Neuartige Brennstoffzellen mittels additiver Fertigung

Neuartige Brennstoffzellen mittels additiver Fertigung

 

Motivation

Die Erschöpfung fossiler Energieträger wie Erdgas, Erdöl und Kohle sowie die Gefahr des Klimawandels durch CO2-Emission drängen zu alternativen Herangehensweisen bei der Energiegewinnung. Ergänzend zu erneuerbaren Energien zeigen Brennstoffzellen (BZ) einen Lösungsansatz, indem sie die im Wasserstoff gebundene chemische Energie mit hohem Wirkungsgrad in Elektrizität und Wärme wandeln. Eine fertigungstechnische Herausforderung stellt hierbei die poröse Elektrode dar, an welcher die chemischen Reaktionen stattfinden, da sie abgesehen von einer definierten Porosität und elektrischer Leitfähigkeit eine zureichende mechanische Stabilität aufweisen muss.

Das generative Fertigungsverfahren „Selektives Laserschmelzen“ (SLM) bietet die Möglichkeit durch eine individuelle Adaption der Prozessparameter poröse sowie gasdichte und mechanisch stabile Bereiche in nur einem Arbeitsschritt zu kombinieren.

 
Mittels SLM hergestellte Brennstoffzellenelektrode, rechts: Schematische Darstellung des SLM-Prozesses.
Mittels SLM hergestellte Brennstoffzellenelektrode, rechts: Schematische Darstellung des SLM-Prozesses.
 

Zielsetzung und Vorgehensweise

Im Rahmen des DFG-geförderten Projektes „Selektives Laserschmelzen dünnwandig poröser Elektroden für neuartige Brennstoffzellen“ wird in enger Zusammenarbeit mit dem Institut Thermische Verfahrenstechnik (TVT) eine Wissensbasis zur Modellierung und Herstellung neuartiger tubularer BZ (s. Bild) geschaffen. Um dies zu erreichen werden zunächst mithilfe numerischer Simulation die Auswirkungen der Betriebsbedingungen wie Temperatur und Druck auf das Leistungsverhalten vorhergesagt. Diese Kenntnisse ermöglichen wiederum eine Definition der Anforderungen an die Porosität. Eine Realisierung der porösen Eigenschaften im Realbauteil erfolgt im Rahmen der Durchführung statistisch gestützter Versuche. Hierbei wird der Einfluss der Laserleistung, der Geschwindigkeit des Laserstrahls, des Abstandes der einzelnen Scan-Bahnen und der Dicke einer Pulverschicht auf die Porosität erforscht und in ein empirisches Modell überführt. Nach gegebenen Anforderungen an die Porosität kann diese somit ohne zeitintensive Versuche gezielt eingestellt werden.