Wie Beschichtungen und Umformverfahren zu einer effizienteren Wasserstoffwirtschaft beitragen

PEM-Brennstoffzellen, auch bekannt als Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen, werden vor allem in der Elektromobilität, aber auch für die stationäre Energieerzeugung in Gebäuden oder als Notstromversorgung verwendet. Ihre Vielseitigkeit macht sie zu einer wichtigen Technologie für die Energiewende und die Reduzierung von CO₂-Emissionen. Entscheidende Komponente der PEM-Brennstoffzelle ist die so genannte Bipolarplatte. Sie ist zuständig für die Zuführung, Verteilung und Abführung der Medien sowie die elektrische Kontaktierung. Zudem beeinflusst diese maßgeblich die Masse und die Kosten des Brennstoffzellenstacks (Anordnung von mehreren Brennstoffzellen, die in Reihe geschaltet sind, um die elektrische Leistung zu erhöhen). Durch Beschichtung metallischer Bipolarplatten ist es möglich, deren elektrische Leitfähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit zu verbessern und dadurch die Lebensdauer und Leistung signifikant zu steigern. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, arbeiten Forschende an innovativen Lösungen. Im IGF-Vorhaben „Entwicklung von Fertigungsprozessfolgen für beschichtete metallische Bipolarplatten für Brennstoffzellen höchster Qualität und Energieeffizienz“ stehen zwei neue Beschichtungsansätze und Umformverfahren im Fokus.

Lösungsansätze für die Beschichtung

Ein erster Ansatz besteht darin, funktionale Kohlenstoff-Schichtsysteme zu entwickeln. Diese Schichten sollen auch nach dem Umformen der Brennstoffzellenkomponenten ihre hohe elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bewahren. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, vergleichen die Forschenden verschiedene Beschichtungsverfahren, darunter die ARC-Verdampfung und das Magnetron-Sputtern. Auch ein Verfahren namens HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) wird berücksichtigt.Die kohlenstoffbasierten Schichten, die durch ARC-Verdampfung hergestellt werden – ein Verfahren, bei dem mittels Lichtbogen Schichtmaterial verdampft und auf eine Werkstoffoberfläche aufgetragen wird – erwiesen sich als vorteilhaft, da sie die elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften der Bipolarplatte deutlich verbessern und die Anforderungen des US-Energieministeriums (DOE) erfüllen. Die Temperatur bei der Herstellung hat nur einen geringen Einfluss auf die Leistung der Schichten. Interessanterweise sinkt der Kontaktwiderstand, wenn die Schichtdicke von 150 auf 50 Nanometer verringert wird. 

Beim zweiten Ansatz wird eine metallisch vorbeschichtete Platte nach der Umformung durch eine Plasmadiffusionsbehandlung funktionalisiert. Dieser Prozessweg soll fertigungstechnische Oberflächendefekte ausheilen und somit die Bildung von Korrosionsstellen verhindern. Aktuelle Ergebnisse zeigen, dass die Plasmadiffusionsbehandlung von Titan zusätzlich den Kontaktwiderstand verringert, sodass den DOE-Vorgaben entsprochen wird. Beide Eigenschaften werden von der Struktur der Titanschicht und den Behandlungsparametern der Plasmadiffusion beeinflusst. Zu den wichtigsten Behandlungsparametern zählen die Temperatur, Prozessspannung sowie das Reaktivgasangebot.

Lösungsansätze für die Umformung

Auf Basis dieser Ansätze werden im Folgenden  die elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften der Bipolar-Halbplatten nach der Umformung mittels Hochdruckblechumformung (HBU) untersucht. Ferner werden Platinen mit den Beschichtungen, die im Rahmen der Untersuchungen die besten Ergebnisse erzielt haben, mit zwei weiteren Umformverfahren, dem Hohlprägen und Hohlprägewalzen, umgeformt und untersucht.

Der unmittelbare Nutzen der Forschungsergebnisse für KMU ergibt sich vor allem durch den Wissenstransfer bezüglich der Eigenschaften und Grenzen der untersuchten Beschichtungs- und Umformverfahren und deren Auswirkung auf die Einsatzbedingungen der Bipolarplatten. Mit der Entwicklung und Erprobung neuer Fertigungsrouten trägt das Forschungsprojekt zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesrepublik Deutschland bei.

Das Projekt wird im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. (Förderkennzeichen IGF_01|F22948BG)