Crystec Technology Trading GmbH

1. Vakuum‑Heißpresse für verbesserte Klebstoffkontrolle und Effizienz: Große geschnittene Folien und Laminierung im Vakuum ermöglichen einen besseren Schichtkontakt und können in bestimmten Anwendungen bis zu etwa 13 % höhere Effizienz gegenüber R2R liefern. R2R kann typischerweise kein durchgehendes Vakuum über den gesamten Laminierpfad aufrechterhalten.
2. Präzise Ausrichtung und gleichmäßige Wärmeverteilung: Kameraunterstützte Vision Align‑Systeme und die Vakuum‑Presse sorgen für konsistente Positionierung, Temperatur‑ und Druckverteilung und minimieren Fehler.
3. Beseitigung von Luftblasen in der GDL: S2S‑Laminierung ermöglicht verbessertes Entgasen und damit höherwertige Gasdiffusionsschichten (GDL).
4. Kosteneffizientes kompaktes Design: Vakuumlaminierung reduziert mechanische Rollensysteme und kann in Anschaffung und Betrieb kompakter und wirtschaftlicher sein.
5. Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit: S2S ist flexibler hinsichtlich Formaten, Materialkombinationen und kundenspezifischer Konfigurationen — ideal für Automotive‑ und stationäre Anwendungen.

In der Brennstoffzellenfertigung spielt der Laminierprozess eine entscheidende Rolle für die finale Leistung und Effizienz der Brennstoffzelle. Traditionell wurde das Decal‑Verfahren eingesetzt. In einem mehrstufigen Verfahren werden zwei Unterdichtungen, das Elektrodenmaterial zweimal (Kohlenstoffgewebe) mit einer Katalysatorschicht (Platin) und die Polymermembran (Nafion®) aufgebracht. Nafion® ist ein sulfoniertes Tetrafluorethylen‑Polymer, das Ende der 1960er Jahre entwickelt und später von Walther Grot als Modifikation von Teflon® verfeinert wurde. Dieses Verfahren erfordert mindestens drei Maschinen‑ und Prozessschritte. Es handelt sich um eine Heißpress‑Methode mit Rollen, die eine kontinuierliche Verarbeitung in Atmosphäre ermöglicht. Trotz seiner Vorteile hat das Decal‑Verfahren Einschränkungen, insbesondere in Bezug auf Gleichmäßigkeit und Kontrolle des Laminierprozesses. Die mechanische Presse, die im Decal verwendet wird, kann Unregelmäßigkeiten in Druck und Temperatur über die Brennstoffzelle einführen und die Gesamtleistung beeinträchtigen.
Hier sticht die Shindo Vakuum‑Heißpresse als revolutionäre Alternative hervor und bietet signifikante Vorteile gegenüber dem Decal‑Verfahren. Mit der Vakuum‑Heißpresse ist der Laminierprozess optimiert und erfordert nur eine einzige Maschine und einen Prozessschritt. Das reduziert die Produktionszeit und die Komplexität und macht es für Brennstoffzellenhersteller effizienter.
Der Hauptvorteil der Vakuum‑Heißpresse liegt in der Fähigkeit, den Heißpress‑Vorgang in einer Vakuumumgebung auszuführen. Dieser kontrollierte Vakuumzustand sorgt für bessere Gleichmäßigkeit während des gesamten Laminierprozesses. Das Fehlen atmosphärischer Druckschwankungen, wie sie beim Decal‑Verfahren auftreten, ermöglicht eine konsistente und präzise Anwendung von Druck und Wärme auf die Brennstoffzelle, was zu verbesserter Gesamtleistung und Haltbarkeit führt.

