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    26.03.2019

    Edelmetallfreie alkalische Brennstoffzelle auf Si-MEMS-Basis

    • IMS CHIPS

      Entwicklung einer Hochdurchsatz-Plattform auf Si-MEMS-Basis für alkalische Brennstoffzelle

      Die Energiewende und damit die Energieversorgung durch regenerative Energiequellen ist eine der zentralen Herausforderungen der nächsten Jahre. Neben der Erzeugung regenerativer Energie aus diskontinuierlichen Energiequellen ist die Zwischenspeicherung überschüssiger Energie ebenso wichtig. Eine technologisch sinnvolle Methode ist die Speicherung von Wasserstoff, der durch Brennstoffzellen umgewandelt werden kann. Die Dominanz der sauren Brennstoffzellen wurde begünstigt durch die frühe Verfügbarkeit eines Feststoffelektrolyts (Nafion®-Membran). Alkalische Brennstoffzellen hingegen haben den großen Vorteil, dass für die Reaktion Nichtedelmetalle, wie z.B. Co, Ni oder Mn sowie deren Legierungen, als Katalysatoren genutzt werden können, die aufgrund ihrer besseren geologischen Verfügbarkeit im Vergleichzu den Edelmetallen den nachhaltigen Einsatz von Brennstoffzellen erleichtern und ein hohes Einsparpotenzial ermöglichen. Zur Erforschung von leistungsfähigeren und beständigeren Katalysatormaterialien soll in diesem Projekt eine Hochdurchsatz-Plattform auf Si-MEMS-Basis aufgebaut werden, um neuartige Materialzusammensetzungen anhand von IR-Temperaturdetektion zu identifizieren und zu charakterisieren. Unter der Leitung des Zentrums für BrennstoffzellenTechnik in Duisburg (ZBT GmbH) sollen in diesem Konsortium, bestehend aus vier weiteren Forschungseinrichtungen und zwei Industriepartnern, neuartige Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) mit optimaler Katalysatorkomposition aufgebaut werden. Das von BMBF geförderte Projekt begann im Dezember 2015 mit 3 Jahre Laufzeit.

      Das zugrunde liegende Messprinzip ist die IR-Messung. Diese detektiert die Leistungsfähigkeit des Katalysators anhand der entstandenen Konversionswärme in der MEA. Die Messplattform besteht aus einem am IMS hergestellten 150 mm Membranwafer, der in weiterer Prozessführung durch diverse Beschichtungen zu MEA zusammengesetzt wird. Dieser Trägerwafer umfasst bis zu 96 einzelne, perforierte Membranen mit 6 x 6 mm² Membranflächen und kann sowohl aus reinem Siliziumnitrid oder aus Silizium mit Nitridbeschichtung hergestellt werden. Die Herausforderung bestand darin, in Hinblick auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, möglichst dünne Membranen mit hohem Öffnungsgrad herzustellen, welche gleichzeitig über ausreichende mechanische Stabilität für die Beschichtungsschritte verfügen. Durch die Projektentwicklung können nun reine Siliziumnitrid-Membranen über das PECVD Verfahren mit einer Membrandicke von 2 bis 2,5 μm und Nitrid-beschichtete Membranen von 3 bis 10 μm hergestellt werden. In beiden Verfahren sind Membranen mit einem Öffnungsgrad von bis zu 20 Prozent möglich. Über Sprüh- und Tauchbeschichtungen werden die Katalysatormaterialien auf die Membran abgeschieden. Die breite Variation der Katalysatorkomposition wird durch das Ko-Sputtern hergestellt. Mit fünf Targets können in einem Prozessdurchlauf eine großen Anzahl an Katalysatorvariationen bereitgestellt werden. Nach einer Vorauswahl werden die selektierten Katalysatorkompositionen über das Laserablationsverfahren in größeren Probenvolumen für die IR-Charakterisierung bereitgestellt. Die IR-Charakterisierung auf den Membranwafern konnte erfolgreich durchgeführt werden. Diese Ergebnisse wurden auf der PowerMEMS-Konferenz im Dezember 2018 in den USA vom Projektpartner ZBT vorgestellt.

      Die Membranprozesse konnten im Laufe des Projektes weiter optimiert werden, um auch Wafer mit quadratischen Membranen mit 4 x 4 cm² Flächen bzw. Wafer mit einer kreisförmigen Membran mit 11 cm Durchmesser bei gleich hohem Öffnungsgrad erfolgreich herzustellen. Die erforderlichen Inputs konnten aus einem zuvor erstellten Simulationsmodell mit Finite-Element-Methode (ANSYS) extrahiert werden. In der restlichen Projektlaufzeit sind weitere Versuche vorgesehen, um den Öffnungsgrad bei gleicher Membrangeometrien nochmals deutlich zu steigern.

      Weitere Informationen

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      Dominik Schuler
      Marketing
       
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