RollPriCat – Herstellung gradierter Katalysatorschichten im Inkjet-Druck

MEAs für Brennstoffzellen: Neues Rolle-zu-Rolle-Verfahren bringt Katalysatortinte direkt auf die Membran auf – von beiden Seiten.

Im kürzlich abgeschlossenen Projekt „RollPriCat“ haben das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS) und das ZBT gemeinsam ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von MEAs für PEM-Brennstoffzellen entwickelt, bei dem katalytisch aktive Tinte direkt auf die Membran aufgebracht wird – und zwar sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite.

Ziel des Projekts war es, eine hohe Aktivität der Kathodenkatalysatorschicht (KKS) bei geringerer Platin-Belegung als bisher zu erreichen. Das sollte durch eine maßgeschneiderte räumliche Strukturierung der KKS mittels Inkjet-Technologie sichergestellt werden.

Eingangsbereich eines Institutsgebäudes mit Glasfassade und zwei Bäumen davor

Erfolge

Die wichtigste Ergebnisse zur Überwindung zentraler Herausforderungen bei der PEMFC:

  • Neues Verfahren für strukturierte Kathoden mit abgestuften Konzentrationen von Platin (Pt) und protonenleitendem Polymer
  • Rohstoffeffizienz: Platin ist teuer und politisch kritisch. Unsere Methode erreicht exzellente Leistungen bei einer sehr geringen Platin-Beladung von nur 0,2 mg Pt/cm².
  • Performance: Die optimierten Elektroden erreichen eine Stromdichte von 2,8 A/cm² bei 0,6 V – mit hoher Effizienz unter nassen (Pol 1) und trockenen (Po l3) Betriebsbedingungen sowie einer hohen Stabilität (Pol 4 und Pol 6) nach beschleunigter Alterungsprozedur.
  • Skalierbare, robuste Fertigung: Der Prozess ist kompatibel mit einer kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Herstellung und damit direkt relevant für die Massenproduktion.
Diagramm mit vier Polarisationskurven aus dem Projekt RollPriCat

Durch die Optimierung sowohl der KKS als auch der Fertigungstechnologie erschließen sich substantielle Preisvorteile, gerade bei einer geringen Anzahl identischer Produkte. Hierdurch kann das Projekt sowohl ein kostengünstiges, nachhaltiges Verfahren zur Produktion von PEM-Brennstoffzellen realisieren als auch wichtige Einsichten in die Eigenschaften von strukturierten KKS geben, einem hochaktuellen Ansatz zur Verringerung des Pt-Gehalts in KKS.

Im Projekt „RolPriCat“ gelang den Beteiligten ein großer Fortschritt in Bezug auf die Leistung und Haltbarkeit von Brennstoffzellen und ein Meilenstein auf dem Weg zu kostengünstigen, skalierbaren Lösungen für ein Gesamtsystem zur Nutzung erneuerbarer Energien. Indem wir die Grenzen der Brennstoffzellenherstellung immer ein Stück weiter verschieben, tragen wir zum Erfolg der Wasserstofftechnologien und der Energiewende insgesamt bei.

Das Projektkonsortium will an die Erfolge anknüpfen und plant jetzt die Herstellung von Elektroden für Wasserelektrolyseure im Nachfolgeprojekt „grELjet“.

Projektinformationen

Projekttitel: „RollPriCat – Effiziente Herstellung gradierter Kathoden-Katalysatorschichten mittels Inkjet-Druckverfahren durch direkte Beschichtung einer Polymer-Elektrolyt-Membran im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zur Anwendung in PEM-Brennstoffzellen“

Laufzeit: 1. März 2023 bis 31. August 2025, abgeschlossen

Projektbeteiligte:
– Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS)
– ZBT - Zentrum für BrennstoffzellenTechnik

Förderhinweis: Das Forschungsvorhaben wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

AiF-FV-Nummer: 22764

Abteilung Elektrochemische Komponenten

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Diagramm mit vier Polarisationskurven aus dem Projekt RollPriCat

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