generative fertigung von bipolarplatten für brennstoffzellen
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Generative Fertigung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen
O. Andersen1, M. Jurisch1, T. Studnitzky1, B. Kieback2
1 Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Winterbergstraße 28, D-01277 Dresden2 Technische Universität Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaft, Helmholtzstr. 7, D-01067 Dresden
MotivationDer 3D-Siebdruck eignet sich in besonderer Weise für die additive
Fertigung von flächigen Bauteilen mit fein aufgelösten
Oberflächenstrukturen und bietet sich daher als Fertigungsoption
für strömungsoptimierte Bipolarplatten an. Als Werkstoffe
kommen alle pulvermetallurgisch darstellbaren Metalle und
Legierungen in Betracht. Der Machbarkeitsnachweis für
hochlegierte Stähle und Titanwerkstoffe wurde bereits erbracht.
Das 3D-SiebdruckverfahrenBeim 3D-Siebdruck wird eine mit Metallpulver beladene Paste
mittels einer Rakel durch ein maskiertes Sieb gepresst und bildet
dabei eine ca. 20 µm hohe Drucklage. Durch Trocknen der Druck-
lage wird eine Festigkeit erreicht, die das wiederholte Aufdrucken
weiterer Lagen ermöglicht, bis schließlich ein bis zu mehrere
Zentimeter hohes Bauteil entsteht. Dieses wird durch eine Wärme-
behandlung von allen polymeren Bestandteilen befreit und
schließlich bei hoher Temperatur versintert, so dass dann ein rein
metallisches Bauteil mit dichten Wandungen vorliegt. Durch die
gleichzeitige Fertigung vieler Bauteile auf einem Sieb lassen sich
hohe Stückzahlen realisieren.
ErgebnisseIn dem AiF-geförderten Projekt “Entwicklung eines 3D-Siebdruck-
verfahrens zur Herstellung metallischer Bipolarplatten für Mikro-
brennstoffzellen“(Vorhaben Nr. 15784 BG) wurden Bipolarplatten
mit integriertem Flow Field für PEM-Brennstoffzellen in drei
Varianten entwickelt. Als Modellwerkstoff kam rostfreier Stahl
316L zum Einsatz. Damit wurden dicht gesinterte Bipolarplatten
für Prüfstandsversuche am Zentrum für Brennstoffzellentechnik in
Duisburg erzeugt. Es konnte ferner gezeigt werden, dass sich die
Kanalstrukturen der Bipolarplatte durch Überdrucken auch lokal
schließen lassen, um eine verbesserte Gasführung zu erreichen.
Die Wandstärken und Kanalbreiten konnten dabei auf 100 µm und
weniger reduziert werden.
Ausblick
Mit dem 3D-Siebdruck ist es möglich, extrem fein detaillierte Flow
Fields zu erzeugen. Die Werkstoffpalette konnte zwischenzeitlich
auf Titan und Titanlegierungen erweitert werden. Damit wird es
möglich, Bipolarplatten für den Einsatz in der PEMFC in großen
Stückzahlen kostengünstig zu fertigen und die bislang auf diesem
Gebiet bestehenden Limitierungen umformender und spanender
Fertigungsverfahren zu umgehen.
1 2 3
6
4
3D-SiebdruckanlageLaboranlage mit zwei Trockenstationen
1 3D-siebgedruckte
Titanbauteile
2 COMSOL-Simulation eines
Mikrowärmeübertragers
3 3D-siebgedruckte
Mikrowärmeübertrager aus
rostfreiem Stahl und
Kupfer. Bei letzterem wurde
der Druck vor dem
Herstellen des Gehäuse-
deckels abgebrochen, um
das Flow Field sichtbar zu
machen
4 Verschiedene
Mikrowärmeübertrager-
Flow Fields während des
Druckprozesses
5 Prozessablauf beim 3D-
Siebdruck. Das fertig
gedruckte Bauteil wird
thermisch entbindert und
anschließend bei
Temperaturen gesintert, die
typischerweise bei 80 bis
90 % der Schmelz-
temperatur des Metalls
liegen
6 Laboranlage des IFAM
Dresden sowie
Anlagenkonzepte zur
Fertigung hoher
Stückzahlen. a)
Alternierend: eine Druck-
und zwei Trockenstationen;
b) Kreislauf: eine Druck-
und fünf Trockenstationen;
c) Kreislauf: vier Druck- und
zwölf Trockenstationen
7 Unterschiedlich Flow Field
Designs
8 Fertig gedruckte
Bipolarplatten.
Unterschiedliche Designs
und Baugrößen mit 15 x 15
bis 50 x 50 mm2 Baugröße
9 Fertig gesinterte
Bipolarplatten und Testzelle
des ZBT
Ansprechpartner
Dr.-Ing. Olaf Andersen
Fraunhofer IFAM Dresden
Winterbergstraße 28
01277 Dresden
Tel. 0351/2537-319
olaf.andersen@ifam-
dd.fraunhofer.de
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Anlagenkonzepte SerienfertigungMehrtisch- und Kreislaufkonzepte
c
b
a
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9
Flow Field-Entwürfe für 3D-siebgedruckte BipolarplattenFertigung von drei Varianten in drei unterschiedlichen Größen
Bipolarplatten nach dem DruckGleichzeitiger Druck unterschiedlicher Designs und Größen
PEM-Testzelle des ZBTGesinterte Bipolarplatten
CAD-Modell
AutomatisierteSiebmasken-
erstellung
Druckpaste
LagenweisesDrucken und
Trocknen
EntbinderungSinterung
Wärme-behandlung