Entwicklung und Fertigung von aluminiumbasierten Bipolarplatten mit Anwendung in NT-PEM-Brennstoffzellen (AluBiPEM)

Zur flächendeckenden Einführung der Brennstoffzellentechnologie bedarf es sowohl Produkt- als auch Prozessinnovationen, die auf eine Steigerung der Produktperformance und/oder auf eine Reduktion der Produktionskosten abzielen. Zentrale Zielstellung des Forschungsprojekts AluBiPEM ist daher der Einsatz von Aluminium als Substratwerkstoff für die Schlüsselkomponente Bipolarplatte (BPP), anstelle von Edelstahl, dem aktuellen Stand der Technik.

Der Einsatz von Aluminium als BPP-Material ermöglicht es allein aus Sicht der Materialherstellung Treibhausgasemissionen stark zu reduzieren. Weiterhin besitzt Aluminium materialintrinsische Vorteile – 3x geringere Dichte, 4x höhere Wärmeleitfähigkeit, 27x höhere elektrische Leitfähigkeit –, die zu einer Verbesserung der Produktperformance führen. Daneben stellt das vorliegende Forschungsvorhaben die Industrialisierung und eine Reduktion der Produktionskosten in Aussicht. Die Industrialisierung der BPP-Fertigung wird durch die vier zentralen Verfahren Kalanderprägen, Beschichten, Laserstrukturieren und Galvanisieren realisiert. Alle vier Fertigungstechnologien weisen bereits einen hohen technologischen Reifegrad (8–9) auf und sind industriell etabliert. Sie bieten darüber hinaus die Möglichkeit, neben einer batch-basierten Sheet-to-Sheet Fertigung für mittlere Stückzahlen Skaleneffekte für die industrielle Massenfertigung durch einen kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozess zu erzielen, der möglicherweise erst mit dem Substrat Aluminium zu realisieren ist. 

Im Projekt fungiert die Fa. Unicorn Engineering als Verbundkoordinator. Weitere Verbundpartner sind neben dem fem das ZSW, Fraunhofer ILT, SB Brutschin GmbH, Eloxal Höfler GmbH, Pulsar Photonics GmbH und Gramm Technik GmbH.

Im Teilvorhaben des fem ist die zentrale Aufgabe die Entwicklung eines galvanischen Schichtaufbaus für die elektrische Kontaktierung der Bipolarplatte mit der Gasdiffusionslage. Die Entwicklung eines korrosionsbeständigen neuartigen galvanischen Schichtaufbaus mit möglichst geringen Kontaktwiderstand steht hier im Fokus. Zudem erfolgt am fem die umfangreiche Charakterisierung der Substratmaterialien und Schichtsysteme.

DANKSAGUNG

Das Verbundprojekt wird im Rahmen des 7. Energie Forschungsprogramms vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Förderrichtlinie wird durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.

Entwicklung von Detektionssystemen mit elektrochemisch aktiven Oberflächen zur Online-Überwachung von Filteranlagen

Aufgrund steigender Anforderungen an reine Produktionsumgebungen liegt das Augenmerk in der Reinraumtechnik auf der Verringerung von chemischen Verunreinigungen (Airborne Molekular Contamination, AMC) in der Raumluft.

Die AMC-Filter bestehen aus unterschiedlichen Aktivkohlen oder Ionenaustauschern mit begrenzter Aufnahmekapazität. Ein Durchbruch tritt bei Überladung des Materials unbemerkt auf und kann zu erheblichen Produktionsausfällen führen. Daher müssen AMC-Filter in regelmäßigen Abständen bzw. vorsorglich vor Ende der möglichen Nutzungsdauer ausgewechselt werden. Dies verursacht hohe Kosten und große Abfallmengen. Ansätze für die Echtzeit-Überwachung von AMC-Kontaminanten durch aufwendige laserbasierte optische und nicht-optische Methoden liefert das europäische Verbundprojekt MetAMC. Einfache und kostengünstige Sensoren zur Echtzeit-Überwachung stehen aktuell nicht zur Verfügung.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von einfach aufgebauten und kostengünstig herstellbaren Durchbruchsdetektoren mit elektrochemisch aktiven Oberflächen für die AMC-Kontaminanten Ammoniak und Formaldehyd. Nach dem Prinzip der Gas-Festkörperwechselwirkung soll eine Signalerzeugung detektiert werden. Hierfür sollen durch galvanische Abscheidung Nanopartikel mittels Pulse-Plating-Technik auf 3D-Trägermaterialien mit reaktiven Oberflächen abgeschieden werden. Als Nano-Metallpartikel sind u. a. Kupfer, Silber und Zinn angedacht. Um die unterschiedlichen elektrochemischen Aktivitäten zu erfassen, sollen auch Legierungen sowie neuartige Schichtsysteme mit leitfähigen Polymeren zum Einsatz kommen. Die vorgesehene Messtechnik zur Erfassung der Detektorsignale umfasst Impedanzmessungen sowie die Anwendung der 4-Leiter-Kelvin-Methode und den Aufbau von Brückenschaltungen.

