AiF-FV-Nummer 15976 N

Entwicklung einer neuartigen mikrostrukturierten Bipolarplatte auf Basis eines kombinierten Fotolithografie-Galvanotechnikprozesses

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.02.2009 bis 31.01.2011

Forschungsstellen

  • Zentrum für BrennstoffzellenTechnik gGmbH
    Carl-Benz-Str. 201, 47057 Duisburg
    http://www.zbt-duisburg.de/

  • fem Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie
    Katharinenstr. 17, 73525 Schwäbisch Gmünd
    http://www.fem-online.de

  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT)
    Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen
    http://www.fzk.de/imt

Zusammenfassung

Entsprechend den Zielen des Forschungsvorhabens haben die drei beteiligten For-schungseinrichtungen einen kombinierten UV-Lithografie-Galvanotechnikprozess zur Herstellung von mikrostrukturierten, metallischen Bipolarplatten für Mikrobrennstoffzellen entwickelt. Durch die umgesetzte Kompetenzaufteilung hat das Institut für Mikrostrukturtechnik des Karlsruher Instituts für Technologie die erforderlichen UV-Litho-grafieprozesse für die miniaturisierten Bipolarelemente entwickelt, während das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie die galvanotechnischen Verfahrensschritte bereitgestellt und somit die Bipolarplatten um die benötigten leitfähigen Komponenten ergänzt hat. Basierend auf den experimentellen Bipolarelementen wurden vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik neuartige PEM-Mikrobrennstoff-zellen konstruiert, assembliert und betrieben. Somit konnten erstmalig LiGa-Prozesse als bewährte und serientaugliche Herstellungsverfahren aus der Planartechnologie für die Realisierung von drastisch miniaturisierten Zellbauteilen auf Basis von Negativresiststrukturen innerhalb der Brennstoffzellentechnik eingesetzt werden. Forschungsstelle 1 (Zentrum für Brennstoffzellentechnik – ZBT) hat zunächst alle notwendigen Konstruktionsarbeiten für die zu realisierende LiGa-Bipolarplatte und die zu deren Herstellung benötigten UV-Lithografiemasken durchgeführt. Durch eine Teilkonstruktion in Ebenen, entsprechend der zweidimensionalen Strukturübertragung über einzelne Masken, konnten ohne Schwierigkeiten Datensätze für die Lithografie als ein für die Brennstoffzellentechnik noch unbekanntes Herstellungsverfahren bereitgestellt werden. Gleichzeitig dienten die dreidimensionalen CAD-Daten der Bipolarelemente als spätere Grundlage für die ebenfalls an der Forschungsstelle durchgeführten Konstruktions- und Fertigungsarbeiten von PEM-Mikrobrennstoff-zellen auf Basis dieser neuartigen Bauteile. Während der Entwicklung der Herstellungsprozesse der LiGa-Platten durch FS 2 & 3 wurde am ZBT eine Infrastruktur zur Integration, zum Betrieb und zum Test von PEMFCs mit miniaturisierten Größendimensionen aufgebaut und bereitgestellt. Diese wurde dann mit Mikrobrennstoffzellen getestet, welche von FS 1 für das Vorhaben zu Vergleichszwecken assembliert und betrieben wurden. Die neuartigen Bipolarelemente wurden in der Zellmanufaktur der Forschungsstelle zu Mikrobrennstoffzellen assembliert bevor sie gegen Ende der Projektlaufzeit dann erfolgreich betrieben, vermessen und bewertet werden konnten. Forschungsstelle 2 (Forschungsinstitut für Edelmetalle & Metallchemie – fem) hat während des Vorhabens die galvanotechnischen Verfahrensschritte durchgeführt. Durch den Einsatz von Mikrogalvanotechnik in Kombination mit der UV-Lithografie konnten gezielt Kupfer, Nickel und Gold als Leiterbahnen und Kontakte in sehr geringen Mengen eingesetzt werden. Durch