Simulative Auslegung einer hochratenfähigen Brennstoffzellenfertigung im Projekt R2Stack 

Herausforderung: hochratenfähige Brennstoffzellenproduktion  

Wasserstoff kann beim tiefgreifenden Umbau der Energiesysteme eine zentrale Rolle spielen, sofern seine Herstellung und Nutzung in allen Energieverbrauchssektoren effizient gestaltet wird. Neben technologischen Herausforderungen stellen vor allem ökonomische Faktoren wesentliche Hürden für den Markteintritt und -erfolg dar. Die Kosten von Brennstoffzellen resultieren insbesondere aus der komplexen, kostenintensiven und überwiegend manuellen Produktion sowie der aufwendigen Qualitätskontrolle. Für die zukünftige Brennstoffzellenfertigung sind daher serientaugliche Prozesse mit automatisierten und durchgängigen Fertigungsverfahren sowie optimierten Handlingsystemen erforderlich, um Kosten zu senken und die Produktionsraten zu steigern.  

Das Forschungsprojekt R2Stack widmet sich genau diesen Herausforderungen. Innerhalb dieses Projekts entwickelten wir vom Team #zukunftsfbarik des Fraunhofer IWU gemeinsam mit den Verbundpartnern eine Prozesskette zur hochratenfähigen Produktion von katalysatorbeschichteten Membranen (CCM) und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) für die Herstellung von Brennstoffzellen. Die Schwerpunkte der Entwicklungsarbeit lagen insbesondere auf der Entwicklung hochgetakteter Prozesse und Betriebsmittel zur Herstellung von CCMs im Rolle-zu-Rolle-Prinzip mit integrierter Qualitätsüberwachung und Reparaturkonzept sowie der Assemblierung, also der Zusammenführung, der MEAs. Darüber hinaus wurde ein Konzept für die hochratenfähige Weiterverarbeitung der MEAs in Form des Stackings erarbeitet. Das Projektergebnis liegt somit in der Gesamtheit der Prozesskette mit verschiedenen Fertigungsverfahren und Betriebsmittelkonzepten und nicht in den Brennstoffzellen selbst. Das Verbundvorhaben wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und von den Partnern Laufenberg GmbH (Konsortialführer), OPTIMA packaging group GmbH, Fraunhofer IWU, Fraunhofer ENAS sowie PowerCell Sweden AB (assoziierter Partner) bearbeitet.

Fertigungsablauf der Brennstoffzellenproduktion 

In der folgenden Abbildung ist der Aufbau einer Brennstoffzelle schematisch abgebildet. 

Abbildung 1: Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks in Anlehnung an [1] 

Die Herstellung von Brennstoffzellen basiert auf den Komponenten Bipolarplatte (BPP), Gasdiffusionsschicht (GDL), Subgasket und katalysatorbeschichtete Membran (CCM). Diese Komponenten werden über verschiedene Produktionsprozesse hergestellt. Derzeit existieren noch keine einheitlichen Standards in der Brennstoffzellenfertigung, da es sich in der Regel um eine Produktion im Manufakturformat handelt.  

Im Verbundvorhaben wurde die Entwicklung einer hochratenfähigen Produktion der sogenannten 7-Lagen-MEA vorangetrieben, die sich aus den folgenden Schritten zusammensetzt:  

• Beschichten der Membran mit Katalysatorschichten (Anode und Kathode) zur Herstellung der CCM 

• Herstellung der 5-Lagen-MEA durch Assemblierung des Subgaskets (auch Sub-Dichtungsrahmen genannt) um die CCM

• Fügen der GDLs auf 5-Lagen-MEA zur Herstellung der 7-Lagen-MEA und Vereinzelung der 7-Lagen-MEA

Für die Herstellung der 7-Lagen-MEA sind verschiedene Produktionskonzepte möglich. Zum aktuellen Zeitpunkt liegt noch kein einheitlicher Stand vor und es gibt noch keine großserientauglichen Prozessketten (2). Das Rolle-zu-Rolle-Verfahren hat sich als vielversprechender Ansatz zur Fertigung der 7-Lagen-MEA erwiesen und wurde daher auch hier eingesetzt.  

