Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer kosteneffizienten ferritischen Bipolarplatte mit MAX-Phasen-Korrosionsschutz für die Anwendungen in portablen und mobilen Brennstoffzellensystemen

Die sich abzeichnende Mobiltitäts- und Energiewende wird die Energieversorgungsinfrastruktur in Deutschland grundlegend wandeln. Durch die Etablierung der E-Mobilität werden zukünftig viele bisher von Zulieferern hergestellte Produkte nicht mehr benötigt. Derzeitig im Antriebsstrang von Fahrzeugen eingesetzte funktionale tribologische Oberflächen werden in einem bedeutend kleineren Umfang erforderlich, so dass die Nachfrage nach derartige Produkten, Dienstleistungen und Produktionsanlagen von KmU in den nächsten Jahren dramatisch sinken wird. Die Automobil-Zulieferbranche in Deutschland benötigt deshalb dringend Inventionen, die einen ernsthaften Beitrag dazu leisten, diesen Trend zu stoppen und umzukehren.

Entwicklungen von neuen Materialklassen wie den MAX-Phasen können in mehreren Anwendungen der E-Mobilität attraktive Leistungsverbesserungen erzielen, zum Beispiel als nanodimensionierte Beschichtung für Werkstoffen oder aber als hochporöse MXene in der Batterietechnik.

Im beantragten Vorhaben soll eine Korrosionsschutzschicht für metallische Bipolarplatten für die Anwendung in der PEMFC entwickelt werden. MAX-Phasen verfügen über eine 2-dimensionale Kristallstruktur, die zum einen für eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit, zum anderen aber auch für eine exzellente elektronische Leitfähigkeit der Bipolarplattenoberfläche sorgt. Dazu wird ein Syntheseansatz zur Abscheidung von Materialbibliotheken mit variierenden Metallanteilen in der Mischkarbid-Schicht angewandt, wobei die resultierenden Phasenmappen mittels High-through-put Screening in einer Scanning Flow Cell untersucht werden.

Für Beschichter, Anlagenhersteller und Dienstleister entstehen mit diesen neu erschlossenen Bereichen auch neue Wachstumspfade. Die Aufstellung der Mitgliedsunternehmen im PA für das beantragte Vorhaben spiegeln diese Entwicklung wider. Die gesamte Wertschöpfungskette ist somit im Projektbegleitenden Ausschuss dargestellt, wodurch die KmU Relevanz deutlich wird.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Projekts wurden erfolgreich HiPIMS und kombinierte HiPIMS/PIII-Prozesse für die Abscheidung von Ti-Al-C-Schichten entwickelt. Jedoch wiesen diese Schichten nur einen sehr geringen Grad an Kristallinität auf. Es ist daher nicht gelungen, kristalline MAX-Phasen-Kompositionsmappen ausschließlich plasmabasiert abzuscheiden. Um die Kristallinität von Schichten einer definierten Zusammensetzung zu erhöhen, war eine zusätzliche thermische Behandlung der Schichten bei 800 °C in Ar-Atmosphäre notwendig und erfolgreich. Es wurde daher neben dem Co-Sputtering mittels HiPIMS/PIII ein weiterer Abscheideprozess zur Erzeugung von Ti-Al-C-Stapelschichten mit anschließendem Annealing entwickelt. Anfängliche Adhäsionsprobleme konnten durch angepasste Abscheidungsparameter, insbesondere durch eine optimierte Abscheidesequenz der Stapel überwunden werden.

Zusammenfassend wichen die Ergebnisse dieses Projekts von den erwartbaren Ergebnissen des Projektantrags ab, weshalb dessen Schwerpunktsetzung im Projektverlauf verändert werden musste.

Es konnte im Bestfall keinerlei Schichtauflösung bis zu einer Spannung von 2.2 V (vs RHE) nachgewiesen werden, was die Anwendung der entwickelten Schichten nicht nur in PEMFC und DMFC sondern auch in Elektrolysestacks ermöglicht und nahelegt. Des Weiteren ist aufgrund der Ausbildung metastabiler Phasen eine Absenkung der Annealingtemperatur denkbar. Es konnten demnach erfolgreich Ti-Al-C-Schichten mittels HiPIMS/PIII erzeugt werden, welche sich als Korrosionsschutzschichten für metallische Bipolarplatten eigenen, entwickelt werden. Dies lässt die Einschätzungen eines erfolgreichen und wirtschaftlich relevanten Projekts zu.