Der Markt für die Sensoren ist groß, da Reinraumfilter in der Halbleiterindustrie, der Pharma- und Life-Science-Industrie, der Mikroelektronik, der Optik, Kosmetik- und Lebensmittelproduktion sowie der Gen- und Medizintechnik zum Einsatz kommen. Der Impuls zur Umsetzung in marktfähige Produkte folgt aus der verbesserten Kontrolle der Reinraumbedingungen und der Einsparpotentiale durch die effizientere Nutzung der AMC-Filter. Darüber hinaus würden die angestrebten Ergebnisse neue funktionale Anwendungen für die Beschichtungsbranche ermöglichen. 

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21279 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Kontakt- und Langzeitverhalten selbstschmierender Beschichtungen in stromtragenden Verbindungen der Elektroenergietechnik

Durch die Energiewende und die Elektrifizierung des Individualverkehrs werden die Anforderungen an den sicheren und zuverlässigen Transport von Elektroenergie gesellschaftlich noch wichtiger. Ein stabiles Stromnetz erfordert ein hohes Maß an Zuverlässigkeit aller beteiligten Komponenten. Gerade Verbindungsstellen, an denen elektrische Energie von einem Leiter auf einen anderen übertragen wird, stellen dabei häufig kritische Punkte dar. Beschichtungen der einzelnen Kontaktpartner sind dabei bereits seit Jahren Stand der Technik. Die steigenden Ansprüche und Herausforderungen erfordern den Einsatz neuer Materialien, mit denen bestehende Betriebsmittel weiterentwickelt werden können. Die Anforderungen an Beschichtungen im Bereich stromführender Steckverbindungen in Stromnetzen sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Durch die kompaktere Bauweise der Geräte und eine steigende Leistungsdichte erhöhen sich die Temperaturen im Einsatz. Wird zusätzlich noch eine hohe Anzahl an Steckzyklen gefordert, sind die konstruktiven und montagetechnischen Herausforderungen hoch. Steckverbindungen mit hoher Steckzyklenzahl werden derzeit mit einem Kontaktschmiermittel vorbehandelt, um den Reibverschleiß im Betrieb zu minimieren.

Das Kontaktschmiermittel muss langzeitstabil und temperaturbeständig sein, damit die geforderten Einsatzzeiten von zum Teil mehreren Jahrzehnten erreicht werden können. Bei der Montage muss auf eine exakte Dosierung des Kontaktschmiermittels geachtet werden, sodass der Kontaktwiderstand nur moderat erhöht, gleichzeitig aber der Reibwert zuverlässig verringert wird. Zudem enthalten die eingesetzten Materialien meist Fluorchemikalien, deren Beschaffung teuer und deren Herstellung bzw. Entsorgung problematisch ist.

Eine Alternative zu den üblicherweise eingesetzten Reinsilberschichten, die mit Kontaktschmiermittel behandelt werden, stellen Silberdispersionsschichten mit eingelagerten Trockenschmierstoffen dar. Ziel des Projektes war die Entwicklung und Untersuchung galvanisch abgeschiedener Silber-Dispersionsschichten mit selbstschmierenden Eigenschaften. Die einzulagernden Partikel wurden hierbei in Form von Pulvern zum Metallmatrixelektrolyten gegeben und durch eine entsprechende Elektrolytumwälzung in Schwebe gehalten. Durch eine geeignete Wahl der Prozess- und Elektrolytparameter konnte der Partikeleinbau in die Schicht gesteuert werden. 

Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse des Projektes, dass bei der Beschichtung von Modellgeometrien alle untersuchten Partikeltypen in Silberschichten eingebaut werden können. Die Systeme Silber-Graphit, Silber-MoS2 und Silber-WS2 heben sich dabei durch ihre guten tribologischen Eigenschaften hervor. Es werden Werte für die mittleren Reibkoeffizienten um 0,2 erreicht, die auch nach einer thermischen Auslagerung von 2000 h bei 180 °C stabil bleiben. Zudem verlangsamt der Einbau der Dispersoide den Härteabfall infolge der Wärmebehandlung im Vergleich zu reinen Silberschichten.

