Bereich Industrielle Gemeinschaftsforschung

Projektliste mit Publikationen

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Entwicklung eines 3D-Siebdruckverfahrens zur Herstellung metallischer Bipolarplatten für Mikrobrennstoffzellen

AiF-FV Nummer: 15784

Laufzeit:

01.09.2008 - 31.01.2011

Forschungsstellen:

  • Zentrum für Brennstoffzellen gGmbH
    Carl-Benz-Str. 201, 47057 Duisburg
    www.zbt-duisburg.de/

  • Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM FhG
    Winterbergstr. 28, 1277 Dresden
    www.ifam-dd.fraunhofer.de

Zusammenfassung:

Entsprechend den Zielen des Forschungsvorhabens haben die beiden beteiligten Forschungseinrichtungen die 3D-Metallsiebdruck Technik für die Herstellung von miniaturisierten Bipolarelementen für Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen entwickelt. Durch die umgesetzte Kompetenzaufteilung hat das Fraunhofer IFAM dabei die Prozessführung des 3D-Siebdrucks auf die Anforderungen der Brennstoffzellentechnik erweitert, während das Zentrum für Brennstoffzellentechnik auf Basis des Siebdrucks miniaturisierte Brennstoffzellen entwickelt und somit ein neuartiges Verfahren für die Komponentenherstellung von Zellbauteilen erschlossen hat. Da für einen erfolgreichen Druck die Suspension genau eingestellt werden muss, wurde an der Forschungsstelle Fraunhofer IFAM Dresden (IFAM) zunächst intensive Arbeiten zur Entwicklung der optimierten Drucksuspension durchgeführt. Dabei wurden die Wechselwirkungen der Pastenzusätze untereinander und mit dem verwendeten Stahlpulver rheologisch untersucht. Dazu wurde der Siebdruckprozess im Rheometer nachgebildet, um die Entwicklungszeit zu verkürzen, da so eine neue Suspensionsrezeptur schon in einem frühen Stadium auf ihre Tauglichkeit als Drucksuspension beurteilt werden konnte. Danach wurde die von der Forschungsstelle ZBT entwickelten neuen Bipolarplattendesigns in ein Sieb umgesetzt. Dazu wurden die Daten in ein CAD-Siebdesign eingearbeitet. Das Sieb selber wurde extern beauftragt. Mit diesem Sieb und der entwickelten Suspension wurden die Bipolarplatten hergestellt. Je nach Design wurden dafür entsprechende Siebwechsel vorgesehen. Beim Druck wurde insbesondere darauf geachtet, dass ein Versatz sowohl zwischen jeder Drucklage als auch nach jedem Siebwechsel vermieden wurde. Außerdemi mussten die Prozessparameter so eingestellt werden, dass sowohl der Höhenauftrag reproduzierbar war als auch die Bauteile fehlerfrei hergestellt werden konnten. Für diesen Zweck wurde entsprechende optische Messtechnik installiert. In diesem Zuge konnte das Verfahren in seinen geometrischen Möglichkeiten für weitere Anwendungen deutlich erweitert werden. Die gedruckten Bauteile wurden anschließend einer Wärmebehandlung zugeführt, bei der die organischen Bestandteile der Suspension rückstandsfrei entfernt werden konnten. Der gemessene Sinterschrumpf war weitgehend isotrop und führt kaum zu Bauteilfehlern. Die gesinterten Bauteile wurden der Forschungsstelle ZBT zur Charakterisierung zur Verfügung gestellt. Forschungsstelle Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT) hat zunächst drei Bipolarhalbplatten für drei unterschiedliche, miniaturisierte Brennstoffzellentypen konstruiert. Durch eine Teilkonstruktion in Ebenen, entsprechend der zweidimensionalen Strukturübertragung über einzelne Drucksiebe, konnten ohne Schwierigkeiten Datensätze für den 3D-Siebdruckprozess als ein für die Brennstoffzellentechnik noch unbekanntes Herstellungsverfahren bereitgestellt werden. In der Anfangsphase des Vorhabens standen für die Forschungsarbeiten noch keine Bipolarelemente auf 3D-Siebdruckbasis zur Verfügung. Aus diesem Grund wurde über die HSC-Bearbeitung einer der Plattentypen in unterschiedlichen Materialien gefräst. Somit konnten frühzeitig erste miniaturisierte Brennstoffzellen am ZBT konstruiert, die Teile über eine HSC-Bearbeitung gefertigt, assembliert und betrieben werden. Durch die ersten experimentellen Untersuchungen konnten an den miniaturisierten Zellen Schwächen bezüglich der el. Kontaktierung beim Zellaufbau offen gelegt werden. Auf Basis dieses Vorwissens wurden dann in der Konstruktions- und Assemblierungsphase der miniaturisierten Brennstoffzellen auf Basis der 3D-Metallsiebdruck Platten diese Defizite schrittweise behoben. Hierdurch hat sich die Performance der Zellen entscheidend verbessert. Eine im Antragstext vorgesehene Designoptimierung während der Projektlaufzeit wurde genutzt, um die bestehenden Plattenentwürfe zugunsten der Aufbau- und Verbindungstechnik unter den nachhaltig reduzierten Größendimensionen zu verbessern. Der 3D-Metallsiebdruck gab hierbei der Zellentwicklung die Möglichkeit sowohl definiert geschlossene Hohlräume an den passiven Fügebereichen sowie Kanalhinterschneidungen in den aktiv an der Zellreaktion beteiligten Kanalstrukturfeldern der Platten zu realisieren. Durch die Zusammenführung der komplementären, sich ergänzenden Kompetenzfeldern der beiden Forschungsstellen ist es erfolgreich gelungen, die 3 D-Metallsiebdruck Technik sowohl als effektives Mittel der Vervielfältigung als auch als formidable Entwicklungsplattform von miniaturisierten, metallischen Bauteilen für die Brennstoffzellentechnik zu erschließen. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Förderhinweis:

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Abschlussbericht:

Abschlussbericht zum Download

Abschlussbericht für das IGF-Forschungsvorhaben 15784 BG: "Entwicklung eines 3D-Siebdruckverfahrens zur Herstellung metallischer Bipolarplatten für Mikrobrennstoffzellen"