Printum Technology GmbH Sondermaschinenbau Ravensburg und Umgebung, Anlagenbau, Brennstoffzellen, Membranherstellung, Batterieproduktion

Die Zukunft der Brennstoffzellen-Herstellung 2022

Testanlage für Membran-Elektroden-Einheiten (MEA)


Ein wesentliches Ziel der kommerziellen Brennstoffzellen-Herstellung ist es, möglichst kosteneffiziente Produktionsprozesse zu etablieren. Beginnend bei der Produktentwicklung verspricht das Rolle-zu-Rolle-Verfahren das größte Einsparpotenzial. Über die steigende Nachfrage, insbesondere nach der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), und durch den immer höher werdenden Automatisierungsgrad, können die Kosten weiter sinken.
 
Doch das ist nicht der einzige Fokus vieler Brennstoffzellen-Hersteller in Deutschland und andernorts. Für die Industrialisierung der Brennstoffzelle ist es ebenfalls nötig, die Lebensdauer von Brennstoffzellen zu verlängern. Damit beschäftigt sich die Brennstoffzellen-Forschung auch weiterhin. 
 
Parallel zur Inline-Qualitätskontrolle bei der Produktion von Brennstoffzellen-Komponenten wie der Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) müssen Unternehmen verschiedenste Versuche und Tests durchführen, deren Ergebnisse auf sogenannten autarken Testanlagen evaluiert werden.

Mit einer solchen Testanlage für Katalysator-beschichtete Membranen schlägt Printum Technology GmbH die Brücke zwischen Forschung und industrieller Fertigung.

Hier weiterlesen.

 

PRINTUM USE CASE

MEA-Testanlage für Material- und Beschichtungsprüfungen

Die in Ravensburg entwickelte autarke Testanlage für die Prüfung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) im Rolle-zu-Rolle-Verfahren schafft eine Testumgebung, um neue Beschichtungsmaterialien testen zu können, Herstellungsprozesse zu evaluieren und verbesserte Produktionsverfahren entwickeln zu können.

Dabei untersucht sie die Beschichtungsgüte der Polymermembran und erkennt Beschädigung wie Verarbeitungsfehler, Risse und Löcher. Der hochpräzise Umspuler ermöglicht die Integration weiterer Prüfverfahren und Testmodule wie AOI, Schichtdickenmessungen, Röntgen etc. 

Davon profitieren nicht nur Brennstoffzellen-Hersteller weltweit, indem sie schneller auf dynamische Veränderungen am Markt reagieren können.

Auch Hersteller von Membranen im Pharma-Bereich oder Anbieter im Umfeld der Batterieproduktion (z.B. beschichtete Trägerfolien für Lithium-Ionen-Batterien) können maßgeschneiderte Testanlagen dieser Art einsetzen, um das bestehende Produktsortiment zu optimieren und neue Produkte zu entwickeln. Lesen Sie unten mehr.

Als Systemintegrator und Bahnlaufspezialist leistet Printum damit einen wichtigen Beitrag zur Industrialisierung der Brennstoffzellen-Herstellung, denn es gibt noch einige Herausforderungen zu meistern...

Die Zukunft der nachhaltigen Stromerzeugung

Herausforderungen bei der Herstellung von Brennstoffzellen

Wasserstoff ist eine kohlenstofffreie Brennstoffquelle; das einzige Nebenprodukte der Stromerzeugung in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ist Wasser. Diese nachhaltigere Art der Stromerzeugung macht Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (auch Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, engl. „proton exchange membrane fuel cell“, PEMFC) für viele Branchen interessant.

In einigen Bereichen werden Brennstoffzellen bereits eingesetzt – so z.B. in der Luft- und Raumfahrt oder der Schifffahrt, aber auch zur Stromversorgung für abgelegene Haushalte in vielen ländlichen Gegenden Japans (siehe Artikel zu Brennstoffzellen in Japan). In der Automobilindustrie könnten PEMFC-Stacks in Zukunft sogar die erste Wahl für den Antrieb von Fahrzeugen sein – neben dem Elektroantrieb.

Bis es so weit ist, müssen sich Brennstoffzellen-Hersteller allerdings noch überlegen, wie sie die Lebensdauer von Brennstoffzellen verlängern. Denn unabhängig von der Anwendung müssen Brennstoffzellen über einen längeren Zeitraum hinweg zuverlässig Energie liefern können. 

