Graphit statt Gold: Dünne Schichten für bessere Wasserstoff-Autos

Werkstoffe 06. 10. 2020
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Markus Forytta Unternehmenskommunikation, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Elektroautos, die binnen fünf Minuten vollgetankt sind, auf Reichweiten wie ein Diesel kommen und doch sauber fahren: Das schaffen mit Wasserstoff betankte Brennstoffzellen-Fahrzeuge bereits heute. Allerdings sind sie bisher noch selten und teuer. Neben Effizienzproblemen liegt das unter anderem an einer Kernkomponente: goldbeschichtete Bipolarplatten (BiP) in Brennstoffzellen, die aufwendig in der Herstellung sind. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden, der deutsche Automobilkonzern Daimler und das finnische Stahlunternehmen Outokumpu Nirosta haben nun eine preiswerte Alternative für die schnelle Massenproduktion entwickelt.

Wissenschaftler des Fraunhofer IWS haben eine Technologie entwickelt, die auch eine kontinuierliche Produktion von Bipolarplatten ermöglicht. Statt mit Gold beschichten sie diese hauchdünn mit Kohlenstoff. Dieses Konzept ist massenproduktionstauglich und kann die Fertigungskosten stark reduzieren. Außerdem liefert es einen wichtigen Beitrag zum Bau umweltfreundlicher Fahrzeuge.

Die Bipolarplatte von Daimler (oben) wird mit einer Kohlenstoffschicht versehen (unten), die den Kontaktwiderstand verringert und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit erhöht (Bild: Fraunhofer IWS)

 

Brennstoffzellen - ­interessante ­technologische Alternativen

Wenn die Automobilindustrie heute von ­alternativen Antriebskonzepten redet, ist nach Meinung von IWS-Leiter Prof. Christoph ­Leyens meist das batterieelektrische Fahren gemeint. Für Einsatzszenarien wie zum Beispiel Lastkraftwagen, die eine große Reichweite brauchen, könnten Brennstoffzellen eine interessante technologische Alternative bieten. Deshalb arbeiten Prof. Leyens und sein Team mit Partnern aus der Wirtschaft eng zusammen, um preisgünstigere und leistungsfähige Brennstoffzellen zu ermöglichen.

Auch Ingenieure sind Idealisten und deshalb hängen wir an diesem Projekt mit besonderem Herzblut, sagt Dr. Teja Roch vom Fraunhofer IWS. Denn damit liefern die Forscher einen Baustein für eine klimaneutrale Mobilität jenseits der klassischen Verbrennungsmotoren. Das funktioniere aber nur, wenn sich ein neues Verfahren in der Praxis auch rechne. Wie Dr. Roch betont, hat die entwickelte Technologie das Potenzial, die Produktionskosten für Brennstoffzellen spürbar zu senken.

Funktion einer Brennstoffzelle

Brennstoffzellen funktionieren wie Minikraftwerke: Sie werden mit dem Energieträger Wasserstoff sowie mit Sauerstoff gespeist und erzeugen daraus in einer chemischen Reaktion Wasser, Strom und Wärme. Dafür kommen unterschiedliche Bauweisen in Betracht. Eine weit verbreitete ist die PEM-Brennstoffzelle. Sie besteht aus Stapeln (Stacks) vieler Einzelzellen, in deren Mitte sich jeweils eine Protonen-Austausch-Membran (englisch: Proton Exchange Membrane = PEM) befindet. Rechts und links dieser Membran sind Elektroden mit Katalysatoren, je eine Gasdiffusionslage (GDL) und ganz außen auf beiden Seiten sogenannte Bipolarplatten angeordnet. Durch diese Platten strömen Wasserstoff und Sauerstoff in die Zelle. Sie bestehen aus jeweils zwei Edelstahl-Halbblechen, auf die in einem Umformungsprozess spezielle Strukturen für den Gasfluss und die Wärmeabfuhr geprägt und die dann zusammengeschweißt werden.

