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

7

5

Anlagenkonzepte SerienfertigungMehrtisch- und Kreislaufkonzepte

c

b

a

8

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