Da neben der Lebensdauer auch die Leistung einer Brennstoffzelle abhängig ist von der Qualität der Komponenten, die bei der Produktion verwendet werden, muss auch die Herstellung von Brennstoffzellen-Komponenten noch verbessert werden – insbesondere hinsichtlich der Kosteneffizienz

Die PEMFC-Technologie beispielsweise benötigt extrem empfindliche Ionenaustauschmembran, um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Mechanische Eigenschaften der Ionentauscher-Membran wie Robustheit und Stabilität, die Dicke und gleichmäßige Beschichtung mit reaktivem Katalysatormaterial wirken sich direkt auf die Effizienz einer Brennstoffzelle aus.

Eine Möglichkeit, Fortschritte in dem zukunftsträchtigen Marktsegment zu erzielen, bietet die Entwicklung leistungsstarker Testverfahren für zentrale Brennstoffzellen-Komponenten wie die Membran-Elektroden-Einheit (engl. „membrane electrode assembly“, MEA).

Denn schon winzig kleine, oberflächliche Risse und Löcher in der Membran oder ihrer Beschichtung können große Auswirkungen auf die Funktionsweise einer Brennstoffzelle haben…

 

Die Funktionsweise der Katalysator-beschichteten Membran (CCM)

Das Herzstück einer PEMFC ist die Membran-Elektroden-Einheit, kurz MEA. Die mehrlagige Katalysator-beschichtete Membran (engl. „catalyst coated membrane“, CCM)  ist zentraler Bestandteil der MEA und wird zum Beispiel von Herstellern wie Nafion produziert und vermarktet. 

Die meisten handelsüblichen Protonenaustauschmembranen für Brennstoffzellen werden aus Polymeren hergestellt. Auf die Anoden- und der Kathodenseite der Polymermembran wird jeweils eine hauchdünne Katalysatorschicht aufgetragen, an der die Oxidation bzw. Reduktion stattfindet. Über die CCM findet der geregelte Transport von Wasserstoffionen statt, die für die stromerzeugende Reaktionen natürlich unerlässlich sind. Die Polymermembran ist also nicht nur zentraler Enabler der direkten Umwandlung von chemischer in elektrische Energie; sie trennt die beiden Gase (Wasserstoff und Sauerstoff) auch räumlich voneinander ab, damit kein Knallgas entsteht.

Dass eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle Strom erzeugen kann, ermöglicht die zentrale Eigenschaft der Semipermeabilität ihrer Membran: Die Membran ist nur für Ionen einer bestimmten Größe durchlässig, in diesem Fall die hydrolysierten Protonen des Wasserstoffs. Gasmoleküle sind zu groß, um die Membran zu passieren. 

Solange also eine Brennstoffquelle zur Verfügung steht und die einzelnen Komponenten der Brennstoffzelle intakt sind, kann sie zuverlässig Strom erzeugen.

Kleine Löcher, oberflächliche Risse oder vergleichbare Unregelmäßigkeiten in der empfindlich beschichteten Membran jedoch können diesen Prozess und damit auch die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer ganzer Brennstoffzellen-Stacks erheblich beeinträchtigen.

Gravierende Verarbeitungsfehler oder Beschädigungen könnten sich nicht zuletzt auch auf die Sicherheit einer Brennstoffzelle auswirken.

 

 

 

Auswirkungen von kleinen Rissen und Löchern in der Membran

Unregelmäßigkeiten in der Katalysator-beschichteten Membran können die Lebensdauer einer Brennstoffzelle erheblich verkürzen. Dank Untersuchungen der künstlich beschleunigten Alterung von Brennstoffzellen ist auch bekannt, dass selbst kleinste Unebenheiten in der Katalysator-beschichteten Membran fatale Folgen haben können: Sie setzen einen Teufelskreis in Gang, an dessen Ende der Tod der Brennstoffzelle steht.

Das Nebenprodukt der Brennstoffzellenreaktion ist für die Alterung der Zelle verantwortlich. Es liegt nicht immer in derselben Menge vor, da Brennstoffzellen-Autos beispielsweise auf der Fahrt durch die Innenstadt unterschiedlich viel Strom produzieren.

Die Polymermembran ist den Schwankungen von Wassergehalt und Feuchtigkeit in der Zelle ebenfalls ausgesetzt: Das beständige Schrumpfen und Quellen der Membran führt allmählich zu einer Verformung. Es entstehen wellenförmige Unregelmäßigkeiten und Schwachstellen in der Beschichtung, die sich über einige Zeit zu winzigen Löchern entwickeln und das Sterben der Brennstoffzelle einleiten. 

