Entwicklung eines Herstellungsprozesses für flexibel auslegbare Sensorbrennstoffzellen auf Basis der 3D-Druck- und Galvanotechnik

Abstract

Gemäß der Zielstellung des Forschungsvorhabens haben die drei beteiligten Forschungseinrichtungen einen Herstellungsprozesses für flexibel auslegbare Sensorbrennstoffzellen auf Basis der 3D-Druck- und Galvanotechnik realisiert. Mit den entwickelten Prozessführungen gelingt es, funktionseffektive sowie in Form und Stückzahl flexible Sensorbrennstoffzellenbauteile bereitzustellen. Basismaterial ist PA 12 Kunststoff, welcher über die additive Multi Jet Fusion Technologie aus einem Pulverbett zu Festkörpern verarbeitet wird und dann alle geometrischen Anforderungen derartiger Zellkomponenten erfüllt. Zuvor bilden die 3D-Druckerzeugnisse Ausgangssubstrate für die Implementierung von metallisierten Startschichten mit einer hierauf aufbauenden galvanotechnischen Veredelung. Eine auf die Brennstoffzellenmembran ausgelegte Dichtung komplettiert die Sensorzellebauteile, welche im Vorhaben dann zu Brennstoffzellen assembliert und betrieben werden konnten. Bipolar-, Gehäuse- und Dichtungsfunktionen wurden dabei über die entwickelte Prozessführung erstmalig auf Einzelbauteilen zusammengefasst. Von der Forschungseinrichtung 1 (fem) wurden zunächst die Oberflächeneigenschaften der 3D-Druck Bauteile aus Kunststoff hinsichtlich der chemischen und galvanischen Prozesse charakterisiert. Basierend hierauf hat das fem angepasste galvanische Schichtaufbauten aus Kupfer, Nickel und Gold entwickelt und für die neuartigen Sensorzellbauteile umgesetzt. Abschließend wurden alternative galvanisch abgeschiedene Schichtstapel entwickelt sowie eine Prozessoptimierung im Hinblick auf die Abscheidung auf additiv gefertigten Oberflächen vorgenommen. Die durchgeführten Arbeiten von Forschungseinrichtung 2 (KIT-IMT) beziehen sich auf die Entwicklung einer Oberflächennachbearbeitung der 3D-Druck Erzeugnisse in Form von Reinigung und Vorbehandlung sowie der Realisierung einer geeigneten metallischen Startschicht für die Sensorzellenbauteile. Diese wurden am KIT qualifiziert und im Hinblick auf ihre Reproduzierbarkeit geprüft. Forschungseinrichtung 3 (ZBT) legte zunächst das Layout für die neuartigen Sensorzellbauteile fest, bei denen alle Rahmenbedingung (Design Rules) der beteiligten Herstellungsverfahren sowie die betriebstechnischen Anforderungen von Brennstoffzellen zugrunde gelegt wurden. Basierend hierauf wurden CAD Modelle (Anoden- und Kathodenseiten) erstellt, welche dann als Datenbasis aller Partner eingesetzt wurden. Für die Schnittstellen zur Zellmembran sowie für die externe Medienüberführung konnten Dichtprozesse entwickelt und die neuartigen Komponenten zu Sensorbrennstoffzellen als Funktionsmuster assembliert werden. Abschließend wurden diese in Versuchsreihen innerhalb einer angepassten Teststandumgebung erfolgreich betrieben und stehen seitdem als Sensorbrennstoffzellen für in-situ Materialqualifizierungen zur Verfügung. Durch die Zusammenführung der komplementären Kompetenzfelder der Projektpartner aus den Bereichen Mikrostrukturtechnik, Galvanotechnik und Brennstoffzellentechnik ist es gelungen funktionsintegrierte Sensorzellbaueitle auf Basis einer innovativen Prozessführung für die Brennstoffzellentechnik bereitzustellen. Alle Ziele des Vorhabens wurden erreicht. Datei-Upload durch TIB