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.
ACKNOWLEDGEMENT
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.
Acknowledgement
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.
Contact and long-term behaviour of self-lubricating coatings in current-carrying connections in electrical power engineering
The energy transition and the electrification of private transport are making the requirements for the safe and reliable transport of electrical energy even more important for society. A stable power grid requires a high degree of reliability from all components involved. Connections where electrical energy is transferred from one conductor to another are often critical points. Coatings on the individual contact partners have been state of the art for years. The increasing demands and challenges require the use of new materials with which existing equipment can be further developed. The requirements for coatings in the area of current-carrying plug connections in power grids have risen sharply in recent years. Due to the more compact design of devices and increasing power density, the temperatures in use are rising. If a high number of mating cycles is also required, the design and installation challenges are high. Connectors with a high number of mating cycles are currently pre-treated with a contact lubricant to minimise frictional wear during operation.
The contact lubricant must be stable over the long term and temperature-resistant so that the required operating times of several decades in some cases can be achieved. During assembly, care must be taken to dose the contact lubricant precisely so that the contact resistance is only moderately increased, but at the same time the coefficient of friction is reliably reduced. In addition, the materials used usually contain fluorochemicals, which are expensive to procure and problematic to produce and dispose of.
Silver dispersion coatings with embedded dry lubricants are an alternative to the pure silver coatings normally used, which are treated with contact lubricants. The aim of the project was to develop and investigate electroplated silver dispersion coatings with self-lubricating properties. The particles to be deposited were added to the metal matrix electrolyte in the form of powders and kept in suspension by appropriate electrolyte circulation. By selecting the appropriate process and electrolyte parameters, it was possible to control the incorporation of the particles into the coating.
In summary, the results of the project show that all investigated particle types can be incorporated into silver coatings when coating model geometries. The silver-graphite, silver-MoS2 and silver-WS2 systems stand out due to their good tribological properties. Values of around 0.2 are achieved for the average coefficients of friction, which remain stable even after thermal ageing for 2000 h at 180 °C. In addition, the incorporation of dispersoids slows down the drop in hardness as a result of heat treatment compared to pure silver coatings.
These results can also be confirmed in principle on the industrial test specimens. The maximum friction path of a silver dispersion layer up to failure increases by a factor of 3-6 (WS2), 5-10 (MoS2) or 10-18 (graphite) compared to a pure silver layer. However, the values of a silver surface treated with contact lubricant are not yet achieved. This could be the subject of further investigations.
Development of a sensor array for harmful gas-adsorbing cathode air filter systems as part of the German-Chinese co-operation ISAAC
The project aims to enable the knowledge-based design of cathode air filters for applications in China and is supplemented by a parallel application for funding from the Chinese MoST (Ministry of Science and Technology) for bilateral research projects in the field of fuel cells. Partners on the Chinese side are Tongji University, Shanghai, MANN+HUMMEL China, and Weichai as an OEM partner for trials.
The service life of a PEM fuel cell system depends largely on the cleanliness of the cathode air. The harmful influence of gases such as NH3, NOx und SO2 has already been investigated, as has the effective protection provided by filters with activated carbons that can selectively adsorb these harmful gases. As the mass-related storage capacity of activated carbons for harmful gases is limited, it is essential for the filter design to know the amount of harmful gas acting on the filter in real operation. Field tests in Germany have shown that this is highly dependent on the local air quality. Furthermore, air quality data is determined which serves as a basis for the knowledge-based design of cathode air filters for applications in China.
The aim of the research project is to develop a new type of cathode air filter system with integrated breakthrough sensors with electrochemically active surfaces for the gases NH3, NOx und SO2 for testing in China. Furthermore, the development and testing of a simulation tool for the design of cathode air filters with regard to harmful gas adsorption, including validation. The sensor array intended for this purpose is being developed on the basis of gas-sensitive layers with control of cross-sensitivities and detection limits in the trace concentration range. For this purpose, an intelligent signal evaluation with compensation of temperature and humidity influences for use in the commercial vehicle sector is being produced in China. This leads to the derivation of a knowledge-based design theory for cathode air filters on the basis of laboratory and field tests.
The central task of the fem is the development of sensor layers, i.e. electrochemically active surfaces that react sensitively and selectively to selected harmful gases or mixtures in the sub-ppm range. Signal generation is to be detected according to the principle of gas-solid interaction. Intrinsically conductive polymers such as polyaniline or polypyrrole should first be electrochemically applied to suitable 3D carrier materials - e.g. interdigital electrodes, printed electronics - as these are particularly suitable for generating a breakthrough sensor signal due to their fast response times. Furthermore, a certain selectivity must be matched to the respective pollutant gas (NH3, NOx und SO2), which is why the polymer layers must be functionalised. This task is to be performed by metals (e.g. Ag, Cu), metal alloys (AgCu, CuZn) and metal oxides (ZnO, SnO2) are taken over. These are then incorporated into the polymer layer in the form of nanoparticles, either electrochemically using pulse plating technology or as co-deposition, which gives the sensors their selectivity for the respective pollutant gas. The novel layers are documented using the characterisation options available at the institute. The samples produced will be made available to the project partner IUTA in order to test the gas-sensitive coatings for sensor arrays for different concentration ranges of gases/gas mixtures. The coating systems must be produced for certain harmful gases in such a way that cross-sensitivities (humidity, temperature, etc.) on the sensor array and cross-reactions are avoided. The different gas sensors are finally assembled into a sensor array and tested under real conditions for use in the filter system at Mann+Hummel. This is followed by further characterisation of the coating of returns from the field on the fem.
ACKNOWLEDGEMENT
The project FKZ 03B11025A (ISAAC) is funded by the Federal Ministry for Digital and Transport Affairs as part of the National Innovation Programme for Hydrogen and Fuel Cell Technology. The funding guideline is coordinated by NOW GmbH and implemented by Project Management Jülich (PtJ).