Fraunhofer ISE Membran-Elektrodeneinheit: Prozesse für Leistung und Lebensdauer

Die Membran-Elektrodeneinheit bestimmt Effizienz und Haltbarkeit von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Am Fraunhofer ISE liegt der Schwerpunkt auf Polymer-Elektrolyt-Membranen im Niedertemperaturbereich. Statt Materialforschung steht die Entwicklung industrietauglicher Prozessketten im Vordergrund: kommerzielle Membranen und Katalysatorpulver werden eingekauft, zu MEAs verarbeitet und hinsichtlich Leistung, Kosten und Lebensdauer optimiert. Die elektrochemische Reaktionsebene – Katalysator, Membran, Diffusionslagen – wird dabei prozessseitig so ausgelegt, dass reproduzierbare Qualität, hohe Flächenleistung und geringe Streuung entstehen.

Ressourceneffizienz bedeutet Platin und Iridium gezielt senken

Ressourcenschonung ist ein Kernziel. Der Einsatz von Platin (Brennstoffzelle) und Iridium (Elektrolyse) soll sinken, ohne die Leistungsdichte übermäßig zu reduzieren. Die Herausforderung: Weniger Edelmetall kostet zunächst Aktivität. Das Institut adressiert den Zielkonflikt mit Additiven, optimierten Tinten, präziser Schichtarchitektur und abgestimmten Trocknungs- und Kalenderschritten. So entstehen MEAs mit niedriger Edelmetallbeladung, die dennoch die geforderte Leistung erreichen – und deren Alterungsverhalten gezielt verbessert wird.

Zuverlässigkeit durch Leistungsanalysen und beschleunigte Alterungstests

Leistung allein genügt nicht; Dauerhaftigkeit entscheidet. Deshalb kombiniert das Team Performance-Charakterisierung mit Accelerated Stress Tests (AST), um Degradationsmechanismen früh zu erkennen. Parallel laufen Modellierung und Mikrostrukturanalytik, die Porenstruktur, Wasserhaushalt und Gastransport sichtbar machen. Dieses geschlossene Lernsystem – Modell, Mikrostruktur, Prozess, Test – verkürzt Iterationen und führt schneller zu belastbaren Prozessfenstern für unterschiedliche Anwendungen.

Vom Labor zur Rolle-zu-Rolle-Fertigung industrieller MEAs

Die Mission von Fraunhofer lautet, die Lücke zwischen universitärer Grundlagenforschung und industrieller Umsetzung zu schließen. Entsprechend wurde die Linie von Labor- auf Produktionsmaßstab erweitert: Forschungsgelder ermöglichten die Investition in Rolle-zu-Rolle-Anlagen. Diese Fertigungstechnik überführt beschichtete Halbzeuge und laminierte MEAs in größere Stückzahlen – mit kontrollierter Tintenapplikation, Trocknung, Sinter- und Laminierparametern. Die Anschaffung und Auslegung solcher Anlagen verlangt tiefes Know-how; am Institut steht diese Infrastruktur nun für Industrieprojekte „bereit für die Fabrikhalle“.

Fraunhofer ISE Industrieangebot: Vom Materialtest bis zum Prototyp-Stack

Industriekunden erhalten Antworten auf praxisnahe Fragen: Welche Prozesskette passt zum Produkt? Welche Anlage und welches Beschichtungsverfahren sind sinnvoll? Welche Parameter sichern Qualität und Yield? Neben Kleinserien auf Pilotlinien bietet das Institut Prototyping bis zur Stackebene – inklusive Aufbau und Test von Brennstoffzellen-Stacks. Abgedeckt werden Light-Duty-Anforderungen mit geringer Katalysatorbeladung ebenso wie Heavy-Duty-Profile mit hoher Dauerlast. Materialhersteller (Membranen, Katalysatoren) können neue Produkte in realistischen Kombinationen prüfen, Performance mappen und Skalierbarkeit verifizieren.

Fraunhofer ISE entwirft geschlossenen Entwicklungszyklus für reproduzierbare Qualität und Effizienz

Ein Alleinstellungsmerkmal ist die Verknüpfung aus eigener MEA-Fertigung, Modellierung und Test. Mikrostruktur-Analysen, Zell-/Stack-Messungen und Prozessdaten fließen in einen Kreislauf, der Rezepturen und Prozessschritte zielgerichtet nachschärft. So entsteht eine belastbare Datengrundlage, die Technologierisiken senkt und die Industrialisierung beschleunigt – vom Screening über Pilotlosgrößen bis zu rollenden Produktionskonzepten. Das Institut verfügt über eine vollständige Prozesskette – von der Tintenformulierung über die Beschichtung bis zum Test der fertigen Zelle. Diese Kombination erlaubt es, Technologien systematisch zu skalieren und Produktionsprozesse frühzeitig auf industrielle Standards auszurichten.

Auf dem Weg zur wirtschaftlichen Serienfertigung von Brennstoffzellen

Langfristig geht es um Wirtschaftlichkeit und industrielle Reife. Die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer ISE arbeiten daran, die Herstellkosten zu senken, die Materialeffizienz zu erhöhen und die Lebensdauer weiter zu verlängern. Der Weg führt klar in Richtung automatisierter, kontinuierlicher Produktion – ein entscheidender Schritt für die Verbreitung von Brennstoffzellen in Mobilität, Energieversorgung und Industrie. Die Membran-Elektrodeneinheit bleibt dabei das Herz der Technologie – klein, präzise gefertigt und entscheidend für den Erfolg der Wasserstoffwirtschaft.