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Im Zuge der Energiewende gewinnt die Brennstoffzelle als emissionsfreier Energiewandler zunehmend an Bedeutung. Dabei werden für die emissionsfrei Herstellung des dafür benötigten „grünen“ Wasserstoffs zunehmend auch Elektrolyseure eingesetzt.
Brennstoffzellen als Energiewandler gewinnen in verschiedenen Anwendungsfeldern an Bedeutung, dabei fallen die Vorteile von Brennstoffzellensystemen in der Mobilität und hier besonders im Bereich des Schwerlastverkehrs im wahrsten Sinne des Wortes besonders „ins Gewicht“: Verglichen mit modernen Batteriesystemen haben Brennstoffzellensysteme eine auf das systemgewichtbezogene zehn bis einhundertmal größere Energiedichte. Besonders im Langstreckenschwerlastverkehr, aber auch für den Schiffs- und Flugverkehr gelten Brennstoffzellen daher weiterhin als attraktive Alternative zu rein Batterieelektrischen Lösungen.
Der steigende Bedarf an zuverlässigen, leistungsfähigen Brennstoffzellen führt jedoch zu neuen Herausforderungen in der industriellen Fertigung. Einer der zentralen und zugleich sensibelsten Schritte in der Herstellung einer Brennstoffzelle und eines Elektrolyseurs ist der Laminierungsprozess. Dabei wird eine 8 bis 120 µm dicke (Protonenaustausch-)Membran präzise in einen Folienrahmen eingesetzt und „dicht“ platziert, um Wasser- und Sauerstoff im System zuverlässig voneinander zu trennen. Andernfalls drohen schwerwiegende Funktionsausfälle bis hin zur Explosionsgefahr.
Im Inneren einer Brennstoffzelle laufen komplexe elektrochemische Prozesse ab, doch ihr Aufbau folgt einem klaren Prinzip. Im Mittelpunkt steht die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA). Sie besteht aus mehreren hochfunktionalen Schichten: einer protonenleitenden Membran, die beidseitig mit Katalysatorschichten beschichtet ist und von Gasdiffusionslagen ergänzt wird. In dieser Schichtstruktur findet die Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie statt. Dabei entsteht lediglich Wasser als einziges Abfallprodukt.
Elektrolyseure ähneln den Brennstoffzellen im Aufbau, werden jedoch zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt. Im Gegensatz zur Brennstoffzelle wird das System dabei nicht mit Gas, sondern mit Wasser durchflutet, was zu einem etwas abgewandelten Aufbau führt.
In der Produktion sogenannter Membran-Elektroden-Anordnungen müssen hauchdünnen Schichten präzise aufeinander gebracht werden. Dabei sind die einzelnen Schichten oft nur 8 µm stark und können mit handelsüblicher Frischhaltefolie verglichen werden. Diese Schichten sind nicht nur kostenintensiv, sondern auch extrem empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen oder Verunreinigungen. Schon kleinste Fehler im Laminierungsprozess können zu Funktionsverlusten, erhöhtem Ausschuss und erheblichen Kosten führen. Deshalb sind höchste Genauigkeit und Wiederholbarkeit gefragt – auch und gerade bei kleinen Produktionsmengen.
Ein entscheidender Schritt im Produktionsprozess von Brennstoffzellen ist die Laminierung der einzelnen Funktionsschichten. Dabei werden unter anderem Elektroden, Katalysatorschichten und Membranen zu einer stabilen Funktionseinheit verbunden. Das Problem: Diese Materialien sind oft nur wenige Mikrometer dick, also dünner als ein menschliches Haar und daher extrem empfindlich.
Gerade bei händischer Verarbeitung ohne geeignete Hilfsmittel ist es eine Herausforderung, gleichbleibende Qualität zu erzielen. Faltenbildung, Lufteinschlüsse oder kleinste Lageabweichungen können die Funktion der Zelle beeinträchtigen – mit entsprechendem Materialverlust und hohem Ausschuss als Folge.
Hinzu kommt, dass in vielen Forschungseinrichtungen oder kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) zunächst nur geringe Stückzahlen produziert werden. Der Einsatz vollautomatisierter Anlagen ist in diesem frühen Stadium oft wirtschaftlich nicht sinnvoll.
Manuelle Lösungen wie der OPTIMA Handlaminator bieten hier einen entscheidenden Vorteil: Sie ermöglichen eine fehlerfreie und reproduzierbare Laminierung empfindlicher Schichtmaterialien, indem sie exakten Druck und präzise Positionierung, auch bei kleinen Stückzahlen, sicherstellen. Gleichzeitig lassen sich die Geräte einfach in bestehende Laborumgebungen integrieren und bilden so eine wichtige Brücke zwischen Forschung und industrieller Produktion. Das Funktionsprinzip des Handlaminators ist dabei von hochratenfähigen Produktionslinien abgeleitet. Daher muss das Produktionsprinzip, das so genannte Industrialisierungskonzept bei Erhöhung der Stückzahlen nicht neu entwickelt werden.
