Präzision in Serie

Die günstige Produktion einer Mikrobrennstoffzelle mit hoher Energiedichte gilt als ein entscheidendes Kriterium für das Erreichen der Marktreife. Einen Durchbruch schaffte jetzt ein vom Berliner Fraunhofer IZM koordiniertes Verbundprojekt.

29. November 2007

Das Projekt zur Entwicklung der Produktionstechnologie von Mikrobrennstoffzellen ? gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ? wurde kürzlich beendet. Wie das Fraunhofer- Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) betont, ist der größte Erfolg die Schaffung einer durchgängigen Produktionskette für PEM-Mikrobrennstoffzellen, die eine kostengünstige Herstellung im Sekundentakt ermöglicht. Außerdem wurden kompakte Funktionsmuster herausgefiltert, in denen die Mikrobrennstoffzelle mit selbst regelnden Wasserstofferzeugern kombiniert wird. Dadurch können Komplettsysteme in den Abmessungen weniger Kubikzentimeter realisiert werden, die eine höhere Energiedichte und damit eine längere Laufzeit gegenüber Primärbatterien ermöglichen.

Ausgangspunkt für die Konstruktion war die Vorgabe, dass die Mikrobrennstoffzelle lediglich aus drei Bauteilen bestehen soll und trotzdem aus mehreren in Serie verschalteten Einzelzellen besteht, die notwendig sind, um gewünschte Betriebsspannungen von zum Beispiel 3,3 V zu erzielen. Außerdem sollte die Brennstoffzelle möglichst dünn und mechanisch stabil sein, damit eine einfache Integration in elektronische Geräte und Mikrosysteme möglich wird.

Diese Ziele erreichten Ingenieure, indem sie ein planares Design entwarfen, bei dem mehrere Zellen nebeneinander liegen. Es 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 man auf Gasdiffusionsschichten verzichtet. Dies wird dadurch ermöglicht, dass 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 einerseits eine gute Ausnutzung der teuren Polymermembran gewährleistet ist und andererseits Verluste durch ionische Querströme zwischen den Zellen gering bleiben.

Die Optimierung des Designs erforderte Kompromisse. Mit in der Massenfertigung etablierten Prozessen können Strukturen größer von 100 ?m hergestellt werden, wodurch ohmsche Verluste in den Elektroden nicht völlig vermieden werden. Ebenso führt die durchgehende Ionenmembran zu Wirkungsgradeinbußen bei sehr kleinen Strömen.

Zur Herstellung der mikrostrukturierten Stromableiter der planaren Mikrobrennstoffzellen fand die Leiterplattentechnologie Verwendung. Auf diese Weise kann auf einen hochproduktiven Fertigungsprozess sowie stabile Verbundwerkstoffe zurückgegriffen werden, die einen dünnen, leichten und stabilen Aufbau ermöglichen. Auf nur 100 ?m dicken FR4-Substraten wurden die mikrostrukturierten Stromableiter sowohl mittels Ätztechnik als auch durch galvanische Abscheidung hergestellt. Korrosionsstabile Schichten realisierte man durch eine galvanische Nickel-Gold-Oberfläche. Stromkollektoren mit integrierten Strömungsfeldern auf der Anoden- und Kathodenseite entwickelten die Experten im Verbundprojekt als ›35-mm-Endlosband‹.

Die Strukturierung der Elektroden der Membran-Elektrode-Einheit (MEA) erfolgte subtraktiv mittels Laserablation. 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 ?m erreicht werden.

