MEA-Fertigungstechnik

Scale-up

Die Entwicklung von Methoden für die Herstellung von funktionalen Schichtsystemen (Membran-Elektroden-Einheiten, engl. Membrane Electrode Assembly MEA) erfolgt in der Regel zunächst im Labormaßstab. Neue Ideen und Verfahren können so mit geringen Materialmengen im Gramm- bzw. Milliliter-Bereich getestet werden. Erweist sich eine Methode als aussichtsreich, werden für größere Versuche, sogenannte Pilotanlagen-Tests, Materialmengen bis in den Kilogramm-Bereich benötigt. Oft zeigt sich, dass die Laborverfahren für diese Tests nicht verwendet werden können, weil die Materialien andere Verhaltensweisen zeigen. So kann beispielsweise eine im Labor hergestellte Dispersion aus Katalysator und Lösungsmittel in wenigen Minuten zu einer quadratzentimetergroßen Schicht verarbeitet werden, während die Herstellung von quadratmetergroßen Schichten deutlich über einer Stunde dauern kann. Die Herstellung im Labor erfolgt also im Vergleich zu der Herstellung in einem Technikum auf unterschiedlichen Zeitskalen. Eine Dispersion, die nur 10 Minuten stabil ist, kann für das Laborverfahren geeignet sein, für den größeren Ansatz aber nicht. Die Anpassung der MEA-Herstellungsverfahren auf die größeren Skalen (Zeit und Raum) ist das Thema der Maßstabsübertragung (engl. Scale-up) die im IEK-14 unter anderem für die Herstellung von Polymerelektrolyt-Elektrolyseuren und -Brennstoffzellen erfolgt.

Korrelation zwischen Prozessparametern und MEA-Eigenschaften
Für die Maßstabsübertragung sind Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Material-, Prozess- und Leistungsparameter der produzierten MEA erforderlich. Für die Identifikation der Skalierungsregeln muss bekannt sein, welche dieser Parameter die MEA-Leistung beeinflussen und welche nicht. Am IEK-14 wird hierzu eine umfangreiche Prozessanalytik entwickelt, die sich auf folgende Prozessschritte fokussiert:

Entscheidend für die elektrochemische Leistung der MEA ist die Struktur, die sich während dieser Herstellungsprozesse in den Elektroden einstellt, da diese einen großen Einfluss auf die physikalisch-chemischen Prozesse in der Elektrode haben.

Strukturbildungsprozesse
Die Struktur in den Elektroden ergibt sich unter anderem aus der rheologischen Struktur in der für die Herstellung verwendeten Dispersion, deren Verhalten während der Beschichtung und während der Trocknung.

Rheologie der Dispersion
In Abhängigkeit der rheologischen Struktur in der Dispersion und der freien Oberflächenenergie des Substrates führt der Beschichtungsprozess zu unterschiedlichen Veränderungen in der Dispersion. Mithilfe rheologischer und tensiometrischer Untersuchungen lassen sich diese Einflüsse auf die Dispersion aufklären.

Trocknung der Dispersion
Während der Trocknung verdampfen die Lösungsmittel mit unterschiedlichen Trocknungsraten, wodurch die Feststoffe der Dispersion zu porösen Strukturen agglomerieren. Dieser Schichtbildungsprozess ist eng verknüpft mit dem zeitabhängigen Verlauf der chemischen Zusammensetzung von der Nassschicht bis hin zur trockenen Elektrode. Durch Anpassung thermodynamischer Parameter kann dieser Verlauf gesteuert und so beispielsweise die Rissbildung kontrolliert werden. Für die Analyse dieser Prozesse wurde am IEK-14 eine Spektroskopie-basierte Messtechnik entwickelt, welche zugleich die Überprüfung der Reproduzierbarkeit der Elektrodenfertigung ermöglicht.

Die Analyse der Zusammenhänge zwischen Dispersionszusammensetzung, Rheologie und Tensiometrie der Dispersion sowie des Dispersions-Trocknungsverhaltens sind Themenschwerpunkte, die am IEK-14 intensiv untersucht werden.
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 IEK-14 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.

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