NIP-Vollversammlung und Statusseminar Brennstoffzelle Verbundvorhaben miniBIP – metallische bipolare Platten aus beschichteten Hochleistungswerkstoffen Berlin I 02. Juni 2015 Sprecher: Linda Kinlechner (Daimler AG) Daimler AG | Outokumpu GmbH | Fraunhofer-IWS | Fraunhofer-IST Förderkennzeichen 03ET2045 Die Brennstoffzelle in der Automobilindustrie 2 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 F-Cell World Drive – in 125 Tagen um die Welt Anlässlich des 125. Geburtstags des Automobils fuhren 2011 drei wasserstoffbetriebene B-Klassen in 125 Tagen mehr als 30.000 km durch 14 Länder auf vier Kontinenten. Für die Produktion in Serie ist eine ständige technologische und wirtschaftliche Weiterentwicklung erforderlich. Neben dem Stackaufbau mit Carbon Bipolarplatten wird auch der Einsatz einer metallischen Bipolarplatte untersucht. 3 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 Überblick Titel des Vorhabens: „Verbundvorhaben miniBIP – Partner: Brennstoffzellenintegration metallische bipolare Platten aus beschichteten Oberflächenmodifikation Hochleistungswerkstoffen“ Werkstoffkonzepte Budget: 5.154 T€ Förderung: 2.937 T€ Zeitraum: 01.06.2012 – 30.11.2015 4 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 Funktionsprinzip Brennstoffzelle – Anforderungen an die metallische Bipolarplatte Aufgabe Anforderung - gutes Umformvermögen des Kühlmedium, Grundwerkstoffes für optimale Wärmeabfuhr Durchströmung der Medien Bipolarplatte MembranElektrodenEinheit H+ Bereitstellung - minimaler Kontaktwiderstand Wasserstoff der Oberflächenmodifikation zur H2 2H+ + 2e- Elektronenaufnahme e-, konstant über die Lebensdauer Elektronen- - Guter Korrosionsschutz des aufnahme und Grundwerkstoffes und der -abgabe e- Oberflächenmodifikation im sauren Milieu der Bereitstellung Sauerstoff, BrennstoffzellenAbfuhr Wasser reaktion 2H+ + ½O2 + 2e- H2O 5 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 Oberflächenmodifikation Referenz: Goldbeschichtung im PVD-Verfahren Technologische Ziele: − Reduzierung des Übergangswiderstandes (TPV: Through Plane Voltage Drop) der Edelstahloberfläche über die Lebensdauer − Erhalt bzw. Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls Wirtschaftliche Ziele: − schnelles, effizientes Verfahren, geringer Ressourcenverbrauch − Untersuchung der kontinuierlichen Bandveredelung des Coilmaterials Batch-Prozess Band-Prozess 6 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 Graphite Like Carbon (GLC) Oberflächenmodifikation: Beschichtung Schicht: amorphe, wasserstofffreie, überwiegend graphitisch/sp²-gebundene Kohlenstoffschicht (a-C oder GLC) mit hoher Leitfähigkeit Diamant (sp3 ) ta-C Schichtdicke: unter 100 nm Beschichtungsdauer: 1 Min. in Zweifachrotation Abscheideverfahren: gepulster Vakuumbogen Kathoden: Graphit 7 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 DL C a-C:H a-C Graphit (sp2) H Isothermer Schnitt durch das „Dreistoffphasendiagramm“ Diamant,-Graphit-Wasserstoff Sequenzielles Plasmanitrocarburieren (PNC) Oberflächenmodifikation: Plasmadiffusionsbehandlung (Diffusion von durch das Plasma bereitgestellten diffusionsfähigen Elementen in die Randzone des Werkstücks) Modifizierte Randzone: mit eindiffundiertem Stickstoff und Kohlenstoff angereicherte OriginalRandzone des Grundwerkstoffs Schicht Grundwerkstoff a) Beschichtungssprozess PVD, PACVD, usw. Dicke der Randzone: unter 5 µm