Weil aber Stahloberflächen Strom nur mäßig gut leiten, werden Bipolarplatten oft mit Gold beschichtet, um Korrosion zu vermeiden. Vor allem aber sorgt das Edelmetall dafür, dass der Strom gut fließen kann, der Kontaktwiderstand zwischen der Gasdiffusionslage und der Bipolarplatte also gering bleibt. Neben dem Einsatz des teuren Edelmetalls werden zudem die Edelstahlbleche für die Platten zuerst umgeformt und zusammengeschweißt, um sie dann stapelweise zu beschichten. Das ist nach den Worten von Dr. Roch ein recht aufwendiger und langwieriger Prozess.

Daher sind die IWS-Forscher und ihre Partner aus der Automobil- und Stahlindustrie im Zuge des vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Verbundprojekts miniBIP II neue Wege gegangen: Statt mit Gold beschichten sie die etwa 50 µm bis 100 µm (1 µm = 1 Tausendstel Millimeter) dünnen Stahl­bleche mit einer nur wenige Nanometer (1 nm = 1 Millionstel Millimeter) dünnen graphitähnlichen Schicht. Dafür setzen sie die Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ein. Dabei verdampft ein Lichtbogen in einer Vakuumkammer zunächst den Kohlenstoff, der sich dann in einer hochreinen, gleichmäßigen und sehr dünnen Schicht auf dem Edelstahl niederschlägt.

Beschichtungskosten halbiert

Bereits im Vorserienstadium erreicht diese Kohlenstoffschicht einen ähnlich niedrigen Kontaktwiderstand wie Gold. Anders ausgedrückt: Wenn die Ingenieure ihr Verfahren bis zur Massenproduktion weiter verfeinern, wird ihre Schicht den Strom mindestens ebenso gut wie das Edelmetall leiten, womöglich sogar besser – bei halbierten Beschichtungskosten. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS sind davon überzeugt, dass dies zu einer neuen Generation effektiverer Brennstoff­zellen mit höherer elektrischer Ausbeute beitragen wird.

Darüber hinaus verspricht die ­innovative Fraunhofer-Technologie auch eine ­höhere Produktionsgeschwindigkeit. Denn die Kohlenstoffschicht ist so dünn, dass die Beschichtung selbst nur Sekunden dauert. Zudem können Stack-Produzenten in Zukunft ganze Blechrollen noch vor der Umformung als Band beschichten. Denn die hergestellte Schicht ist so strapazierfähig, dass sie auch den Umform- und Schweißprozess aushält. Das ermöglicht nach Aussage von Dr. Roch einen kontinuierlichen Fertigungsprozess und damit einen viel höheren Produktionsdurchsatz als bisher.

Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit der Reichweite eines Diesels

Solcherart aufgebesserte und preiswertere Brennstoffzellen sind insbesondere für den mobilen Einsatz wichtig. Sie eignen sich beispielsweise für umweltfreundlichere Autos, Busse und Lastkraftwagen mit großer Reichweite, die schnell nachtankbar sein ­müssen. Das Projekt miniBIP II trägt insofern zur jüngst bekräftigten Strategie der Bundesregierung bei, Deutschland zu einem Vorreiter zukunftsweisender Wasserstofftechnologien zu machen. Einige Marktbeobachter wie IDTechEx und McKinsey erwarten, dass im Jahr 2030 bereits mehrere Millionen Fahrzeuge mit Brennstoffzellen weltweit unter­wegs sein werden. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat sich dieser Herausforderung gestellt. In einer gemeinsamen Initiative machen die beteiligten Institute ihre Kompetenz für das Wasserstoff-Zeitalter verfügbar. Auch das IWS ist Teil dieses Netzwerks. Weitere Informationen hierzu finden Interessierte unter:

https://www.fraunhofer.de/de/forschung/aktuelles-aus-der-forschung/wasserstoff.html

Kontakt:

Dr.-Ing. Teja Roch,
E-Mail: teja.roch@iws.fraunhofer.de

Text zum Titelbild: Die etwa 50 µm bis 100 µm dünnen Stahlbleche werden mit einer nur wenige Nanometer dünnen graphit-ähnlichen Schicht überzogen (Bild: Fraunhofer IWS)

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