Die im Vorhaben umgesetzte Prozesskette mit Materialinput, Output und Abfallprodukten ist in der Abbildung 2 dargestellt. Der Betrachtungsrahmen des Vorhabens umfasst sämtliche Prozesse der Brennstoffzellenproduktion, mit Ausnahme des Pressens, Verspannens und der Endmontage sowie der vorgelagerten Herstellung der eingesetzten Materialien. 

Abbildung 2: Prozessablauf mit Inputs und Outputs in Anlehnung an [2] und [3] 

In der Abbildung 3 ist ein kontinuierlicher Gesamtprozess der Fertigung von Brennstoffzellen-Stacks schematisch dargestellt. Im Vorhaben R2Stack erfolgte die Verteilung der einzelnen Prozessschritte auf mehrere Anlagen sowie die Verknüpfung der Anlagen untereinander mittels eines Zwischenpuffers gemäß dem in Abbildung 2 dargestellten Prozessablauf. 

Abbildung 3: Schematische Darstellung des Gesamtprozess bei der Fertigung von Brennstoffzellen-Stacks im Rolle-zu-Rolle-Verfahren in Anlehnung an [4] 

Für nähere Informationen zu den einzelnen Prozessschritten und den Möglichkeiten bezüglich der Herstellung von Brennstoffzellen verweisen wir an dieser Stelle auf die folgenden Quellen: 

• Produktion von Brennstoffzellenkomponenten und 

• Produktion von Brennstoffzellensystemen. 

Simulative Auslegung einer hochratenfähigen Brennstoffzellenfertigung 

Da die einzelnen Anlagen von den Projektpartnern an verschiedenen Standorten entwickelt und getestet wurden, war eine materialflusstechnische Verknüpfung nicht möglich. Daher bewerteten wir die hochratenfähige Produktion anhand eines Simulationsmodells.  

Methodischer Ansatz der Materialflusssimulation 

Basierend auf dem standardisierten Vorgehen der VDI 3633 haben wir die einzelnen Anlagen der Hersteller systematisch analysiert. Darüber hinaus haben wir relevante Daten erfasst und verdichtet (z. B. Anlagendaten und fertigungstechnische Restriktionen). Darauf aufbauend entwickelten wir ein Konzeptmodell, stimmten die Steuerungslogiken ab, implementierten das Modell und erprobten anschließend sechs verschiedenen Szenarien. Das Simulationsmodell bildet im Wesentlichen die gesamte Prozesskette der Brennstoffzellenproduktion ab, wie sie in Abbildung 2 dargestellt ist. 

Die Ziele und Schwerpunkte der Simulationsstudie lagen auf: 

• Identifikation einer Konfiguration unter den vorgegebenen Rahmenbedingungen zur Herstellung von 25.000 Brennstoffzellen pro Jahr 

• Modellierung der einzelnen Anlagen mit den entsprechenden Inputs, Outputs Anlagenparametern sowie Materialwechselzeiten 

• Definition einer Steuerungslogik für einen kontinuierlichen Materialfluss 

• Durchführung von Simulationsexperimenten mit Variation von Bahngeschwindigkeit, Veränderung Materialinput und Hinzufügen von Produktionskapazitäten zur Beseitigung von identifizierten Bottlenecks

• Erfassung von Key Performance Indicators (KPIs): Durchsatzrate, Durchlaufzeiten, Taktzeiten, Auslastung etc. 

Das folgende Video veranschaulicht das Simulationsmodell und den wesentlichen Ablauf der Brennstoffzellenproduktion. 