Nafion® ist eine eingetragene Marke der The Chemours Company FC, LLC

1. State‑of‑the‑art Membranpress‑Technologie: Shindo‑Maschinen enthalten eine Vielzahl patentierter Technologien, wobei die Membranpress‑Technologie besonders hervorzuheben ist. Diese fortschrittliche Technologie ermöglicht die Produktion ultradünner 10 µm Membranen und verbessert damit die Gesamtleistung und Effizienz der Brennstoffzelle erheblich. Die Reduktion der Dicke von zuvor 20 µm verringert den elektrischen Widerstand und optimiert die Gasdiffusion, was die Zellleistung steigert.
2. Technische Prüfungen und Support: Shindo bietet Prozess‑ und Materialprüfungen sowie Kundensupport über die Lieferung hinaus, um sicherzustellen, dass Kunden die Maschinen und Prozesse erhalten, die am besten für ihre spezifischen Anwendungen geeignet sind. Dieser maßgeschneiderte Ansatz stärkt das Kundenvertrauen und unterstützt erfolgreiche Projekte zur Brennstoffzellenproduktion.
3. Bedienung vielfältiger Kunden: Shindo‑Maschinen bedienen zwei Hauptkundengruppen: Automobilhersteller, die Brennstoffzellenstacks für Elektrofahrzeuge benötigen, und Wasserstoff produzierende Unternehmen, die vor Ort Stromerzeugung benötigen, z. B. Windparks an abgelegenen Standorten, einschließlich Offshore‑Installationen.
4. Ausgezeichnete Gleichmäßigkeit durch Membranpressen: Der S2S‑Prozess in Shindo‑Maschinen bietet eine außergewöhnliche Gleichmäßigkeit von Druck und Temperatur und übertrifft typischerweise das, was bei R2R‑Prozessen erreicht werden kann. Diese Gleichmäßigkeit ist essenziell für die Fertigung von Brennstoffzellen mit konsistenter und zuverlässiger Leistung.

Die Sheet‑to‑Sheet‑Laminierung hat sich als bahnbrechende Technologie in der Brennstoffzellenfertigung erwiesen und bietet unvergleichliche Vorteile gegenüber Roll‑to‑Roll‑Prozessen. Shindo‑Maschinen, mit ihren Innovationen und dem Bekenntnis zur technischen Exzellenz, führen diesen transformativen Prozess an. Durch präzise Klebstoffkontrolle, überlegene Ausrichtung, Eliminierung von Lufteinschlüssen und kosteneffiziente Anpassungsfähigkeit haben Shindo‑Maschinen die Brennstoffzellenproduktion revolutioniert. Während die Welt sich in Richtung nachhaltiger Energielösungen bewegt, sieht die Zukunft der Brennstoffzellentechnologie vielversprechend aus, angetrieben von Shindo‑Maschinen und ihrem Einsatz zur Optimierung von Effizienz und Leistung von Brennstoffzellen.

Nachfolgend geben wir einen Überblick über die Funktionsprinzipien verschiedener Brennstoffzellentypen und die Fertigung von PEMFC‑Zellen. Brennstoffzellen sind galvanische Elemente, die chemische Energie durch einen reversiblen elektrochemischen Prozess in elektrische Energie umwandeln. Ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff reagiert mit einem Oxidationsmittel. Da der Energieträger nicht in der Zelle gespeichert wird, können Kapazität und Leistung unabhängig skaliert werden. Die Redoxreaktionen erfolgen räumlich getrennt an der Anode und der Kathode und können so in elektrische statt thermische Energie umgewandelt werden. Die am häufigsten verwendeten Reagenzien sind Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2); ihre zugrunde liegenden Reaktionen sind unten dargestellt. Diese Redoxreaktionen können entweder säure‑ oder basenkatalysiert ablaufen.

Grundlegende Reaktionen (sauer / alkalisch)

Sowohl bei säure‑ als auch bei alkalisch katalysierten Reaktionen wird Wasserstoffgas (H₂) an der Anode unter Abgabe von Elektronen umgewandelt. Im sauren Medium werden Hydroniumionen (H₃O⁺) gebildet, während im alkalischen Medium Hydroxidionen (OH^-) entstehen und zu Wasser (H₂O) umgesetzt werden. An der Kathode wird Sauerstoff (O₂) zu Wasser (H₂O) (saure Katalyse) oder zu Hydroxidionen (OH^-) (alkalische Katalyse) umgesetzt. Somit verbinden sich Wasserstoff und Sauerstoff in beiden katalytischen Systemen zur Bildung von Wasser.

Obwohl Wasserstoff und Sauerstoff die am häufigsten verwendete Kombination in Brennstoffzellen sind, können auch andere Wasserstoffträger wie Methanol (CH₃OH), Butan (C₄H₁₀) oder Erdgas (>75 % Methan) als Brennstoffe eingesetzt werden. Wasserstoff wird häufig chemisch als Ammoniak (NH₃) gespeichert und kann vor Ort in einem Wasserstofferzeuger thermisch gespalten werden. Der H₂-Generator (Ammoniak‑Cracker) spaltet Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff wie durch die folgende Gleichung illustriert:

2 NH₃ → H₂ + 3 N₂

Je nach Brennstoffzellentyp muss Stickstoff möglicherweise in einem separaten Prozess abgetrennt werden.

