Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines produktionsrelevanten PACVD-Verfahrens zur Abscheidung von elektrisch leitfähigen a-C:H:N-Schutzschichten mit hoher Rate für PEM-Brennstoffzellen (HiRaCarbon)

Innerhalb dieses Projekts sollen, basierend auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts „BlackBip“, die Beschichtungszeiten von Edelstahl-Bipolarplatten für PEMFC mit Kohlenstoff-Schutzschichten (a-C:H:N) signifikant verringert werden. Mittels elektronenmikroskopischer und röntgenographischer Charakterisierungen soll ein detailliertes Verständnis über das Aufwachsen dieser Schichten erarbeitet werden. Begleitend werden Arbeiten unternommen, um die Zuverlässigkeit der, für die Qualitätssicherung erforderlichen elektrochemischen Korrosionsmessungen zu erhöhen.

Als Lösungsansatz werden zwei verschiedene PACVD-Verfahren und erstmals auch N-haltige Präkursoren eingesetzt. Sowohl das bisherige RF-PACVD- als auch ein neuartiges Mikrowellen-PACVD-Verfahren werden eingesetzt, optimiert und miteinander verglichen. Insbesondere sollen dazu die Aufheiz- und Abkühlphasen sowie der Plasmareinigungsprozess verkürzt und die Abscheideraten der a-C:H:N-Schichten signifikant (Faktor 4 - 6) gesteigert werden. Die Dicke der bisherigen Schutzschicht soll, unter Einhaltung der DOE-Kriterien bezüglich Korrosionsstromdichte und Kontaktwiderstand weiter reduziert werden. Die Variante „erst Beschichten, dann Umformen“ wird ebenfalls getestet und evaluiert. Zur Steigerung der Zuverlässigkeit und des Probendurchsatzes der elektrochemischen Korrosionsmessungen werden die Messzellen mit mindestens zwei Referenzelektroden, sowie entsprechender Elektronik zur Überwachung ausgestattet und erprobt.

Von den Projektergebnissen werden KMU aus den Bereichen Energietechnik, Werkstoffe, etc. profitieren. Der Nutzen für die KMU resultiert aus der Verbesserung von Brennstoffzellenkomponenten im Hinblick auf mobile Anwendungen, der Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von metallischen Werkstoffen und der Abscheidung von modifizierten Kohlenstoff-Schichten aus der Gasphase.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden Stickstoff-dotierte Kohlenstoffschichten (a-C:H:N) mittels zweier PACVD-Verfahren (rf-PACVD, MW-PACVD) für die Anwendung auf metallischen Bipolarplatten (BPP) für PEMFC abgeschieden und detailliert charakterisiert.

* Die Parameter für die a-C:H:N-Beschichtungen wurden mit der Plasmastrahlquelle (rf-PACVD) so optimiert, dass eine Verringerung der Beschichtungszeit um einen Faktor 10 im Vergleich zum Vorgängerprojekt „BlackBip“ erzielt wurde (geplant Faktor 2-3). Mit den Mikrowellenquellen (MW-PACVD) konnte sogar eine Verringerung der Beschichtungszeit um einen Faktor 30 erzielt werden (geplant Faktor 4-6). Dadurch können Graphit/Polymer-Compound bzw. goldbeschichtete Edelstahl-BPP mit den kostengünstigeren a-C:H:N beschichteten Edelstahl-BPP unter Einhaltung der DOE-Kriterien ersetzt werden.

* Die DOE-Kriterien wurden auch für a-C:H:N-beschichtete Edelstahl-BPP nach der Umformung (Erichsengetieft) eingehalten. Damit sind die entwickelten Schichten auch als Pre-Coat Material z.B. für Inline-Beschichtungen, geeignet.

* Es wurde ein Messwerkzeug zur Ermittlung der Kontaktwiderstände an Erichsengetieften Proben entwickelt und qualifiziert. Es dient der Anwendungsnahen Kontaktwiderstands-Bestimmung an Pre-Coat Materialien nach der Umformung.

* Es wurde eine Mess- und Schutzelektronik entwickelt, mit der die Funktionalität von Referenzelektroden u.a. in elektrochemischen Korrosionsmessungen fortlaufend und zeitgleich mit den eigentlichen Korrosionsmessungen überwacht werden kann. Die häufigsten, bei Langzeitmessungen auftretenden Fehler wie der Drift des Potentials der Referenzelektrode, sowie einer Unterbrechung der Verbindung zwischen der Referenzelektrode und dem Elektrolyten der Messzelle können damit frühzeitig und zuverlässig erkannt werden. Durch ein rechtzeitiges Umschalten auf eine zweite, in der Messzelle integrierten Referenzelektrode kann die Zerstörung der Probe vermieden und insgesamt die Zuverlässigkeit der Korrosionsmessungen erhöht werden.