Behandlungsdauer: 15 Min. in Versuchsanlage (Batch), noch nicht optimiert Abscheideverfahren: GleichstromGlimmentladungsplasma im Feinvakuum 8 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 b) Diffusionsprozess Brennstoffzellenintegration Plasmanitrocarburieren (PNC) Graphite Like Carbon (GLC) Durchgangswiderstand Grenzwert 21 Bipolarplatten Testbeginn Testende Die Verifikation der entwickelten Oberflächen in Stresstests mit 3-5-zelligen Stacks und Dauerlauftests mit 20-Zellern über 1.000 Std zeigen gute Ergebnisse unterhalb des Grenzwertes auch nach Testende. 9 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 Werkstoffkonzepte Werkstoff A Werkstoff B Werkstoff C Werkstoff D Werkstoff E Werkstoff F Die Werkstoffe im Grenzformänderungsschaubild Mechanische Kennwerte der Werkstoffe im Vergleich Referenz: 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2) Ziel: hohes Umformvermögen und gute Korrosionsbeständigkeit Werkstoffoptimierung in fünf Versuchsschmelzen durch Variation in der chemischen Zusammensetzung, sowie in Guss- und Walzverfahren und in der Wärmebehandlung. 10 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 Das Umformvermögen der Werkstoffe Geometrievariante, Kanaltiefe [mm] 0,40 0,43 0,45 0,50 miniBIP (1-U) Material und Walzrichtung miniBIP (2-U) miniBIP (3-U) miniBIP (4-U) miniBIP (5-U) miniBIP (6-U) längs quer längs quer längs quer längs quer längs quer längs quer miniBIP (1-GLC) längs (25%) (85%) Prinzipbauteil mit Umformelementen einer metallischen Bipolarplatte miniBIP (1-PNC) längs Umformung erfolgreich erfolgreich Kanalstruktur gerissen gerissen * Kanalprofil rissfrei, gerissen am Rillenanfang Umformung Kanalstruktur Versuchsschmelze 3 zeigt das größte Umformvermögen, Schmelze 5 ließ sich in keiner Geometrie rissfrei umformen. Die vor dem Umformen aufgebrachten Beschichtungen zeigen keinen signifikanten Einfluss auf die Umformbarkeit. 11 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 Vergleich der Umformverfahren Hydroforming miniBIP (1-U) Material und Walzrichtung miniBIP (2-U) miniBIP (3-U) miniBIP (4-U) miniBIP (5-U) miniBIP (6-U) quer längs (90%) quer quer längs (25%) quer (90%) längs längs längs quer längs quer miniBIP (1-GLC) längs (90%) miniBIP (1-PNC) längs (10%) Feinformen 1-stufig 2-stufig * * * Hydroforming – Umformprinzip Stanzen – Umformprinzip Umformung erfolgreich Kanalstruktur gerissen * Kanalprofil rissfrei, gerissen am Rillenanfang Bei gleicher Geometrievorgabe erreicht das 2-stufige mechanische Umformverfahren bessere Ergebnisse als das Hydroforming (1–stufig). Es zeigen sich Unterschiede in Werkstoff und Walzrichtungsorientierung. 12 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 Ausblick Projektaussicht: − Aufbau und Betrieb eines 50-zelligen Demonstrator-Stacks mit Zielsubstrat und optimaler Oberflächenbeschichtung − Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen Verwertungsplan: − Daimler – Implementierung der Ergebnisse in die Produktion von Brennstoffzellenfahrzeugen − Outokumpu – Herstellung der neu entwickelten Stahlgüte − Fraunhofer-IWS – Übertragung der Oberflächentechnik an industrielle Projektpartner 13 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015 Wir bedanken uns für die Förderung und Unterstützung! 14 Statusseminar Brennstoffzelle, Verbundvorhaben „miniBIP“ | TF/VWO | 02.06.2015
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