Vielzahl möglicher Fertigungsschritte, von denen jeder seine eigene Parametermatrix aufspannt. Wir legen Wert auf die Skalierbarkeit vom Labormaßstab bis hin zur Rolle-zu-Rolle Fertigung und berücksichtigen so auch kosteneffiziente Fertigungsstrategien von Anfang an.

Arbeitsbereiche

Unsere Arbeitsschwerpunkte umfassen die elektrochemische Analyse von Vorgängen in Brennstoffzellen und Elektrolysesystemen sowie die physikalisch-chemische Charakterisierung der jeweiligen Komponenten. Dazu gehören Katalysatoren, Polymere, Membranen und Gasdiffusionsschichten (GDS).

Ein weiterer Fokus liegt auf der Entwicklung und Optimierung von Fertigungstechnologien, darunter die Herstellung von Katalysator-Dispersionen, elektrokatalytisch aktiven Elektrodenschichten und katalysatorbeschichteten Membranen (CCM) sowie kompletten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) für Brennstoffzellen und Elektrolyseanwendungen.

Durch die Identifizierung schädigender Nebenreaktionen an Membranen und Elektroden tragen wir dazu bei, die Energieumwandlungsprozesse effizienter zu gestalten und die Degradation von Komponenten zu minimieren.

Wissenschaftlerin durch einen Teststand hindurch fotografiert

Beschichtungsverfahren und CCM-Herstellung

Wir optimieren kontinuierlich unsere Beschichtungstechnologien, insbesondere Dispersionen und Dispersionsverfahren, um sie perfekt an verschiedene Beschichtungsverfahren anzupassen. Die Qualität und Funktionalität der Schichten überprüfen wir durch Leistungskurven, die an unseren Brennstoffzellen-Testständen dokumentiert werden.

Unsere Abteilung nutzt modernste Technologien wie eine Ultraschall-Beschichtungseinheit mit beheizbarem Vakuumtisch, ein Inkjet-System und eine Heißpresse. Damit realisieren wir sowohl indirekte Beschichtungen auf Substraten (I_CCM) als auch direkte Beschichtungen auf PFSA-Membranen (D_CCM). Die Heißpresse ermöglicht zudem die Laminierung von Elektroden auf Membranen und die Herstellung randverstärkter Membranen.

Schlüsseltechnologien:

Beschichtungsverfahren: Ultraschallsprühen, Rakeln, Inkjet
Laminierung: Heißpressen unter kontrollierten Bedingungen
Analyse: 3D-Messtechnik für präzise Schichtbewertungen

Dispersionsentwicklung für funktionale Schichten

Eine stabile Katalysator-Dispersion ist die Basis für die Fertigung von Catalyst Coated Membranes (CCM) und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA). Wir verfügen über umfassende Erfahrung in der Herstellung von Dispersionen für Elektroden, sowohl anoden- als auch kathodenseitig.

Zur Dispergierung nutzen wir Ultraschallbäder, Sonotroden und Scherkraftdispergierer (z. B. Kinematica Polytron, Sugino). Für die Analyse der Dispersionen stehen Geräte zur Messung der Partikelgröße, des Zeta-Potentials und der Viskosität bereit. Gemeinsam mit der Universität Duisburg-Essen ermöglichen Dispersions-Transmissions-Daten und eine Sedimentations-Zentrifuge zusätzliche präzise Analysen.

Technologien und Analyse:

Dispergierverfahren: Ultraschallbad, Sonotrode, Scherkraftdispergierer
Analyse: Partikelgröße, Zeta-Potential, Viskosität, Sedimentation/Zentrifuge

Vollautomatisierte In-Situ-Tests für PEM-MEAs

Der finale Performance-Test im Brennstoffzellenbetrieb ist ein entscheidender Schritt in der Schichtentwicklung. Nur durch umfassende in-situ-Tests unter individuell konfigurierbaren Bedingungen lassen sich zuverlässige Rückschlüsse auf die Material- und Herstellungsparameter von CCMs und MEAs ziehen.

Hierfür stehen vollautomatisierte Einzelzellen-Prüfstände bereit, die präzise Tests bis 120 A ermöglichen. Programmierbare Prüfprotokolle, wie Inbetriebnahme-Tests, beschleunigte Alterung oder Sensitivitätsanalysen, gewährleisten fundierte Ergebnisse. Ergänzend kommen fortschrittliche Messmethoden wie EIS (Elektrochemische Impedanzspektroskopie), CV (Zyklovoltammetrie), HFR (High-Frequency-Resistance) und H2-Permeationsmessungen zum Einsatz.

Leistungsmerkmale:

Individuelle Prüfprotokolle: Aktivierung, Alterungsanalysen, Performance-Tests
Messmethoden: EIS, CV, HFR, H2-Permeation
Vollautomatisierte Tests: Für CCMs und PEM-MEAs bis 120 A

Charakterisierung von MEA-Komponenten

Die Qualität der Ausgangsmaterialien, wie Rohstoffe und Halbzeuge, ist eine entscheidende Grundlage für die Entwicklung leistungsstarker MEA-Produkte. Am ZBT nutzen wir ein umfassendes Portfolio an Methoden, das neben der Charakterisierung einzelner Komponenten auch elektrochemische Analytik und Material-Screening umfasst. Dieses Portfolio wurde in zahlreichen Projekten entwickelt, getestet und erfolgreich optimiert.

Gerne testen wir für Sie im Rahmen von Aufträgen oder im Kontext der gemeinsamen Technologieentwicklung Ihre Komponenten. Nehmen Sie hierzu gerne Kontakt zu uns auf – wir unterstützen Sie mit unserer Expertise!

Abteilungsleiter Elektrochemische Komponenten

Dr. Volker Peinecke

Elektrochemische Komponenten

+49 203 7598-3120

v.peinecke@zbt.de