Ziel der Entwicklung
Ziel des Forschungsprojektes ist die theoretische sowie experimentelle Entwicklung und Verifizierung wasserstoffsensibler Baugruppen am Beispiel von Bipolarplatten einer NT (Niedertemperatur)-PEM-Brennstoffzelle für den Prototypen-, Vor- und Kleinserienbau. Dabei soll ein additiv gefertigtes Halbzeug aus Kunststoff, welches durch rechnergestützte Herstellungsverfahren eine hohe Flexibilität im Design besitzt, mit einem Metall beschichtet werden. Als additives Herstellungsverfahren ist das Selektive Laser Sintern (SLS) im Projekt vorgesehen. Dieses Halbzeug soll im Anschluss mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens mit einem geeigneten Metallpulver beschichtet werden. Auf Grundlage der Verknüpfung beider Verfahren werden die Vorteile einer flexiblen, kostengünstigen und schnellen Fertigung mit den notwendigen industriellen Anforderungen des Prototypen-, Vor- und Kleinserienbaus verbunden.
Im Rahmen aktueller Entwicklungen können Halbzeuge in benötigten Maßstäben und Abmessungen aus verschiedenen Materialien mittels additiver Verfahren hergestellt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, Kunststoffe als Ausgangsmaterial für die angestrebte Beschichtungstechnologie nutzbar zu machen. Dabei stehen besonders die Homogenität sowie die Haftfestigkeit der aufgebrachten Beschichtung im Fokus.
Mithilfe der im Projekt umgesetzten Kombination aus günstiger additiver Halbzeugherstellung und universal einsetzbarer Beschichtungstechnologie ist es möglich, verschiedene Bipolarplattendesigns flexibel und kostengünstig herzustellen, ohne die geforderten industriellen Parameter zu vernachlässigen. Im Ergebnis ist es möglich, durch die wandlungsfähige Fertigungstechnologie eine Prototypen- sowie Vor- und Kleinserienfertigung energie-, zeit-, kosten- und materialeffizient zu gestalten und somit den Weg in die industrielle Praxis zu ebnen.
Das dazu verwendete Beschichtungsprinzip basiert im Wesentlichen auf:
– der Nutzung eines kalten Plasmas,
– der definierten Zuführung des Beschichtungswerkstoffes in Form kleinster Partikel in den Wärmebereich der Plasmaquelle,
– einer stoffschlüssigen Verbindung der Beschichtungsoberfläche auf dem Grundwerkstoff.
Um die geforderten industriellen Anforderungen mit der Forderung nach ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten zu vereinen, wird ein leicht in Form zu bringender und kostengünstiger Grundwerkstoff (in Form eines Halbzeuges) mit einer Beschichtung ausgestattet. Dabei spielen bei der Auswahl des geeigneten Beschichtungswerkstoffes auch ökonomische Gesichtspunkte eine Rolle.
Vorteile und Lösungen
Innerhalb der Projektbearbeitung wurden folgende Schwerpunkte auf dem Weg zur finalen Lösung erfolgreich untersucht und umgesetzt:
1. Ermittlung und Validierung von Qualitäts- und Technologieparametern,
2. Identifikation, Untersuchung und Festlegung geeigneter Substratmaterialien,
3. Erarbeitung, Fertigung und Untersuchung eines geeigneten industrienahen Flow-Field-Designs,
4. qualitätsgerechte Beschichtung des erarbeiteten Flow-Field-Designs,
5. unterstützende simulative Studien,
6. Modifizierung des vorhandenen Versuchstandes.
Die Herstellung industrienaher Flow-Field-Strukturen erfolgte mittels eines geeigneten Selektiven Laser Sinter (SLS)-Verfahrens. Die Variabilität des additiven Herstellungsverfahrens gepaart mit dem gewählten Beschichtungsprozess gewährleistet eine hohe Vielfalt und Flexibilität bei der Auswahl von Designstrukturen und ist besonders bei Prototypen-, Klein- und Vorserienbetrachtungen von Vorteil.
Durch nachgeschaltete Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass die Qualität der applizierten Oberfläche durchaus vielversprechende Ergebnisse liefert.
Zielgruppe und Zielmarkt
Auf Grundlage der Projektergebnisse sowie absehbarer Entwicklungen ergeben sich erhebliche Potenziale auf folgenden Zielmärkten:
– Mobile Anwendungen (z. B. Automobilsektor),
– Stationäre Anwendungen (z. B. Heizwärmeversorgung),
– Stromerzeugung.
Hauptanwendungsgebiet der Projektergebnisse ist die Beschichtung von Bipolarhalbplatten bei der Vorserienfertigung von Brennstoffzellenstacks. Bei dieser Komponente besteht bezüglich einer kostengünstigen sowie effizienten Fertigung weiterhin hoher Forschungs- und Anwendungsbedarf. Daraus ergibt sich ein hohes Einspar- und Optimierungspotential. Der Bedarf an System- und Komponentenlösungen auf Basis der Brennstoffzellentechnologie wird sich im Zuge der Wasserstoffoffensive in den nächsten Jahren deutlich erhöhen. Neben der Materialsubstitution durch die entwickelte Kombinationstechnologie aus additiv hergestellter Grundkomponente und darauf abgestimmter metallischer Beschichtung ergeben sich durch die Flexibilität in der Herstellung völlig neue Anwendungsfelder. Dies könnte zum Beispiel die Vorserien-Designerprobung nach erfolgter Geometrie- oder Designanpassung ohne Um- oder Neubau benötigter Umformwerkzeuge sein. Damit einher geht auch eine Reduzierung des Material- und Energieeinsatzes.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Möglichkeit, die entwickelte Technologiekombination direkt inline in unterschiedliche Fertigungsorganisationen zu integrieren.
