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Günstige Massenproduktion für H2-Autos

Neuartige Beschichtung für Bipolarplatten in Brennstoffzellen

03. November 2020, 11:38 Uhr   |  Ute Häußler

Neuartige Beschichtung für Bipolarplatten in Brennstoffzellen
© Fraunhofer IWS

Die Bipolarplatte von Daimler wird mit einer Kohlenstoffschicht versehen, die den Kontaktwiderstand verringert und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit erhöht.

Das Fraunhofer IWS hat eine preiswerte Alternative zu goldbeschichtete Bipolarplatten (BiP) in Brennstoffzellen entwickelt. Graphit statt Gold soll helfen, reichweitenstarke Wasserstoff-Fahrzeuge schneller, günstiger und in hohen Stückzahlen herzustellen. Partner sind Daimler und Outokumpu Nirosta.

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. Sie sind außerdem aufwendig in der Herstellung.

Wissenschaftler des Fraunhofer IWS haben eine Technologie entwickelt, die eine kontinuierliche Produktion von Bipolarplatten ermöglicht. Statt mit Gold beschichtet 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.

Brennstoffzelle statt Batterie

Wenn die Automobilindustrie heute von alternativen Antriebskonzepten redet, ist meist das batterieelektrische Fahren gemeint«, erklärt IWS-Leiter Prof. Christoph Leyens. »Für Einsatzszenarien wie zum Beispiel Lastkraftwagen, die eine große Reichweite brauchen, könnten Brennstoffzellen eine interessante technologische Alternative bieten.« Das Institut arbeitet daher mit Partnern aus der Wirtschaft zusammen, um preisgünstigere und leistungsfähige Brennstoffzellen auf den Weg zu bringen.

Bausteine für eine klimaneutrale Mobilität jenseits der klassischen Verbrennungsmotoren können nur Realität werden, wenn sich neue Verfahren auch in der Praxis rechnen. Ein Schwerpunkt der IWS-Forschung liegt darauf, mit neuen Technologien die Produktionskosten für Brennstoffzellen spürbar zu senken.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Brennstoffzellen funktionieren wie Mini-Kraftwerke: 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 bestehen 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 Rostbildung 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. »Allerdings ist Gold bekanntermaßen teuer«, skizziert Teja Roch ein Problem bei dieser oft verwendeten Lösung. »Zudem werden die Edelstahlbleche für die Platten zuerst umgeformt und zusammengeschweißt, um sie dann stapelweise zu beschichten. Das ist ein recht aufwendiger und langwieriger Prozess.«

Daher sind die IWS-Forscher und ihre Partner im Zuge des vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Verbundprojektes »miniBIP II« neue Wege gegangen: Statt mit Gold beschichten sie die etwa 50 bis 100 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dünnen Stahlbleche mit einer nur wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) dünnen graphit-ähnlichen 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. Laut Fraunhofer IWS sind damit neuartige und effektiverere Brennstoffzellen mit höherer elektrischer Ausbeute umsetzbar.

Darüber hinaus verspricht die Fraunhofer-Technologie auch ein höheres Produktionstempo. 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 »am laufenden Band« beschichten. Denn die Fraunhofer-Schicht ist so strapazierfähig, dass sie auch den Umform- und Schweißprozess aushält. Das ermöglicht alut den Wissenschaftlern des Fraunhofer IWS einen kontinuierlichen Fertigungsprozess und damit einen viel höheren Produktionsdurchsatz als bisher.

Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit Diesel-Reichweite

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.

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