Schreitet der Prozess weiter voran, werden die Löcher größer, bis schließlich auch ganze Wasserstoffmoleküle durch die (für Gasmoleküle ursprünglich undurchlässige) Membran wandern und mit dem Sauerstoff an der Kathode reagieren. Dabei bilden sie äußerst reaktive Radikale, die mit den Kohlenstoffketten in der Polymermembran reagieren können und den unvermeidbaren Korrosionsprozess fördern. 

Dadurch werden die Löcher in der Membran noch größer, mehr Moleküle gelangen an Orte, an denen sie nicht sein sollten, reagieren, bilden mehr Radikale und so weiter. Am Ende des Abbauprozesses steht die bekannte Verbrennungsreaktion des Knallgas-Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff, die so viel Wärme freisetzt, dass die Membran schmilzt.

Unter normalen Bedingungen entstehen diese kleinen Löcher in der Membran oder der Katalysatorträgerschicht nur sehr langsam. Doch Verarbeitungsfehler und mechanische Beschädigungen können die Brennstoffzellen-Alterung drastisch beschleunigen. Diese vor dem Einbau der MEA in die Brennstoffzelle zu erkennen, kann dem verfrühten Knallgas-Tod vorgebeugen. Das hilft, die Leistungsfähigkeit des gesamten PEMFC-Stacks langfristig zu gewährleisten.

Und genau deshalb werden Testanlagen wie unsere eine entscheidende Rolle in der Zukunft der kommerziell erhältlichen Brennstoffzelle spielen.
 

 

Material- und Beschichtungsprüfung

Testanlage für die Membran-Elektroden-Einheit (MEA)

 
Rolle-zu-Rolle-Verfahren für Inline- und Offline-Qualitätskontrollen sowie Belastungstests werden eine Schlüsselrolle bei der Kommerzialisierung der Brennstoffzelle spielen. Die Material- und Beschichtungsprüfung der verschiedenen Lagen einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) kann helfen, Ressourcen zu sparen und die Produktionskosten der Brennstoffzellen-Hersteller erheblich zu senken. Zugleich werden Wirkungsgrad und Langlebigkeit des Endprodukts erhöht.Unsere maßgeschneiderte MEA-Testanlage wird zum Testen von Membranen mit unterschiedlichen Beschichtungen eingesetzt. Sie ermöglicht es, die Membran-Elektroden-Einheit der PEMFC auf Beschichtungsfehler und andere mechanische Defekte zu untersuchen. Dabei wird die Oberfläche der Membran beidseitig mittels eines hoch entwickelten Kamerasystems auf Unregelmäßigkeiten in der Katalysatorbeschichtung gescannt, um unterschiedliche Arten von Beschädigungen wie Nadellöcher oder Risse im Mikrometerbereich zu erkennen. Diese werden entsprechend kategorisiert und codiert gekennzeichnet.
 
Die größte Herausforderung für unsere Top-Ingenieure war es, die besonders schonende und hochpräzise Bahnführung der extrem dünnen und empfindlich beschichteten Membran im Rolle-zu-Rolle-Prozess zu gewährleisten. Die aktuelle Ausführung der Testanlage bietet Platzhalter für weitere Testverfahren zur Beschichtungsprüfung von Membranen; so könnte unter anderem eine Erweiterung zur Messung der Beschichtungsdicke einer Membran problemlos integriert werden.

Dadurch hat die Anlage ein sehr breites Anwendungsspektrum und kann neben der Produktentwicklung und Herstellung von Membranen auch in anderen Bereichen eingesetzt werden. Dazu gehören Membran-Verfahren in der Pharmatechnologie, sowie der Wasser- und Biogasaufbereitung. Daneben kann sie auch in der Batterieproduktion, beispielsweise für Fahrzeuge mit Elektroantrieb, eingesetzt werden – dazu können Sie weiter unten mehr lesen. 

