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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Fertigungstechnikum

Die Entwicklung von automatisierten Produktionsprozessen für Zell- und Stack-Kompo­nenten ist für die zielgerichtete Weiterentwicklung von Brennstoffzellen hin zur Kommerzialisierung und Steigerung der Qualität unverzichtbar.

Das IEK-3 verfolgt diesen Arbeits­ansatz seit Jahren und mit sichtbarem Erfolg bei der Direktmethanol-Brennstoff­zelle (DMFC) und in ersten vielversprechenden Ansätzen für die Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoff­zel­le (HT-PEFC). So wurde 2009 ein Fertigungstechnikum in Betrieb genommenen, das über Einrichtungen zur kontinuierlichen, automatisierten Herstellung von Zellkomponenten wie Gasdiffusionslagen (GDL), Gasdiffusionselektroden (GDE), Mem­bran-Elektroden-Einheiten (MEA, engl.: Membrane Electrode Assembly), Verteilerstrukturen und Bipolarplatten (BiP) sowie zur Assemblierung von Zellen und Stacks verfügt. Damit soll ein wesentlicher Ent­wick­lungsbeitrag mit Blick auf Kostensenkung und Reproduzierbarkeit zur zügigen Marktein­führung von Brennstoffzellen geleistet werden.

 

Flexibler Linecoater Click & Coat

click&coat

Der vorhandene, flexible Linecoater erlaubt durch die Aneinanderreihung einzelner Prozessmodule, komplexe Beschichtungs- und Behandlungsprozesse in einem Durchlauf durchzuführen, zu untersuchen und zu optimieren. So kann für die Prozessschritte Beschichten, Wärmebehandeln sowie Wickeln und Schneiden zwischen mehreren unterschiedlichen Modul­funk­tionen ausgewählt werden. Durch zwei Steuerungsterminals lässt sich ein Parallel­be­trieb von zwei Anlagenteilen realisieren. Mit einer Bahnbreite bis 0,5 m und einer Bahnge­schwin­digkeit von 0,1 m/min eignet sich die An­lage zur Durchführung von Entwick­lungs­auf­ga­ben mit geringem Materialeinsatz und für den Einsatz zur Komponentenherstellung für Prototypen. Durch den weiten Temperaturbereich - bis 235 °C  zur Trocknung und bis 400 °C zur Sinterung – ist die Anlage zur Beschichtung von Komponenten sowohl für die DMFC als auch für die HT-PEFC geeignet.

 

Laborbeschichtungsanlagen

basecoater_L_004

Zur kontinuierlichen, beidseitigen Beschichtung von Membranen mit Katalysator (engl.: CCM – Catalyst Coated Membranes) stehen Laboranlagen zur Verfügung, die das Beschichten mit Schlitzdüsen, Siebdruck und Ink-Jet erlauben. Ein Basecoater wird für die Direktbeschichtung von Membranen und Transferfolien durch Slot-coating mit wahlweise horizontaler und vertika­ler Bahnführung mit 20 cm Arbeitsbreite einge­setzt. Desweiteren werden Katalysatorschichten durch den vorhandenen Siebdrucker vorteilhaft, d.h. ohne Auftreten von Kontaktmängeln, direkt auf Membranen aufgetragen.

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Assemblierungsroboter

Für ein kommerzielles Robotersystem wurde ein universelles Schnellkupplungssystem entwickelt, das den funktionsgerechten Einsatz sowie den schnellen und automatischen Wechsel unterschiedlicher Werkzeuge am Roboter erlaubt.

Greifen

Damit wurde eine Fertigungseinrichtung geschaffen, die im ständigen Wechsel von Greifer- und Klebeapplikationen Komponenten zu einem Stack stapelt und gleichzeitig verklebt.

 

Fertigung von Stack-Komponenten

Zur Herstellung von Dichtungs- und Strömungsverteilstrukturen  steht eine 4-Säulen-Laborpresse mit einer maximalen Presskraft von 2.000 kN zur Verfügung, die zur automatisierten Beschickung und Entnahme mit dem Robotersystem verbunden ist. Damit ist die großserienhafte Herstellung komplexer Geometrien mit sehr langen Schnittkanten stanztechnisch realisierbar. Für das Heißverpressen von Membran-Elektroden-Einheiten steht eine Heißpresse mit einer maximalen Presskraft von 500 kN und einer maximalen Temperatur von 250 °C zur Verfügung. Der kompletten Heißpressvorgang kann mit dem vorhandenen Robotersystem automatisiert werden.

Laserbeschichtungsanlage

Die Verwendung metallischer Werkstoffe bei Zell- und Stack-Komponenten erfordert deren Be­schichtung mit elektrisch leitfähigen und gleichzeitig korrosionsbeständigen Materialien. Mit einer Laserbeschichtungsanlage lassen sich entsprechende Schichten auf Biploar- und Kontaktplatten materialsparend und damit sparsam auftragen. Darüber hinaus erlaubt die Laser­technik eine gezielte Konditionierung der Oberflächenmorphologie. Dadurch kann die Bauteilmechanik den Erfordernissen im Stack angepasst werden.


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