Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) erzeugen durch die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff effizient elektrische Energie, wobei Wasser das einzige Reaktionsprodukt ist. Grundsätzlich kann der Aufbau einer Brennstoffzelle als eine aufeinanderfolgende Stapelung von Funktionsschichten betrachtet werden, wobei die Gasdiffusionsschicht eine wichtige Rolle spielt. Die Oberflächenstruktur dieser Gasdiffusionsschicht hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle und auf die effiziente Ausnutzung des Wasserstoffs. Sowohl der Transport des Sauerstoffs in dieser Diffusionsschicht, als auch der Transport des entstandenen Wassers beeinflussen maßgeblich sowohl die Lebensdauer als auch die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle.

Die Mehrschichtstruktur einer PEMFC erfüllt mehrere Aufgaben, so sind eine effiziente Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff in einer PEMFC und ein ebensolcher Abtransport des bei der Reaktion entstandenen Wassers ist eine Grundvoraussetzung. Die Reaktionspartner werden durch Kanäle in den Biopolarplatten zugeführt, die auch für die Abfuhr des während der Reaktion entstandenen Wasser sorgen. Eine übermäßige Ansammlung von Wasser kann die Reaktion Diffusion behindern und damit die Ausbeute reduzieren.

Durch gezielte Mikro- und Nanostrukturierung von technischen Oberflächen können deren Eigenschaften maßgeblich verändern werden. Daraus ergeben sich eine Vielzahl an anwendungsspezifischen Optimierungsmöglichkeiten. Die Laserbearbeitung bietet gegenüber herkömmlichen Verfahren viele Vorteile wie bspw. einen auf sehr kleine Durchmesser fokussierbaren Strahl, mit welchem sehr präzise und verschleißfrei abgetragen werden kann oder eine durch ultrakurze Laserpulse hervorgerufene kalte Ablation, welche den Wärmeeintrag ins Material auf ein Minimum reduziert. Durch die hohe Pulsenergie von state-of-the-art-Femtosekunden-Lasersystemen lassen sich nahezu alle Materialen bearbeiten/abtragen. Eine gezielte Strahlformung erlaubt bspw. die Nutzung von sog. Besselstrahlen, welche Mikrobohrungen mit großem Aspektverhältnis ermöglichen.

Durch Laserstrukturierung der Membran von PEM-Brennstoffzellen kann die Oberfläche gezielt verändert und bspw. die Oberflächenrauheit signifikant erhöht werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirken kann.

Forschungsziele

• Strukturierung der Elektrodenseite einer MEA (Membran-Elektroden-Einheit) zur Optimierung des Wirkungsgrades von Brennstoffzellen
• Laserschweißen von Bipolarplatten als Schlüsselkomponente der Brennstoffzelle
• Dichtschweißen von Wasserstofftanks mittels Laser

Hardware

Der Forschungsbereich Photonische Technologien des Instituts für Fertigungstechnik und Photonische Technologien ist mit verschiedenen leistungsstarken Lasersystemen ausgestattet. Wesentlich ist die Vielfalt an nutzbaren Laser-Wellenlängen, da jedes Material ein individuelles Absorptionsverhalten aufweist.

• Ultrakurzpuls-Femtosekundenlaser (Femtopower Compact Pro) mit zentraler Wellenlänge von 800 nm
• Femtosekundenlaser Light-Conversion Carbide mit Frequenzvervielfacher-Einheit und Mikrobearbeitungsstation incl. optischem Mikroskop und Fokusvariation: Wellenlängen: 1030 nm, 515 nm, 343 nm
• nLight Corona Faserlaser mit 5 kW Ausgangsleistung und 3 separaten Fasern

Forschungsprojekte

• FFG Leitprojekt GREEN - Lasermaterialbearbeitung unter Ausschöpfung des Potentials von Hochleistungs-Ultrakurzpulslasern zur hochgenauen, ultraschnellen und gleichzeitig flexiblen und deterministischen Oberflächenstrukturierung auf unterschiedlichsten Materialien.

Publikationen

Huber, Florian. "Topographische und mikrostrukturelle Beschreibung lasertexturierter Brennstoffzellenmembranen, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Masterarbeit 2023.

Fürbacher, Roland, Gerhard Liedl, and Andreas Otto. "Fast transition from hydrophilic to superhydrophobic, icephobic properties of stainless steel samples after femtosecond laser processing and exposure to hydrocarbons., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Procedia CIRP 111 (2022): 643-647.

Fuerbacher, R., G. Liedl, and S. P. Murzin. "Experimental study of spatial frequency transition of laser induced periodic surface structures, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." In Journal of Physics: Conference Series, vol. 1745, no. 1, p. 012017. IOP Publishing, 2021.