Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl-Innovative Technologien für die Erzeugung, Speicherung und Verarbeitung von Wasserstoff
Am Fraunhofer FEP wurde eine Pilotanlage zur Beschichtung von Bipolarplatten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen qualifiziert. Diese Technologie ist kosteneffizient und ermöglicht eine hohe Produktivität als Beitrag zum Gelingen der Energiewende.
Um die Wasserstoffwirtschaft erfolgreich hochzufahren, sind hochproduktive und kostengünstige Produktionstechnologien erforderlich. Am Fraunhofer FEP wurde dazu die Metallband-Pilotanlage MAXI zur plasmaaktivierten Elektronenstrahlverdampfung mittels diffuser Bogenentladung (spotless arc-activated depostion, SAD) für die Beschichtung von Bipolarplatten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen qualifiziert.
Bipolarplatten müssen in einer chemisch aggressiven Umgebung langzeitstabil funktionieren und erfordern Schutzbeschichtungen wie Titan. Gleichzeitig muss beispielsweise durch eine zusätzliche Kohlenstoffbeschichtung eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit gewährleistet werden.
Die plasmaaktivierte Elektronenstrahlverdampfung ermöglicht das Aufbringen von duktilen, umformbaren Schichten auf Metallbändern, bevor diese zu Bipolarplatten geprägt werden. Die Beschichtung des Materials vor dem Prägeprozess gilt als entscheidender Schritt für eine Hochskalierung der Produktion im Rolle-zu-Rolle Verfahren.
Eine Herausforderung für die Umformbarkeit besteht darin, eine dichte Makrostruktur mit großen Kristalliten zu gewährleisten. Das Fraunhofer FEP kann dies durch entwickelte Prozesse wie dem SAD-Verfahren realisieren. Mit der Anlage MAXI steht sowohl für die Forschung und Entwicklung als auch für die Pilotproduktion eine innovative Rolle-zu-Rolle- sowie Sheet-to-Sheet-Anlage für die Hochratebeschichtung entsprechender Substrate zur Verfügung.
Erste Ergebnisse bei der Beschichtung von 250 mm breiten und 50 µm dicken metallischen Bändern mit Titan zeigten bereits homogene Schichten im Dickenbereich von etwa 100 nm mit grobkristallinem Gefüge, die bei Bandgeschwindigkeiten von 10 m/min erzeugt werden konnten. Vorteilhaft bei diesem Prozess ist zudem, dass die Substrattemperatur auf maximale Werte von unter 250 °C begrenzt werden kann. Durch die geringe Wärmebelastung können ferner auch sensibler Materialien wie elektrisch leitfähige Polymere beschichtet werden, die eine innovative Alternative für Batterien und Brennstoffzellen darstellen.
Die Forschungsaktivitäten erfolgten in enger Kooperation mit dem Fraunhofer IWU und der VON ARDENNE GmbH.