Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Dreidimensionale (3D) Gestaltung von Katalysatorschichten einer PEM-Brennstoffzelle im Inkjetdruck für eine hocheffiziente Ausnutzung des Platinkatalysators

Eine der Schlüsselkomponenten (bezüglich Effizienz, Leistung und Kosten) der PEM-Brennstoffzelle ist die Katalysatorschicht der Kathode. Die Reduzierung des Platingehaltes ist eine der wesentlichen Herausforderungen für den wirtschaftlichen Erfolg der Brennstoffzellentechnologie. Diese Bedarfsreduzierung des Platins kann durch eine "ideal" gestaltete Katalysatorschicht erreicht werden, in welcher die Komponenten Platin, Ionomer und Kohlenstoff gemäß den örtlichen Anforderungen der Zelle in allen drei Schicht-Dimensionen ideal verteilt sind. In den einzelnen Schichtbereichen kommen dazu unterschiedliche Tintenformulierungen zum Einsatz, um letztendlich eine Variation von Zusammensetzung und Menge des verdruckten Materials (Schichtdicke / Belegung) zu ermöglichen. Somit eröffnet sich für KMU im Bereich der Tinten- oder Materialformulierung durch die PEM-Brennstoffzellenfertigung ein neuer Markt. Da die Herstellung solcher Schichten erstmalig durch die Verwendung der Inkjettechnologie im Flachbettverfahren mit überschaubarem Aufwand möglich wird, profitieren andererseits auch KMU im Bereich der Inkjetdrucktechnologie von dem neuen Anwendungsfeld. Im Gegensatz zu konventionellen Druckverfahren werden im Inkjetverfahren keine preisintensiven Druckformen benötigt. Weiterhin entsteht weniger Makulatur und die Tinte wird effizienter eingesetzt. Das Verfahren ist also ressourcenschonend und damit wirtschaftlich von Vorteil. Im Rahmen dieses Projektes wird die individuelle Performance jeder der hergestellten Gradierungsvarianten analysiert. Diese Analysen helfen dabei, neben dem direkten Erkenntnisgewinn, CFD-Simulationen inkl. elektrochemischer Berechnungstools, zu optimieren. Mit diesen ist es dann möglich, eine ideale Katalysatorschicht zu gestalten. Diese in der Simulationsumgebung optimierte Katalysatorschicht wird dann abschließend real hergestellt und wiederum analysiert.

Zulieferer vor allem aus dem Bereich Maschinenbau können sich hier etablieren, um die Drucktechnik und die weitere Fertigungstechnik den Komponentenherstellern zu liefern. Brennstoffzellen und deren Komponenten sind spezielle Produkte, die zwar nur von einem kleinen Kreis von Herstellern angeboten werden, dem aber durchaus auch KMU angehören (solche, die Spezialkatalysatoren entwickeln, u.a. auch Tintenhersteller).

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde gezeigt, dass der Druck von sehr fein strukturierten Elektroden mittels des

Inkjet-Verfahrens möglich ist. Es wurden Kenntnisse über die Herstellung, Anwendung und

Eigenschaften von Katalysatortinten gewonnen. Es konnten Erkenntnisse in der Simulation der

komplexen Katalysatorschichten gewonnen werden. Aufbauend auf den gewonnenen

Erkenntnissen sind folgende Anwendungsmöglichkeiten denkbar:

Die Tintenformulierung für den InkJet Druck von Katalysatorschichten für Brennstoffzellen kann kommerzialisiert werden.

Da der Druck mittels des Inkjet-Verfahrens eine sehr diskrete Auftragung der Katalysatortinte mit

wenig Verschnitt erlaubt, ist eine ökonomische Fertigung von speziellen, miniaturisierten Brennstoffzellen

mit evtl. „exotischem“ Flowfielddesign für Nischenprodukte denkbar.

Abseits der Fertigung von Brennstoffzellenkathoden können Bauteile mit kleiner Oberfläche sehr diskret mit

Kohlenstoffmaterialien beschichtet werden, was Anwendungen im Bereich der Optik, Elektronik

oder dekorativen Anwendungen ermöglichen kann.

Die langsame Druckgeschwindigkeit kann durch die Verwendung von größeren Druckköpfen

überwunden werden, die eine schnellere Auftragung und damit höhere Druckgeschwindigkeiten

erlauben. Damit kann ein Rolle-zu-Rolle Prozess realisiert werden, bei dem kein Verschnitt an

Platin-Tinte anfällt, was Ressourcen spart und die Kosten senkt und entsprechend eine Kommerzialisierung möglich machen könnte.

Zuletzt ist die Nutzung der Erkenntnisse über die Simulation von dünnen, komplexen

Katalysatorschichten im Rahmen von Simulationssoftware denkbar, z.B. im Bereich der Photovoltaik- oder Batterietechnik.