Motivation und Einführung
Um den Ansprüchen des Marktes gerecht zu werden, wird zunehmend eine noch bessere Performance für portable mikroelektronische Anwendungen verlangt. Um ein schnelles Wiederaufladen solcher Geräte zu ermöglichen, wird der Leistungsbedarf und somit der Bedarf an stromnetzunabhängigen Energiesystemen ansteigen. Die Forschung konzentriert sich dabei nicht nur auf geeignete Gehäuselösungen für planare Mikrobrennstoffzellenstapel, sondern auch auf die Weiterentwickelung der Kathode. Da zur Herstellung effizienter kathodenseitiger Elektroden und Gehäusestrukturen gegenwärtig keine serientauglichen Prozesse vorliegen und die bisherigen aufwendig in der Herstellung sowie Assemblierung waren und deshalb die volumetrische Leistungsdichte nachhaltig reduzierten, wurden Verfahren aus der Mikrostrukturtechnik und Galvanotechnik weiterentwickelt, um die Kathode als sogenanntes Mehrkomponentenbauteil zu realisieren. Sie besitzen das Potential, alle Anforderungen der Zellen in Bezug auf Anpressdrücke, elektrische Kontaktierung, Fluidmanagement sowie der Stapelverschaltung und Überwachung auf das ein- bis zweifache der Einzelbauteile zu reduzieren. Dies soll an der neuentwickelten MERGE-Kathode gezeigt werden.
Zielsetzung
Im Projekt soll die Brennstoffzellen-Kathode deutlich flacher, platzsparender und dadurch effizienter werden und somit die volumetrische Leistungsdichte um 30-40 % steigern. Hierbei soll die offene Gehäusestruktur für selbstatmende Zellen durch zusätzliche galvanische Schichten aufgewertet werden. Korrosionsbeständige und sehr gut leitende Schichten sollen durch bestimmte Oberflächenstrukturen eine enge Verzahnung mit der benachbarten Gasdiffusionslage erzielen.
Das Ziel war, die für die erforderlichen Mikro- und Makrostrukturen sowie Endoberflächen benötigten Arbeits- und Produktionsschritte, durch erprobte, qualitativ konstante, schnelle und kostengünstige Herstellungsverfahren bereitzustellen.
Dafür wurden im vorliegenden Vorhaben Verfahren aus der Mikrostrukturtechnik und Galvanotechnik weiterentwickelt, um diese Mehrkomponentenbauteile dort einzusetzen, wo verschiedene Funktionen in einem Bauteil vereint werden sollen. Solch volumenminimierte Bauteillösungen sind besonders für die Mikrosystemtechnik von Interesse. In diesem Vorhaben wurden die Fertigungsverfahren des Heißprägens mit einem Formwerkzeug und der elektrochemischen Abscheidung weiterentwickelt und erstmals miteinander derartig kombiniert, dass funktionsintegrierte Mehrkomponentenbauteile hoher Festigkeit entstehen, die über optimierte Oberflächeneigenschaften verfügen. Der Kurztitel des Projekts „MERGE“ (deutsch: vereinigen) sollte sich in allen Prozessschritten wiederfinden. Deshalb wurde bei der Herstellung der Kathode versucht, Kunststoff und Metall durch ein Prägeverfahren zu verbinden. Weiterhin sollte diese Haftvermittlerschicht durch die Optimierung der Oberfläche über die galvanische Abscheidung von Kupfer, Nickel und Gold derart strukturiert werden, dass sich diese Oberfläche und die Gasdiffusionslage so ineinander verzahnen, damit es im Zellbetrieb zur Leistungssteigerung kommt. Das Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer PEM-Mikrobrennstoffzelle mit einer Leistung von 5 Watt durch eine innovative Kathode.
Ergebnisse
Für die Erreichung des Forschungszieles wurden am Institut für Mikrostrukturtechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT-IMT) Kathoden hergestellt, die am fem mit geeigneten elektrochemisch abgeschiedenen Schichten komplementiert und anschließend am Institut für Brennstoffzellentechnik in Duisburg (ZBT) hinsichtlich ihrer Eignung getestet wurden. Als erstes wurde die Gasdiffusionslage mittels REM und der Konfokalmikroskopie untersucht. Anhand dieser Ergebnisse wurden die Schichtstrukturen der galvanischen Abscheidung angepasst, um eine möglichst enge Verzahnung zur Gasdiffusionslage zu erzielen.
Die neuen Zellen liefern durch funktionelle galvanische Schichten mehr Leistung. Weitere Leistungssteigerungen konnten über neue Materialien und der vereinfachten Assemblierung erzielt werden. Durch diese bedeutende Leistungssteigerung auf 3,6 W bei einem 5er Stack wurde somit das Ziel von 5 W bei einem 10-Zeller deutlich übertroffen. Als Anwendungsbeispiel wurde eine volumenminimierte Gehäuselösung für Mikrobrennstoffzellensysteme realisiert, bei der die technischen Aspekte der Fertigungskonzepte zum Tragen kamen. Dieses erfolgreiche Projekt an PEM-Mikrobrennstoffzellen zeigt die galvanische Anwendung an der Technologie Brennstoffzelle.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 18375 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde 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.
