Modellierung und additive Fertigung poröser Elektroden für neuartige Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eberhard Abele; Professor Dr.-Ing. Manfred J. Hampe
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280769153

Das beantragte Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die Wissensbasis zur Modellierung und Herstellung neuartiger Brennstoffzellen zu erweitern. Dabei sollen Hochtemperatur(HT)-Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellen entwickelt, modelliert, hergestellt und charakterisiert werden, die tubular aufgebaut sind. Auf diese Weise könnten die Vorteile von HT-PEM Brennstoffzellen wie die Nutzung von Reformatgas als Brennstoff mit den Vorteilen der aus der SOFC-Brennstoffzellentechnik bekannten tubularen Designs wie höhere Leistungsdichten und verbesserter Wirkungsgrad kombiniert werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen solche neuartigen Brennstoffzellen verfahrenstechnisch konzipiert und geeignete Simulationsmodelle entwickelt werden. Wesentlicher Bestanteil der Untersuchungen ist es, die Porositätseigenschaften der Brennstoffzellenelektrode in einem Simulationsmodell abzubilden und hierdurch Anforderungen für die Fertigung zu definieren. Aus fertigungstechnischer Sicht stellt die Herstellung einer für tubulare HT-PEM Brennstoffzellen benötigten Elektrode eine Herausforderung dar, da diese porös (zum Ermöglichen des notwendigen Stofftransports), mechanisch stabil (als Träger für weitere funktionale Schichten wie katalytische Schicht und Membran) und elektrisch leitfähig ausgeführt sein muss. Neuartige additive Fertigungsverfahren wie das Selektive Laserschmelzen (SLM) könnten hier einen Lösungsansatz zur Herstellung solcher Elektroden darstellen. Das SLM-Verfahren basiert auf dem schichtweisen Aufschmelzen von feinkörnigem Metallpulver mittels Laserstrahlung. Ein weiteres Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Qualifizierung des SLM-Verfahrens zur Herstellung von dünnwandig porösen, tubularen Brennstoffzellenelektroden mit definierten Porositätseigenschaften. Dabei sollen die Auswirkungen der SLM-Prozessparameter (Laserleistung (PL), Scan-Geschwindigkeit (vs), Spurabstand (hs), Schichtdicke (s) und Fokus-Durchmesser (d)) und der verwendeten Pulvermorphologie (Korngrößenverteilung) auf die Porositätseigenschaften (Gesamtporosität, offen/geschlossene Porosität, Porengröße und -verteilung, Permeabilität) untersucht und in einem empirischen Modell zusammengefasst werden. Die mittels SLM hergestellten Brennstoffzellenelektroden sollen verfahrenstechnisch charakterisiert sowie zur Optimierung und Validierung der verwendeten Simulationsmodelle herangezogen werden. Durch geeignete Prüfverfahren wie 3D-Computertomographie sollen zudem die verfahrenstechnischen Simulationsmodelle ausgehend von einer makro(homogenen) Betrachtung um eine Abbildung der Prosotität auf Mikro-Ebene erweitert werden, um auf diese Weise die realen Porositätseigenschaften in der Modellierung zu berücksichtigen und das Leistungsverhalten der Brennstoffzellen möglichst genau vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen