Skalierbare MEA-Produktion
Die Laborentwicklung wird mit Blick auf den elektrochemischen Wirkungsgrad und die Skalierbarkeit durchgeführt. Da sich nicht alle Laborprozesse skalieren lassen, müssen geeignete Methoden eingesetzt und entwickelt werden, die sich nahtlos vom Labor- in den Technikumsmaßstab übertragen lassen.
Die Entwicklung von Methoden zur Herstellung funktionaler Schichtsysteme (Membran-Elektroden-Einheiten MEA) erfolgt üblicherweise zunächst im Labormaßstab. Neue Ideen und Prozesse können so mit kleinen Materialmengen im Gramm- oder Milliliterbereich getestet werden. Erweist sich eine Methode als erfolgsversprechend, sind für größere Versuche, sogenannte Technikumsversuche, Materialmengen bis in den Kilogrammbereich erforderlich. Oft stellt sich heraus, dass die Labormethoden für diese Tests nicht eingesetzt werden können, da die Materialien ein unterschiedliches Verhalten zeigen. Beispielsweise kann eine im Labor hergestellte Dispersion aus Katalysator und Lösungsmittel in wenigen Minuten zu einer quadratzentimetergroßen Schicht verarbeitet werden, während die Herstellung quadratmetergroßer Schichten weit über eine Stunde dauern kann. Daher erfolgt die Produktion im Labor in anderen Zeitskalen als die Produktion in einer Pilotanlage. Eine Dispersion, die nur 10 Minuten stabil ist, mag für das Laborverfahren geeignet sein, nicht jedoch für die größere Charge. Die Anpassung von MEA-Produktionsprozessen an größere Maßstäbe (Zeit und Raum) ist Gegenstand des Scale-Ups, das am IET-4 unter anderem für die Herstellung von Polymerelektrolyt-Elektrolyseuren und Brennstoffzellen durchgeführt wird.
Hierfür müssen Labor- und Pilotanlagenprozesse analysiert und Scale-up-Regeln gefunden werden.
Korrelation zwischen Prozessparametern und MEA-Eigenschaften
Für die Maßstabsübertragung sind Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Material-, Prozess- und Leistungsparametern der produzierten MEA erforderlich. Für die Identifikation der Skalierungsregeln muss bekannt sein, welche dieser Parameter die MEA-Leistung beeinflussen und welche nicht. Am IET-4 wird hierzu eine umfangreiche Prozessanalytik entwickelt, die sich auf folgende Prozessschritte fokussiert:
Hocheffiziente und skalierbare Produktionsmethoden
Das Verständnis der Strukturbildungsprozesse liefert die Grundlage für die Identifikation der Skalierungsregeln. Dies ermöglicht die Übertragung der Ergebnisse aus der Laborentwicklung in die großtechnische Produktion. Darüber hinaus werden mithilfe des Verständnisses neue Herstellungsverfahren entwickelt, um die Produktion der MEAs einfacher, schneller und damit kostengünstiger zu realisieren. So wurde am IET-4 ein MEA-Herstellungsverfahren entwickelt, das weniger Prozessschritte benötigt als konventionelle Produktionsmethoden und dabei weniger Abfallstoffe produziert. Bei dem „Completely-Coated MEA (CC-MEA)“ -Verfahren werden die beiden Elektrodenschichten und die Membran ausschließlich über Schlitzdüsenprozesse hergestellt, so dass weder die Verwendung einer separaten Membran noch ein Assemblierungsschritt nötig ist.
Skalierbare Implementierung des Rekombinationskatalysators
Für die Herstellung von MEAs mit Rekombinationskatalysator wird ein skalierbares Herstellungsverfahren benötigt. Die Schlitzdüsenbeschichtung ist hierfür geeignet, da sie in Prozessen mit großen Geschwindigkeiten und Breiten eingesetzt werden kann. So wird am IET-4 ein MEA-Herstellungsverfahren verwendet, bei dem eine 3-lagige Anode durch drei aufeinanderfolgende Beschichtungsschritte hergestellt wird. Die Anode wird mit einer isolierenden Ionomerschicht und einer Rekombinationskatalysator-enthaltenden Ionomerschicht übergossen, getrocknet und im Heißpress-Verfahren mit einer 1-lagigen Kathode auf eine kommerziell erhältliche Membran verpresst. Die daraus resultierende 5-lagige MEA kann für einen sicheren Betrieb einer Zelle oder eines Stacks verwendet werden.