Auch an den industriellen Probekörpern können diese Ergebnisse im Prinzip bestätigt werden. Der maximale Reibweg einer Silberdispersionsschicht bis zum Ausfall vergrößert sich gegenüber einer Reinsilberschicht um den Faktor 3–6 (WS2), 5–10 (MoS2) bzw. 10–18 (Graphit). Dabei werden jedoch noch nicht die Werte einer mit Kontaktschmiermittel behandelten Silberoberfläche erreicht. Dies könnte ein Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Entwicklung eines Sensor-Arrays für schadgas-adsorbierende Kathodenluftfiltersysteme im Rahmen der deutsch-chinesischen Kooperation ISAAC

Das Projektvorhaben soll die wissensbasierte Auslegung von Kathodenluftfilter für Anwendungen in China ermöglichen und wird durch einen parallelen Antrag auf den Förderaufruf des chinesischen MoST (Ministeriums für Wissenschaft und Technologie) zu bilateralen Forschungsprojekten im Bereich der Brennstoffzellen ergänzt. Partner auf chinesischer Seite sind die Tongji Universität, Shanghai, MANN+HUMMEL China, sowie Weichai als OEM-Partner für Erprobungen.

Die Lebensdauer eines PEM-Brennstoffzellensystems hängt wesentlich von der Sauberkeit der Kathodenluft ab. Der schädliche Einfluss von Gasen wie NH3, NOx und SO2 wurde bereits ebenso untersucht wie der wirksame Schutz durch Filter mit Aktivkohlen, die diese Schadgase selektiv adsorbieren können. Da die massenbezogene Speicherkapazität von Aktivkohlen für Schadgase begrenzt ist, ist es für die Filterauslegung unerlässlich, die im Realbetrieb auf den Filter einwirkende Schadgasmenge zu kennen. Feldversuche in Deutschland zeigten, dass diese sehr stark von der lokalen Luftqualität abhängt. Ferner werden Luftqualitätsdaten ermittelt, die als Basis für die wissensbasierte Auslegung von Kathodenluftfilter für Anwendungen in China dienen. 

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen Kathodenluftfiltersystems mit integrierter Durchbruchs-Sensorik mit elektrochemisch aktiven Oberflächen für die Gase NH3, NOx und SO2 zur Erprobung in China. Weiterhin die Entwicklung und Erprobung eines Simulationswerkzeugs zur Auslegung von Kathodenluftfiltern hinsichtlich Schadgasadsorption inklusive Validierung. Das dafür vorgesehene Sensorarray wird auf Basis gassensitiver Schichten bei Beherrschung von Querempfindlichkeiten und Nachweisgrenzen im Spurenkonzentrationsbereich entwickelt. Dazu wird eine intelligente Signalauswertung mit Kompensation von Temperatur und Feuchteeinflüssen für die Anwendung im Nutzfahrzeugbereich in China hergestellt. Dies führt zur Ableitung einer wissensbasierten Auslegungstheorie für Kathodenluftfilter auf Basis der Labor- und Feldversuche.

Die zentrale Aufgabe des fem ist die Entwicklung von Sensorschichten, d.h. elektrochemisch aktiven Oberflächen, die sensitiv und selektiv auf ausgewählte Schadgase bzw. -gemische im sub-ppm-Bereich reagieren. Nach dem Prinzip der Gas-Festkörperwechselwirkung soll eine Signalerzeugung detektiert werden. Auf geeigneten 3D-Trägermaterialien – z.B. Interdigitalelektroden, gedruckte Elektronik – sollen zuerst intrinsisch leitfähige Polymere wie Polyanilin oder Polypyrrol elektrochemisch appliziert werden, da diese sich aufgrund schneller Ansprechzeiten zur Signalerzeugung eines Durchbruchssensors besonders eignen. Weiterhin ist eine gewisse Selektivität abgestimmt auf das jeweilige Schadgas (NH3, NOx und SO2) gefordert, weshalb die Polymerschichten funktionalisiert werden müssen. Diese Aufgabe soll von Metallen (z.B. Ag, Cu), Metalllegierungen (AgCu, CuZn) und Metalloxiden (ZnO, SnO2) übernommen werden. Diese werden anschließend in Form von Nanopartikeln entweder elektrochemisch mittels Pulse-Plating-Technik oder auch als Co-Abscheidung in die Polymerschicht eingebaut, wodurch die Sensoren Ihre Selektivität für das jeweilige Schadgas erhalten. Mit den am Institut vorhandenen Charakterisierungsmöglichkeiten werden die neuartigen Schichten dokumentiert. Die hergestellten Proben werden dem Projektpartner IUTA zur Verfügung gestellt, um die gassensitive Beschichtungen für Sensor-Arrays für unterschiedliche Konzentrationsbereiche von Gasen/ Gasgemischen zu testen. Die Schichtsysteme müssen für bestimmte Schadgase so hergestellt werden, dass Querempfindlichkeiten (Feuchte, Temperatur etc.) auf dem Sensor-Array und Kreuzreaktionen vermieden werden. Die unterschiedlichen Gassensoren werden zuletzt zu einem Sensorarray verbaut und für den Einsatz im Filtersystem bei Mann+Hummel unter realen Bedingungen getestet. Anschließend erfolgt erneut die Charakterisierung der Beschichtung von Rückläufern aus dem Feld am fem.

DANKSAGUNG

Das Projekt FKZ 03B11025A (ISAAC) wird im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.