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Drei Gießköpfe für die Brennstoffzelle der Zukunft

Jülich, 6. Juni 2017 – Neue Materialien für die Energiewende – das ist eine der zentralen gesellschaftlichen Herausforderungen, an deren Lösung das Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung – Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1) arbeitet. Die Jülicher Werkstoff-Spezialisten haben ihrem hochmodernem Maschinenpark jetzt eine neue Anlage hinzugefügt. "JuCast 3-500" nennt sich die neue Foliengießbank, die von den Experten des IEK-1 selbst entwickelt und designed wurde. Die eine Million Euro teure Sonderanfertigung wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziert und ist speziell auf die Bedürfnisse des Jülicher Instituts zugeschnitten. Forschungsstaatssekretär Thomas Rachel MdB vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und Dr. Georg Menzen, Referatsleiter für Energieforschung im BMWi, nahmen die Anlage heute offiziell in Betrieb.

Leistungsfähige Materialien sind für die zukünftige Energieversorgung von entscheidender Bedeutung: Sie legen die Grundlage für eine flexible und effiziente Versorgung mit erneuerbaren Energien. Hochleistungskeramiken spielen dabei eine Schlüsselrolle. Sie bilden die Grundlage für Brennstoffzellen, Festkörperbatterien und Gastrennmembranen.

Bis heute scheitern diese Anwendungen in der Praxis oft an den hohen Kosten für die Herstellung. So sind etwa Brennstoffzellen heute noch so teuer, weil fünf Schichten aus unterschiedlichen Materialien hochgenau aufeinander aufgebracht werden müssen. Die keramischen Schichten haben stark unterschiedliche Mikrostrukturen und Schichtdicken, die von wenigen Mikrometern bis zu einem halben Millimeter reichen. "Diese müssen einzeln nacheinander aufgetragen und einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen werden, die die Struktur des Materials verändert und verdichtet – sogenanntes Sintern", erklärt Dr. Norbert H. Menzler, Leiter der Abteilung für Festoxid-Brennstoff- und Elektrolysezellen am IEK-1.

Gruppenbild mit Thomas Rachel mdB vor der Gießbank im IEK-1.Von links: Prof. Harald Bolt (Mitglied im Vorstand des Forschungszentrums Jülich), Dr. Georg Menzen (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie), Prof. Olivier Guillon (Leiter IEK-1 am Forschungszentrum Jülich), Thomas Rachel MdB (Parl. Staatssekretär im Bundesministerium für Bildung und Forschung), Dr. Norbert H. Menzler (IEK-1, Forschungszentrum Jülich), Dr. Gunter Hagen (KMS Technology Center GmbH), Prof. Dr. Andreas Roosen (FAU Erlangen-Nürnberg) und André Schreiber (Kälte-Klima GmbH) vor der neuen Foliengießbank "JuCast 3-500".
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Das Verfahren erfordert Temperaturen von 1000 bis 1400 Grad Celsius und dauert mehrere Stunden, zum Teil bis zu einem ganzen Tag. Da die einzelnen Sinterprozesse nacheinander stattfinden müssen, kann die Herstellung eines Fünf-Schicht-Systems Tage in Anspruch nehmen – ein zeit- und energieaufwändiger Prozess, der einen großen Teil der hohen Kosten des Materials verursacht. "Die unterschiedlichen Mikrostrukturen – von grob und porös bis hochdicht und glatt – erschweren die Herstellung solcher Verbundkeramiken zusätzlich und machen sie zum Teil sogar fast unmöglich", so Menzler.

Die JuCast 3-500 vereinfacht, verkürzt und verbilligt diesen Prozess fortan erheblich. In der etwa zehn Meter langen Anlage können die keramischen Schichten präzise aufeinander aufgetragen und gemeinsam gesintert werden. Die Sonderanfertigung ist speziell auf die Bedürfnisse der Jülicher Werkstoff-Experten ausgerichtet. Handelsübliche Foliengießanlagen, wie sie etwa zur Herstellung von keramischen Computerplatinen benutzt werden, verfügen über einen sogenannten Gießkopf sowie eine mehrere Meter lange Trockenstrecke. Die Jülicher Anlage ist prinzipiell genauso aufgebaut, verfügt jedoch über drei Gießköpfe die je eine Schicht nacheinander auftragen können ohne dazwischenliegende Hochtemperaturschritte.

Die neue Foliengießbank des Instituts für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1), JuCast 3-500.Die neue Foliengießbank des Instituts für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1), JuCast 3-500. Die Anlage verfügt über drei austauschbare Gießköpfe. Dadurch lassen sich Schichten unterschiedlicher Dicke – von 3 bis 500 Mikrometer – in beliebiger Reihenfolge kombinieren.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Regine Panknin

Die drei Gießköpfe der JuCast 3-500 sind übereinander angeordnet, sie besitzt damit mehrere "Etagen". Dadurch ist die Anlage kleiner und vielseitiger. Durch eine spezielle Mechanik werden die Folien mehrfach umgelenkt, ohne dass die frisch aufgetragenen Schichten dadurch beschädigt werden. Damit wird die Länge der Anlage um ein gutes Drittel verkürzt. Die Gießköpfe sind außerdem austauschbar: Dadurch lassen sich Schichten unterschiedlicher Dicke – von 3 bis 500 Mikrometer – in beliebiger Reihenfolge kombinieren.

Für die reine Erforschung und Entwicklung der Keramiken mag eine solche hochspezialisierte Anlage auf den ersten Blick unnötig erscheinen. Doch, so erklärt Norbert Menzler: "Als Institut des Forschungszentrum Jülich ist es eine unserer Hauptaufgaben, Verfahren zu entwickeln, die in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren im industriellen Maßstab eingesetzt werden können." Industriekompatible Anlagen sind dafür unerlässlich.

Weitere Informationen:

Institut für Energie- und Klimaforschung, Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1)

Ansprechpartner:

Prof. Olivier Guillon, Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-5181
E-Mail: o.guillon@fz-juelich.de

Dr. Norbert H. Menzler, Forschungszentrum Jülich
Tel.: +49 2461 61-3059
E-Mail: n.h.menzler@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin, Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de


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