Sequentielle Foliengießbank zur Herstellung von Mehrlagenverbunden / 14.06.2017

Hochleistungskeramiken für Brennstoffzellen

Teilnehmer beobachten den Probelauf der sequentiellen Foliengießbank JuCast 3-500 im Forschungszentrum Jülich. Der Folienguss startet links unten, anhand der Umlenkrollen ist der dreistufige Aufbau der Anlage erkennbar. © Gerhard Hirn, BINE Informationsdienst

Am Forschungszentrum Jülich wurde eine neue Foliengießbank in Betrieb genommen. Sie dient dazu, hochfunktionale keramische Schichtsysteme für elektrochemische Anwendungen herzustellen. Solche Hochleistungskeramiken bilden die Grundlage für Brennstoffzellen, Festkörperbatterien und Gastrennmembranen.

Im weißen Schlauch wird der Schlicker dem Gießkopf zugeführt und mit einem Rakel exakt dosiert, um die erwünschte Schichtstärke zu erreichen. Beim Durchlauf trocknet das Material und mit den beiden folgenden Gießköpfen können weitere Schichten aufgetragen werden. © Gerhard Hirn, BINE Informationsdienst

Das Foliengießen sei im Prinzip vergleichbar mit der Zubereitung eines Crêpes, so Prof. Dr. Olivier Guillon, Leiter des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung – Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren (IEK-1) bei der Einweihungsfeier der Anlage am 6. Juni 2017. Die neu aufgebaute sequentielle Foliengießbank ist derzeit weltweit einmalig. Mit der neuen JuCast 3-500 können die Forscher mehrere Bearbeitungsschritte direkt hintereinander durchführen und bisher notwendige Bearbeitungsschritte einsparen. Die Anlage kann bis zu drei Schichten nacheinander gießen. Diese trocknen jeweils sukzessive beim Durchlauf. Die dabei entstandene sogenannte Grünfolie wird anschließend zugeschnitten und bei Temperaturen zwischen 1.100 und 1.400 °C gesintert, Ergebnis ist eine keramische Halbzelle. Diese Hochtemperaturbehandlung verändert und verdichtet die Struktur des Materials. Die Schichten einer Halbzelle sind sehr unterschiedlich dick: Substrat 250 – 500 µm, Anode 7 µm, Elektrolyt 10 µm.

 

Im nächsten Schritt wird eine 5 µm dicke Diffusionsbarriere per Siebdruck aufgebracht und bei max. 1.300 °C eingebrannt; die 50 µm mächtige Hochleistungskathode wird ebenso gedruckt und mit max. 1.100 °C fixiert. Nach diesem Schritt ist die Festoxid-Brennstoffzelle komplett. Zur Einordnung der Schichtstärken ein Vergleich: ein Blatt Papier ist etwa 80 µm dick.

Mit weniger Bearbeitungsschritten zur Brennstoffzelle

Prinzip des Foliengießens, dargestellt am Beispiel einer einstufigen Anlage. © Forschungszentrum Jülich, IEK-1

Bisher ist es noch sehr teuer und aufwendig, Brennstoffzellen herzustellen. Es müssen fünf Schichten aus unterschiedlichen Materialien sehr exakt aufeinander aufgebracht werden. Die Mikrostrukturen und Schichtdicken dieser keramischen Schichten unterscheiden sich stark, das geht von wenigen Mikrometern bis zu einem halben Millimeter. Bisher müssen die Schichten einzeln nacheinander aufgetragen und gesintert werden.

 

Mit der neuen Dreifach-Foliengießbank lassen sich ohne aufwendige Zwischensinterungen planare keramische Mehrlagenverbunde mit stark variierenden mikrostrukturellen Eigenschaften (Schichtdicke, Porosität, Partikelgrößenverteilung) herstellen, das stabilisierende Sintern, das bisher nach jedem Schritt erforderlich war, ist dann nur noch einmal nötig.

 

Dr. Norbert H. Menzler, Leiter der Abteilung Festoxid Brennstoff- und Elektrolysezellen am IEK-1, beschreibt die Vorzüge: „Die neue Anlage bietet die Möglichkeit, mehrere Schichten unterschiedlicher Mikrostruktur und Dicke direkt aufeinander zu gießen, ohne weitere Handlungsschritte dazwischen. Das gilt prinzipiell sowohl für Keramik als auch für Metalle, auch Materialkombinationen sind möglich.“

 

In der Anlage wird das Grundmaterial, der sogenannte Schlicker, in einer definierten dünnen Schicht auf die polymere Trägerfolie aufgebracht; bei der Demonstration wurde stabilisiertes Zirkoniumdioxid als Elektrolytmaterial in einer Nassschichtdicke von ca. 20 µm aufgebracht. Das Material wird beim Durchlauf durch die Maschine getrocknet, dabei schrumpft es. Nach dem Trocknen kann die flexible Grünfolie nach Bedarf gestanzt und weiter bearbeitet werden.

 

Der Name der Anlage JuCast 3-500 steht für Jülich Tapecasting, drei Gießköpfe und 500 mm Gießbreite. Mit der neuen Anlage ist es auch möglich, bisherige Probleme beim Schichtaufbau zu umgehen: Beim inversen Foliengießen wird zuerst die Funktionsschicht erstellt, darauf folgen dann die weiteren Schichten. So werden die Schichten für die Brennstoffzelle beispielsweise in der Reihenfolge Elektrolyt – Anode – Substrat aufgebracht.

Neue Technik für die Energiewende

Darstellung der Bearbeitungsschritte zur Herstellung einer Festoxidzelle Die Abbildung zeigt den bisherigen Produktionsablauf. In der JuCast-Anlage werden die ersten drei Schichten nun in der Reihenfolge Elektrolyt – Anode – Substrat aufgebracht. © Gerhard Hirn, BINE Informationsdienst

Bei der feierlichen Einweihung der knapp eine Million Euro teuren weltweit einzigartigen Foliengießbank betonte Dr. Georg Menzen, Referatsleiter für Energieforschung im BMWi, die vielseitige Einsatzmöglichkeit der neuen Foliengießtechnik, mit der es möglich sei, sowohl dicke und dünne Schichten zu gießen und die in drei verschiedenen Technologiebereichen einsetzbar sei, für Brennstoffzellen, Membrantechnologie und Batterietechnik.

 

Der Parlamentarische Staatssekretär im Bundesministerium für Bildung und Forschung, Thomas Rachel betonte, die innovative und weltweit einzigartige Anlage könne eine Schlüsselrolle für die Energiewende spielen; es gelte, Forschungsergebnisse erfolgreich in wirtschaftliche Entwicklung zu überführen.

 

Die Forscher erwarten, dass sie mit der neuen Foliengießbank leistungsoptimierte, defektarme Festoxid-Brennstoff- und Elektrolysezellen, Gastrennmembrane und Festkörperbatterien herstellen können. Indem sie die Zahl der erforderlichen Prozessschritte reduzieren und serielle Produktion demonstrieren, wollen sie längerfristig dazu beitragen, eine kostengünstige Serienproduktion der Zellen zu ermöglichen.

Mehr zum Projekt

Vorhaben:
Anschaffung einer sequentiellen Foliengießbank zur Herstellung von Mehrlagenverbunden in den Bereichen Festoxidzellen, Gastrennmembrane und Festkörperbatterien

Förderkennzeichen:
03ET6065

Laufzeit:
08.07.2015 – 31.03.2017

Projektbeteiligte

Projektleitung
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1): Werkstoffsynthese und Herstellungsverfahren

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.