Projektbeschreibung KliMEA:
Klimaadaptive und modellgestützte MEA-Fertigung

Ausgangslage:
Ein zentraler Schritt in der Fertigung einer Brennstoffzelle ist die Herstellung der CCM (Catalyst Coated Membrane) und der MEA (Membrane Electrode Assembly). Die industrielle Produktion von der Beschichtung bis hin zur Stapelung der Einzellagen befindet sich üblicherweise in einem entsprechenden klimatisierten Raum, um die Maßhaltigkeit der CCM zu gewährleisten. Grund dafür ist, dass die mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffes Nafion in hohem Maß von dem Umgebungsklima, also der Temperatur und der Feuchtigkeit abhängen. Die Klimatisierung als Bestandteil des Gebäudes muss bereits in einer sehr frühen Entwicklungsphase festgelegt werden, was zu einer eingeschränkten Stückzahlskalierbarkeit führt. Weiterhin verursacht die Klimatisierung hohe Investitionskosten sowie laufende Kosten.

Ziel:
Ziel des Forschungsprojekts KliMEA ist die Entwicklung und Auslegung eines lokal angepassten Microenviroment-Konzepts. Die Wechselwirkungen zwischen dem Material und dem Produktionsprozess in der MEA-Fertigung werden ebenfalls erforscht. Die bedarfsgerechte und lokale Konditionierung kann die Mengen der zu konditionierenden Luft verringern und dadurch die Energiekosten sowohl in der Beschaffung als auch im Betrieb einsparen. Durch Entkopplung der Konditionierung von der Gebäudeinfrastruktur wird die Flexibilität ebenfalls erhöht, was einen substantiellen Beitrag zur Stückzahlskalierbarkeit leistet.
Das lokale, kostenoptimierte Feuchtemanagement der Atmosphäre in der Brennstoffzellenfertigung bietet die Möglichkeit zur Reduzierung des Beschaffungspreises der Brennstoffzellenstacks. Damit wird auch die großflächige Umsetzung von Brennstoffzellen für schwere Nutzfahrzeuge in Deutschland beschleunigt.

Vorgehen:
Zunächst wird die Feuchtigkeitsaufnahme sowie die Feuchtigkeitsabgabe einer CCM und die damit verbundene Änderung mechanischer Eigenschaften ermittelt. Die daraus resultierenden Materialmodelle sollen den zeitlichen Verlauf der Dimensionsänderungen der CCM bei Klimaschwankungen entlang der Prozesskette vorhersagen können. Parallel dazu werden die verschiedene Produktionsschritte der MEA durch Simulationsmodelle abgebildet. Die von Materialmodellen gewonnenen Erkenntnisse fließen wieder zurück in die Simulation. Für die erfolgreiche Umsetzung ist die Validierung in einer Klimakammer notwendig. Die möglichen Störgrößen sollen auch in dieser Klimakammer experimentell ermittelt werden. Eine Handlungsempfehlung von möglichen Integrationsstellen eines lokalen Microenviroments an der bestehenden Anlagen bei Daimler Trucks Fuel Cell GmbH wird erarbeitet. Anschließend wird geeignete Messtechnik zur Prozessüberwachung und In-Line Charakterisierung qualitätskritischer Produkteigenschaften festgelegt.