Mikrobrennstoffzellen für die Massenproduktion

Mikrobrennstoffzellen für die Massenproduktion

Diese Ziele wurden mit einem planaren Design erreicht, bei dem mehrere Zellen nebeneinander liegen. Dabei wird eine einheitliche Ionenleiter-Membran für alle Zellen verwendet, auf der sich einzelne Elektroden für jede Zelle befinden. Eine deutliche Vereinfachung des Aufbaus wird erzielt, indem auf Gasdiffusionsschichten (GDL) verzichtet wird.

Dies ist möglich weil die Stromableiter eine sehr feine Strukturierung erhalten, durch die einerseits die Feinverteilung der Medien erfolgt und die elektrischen Verluste in den Elektrodenschichten gering gehalten werden. Der Abstand zwischen den einzelnen Zellen wurde so groß gewählt, dass eine gute Ausnutzung der teuren Polymermembran gewährleistet ist und die Verluste durch ionische Querströme zwischen den Zellen gering bleiben.

Insgesamt mussten bei der Optimierung des Designs Kompromisse eingegangen werden. Mit in der Massenfertigung etablierten Prozessen können Strukturen größer einiger 100 µm hergestellt werden, wodurch ohmsche Verluste in den Elektroden nicht völlig vermieden werden können. Aufgrund der durchgehenden Ionen-Membran verringert sich bei sehr kleinen Strömen der Wirkungsgrad ebenfalls.

Fertigungstechnik

Zur Herstellung der mikrostrukturierten Stromableiter der planaren Mikrobrennstoffzellen wurde Leiterplatten-Technologie verwendet. Auf diese Weise kann auf einen hochproduktiven Fertigungsprozess sowie stabile Verbundwerkstoffe zurückgegriffen werden, die einen dünnen, leichten und stabilen Aufbau ermöglichen.
Auf nur 100 µm dicken FR4-Substraten wurden die mikrostrukturierten Stromableiter sowohl mittels Ätztechnik als auch durch galvanische Abscheidung hergestellt. Korrosionsstabile Schichten wurden durch eine galvanische Ni-Au-Oberfläche realisiert. Stromkollektoren mit integrierten Strömungsfeldern auf der Anoden- und Kathodenseite wurden dabei als "35 mm-Endlosband" entwickelt.

Die Strukturierung der Elektroden der Membran-Elektrode-Einheit (MEA) erfolgte subtraktiv mittels Laser-Ablation. Trotz des nur sehr kleinen Prozessfensters können sehr saubere und hochpräzise Strukturen reproduzierbar hergestellt werden. Die Produktivität des Verfahrens ist hoch, da gleichzeitig Vorder- und Rückseite bearbeitet werden. Es wurde ein serientauglicher Prozess entwickelt, mit dem Isolationsbreiten zwischen 100 und 600 µm erreicht werden.

1. Mikrobrennstoffzellen für die Massenproduktion
2. Mikrobrennstoffzellen für die Massenproduktion
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4. Mikrobrennstoffzellen für die Massenproduktion