BMBF-Rahmenkonzept "Forschung für die Produktion von morgen"

Verbundprojektbeschreibung



"LokEdel" - Ressourceneffiziente Fertigungstechnik zur lokalen Oberflächenveredelung am Beispiel langzeitstabiler Mikrobrennstoffzellen



Ziel

Brennstoffzellen werden in Zukunft einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung leisten um die Effizienz der Energienutzung zu steigern, umweltschädliche Emissionen zu reduzieren und die Energiedichte portabler und mobiler Systeme zu erhöhen. Voraussetzung dafür ist die Bereitstellung effizienter und kostengünstiger Herstellungstechnologien.

Einen Entwicklungsschwerpunkt bilden dabei die Stromkollektoren und Strömungsfeldplatten (Flow Fields). Aus Sicht der Herstellungstechnologie, des Leichtbaus und der Robustheit bieten metallische Substrate wesentliche Vorteile. Das Fehlen von Schichtsystemen und von den dazu notwendigen Oberflächen- und Schichtverfahren für metallische Flow Fields, die einen langzeitstabilen Betrieb, geringe Kontaktwiderstände und geringe Materialkosten gewährleisten, ist ein entscheidendes Hindernis für die Markteinführung. Korrosionsstabile Systeme, die zugleich einen geringen Kontaktwiderstand gewährleisten, können gegenwärtig nur durch massive Goldbeschichtungen erzielt werden.

Aus diesem Grund ist das vorrangige Gesamtziel des Verbundprojekts, den Einsatz von Edelmetallen zu reduzieren und dadurch eine materialeffiziente Produktion schaffen zu können. Es sollen Stromkollektoren mit lokal funktionalen Oberflächen mit einer stark verbesserten Ressourcennutzung bezüglich des Materialeinsatzes entwickelt und deren produktionstechnische Fertigung realisiert werden. Gleichsam werden Schichtaufbauten realisiert und untersucht, die einen langzeitstabilen Brennstoffzellenbetrieb bei kostenoptimierter Fertigung zulassen. Durch die Realisierung von langzeitstabilen Stromkollektoren kann die Nutzungszeit von Brennstoffzellen und damit auch die Ressourceneffizienz über den Lebenszyklus deutlich gesteigert werden.

Arbeitsplanung

Zur Realisierung des Gesamtziels sind umfassende Untersuchungen der Grund- und Schichtmaterialien unter Betrachtung sowohl der Herstellungsverfahren der lokalen Beschichtungen sowie der gesamten Prozesskette und der notwendigen Anlagen und Ausrüstungen notwendig. Es müssen vor allem Arbeiten zur Reduzierung des Edelmetalleinsatzes bei Erzielung einer ausreichenden Langzeitstabilität sowie weiterführende Degradationsuntersuchungen durchgeführt werden. Ergänzend zu der bereits entwickelten hochproduktiven Rolle zu Rolle Montage der Brennstoffzellen müssen auch eine massenfertigungstaugliche Rollenproduktion der Substrate und ganzflächige sowie lokale Oberflächenveredlungsverfahren für Korrosionsschutz- und Kontaktschichten entwickelt werden.

Die Arbeitsplanung unterteilt sich in die Phasen:

- Projektfeinplanung und Analysephase

- Grundlagenuntersuchungen und Entwicklung von Systemdetails

- Erprobungsphase und Optimierung des Gesamtsystems

- Querschnittsaktivitäten

Ergebnisverwertung

Mit den neuen Fertigungsprozessen können insbesondere kostengünstige Brennstoffzellen in Leichtbauweise realisiert werden, um hohe gravimetrische Leistungsdichten zu erzielen und somit weitere Anwendungsfelder zu erreichen. Für die Verwirklichung einer optimalen Prozesskette werden mehrere Lösungswege mit variierenden Basistechnologien in die FuE-Arbeiten einbezogen. Dabei sind die zu Grunde liegenden Anlagentechnologien grundsätzlich verfügbar. Die Kerninnovation ist vielmehr in der gesamten Prozess- und Parameterentwicklung sowie Anlagenanpassungen zu sehen.

Die aus dem Vorhaben hervorgehenden Fertigungstechnologien ermöglichen den Projektpartnern umfassende unmittelbare Vermarktungsmöglichkeiten und bieten darüber hinaus das Potential der Übertragung auf einen großen Anwendungsbereich durch den steigenden Bedarf an funktionalen Oberflächen in allen standortrelevanten Branchen. Zusammenfassend werden durch lokale funktionale Oberflächen folgende Ziele erarbeitet werden:

- Ressourcenschonende Fertigung von Stromkollektoren durch Reduzierung des Edelmetalleinsatzes zur Schaffung einer materialeffizienten Produktion

- Realisierung langzeitstabiler metallischer Stromkollektoren durch korrosionsstabile Schichtsysteme für Brennstoffzellen,

- Einsparung von Ressourcen durch Verlängerung des Lebenszyklus von Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellen ,

- Weitere Ressourceneinsparung in Folge der Einsparung von Teilen und Arbeitsgängen durch die Inline-Fertigung der lokalen Schichtsysteme

- Erarbeitung von Übertragungspotentialen bzgl. der neu entwickelten Technologien auf weitere Anwendungsfelder

Einsatzgebiete der neuen Ressourcen schonenden Fertigungsverfahren mit wirtschaftlichen und Produktivitätsvorteilen sind z.B.

- Bauteile, deren Funktionen durch spezifische Oberflächeneigenschaften definiert werden

- Bauteile, die sich durch eine hohe Funktionsintegration auszeichnen (z.B. MID-Bauteile)

- Entwicklung und Fertigung zuverlässigerer (Sub-)Systeme z.B. auch für die Sensortechnik, Mikroreaktionstechnik, gedruckte Schaltungen und Polymerelektronik, Medizintechnik und viele mehr.



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