Herstellungsverfahren

Beschichtungsverfahren spielen eine entscheidende Rolle in der Fertigung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und metallischen Bipolarplatten. Hochpräzise Applikationstechnologien gewährleisten eine homogene Materialverteilung und optimieren die elektrochemische Leistung der Brennstoffzelle.

Ein wichtiger Ansatz ist die Catalyst-Coated Membrane (CCM)-Herstellung mittels iCCM (indirektes CCM) und dCCM (direktes CCM). Während beim iCCM-Verfahren der Katalysator zunächst auf ein Trägermaterial aufgebracht und anschließend auf die Membran übertragen wird, erfolgt die Applikation beim dCCM-Verfahren direkt auf die Membran. Beide Methoden erfordern hochpräzise Beschichtungsverfahren, um eine gleichmäßige Katalysatorverteilung sicherzustellen und Materialverluste zu minimieren.

Neben der CCM-Fertigung spielt auch die Beschichtung metallischer Bipolarplatten eine zentrale Rolle. Diese Beschichtungen verbessern die elektrische Leitfähigkeit, erhöhen die Korrosionsbeständigkeit und senken den Kontaktwiderstand zwischen den Komponenten. Die Wahl des Beschichtungsverfahrens hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, wobei PVD (Physical Vapor Deposition), ALD (Atomic Layer Deposition) und galvanische Verfahren weit verbreitet sind.

Die kontinuierliche Optimierung dieser Prozesse ist essenziell, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Brennstoffzellensystemen weiter zu steigern und deren industrielle Produktion effizient zu gestalten.

Die Entwicklung und Herstellung maßgeschneiderter Katalysator- und Funktionsschichten für Brennstoffzellen erfordert eine präzise formulierte Dispersionsherstellung. Dabei werden Aktivmaterialien, Bindemittel und Lösungsmittel gezielt gemischt, um eine homogene Suspension mit optimalen Eigenschaften für den Beschichtungsprozess zu erzeugen. Die Wahl der Komponenten beeinflusst maßgeblich die elektrochemische Aktivität, die mechanische Stabilität und die Haltbarkeit der Schichten.

Ein zentraler Aspekt ist die Anpassung der Dispersion an das Beschichtungsverfahren. Unterschiedliche Applikationstechniken wie Slot-Die-, Sprüh- oder Rakelbeschichtung erfordern spezifische Viskositäten und Partikelgrößenverteilungen, um eine gleichmäßige Schichtbildung und optimale Haftung zu gewährleisten.

Zusätzlich spielt die Integration funktionaler Schichten eine wichtige Rolle. Verstärkungsschichten erhöhen die mechanische Stabilität, während Rekombinationsschichten gezielt zur Reduktion von Gasdurchtritt beitragen. Die Kombination verschiedener Materialschichten ermöglicht eine gezielte Leistungssteigerung und eine Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen.

Durch die enge Verknüpfung von Materialentwicklung, Prozesstechnik und Qualitätssicherung lassen sich optimierte Beschichtungssysteme realisieren, die sowohl für industrielle Anwendungen als auch für die Skalierung in die Massenproduktion geeignet sind.

Die Herstellung komplexer Brennstoffzellenkomponenten erfordert präzise Fertigungstechnologien, die hohe Qualität, Maßhaltigkeit und Wiederholgenauigkeit gewährleisten.

• Die Spritzgusstechnik für die Produktion von Compound-Bipolarplatten ist etabliert und ausgereift. Mit ihr werden werden Bipolarplatten aus polymerbasierten Verbundmaterialien (Compound-BPP) hergestellt. Dabei werden leitfähige Füllstoffe in eine thermoplastische Matrix eingebettet und unter hohem Druck in eine Form gespritzt. Die Materialzusammensetzung ist entscheidend für die elektrische Leitfähigkeit, mechanische Stabilität und chemische Beständigkeit der Bipolarplatten.
• Für die bevorstehende Massenproduktion werden aber einfachere, schnellere und kostengünstigere Verfahren benötigt. Deshalb entwickeln wir heute vor allem vielversprechende kontinuierliche Verfahren weiter, um die hohen Anforderungen der Produktion zu erfüllen.
• Für die schnelle und effiziente Aufbringung von Dichtungen auf Bipolarplatten hat sich die Dispensertechnik durchgesetzt. Dabei werden hochviskose Materialien exakt dosiert, um eine zuverlässige Abdichtung und Langzeitstabilität der Brennstoffzelle zu gewährleisten.