  • „Die Bahnführung einer Anlage dieser Art muss reibungslos funktionieren – im wahrsten Sinne des Wortes. Es dürfen selbstverständlich keine Schäden an der empfindlichen Beschichtung durch Reibung in der Anlage selbst entstehen. Um diese Herausforderung zu meistern und eine geeignete Technologie zu entwickeln, musste ich wirklich tief in die Trickkiste der Materialforschung greifen. Das macht uns so schnell niemand nach.“

    Christopher Bétrémieux, 
    Konstruktionsingenieur bei Printum Technology GmbH, Sondermaschinenbau Ravensburg
     

 

Weitere Anwendungsgebiete

Lithium-Ionen-Batterie-Herstellung im Bereich Elektromobilität

Energiespeicher sind eine weitere wichtige Zukunftstechnologie – sowohl für die Automobilindustrie als auch für den Ausbau erneuerbarer Energien. Lithium-Ionen-Akkus sind ein Schlüssel für die Speicherung von Strom aus nachhaltigen Quellen wie der PEMFC oder anderer Brennstoffzellen, die Strom erzeugen, aber nicht speichern können. 

Ähnlich wie bei der MEA von Brennstoffzellen besteht die zentrale Einheit einer Lithium-Ionen-Batterie aus Anode und Kathode und einem mikroporösen Separator, der die beiden Elektroden voneinander trennt. Dazwischen befindet sich das Elektrolyt. Bei der Elektrodenfertigung werden Ober- und Unterseite der Trägerfolie mit einem Elektroden-Slurry beschichtet. Schon beim Mischen des Elektroden-Slurrys für die Beschichtung gilt es, und Verunreinigungen des Materials durch das Eindringen von Fremdpartikeln zu vermeiden. 


Wichtige Parameter und Qualitätsmerkmale bei der Batterieproduktion sind außerdem:

  • die Reinheit des Substrats,
  • die genau definierte Porosität des Separators,
  • die Schichtdickengenauigkeit,
  • die Oberflächenqualität und 
  • die Struktur der Oberfläche 

PRINTUM TESTANLAGE FÜR BATTERIE-HERSTELLER

Sowohl die Evaluierung von Herstellungsprozessen als auch die Entwicklung neuer Materialien für Lithium-Ionen-Batterien erfordern kosteneffiziente Produktionstests. Dazu ist meist eine Anpassung der Fertigungsanlagen an unterschiedliche Elektroden-Slurrys nötig, um das bestmögliche Beschichtungsergebnis in möglichst kurzer Zeit zu erhalten. 

Neben der kontinuierlichen Inline-Qualitätsüberwachung bei der Produktion kann unsere autarke Testanlage auch in der Batterieherstellung genutzt werden, um das Ergebnis nach der Adjustierung der Anlagenparameter zu überprüfen und Produktionstests im Offline-Rolle-zu-Rolle-Verfahren effizienter zu gestalten.
 
Die Testergebnisse liegen unmittelbar vor und ermöglichen eine schnelle Auswertung: Qualitätsdaten für verschiedene Materialvarianten sowie einzelne Produktionsschritte und die vorgenommenen Einstellungen steigern die Effizienz der Produktentwicklung, Produktion und anschließenden Kommerzialisierung. Die gewonnene Agilität ermöglicht es auch, rasch auf dynamische Entwicklungen am Markt und Schwankungen in der Nachfrage zu reagieren.

FAZIT

Mit unserer maßgeschneiderten Testanlage schlagen wir die Brücke zwischen Forschung und industrieller Fertigung und leisten einen entscheidenden Beitrag zur Industrialisierung der Brennstoffzellen-Herstellung. Die MEA-Testanlage erkennt und kennzeichnet oberflächliche Schäden auf der Katalysator-beschichteten Membran und ermöglicht damit eine effiziente Materialprüfung und Qualitätssicherung.

So profitieren Hersteller von Membranen für Brennstoffzellen von einer effizienteren Möglichkeit der Produktentwicklung und -weiterentwicklung. Gegenüber Endkunden können sie ein fundiertes Garantieversprechen bezüglich der Lebensdauer ihrer Brennstoffzellen aussprechen. Und schließlich machen sie Endkunden, die eine hochwertige, einwandfrei funktionierende Brennstoffzelle erhalten, glücklich – dank der Rolle-zu-Rolle-Qualitätskontrolle von Printum Technology GmbH. 

Da die Entwicklung neuer Materialien für Lithium-Ionen-Batterien ähnlicher Produktionstests bedarf, kommt damit nicht zuletzt auch die Batterieproduktion ins Rollen.

Damit bleibt vorerst nur noch eines zu sagen und das ist:

Lang lebe die Brennstoffzelle (und die Batterie).

Was ist Ihre Meinung zum Thema? Wir freuen uns auf Ihr Feedback.
Bei Interesse geben wir Ihnen gerne mehr Informationen zu unseren Anlagen und beraten Sie mit unserem Expertenwissen.

► Kontaktieren Sie uns jetzt.