die Fotoresiste und die Toplayer aus Gold werden die Strukturen ausgezeichnet vor Korrosion geschützt. So tragen die erzeugten Metallschichtstapel nicht nur erheblich zu einer Leistungssteigerung der Brennstoffzelle bei, sondern es konnte auch die Bauteiltiefe für die Miniaturisierung reduziert werden. Durch die Auswahl geeigneter Prozesslösungen und Prozessparameter sowie durch die Optimierung des Aufbaus der Metallschichtstapel konnte ein äußerst exaktes Auffüllen der strukturierten Resistformen realisiert werden und es gelang, präzise Mikrostrukturen mit kleinsten Lateralabmessungen und Strukturhöhen von mehreren hundert Mikrometern zu erzeugen. Für alle in diesem Vorhaben untersuchten und eingesetzten Elektrolyte galt als Voraussetzung, dass sich die galvanischen Überzüge in dicken Schichten, feinkörnig und spannungsfrei abscheiden lassen. Dabei spielt neben dem Ohmschen Widerstand, dem Massentransport und der für den Prozess relevanten Elektrodenreaktionen auch das Design der Werkstücke für die Qualität der Überzüge eine entscheidende Rolle. Insbesondere bei optimierten Kupfer- und Nickelelektrolyten konnten so wichtige Eigenschaften, wie z. B. die inneren Spannungen beim Nickel, die Größe der Kristallite oder die Zusammensetzung der abgeschiedenen Schichten beim Kupfer, durch die Zusammensetzung der eingesetzten Elektrolyte und durch die Wahl der Abscheideparameter optimal gesteuert und kontrolliert und sehr präzise erzeugt werden. Zudem musste eine sehr gute Haftfestigkeit der Überzüge untereinander und – extrem wichtig – natürlich auch auf dem Substrat gewährleistet sein. Dies galt auch für das Resistmaterial, damit diese während der Abscheidung nicht unterwandert wird und die Flankensteilheit reduziert oder chemisch angegriffen und zerstört wird. Eine weitere wichtige Eigenschaft für die Qualität der abgeschiedenen Strukturen sind die inneren Spannungen der Metalle, hier primär die inneren Spannungen der Nickelzwischenschicht. Durch ein in-situ Messverfahren, das am fem weiterentwickelt und optimiert wurde, konnten die inneren Spannungen der galvanischen Nickelschichten während der Abscheidung gemessen, kontrolliert und für die speziellen Bedingungen optimiert werden. Durch die Zugabe geeigneter Zusätze konnte weiterhin erreicht werden, dass die primär die Struktur erzeugenden Kupferschichten eine extrem gute Streufähigkeit (Metallverteilung) besitzen. Dies erlaubt bei der Abscheidung innerhalb der Einzelstrukturen ein extrem gleichmäßiges Auffüllen des Hohlraums auch über hunderte Mikrometer. Neben dieser extrem guten Mikrostreufähigkeit war aber zudem auch eine sehr gute Makrostreufähigkeit des Elektrolyten notwendig, da im vorliegenden Fall über die Gesamtheit der Strukturen hinweg eine gute Metallverteilung – eine gute Streufähigkeit des Elektrolyten – nötig ist, damit alle Strukturen zu 100 Prozent in gleicher Höhe gefüllt werden. Durch die elektrochemische Abscheidung von Mehrschichtsystemen (Metallschichtstapeln) lassen sich verschiedene geforderte Materialeigenschaften (Duktilität, elektrische Leitfähigkeit, Eignung als Diffusionssperre, guter Korrosionsschutz, etc.) verbinden (smart systems) und die Schichteigenschaften damit sehr gut für die geforderten Eigenschaften anpassen. Für die dicken Schichten in den Strukturen (150 bis 250 µm dick) haben sich feinkörnige und duktile Kupferüberzüge aus, mit geeigneten anorganischen und organischen Zusätzen, optimierten Elektrolyten bewährt. Als Diffusionssperre zwischen dem Kupfer und einem anschließenden Goldüberzug mit ca. 1,5 bis 