Eigene Darstellung mit Plant Simulation erstellt. © Fraunhofer IWU 

Ergebnisse und Mehrwert der Simulation  

Die Ergebnisse zeigen, dass das angestrebte Produktionsziel von 25.000 Stacks pro Jahr (siehe Abbildung 4) unter bestimmten Szenarien erreicht wird. Zudem liefern sie Hinweise zu Grenzwerten und Zielkorridoren. Das Szenario 1a) stellt das Referenzszenario dar. Die Szenarien 1b), 2a), 2b), 3a) und 3b) erzeugten wir durch gezielte Veränderungen der Parameter Bandgeschwindigkeit und Materialinput sowie durch das Hinzufügen zusätzlicher Produktionskapazität ausgehend von unserem Referenzszenario. Aus den Simulationsexperimenten identifizierten wir Bottlenecks und leiteten Handlungsempfehlungen ab: 

• Durchsatz: Es ist möglich 25.000 Brennstoffzellen Stacks pro Jahr herzustellen. 

• Anlagenauslastung: Es lassen sich Aussagen zur Auslastung der einzelnen Prozessschritte treffen, auf deren Grundlage weitere Optimierungen vorgenommen werden können. 

• Durchlaufzeit: Die Experimente geben Hinweise zu einer Zieltaktzeit, um das Produktionsziel zu erreichen und verdeutlichen wo die Bottlenecks liegen. 

• Werkerauslastung: Die Experimente zeigen die Auslastung und benötigte Anzahl an Werkern an den einzelnen Anlagen. 

• Robustheit: Die Ergebnisse zeigen kritische Engpässe und geben Empfehlungen für die Auslegung der gesamten Prozesskette.

• Anlaufzeit (Ramp-up Phase): Die Analysen ermöglichen Prognosen zur Entwicklung der einzelnen Prozesse während der Anlaufphase. 

Abbildung 4: Auszug aus den Simulationsergebnissen – Output Brennstoffzellen © Fraunhofer IWU

Abbildung 5: Auszug aus den Simulationsergebnissen – Anlagenauslastung © Fraunhofer IWU

Fazit 

Die erstellte Materialflusssimulation visualisiert die technische Machbarkeit der Zielstellung einer hochratenfähigen Brennstoffzellenproduktion. Folglich kann die Wirtschaftlichkeit und dadurch Anwendbarkeit dieser Technologie langfristig erhöht werden. Zudem liefert das Modell eine fundierte Entscheidungsgrundlage für zukünftige Analysen, um Engpässe zu vermeiden und erwartete Durchsätze zu prognostizieren. Unsere gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für die weitere technische Ausgestaltung, um das Konzept zu optimieren und in die Umsetzung zu überführen. Zudem können die Erkenntnisse zukünftig auch auf die Herstellungsprozesse für Komponente von anderen Technologien, wie zum Beispiel dem PEM-Elektrolyseur (PEM – Polymer Electrolyte Membrane), übertragen werden. 

Bei Fragen zum Projekt kontaktieren Sie uns gerne unter blog-zukunftsfabrik@iwu-fraunhofer.de.  

Abbildung 6: Fördermittelgeber des Forschungsprojektes R2Stack

Quelle Titelbild: © Fraunhofer IWU 

Referenzen Abbildungen:  

[1] Heimes, H.H. et al. (2024). Brennstoffzellensysteme. Abbildung 8.3. (S. 157). In: Kampker, A., Heimes, H.H. (eds) Elektromobilität. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-65812-3_8.

[2] Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT. (2022). Technologischer Deep-Dive | Die Membran-Elektroden-Einheit der PEM-Brennstoffzelle. Abgerufen am 16. Januar 2026 unter: https://www.now-gmbh.de/wp-content/uploads/2022/10/Deep-Dive_MEA.pdf

[3] Lehrstuhl „Production Engineering of E-Mobility Components” der RWTH Aachen und VDMA Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellen (2022). Produktion von Brennstoffzellensystemen. Abgerufen am 16.01.2026 unter: https://www.pem.rwth-aachen.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaabxhbbde

[4] Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik. (2023). Industrielle Massenproduktion von Wasserstoffsystemen: Die Referenzfabrik.H2 macht Brennstoffzellen und Elektrolyseure serienreif. Abgerufen am 02. März 2026 unter https://www.iwu.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/PM-2023-IWU-IPT-ENAS-Industrielle-Massenproduktion-von-Wasserstoffsystemen-dank-Referenzfabrik-H2.html