Im Rahmen des Projektes stand auch die Entwicklung der kompletten Fertigungstechnik für hochproduktive Rolle-zu-Rolle-Herstellung von Mikrobrennstoffzellen. Der Anoden-Stromableiter wird dazu als 35-mm-Endlosband zugeführt. Die MEA und Kathoden-Stromableiter dagegen mittels Carriertapes. Auf der Entwicklungsliste standen insbesondere das Handlingverfahren für sehr dünne und forminstabile MEA-Folien sowie Klebetechnologien für die gasdichte Abdichtung des Anodenraums und die elektrische Kontaktierung. Mit Klebstoffen, die eine Aushärtung in rund 10 sec ermöglichen, wird ein Durchsatz von 1.000 bis 2.000 Mikrobrennstoffzellen pro Stunde mit einigen Quadratzentimetern Größe erreicht. Die maschinentechnische Umsetzung erfolgte mit angepassten In- und Output-Spulern, Druckern und Dispensern, Bondarmen und Thermoden. Die Bildverarbeitung erzielte eine Justagegenauigkeit besser 50 ?m.

Ziel der Entwicklung ist es laut Projektgruppe, ein Gesamtsystem mit gegenüber Batterien deutlich höherer Energiedichte herzustellen. Zu Beginn des Projektes gab es keine Wasserstoffspeicher mit ausreichender Energiedichte in Abmessungen von wenigen Kubikzentimetern. Es wurde ein galvanisches Element in Knopfzellenform mit 25 mm Durchmesser entwickelt, das bei der Reaktion von Zinn mit Wasser Wasserstoff erzeugt. Dies verläuft proportional zum fließenden Laststrom. Druckspeicher oder -minderer sowie Ventile sind nicht mehr nötig. Außerdem wurde ein Adapter entwickelt, der sowohl die Mikrobrennstoffzelle als auch drei Knopfzellen zur Wasserstofferzeugung und eine einfache Startelektronik enthält, mit welchem eine Spannung von 3 V bereitgestellt werden kann.

Das Gesamtsystem aus Brennstoffzelle, Adapter und Knopfzellen erzielt eine gegenüber Alkali-Mangan-Batterien 40 % höhere Energiedichte. In der weiteren Umsetzung soll durch Übergang auf zylindrische Bauformen der Gasentwicklungszellen eine Energiedichte von 900 Wh/l (volumerische Energiedichte) erreicht werden. Dies entspricht ungefähr der dreifachen Energiedichte von Primärbatterien.

Für den Demonstrator aus Brennstoffzelle mit einer aktiven MEA-Fläche von circa 2 cm² und Adapter ergeben sich in der Massenfertigung Kosten von circa 4,50 € pro Stück. Mehr als die Hälfte der Kosten entfallen dabei auf die Vergoldung der Stromableiter und die Laserstrukturierung der MEA. Die wie Primärbatterien auszutauschenden Wasserstofferzeugerzellen kosten in der Massenproduktion etwa 0,20 €.

Bevor es zur Markteinführung der entwickelten Technologie kommt, müssen laut IZM größere Bauformen der Wasserstoffentwicklungszellen bereitgestellt werden. Damit kann neben der Energiedichte auch die Leistungsdichte gesteigert werden. Weitere Arbeiten beziehen sich auf die Reduzierung des Edelmetalleinsatzes für eine ausreichende Langzeitstabilität, um diese Lücke zu füllen. Vor dem Hintergrund der bereits entwickelten Produktionstechnologie sollte laut dem Entwicklungsteam die Einführung in die Massenfertigung dann schnell möglich sein.

www.izm.fraunhofer.de

Projektpartner

- Amicra Microtechnologies GmbH: Mikromontage

- KuZ Kunststoff-Zentrum in Leipzig GmbH: Prägen von Mikrostrukturen

- Würth Elektronik GmbH & Co. KG: Fertigungstechnologie Stromableiter/Flowfields

- LaserMicronics: Laserablation zur Strukturierung von MEAs

- Mühlbauer ASEM GmbH: Rolle-zu-Rolle-Fertigungstechnik von Mikrobrennstoffzellen

- Fraunhofer IZM: Prozessentwicklung, Konzeption Brennstoffzelle

- Varta Microbattery GmbH: Wasserstofferzeuger und Gesamtdemonstrator

Erschienen in Ausgabe: 04/2007