2 µm Dicke auf dem Nickel-Kupfer-Zweischichtsystem als Toplayer, gewährt nicht nur einen optimalen Korrosionsschutz für den darunter liegenden Schichtaufbau, sondern ermöglicht auch die Abscheidung einer für die Brennstoffzellentechnologie optimalen Struktur bevorzugt in zweidimensionaler „Pilzköpfchenform“. Im Rahmen dieses IGF-Vorhabens war Forschungsstelle 3 (Institut für Mikrostrukturtechnik des Karlsruher Institut für Technologie – IMT) in der Verantwortung, den verfahrenstechnischen Prozess zur Herstellung des grundlegenden Elements Bipolar-platte für die Mikrobrennstoffzelle zu entwickeln. Es wurde ein Verfahren entwickelt, um mit einem zweigestuften UF-Lithografieprozess den gewünschten Schichtaufbau bzw. das Design der Mikrobipolarplatte zu realisieren. Im Zentrum der Entwicklung stand die Erarbeitung und Durchführung der UF-lithografischen Verfahrensschritte für die Mikrobipolarelemente, welche für galvanische Abscheidungen dann der For-schungsstelle 2 fem zur Verfügung gestellt wurden. Zu Beginn der Projektlaufzeit wurden grundlegende Layoutfestlegungen in Zusammenarbeit mit dem ZBT und dem fem erarbeitet. Das IMT übernahm die CAD-Rohdaten des ZBT und trans-formierte diese in ein gängiges Layoutformat für die Herstellung der UV-Lithografiemasken. Während der Projektlaufzeit wurde das Layout mit Hilfe der bereits gewonnenen Ergebnisse der ersten lithografischen Strukturierung verbessert und erweitert. Um die galvanische Abscheidung beim fem zu gewährleisten, wurden verschiedene elektrisch leitfähige Substratoberflächen in Hinblick auf die Prozessierbarkeit getestet. Drunter fanden Oberflächen wie Gold, Kupfer und Titanoxid Anwendung. Bei der Verwendung von Gold und Kupferoberflächen wurden verschiedene Methoden zur Oberflächenmodifizierung vorgenommen, um die Resisthaftung zu gewährleisten/ verbessern. Speziell bei Kupferoberflächen fand ein nasschemischer Ätzprozess zur Oberflächenbehandlung Anwendung. Erste Machbarkeitsversuche der Prozessierung wurden durchgeführt. Es wurden verschiedene negativ Resiste im Hinblick der Haftung auf den oben ge-nannten Oberflächen getestet und deren Strukturqualität bestimmt. Darunter waren zwei SU(8)-Resiste von Microchemicals aber auch ein neu entwickelter negativ Resist (mr-L) auf Epoxidharzbasis mit verbesserten Eigenschaften. Nach der Qualifizierung eines Resists, der zur Herstellung einer Bipolarplatte geeignet ist und der Festlegung des Substrates, wurden weiterführende Versuche zur Prozessoptimierung des Modellresists mr-L auf TiOx Oberflächen durchgeführt. Es konnten hierbei Aussagen über die Qualität der Strukturen im Hinblick auf Sauberkeit und Reproduzierbarkeit gemacht werden. Die aus den Reproduzierbarkeitsversuchen entstandenen Substrate wurden in Bipolarplatten vereinzelt und dem fem für Galvaniktests zur Verfügung gestellt. Durch die Zusammenführung der komplementären, sich ergänzenden Kompetenzfelder der drei Forschungsstellen (UV-Lithographie, Galvanotechnik & PEM-Brennstoff-zellen) ist es erfolgreich gelungen, die LiGa-Technik sowohl als effektive und serientaugliche Strukturierungs- bzw. Fertigungsform als auch als formidable Entwicklungs-plattform über kostengünstige und flexible Werkzeuge der Vervielfältigung für die Mikrobrennstoffzellentechnik zu erschließen. Die hierüber realisierten, neuartigen Bipolarelemente konnten erstmalig als „Proof of Concept“ in Mikrobrennstoffzellen als Neuentwicklung eingesetzt und betrieben werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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