Beschichtung Titan-Beschichtung für Komposit-Bipolarplatten

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Eine zentrale Rolle in der Wasserstoffwirtschaft spielen Bipolarplatten in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Forschende am Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP haben einen etablierten Vakuumbeschichtungsprozess so weiterentwickelt, dass nun kompakte Titan-Dünnschichten auf Komposit-Bipolarplatten abgeschieden werden können. 

In PEM-Elektrolyseuren und Brennstoffzellen werden heute vielfach Bipolarplatten aus Titan eingesetzt. Sie sind korrosionsbeständig, aber teuer. Komposit-Bipolarplatten auf Polymer-Graphit-Basis sind deutlich kostengünstiger und leichter, benötigen jedoch eine geeignete Schutz- und Funktionsschicht, um in der aggressiven, sauren Umgebung dauerhaft stabil und elektrisch leitfähig zu bleiben.
Hier setzt die Arbeit des Fraunhofer FEP an: Aufbauend auf einer bereits qualifizierten Elektronenstrahl-Beschichtungslinie wurde ein Beschichtungsansatz für Komposit-Bipolarplatten entwickelt, der den Materialvorteil der Verbundwerkstoffe mit den funktionalen Eigenschaften einer Titanschicht kombiniert.

Dichte Titan-Schicht bei begrenzter Temperatur

Mit einer plasmaaktivierten Elektronenstrahlverdampfung (EB PVD mit SAD) in einer Vakuumanlage erfolgt die Beschichtung. Dabei mussten zwei Anforderungen miteinander in Einklang gebracht werden: Zum einen sollen die Titan-Schichten elektrisch gut leitfähig und korrosionsbeständig sein, zum anderen darf das temperaturempfindliche Kompositmaterial während des Prozesses nur bis zu einer definierten Grenztemperatur aufgeheizt werden.
Dazu wurden der etablierte Prozess auf die neuen Substrate angepasst, geeignete Vorbehandlungen für die raue Kompositoberfläche ausgewählt und die Wärmebelastung der Platten gezielt begrenzt. Begleitende Messungen und Simulationen der Temperaturverteilung halfen dabei, Prozessfenster zu definieren, in denen sich kompakte Titan-Dünnschichten mit niedrigen flächenspezifischen Durchgangswiderständen und wirksamer Korrosionsschutzwirkung abscheiden lassen – ohne die zulässige Temperatur des Kunststoffs zu überschreiten. Damit steht nun ein prinzipiell skalierbarer Ansatz zur Verfügung, um kostengünstige Komposit-Bipolarplatten für den Einsatz in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren funktionsfähig zu machen.
„Unsere Untersuchungen zeigen, dass sich Komposit-Bipolarplatten mit dünnen Titanschichten funktional so ausstatten lassen, dass sie eine reale Alternative zu massiven Titanplatten werden können – und das bei eingehaltenen Temperaturgrenzen der Polymere“, erklärt Dr. Stefan Saager, Leiter der Gruppe Beschichtung Metall und Energietechnik am Fraunhofer FEP. „Damit eröffnen wir neue Perspektiven für kosteneffiziente, hochproduktive Fertigungslösungen in der Wasserstofftechnik.“

Vom Pilotprozess zur Anwendung

Die neuen Arbeiten knüpfen an frühere Entwicklungen zur Hochratebeschichtung metallischer Bänder für Bipolarplatten an und übertragen diese Erfahrungen auf polymerbasierte Komposite. Im Rahmen des Projekts PolyFoleR wurden am Fraunhofer FEP in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Umsicht sowohl der Beschichtungsprozess selbst als auch Mess- und Auswerteverfahren für Durchgangswiderstand und Korrosionsverhalten unter praxisnahen Bedingungen aufgebaut. So entstand ein Werkzeugkasten aus Prozessführung, Vorbehandlung, Temperaturoptimierung und Charakterisierung, mit dem sich unterschiedliche Kompositmaterialien flexibel adressieren lassen. Perspektivisch können die erzielten Ergebnisse in kontinuierliche Produktionskonzepte wie Rolle-zu-Rolle- oder Sheet-to-Sheet-Linien überführt werden.