Die Assemblierung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) im Mehrlagenverfahren ist ein wesentlicher Schritt in der Herstellung von Brennstoffzellen. Dabei werden mehrere Schichten – einschließlich der Membran, Elektrode und Katalysatorschichten – präzise übereinandergelegt, um eine hohe Effizienz und Stabilität zu gewährleisten. Durch das Mehrlagenverfahren wird eine gleichmäßige Verteilung der aktiven Schichten erreicht, die für die elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle entscheidend sind.

Dieser Prozess erfordert eine hohe Präzision bei der Ausrichtung und der Schichtdickenkontrolle, um die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzellen zu maximieren. Die Integration der MEA in den Stack muss ebenfalls unter optimierten Bedingungen erfolgen, um die Dichtigkeit und den Energiefluss zwischen den Schichten sicherzustellen.

Die Endplatten sind ein unverzichtbarer Bestandteil in der Montage von Brennstoffzellenstapeln, da sie für die mechanische Stabilität und die elektrische Verbindung zwischen den Zellen verantwortlich sind. Verschiedene Endplattenkonzepte werden verwendet, um eine gleichmäßige Druckverteilung zu gewährleisten, was für die Optimierung der Leistungsfähigkeit des gesamten Stacks entscheidend ist.

Verspanntechnologien, die die Endplatten mit den einzelnen Zellen verbinden, spielen eine Schlüsselrolle bei der Vermeidung von Leckagen und der Aufrechterhaltung eines konstanten Drucks. Hierbei werden spezielle Techniken angewandt, um die Zellen effizient und stabil zu verbinden, ohne ihre Funktion zu beeinträchtigen. Eine sorgfältige Auswahl der Verspanntechnologie ist notwendig, um die mechanische Belastung und die Langlebigkeit des Brennstoffzellenstapels sicherzustellen.

Die Qualitätssicherung (QS) für Komponenten wie Kathodenstromsammler (KS), katalytische Schichten (CCM) und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) ist entscheidend, um die Performance und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen zu garantieren. QS-Verfahren umfassen sowohl Materialprüfungen als auch Prozesskontrollen, um eine konsistente Qualität über alle Fertigungsphasen hinweg sicherzustellen.

Für die MEA und CCM werden unter anderem Tests auf mechanische Eigenschaften, chemische Beständigkeit und Leitfähigkeit durchgeführt. Ebenso wichtig sind präzise Prüfmethoden zur Sicherstellung der Homogenität der Beschichtungen und Schichtdicken. Durch diese Maßnahmen wird gewährleistet, dass alle Komponenten unter realen Betriebsbedingungen optimal funktionieren.

Die Qualitätssicherung für Bipolarplatten (BPP) und Dichtungen spielt eine zentrale Rolle bei der Langlebigkeit und Effizienz von Brennstoffzellen. Bipolarplatten müssen insbesondere hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit geprüft werden. Dies geschieht durch spezifizierte Korrosionstests, bei denen die Platten unter realistischen Betriebsbedingungen auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrochemischen Reaktionen getestet werden.

Auch die Dichtungen, die für die Abdichtung der Brennstoffzellen zuständig sind, müssen strenge QS-Prozesse durchlaufen. Hierbei liegt der Fokus auf der Beständigkeit gegenüber verschiedenen Medien sowie der Langzeitstabilität. Regelmäßige Prüfungen stellen sicher, dass die Dichtungen die notwendigen Anforderungen an Dichtheit und Haltbarkeit erfüllen.

Das End-of-Line-Testing (EOL-Testing) ist eine kritische Qualitätsmaßnahme am Ende der Produktionskette von Brennstoffzellenkomponenten. Hierbei werden alle hergestellten Bauteile einer finalen Prüfung unterzogen, um ihre Funktionsfähigkeit und Leistungsfähigkeit sicherzustellen, bevor sie in den Einsatz gehen. Für Brennstoffzellenstapel umfasst dies beispielsweise die Überprüfung der elektrischen Eigenschaften, Dichtheit und mechanischen Stabilität der gesamten Einheit.

Das EOL-Testing ermöglicht es, fehlerhafte Teile frühzeitig zu identifizieren und auszuschließen, wodurch die Gesamtqualität des Endprodukts optimiert und die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen im Betrieb verringert wird. Diese letzte Prüfphase ist daher entscheidend, um die Qualität und Zuverlässigkeit der Brennstoffzellen über ihren gesamten Lebenszyklus zu gewährleisten.