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

Wir analysieren elektrochemische Prozesse in Brennstoffzellen und Elektrolysesystemen und charakterisieren deren Komponenten wie Katalysatoren, Polymere, Membranen und Gasdiffusionsschichten (GDS) physikalisch-chemisch.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung effizienter Fertigungstechnologien – von Katalysator-Dispersionen über Elektrodenschichten und katalysatorbeschichtete Membranen (CCM) bis zu kompletten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA).

Durch die Untersuchung schädlicher Nebenreaktionen verbessern wir die Energieeffizienz und verlängern die Lebensdauer zentraler Komponenten.

ZBT-Wissenschaftler Ivan Radev und Volker Peinecke begutachten elektrochemische Komponenten im Labor des ZBT

Beschichtungsverfahren und CCM-Herstellung

Wir entwickeln und optimieren kontinuierlich unsere Katalysator-Dispersionen und Beschichtungsverfahren – abgestimmt auf Sprüh-, Inkjet- oder Ultraschalltechnologie. Die Qualität der Beschichtungen prüfen wir durch Leistungskurven an unseren Brennstoffzellen-Testständen.

Zum Einsatz kommen High-End-Technologien wie eine Ultraschall-Beschichtungseinheit mit Vakuumtisch, ein präzises Inkjet-System und eine leistungsstarke Heißpresse. Damit realisieren wir sowohl indirekte (I_CCM) als auch direkte (D_CCM) Beschichtungen sowie die Laminierung von Elektroden und die Herstellung randverstärkter Membranen.

Schlüsseltechnologien:

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

Wissenschaftlerin durch einen Teststand hindurch fotografiert

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