Eine Brennstoffzelle besteht typischerweise aus zwei katalysatorbeschichteten Elektroden und einem Elektrolyten (Ionenleiter). Elektroden sind überwiegend metall‑ oder kohlenstoffbasierte Systeme mit großer Oberfläche (z. B. Kohlenstofffilz). Katalysatoren wie Ruthenium oder Platin werden verwendet. Der Elektrolyt dient dazu, die Reaktanten räumlich zu trennen und gleichzeitig den Ladungstransport zwischen den Elektroden zu ermöglichen. Sowohl flüssige als auch feste Elektrolyte sind möglich.

Die räumlich getrennte Oxidation eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Brennstoffzellentypen unterscheiden sich vor allem durch Betriebstemperatur, die verwendeten Elektrolyte und die zugeführten Brennstoffe sowie die entsprechenden Redoxreaktionen. Niedertemperatur‑Brennstoffzellen (LT‑FC) arbeiten bis etwa 200 °C, während Hochtemperatur‑Brennstoffzellen (HT‑FC) ab etwa 700 °C starten. Aufgrund der Temperatur benötigen Niedertemperaturzellen typischerweise Katalysatoren auf Basis teurer Platin‑Gruppenmetalle und sind empfindlich gegenüber Verunreinigungen wie Kohlenmonoxid. Hochtemperaturzellen können oft günstigere Katalysatoren wie Nickel verwenden und erzielen typischerweise höhere Wirkungsgrade. Des Weiteren unterscheiden sich Brennstoffzellen durch die verwendeten Elektrolyte. Dazu gehören Polymer‑Elektrolytmembranen (z. B. PEMFC), wässrige alkalische Elektrolyte (z. B. AFC), wässrige saure Elektrolyte (PAFC), ionische Flüssigkeiten (geschmolzene Kohlensäurebrennstoffzelle — MCFC) und feste Elektrolyte (z. B. keramische SOFC).
Die gebräuchlichsten Brennstoffzellentypen sind in der Tabelle unten mit ihren Eigenschaften aufgeführt.

Die zwei heute vielversprechendsten Brennstoffzellentypen sind die Polymer‑Elektrolyt‑Brennstoffzelle und die Festoxid‑Brennstoffzelle.

Die Polymer‑Elektrolyt‑Brennstoffzelle (PEMFC), auch Protonenaustauschmembran‑Brennstoffzelle genannt, arbeitet typischerweise bei 10–100 °C (Niedertemperatur‑PEMFC) oder 130–200 °C (Hochtemperatur‑PEMFC), abhängig von der verwendeten Elektrolytmembran. Beide Varianten können mit reinem Wasserstoff Wirkungsgrade von rund 60 % erreichen (bei Erdgas als Brennstoff etwa 48 %). An der Kathode, wie im Funktionsprinzip unter säurehaltigem Elektrolyt beschrieben, wird Wasserstoff (oder eine Wasserstoffquelle wie ein Kohlenwasserstoff) an der Anode oxidiert und Sauerstoff aus der Luft an der Kathode reduziert. Die kontinuierliche Wasserversorgung zur Anode erfolgt durch Rückdiffusion durch die Membran und durch Befeuchtung der Reaktanten.

Niedertemperatur‑PEMFC

Niedertemperatur‑PEMFCs verwenden oft eine Nafion^® Polymermembran, ein sulfoniertes Tetrafluorethylen‑Polymer. Im hydratisierten Zustand wird die Membran protonenleitend. Die Leitfähigkeit steigt mit dem Wassergehalt. Die Membran ist auf beiden Seiten mit einer porösen Elektrode (typischerweise kohlenstoffbasiert) beschichtet, die einen Katalysator enthält, oft Platin oder Mischungen wie Platin‑Ruthenium, Platin‑Nickel oder Platin‑Kobalt. Besondere Vorsicht ist geboten, dass Kohlenmonoxid (CO), das bei der Wasserstoffproduktion aus fossilen Quellen als Nebenprodukt auftreten kann, nicht in die Brennstoffzelle gelangt. Schon CO‑Konzentrationen um 10 ppm können den Katalysator vergiften und die Reaktion stören. CO bindet stark an katalytisch aktive Stellen auf der Membranoberfläche. CO kann durch Spülen der Brennstoffzelle mit Inertgas oder reinem Wasserstoff entfernt werden. Hohe CO‑Gehalte werden durch Shift‑Reaktionen und selektive CO‑Oxidation vermieden.
In der Shift‑Reaktion kann CO durch Zugabe von Dampf reversibel zu CO₂ und Wasserstoff umgesetzt werden:
CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂
Das Gleichgewicht verschiebt sich mit steigender Temperatur in Richtung Produkte.
Schwefelverbindungen und Ammoniak im Brenngas sind ebenfalls Katalysatorgifte und müssen möglichst auf niedrige ppm‑Werte begrenzt werden.

Hochtemperatur‑PEMFC

Hochtemperatur‑PEMFCs verwenden typischerweise eine Polybenzimidazol (PBI) Membran. Phosphorsäure wird in die PBI‑Matrix eingelagert, um Protonenleitfähigkeit bereitzustellen. Eine Wasser‑Dopierung wie bei NT‑PEMFCs ist nicht erforderlich. Bei 130–200 °C sind die Reaktionen weniger empfindlich gegenüber CO, weil CO bei höheren Temperaturen leichter desorbiert und so aktive Katalysatorstellen freigibt.

Vorteile von PEMFC

• Sehr gutes Kaltstartverhalten
• Langlebigkeit (> 10 Jahre)
• Stapelfähig zu Brennstoffzellenstacks
• Hohe Stromdichte
• Gute dynamische Reaktion
• Niedrige Betriebstemperatur (NT‑PEMFC)
• Fester Elektrolyt (kein Risiko von Flüssigkeitsaustritt)
• CO₂-resistenter Elektrolyt

Nachteile von PEMFC

• Empfindlichkeit gegenüber Brennstoffverunreinigungen (CO, NH₃, Schwefelverbindungen)
• Reinigung von reformiertem Erdgas erforderlich
• Teurer Katalysator

Entwicklungsstand von PEMFC

Derzeit werden in frühen Serien Personenkraftwagen (PKW), LKW und Busse, kleine Systeme und BHKW‑Einheiten mit PEMFC betrieben. Es gibt auch Anwendungen für den Batterieversatz und die Elektronik (z. B. Notstromversorgung für Laptops). Raum‑ und Militärapplikationen befinden sich ebenfalls in der Entwicklung. Die Leistungsbereiche reichen von 5 bis 250 kW.

Die Festoxid‑Brennstoffzelle (SOFC) arbeitet bei Temperaturen von 650–1000 °C und gehört damit zu den Hochtemperatur‑Brennstoffzellen. Charakteristisch für die SOFC‑Technologie ist der feste oxidkeramische Elektrolyt. Das gebräuchlichste Material ist yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ). Alternativ können dotierte Lanthangallate (LSGM) oder gadoliniumdotierte Ceroxid (CGO) verwendet werden. Wirkungsgrade von bis zu etwa 70 % sind erreichbar.
Der Elektrolyt, das Herz der Brennstoffzelle, kann als Rohr oder als planare Membran hergestellt werden und wird so dünn wie möglich gefertigt, um einen energiearmen Transport von Sauerstoffionen zu ermöglichen. Kathodenmaterialien können elektronisch leitfähige Perowskite auf Manganbasis sein, z. B. La_0.8Sr_0.2MnO₃ (LSM). Diese sind altersbeständig, reagieren jedoch empfindlich auf "Vergiftung" durch Chrom, das aus Edelstahlkomponenten in Stacks freigesetzt werden kann und die Lebensdauer deutlich verringern kann. Anodenmaterialien sind typischerweise Nickel‑YSZ‑Verbunde (Ni‑YSZ).

Vorteile von SOFC

• Niedrigere Investitionskosten (keine teuren Katalysatoren)
• Kann Erdgas oder Methan zusätzlich zu Wasserstoff verwenden
• Hohe Toleranz gegenüber Brennstoffverunreinigungen
• Hoher Wirkungsgrad
• Kein Elektrolytmanagement erforderlich
• Keine Elektrodenkorrosion
• Fester Elektrolyt (kein Auslaufen von Flüssigkeiten)
• CO₂-resistenter Elektrolyt

Nachteile von SOFC

• Lange Aufheizzeiten aufgrund hoher Betriebstemperaturen
• Hohe Temperaturen erfordern temperaturbeständige Materialien
• Hohe mechanische und thermische Beanspruchung

Entwicklungsstand von SOFC

Experimentelle Prototypen von Blockkraftwerken für die stationäre Stromerzeugung existieren bereits, mit Leistungen bis zu etwa 250 kW.