Die Wasserstofftechnologie wird als ein Schlüsselelement zum Gelingen der Energiewende gesehen, einerseits zur Speicherung und zum Transport erneuerbarer Energie, andererseits um CO2-Emissionen aus fossilen Energieträgern in Industrieprozessen und im Verkehrssektor durch klimafreundliche Alternativen zu ersetzen.
Im Zuge dessen werden derzeit viele Maßnahmen im Rahmen der nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung in Deutschland initiiert. Der Markthochlauf der Wasserstoffwirtschaft erfordert hochproduktive Technologien für die kostengünstige Serien- und Massenproduktion von Baugruppen zur Wasserstofferzeugung und -nutzung.
Elektronenstrahlen in der Wasserstofftechnologie
Das Fraunhofer FEP ist führend in der Entwicklung von Elektronenstrahl- und Plasmatechnologien für verschiedenste Anwendungen. Auch in der Wasserstofftechnologie können die Vorzüge von Elektronenstrahlen von großem Nutzen sein, da sie eine Fülle physikalischer, chemischer und biologischer Wirkungen mit hoher energetischer Effizienz, exzellenter Präzision und technologischer Flexibilität vereinen.
Ein Beispiel hierfür ist die plasmaaktivierte Elektronenstrahlverdampfung – ein Vakuumbeschichtungsverfahren, welches zugleich großen Durchsatz und hohe Schichtqualität ermöglicht. Genau diese Kombination ist für die Beschichtung von Komponenten, zum Beispiel von Bipolarplatten für Elektrolyseure sowie Brennstoffzellen, entscheidend.
Das Fraunhofer FEP verfügt mit der In-line-Vakuum-Beschichtungsanlage MAXI über eine einzigartige Pilotanlage für die Beschichtung metallischer Platten und Bänder und hat diese nun für die Beschichtung von Bipolarplatten qualifiziert. Dr. Burkhard Zimmermann, Bereichsleiter für Elektronenstrahltechnologien am Fraunhofer FEP, erklärt dazu: „Bipolarplatten sind ein wichtiges Element von Brennstoffzellen und müssen dort in einer chemisch aggressiven Umgebung langzeitstabil funktionieren. Dafür müssen sie mit Beschichtungen versehen werden, welche die Bipolarplatten zuverlässig schützen und zugleich eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit gewährleisten.“
Zimmermann erklärt weiter: „Mit unserer Anlagentechnik und unserem über Jahrzehnte aufgebautem Know-How in der Entwicklung hocheffizienter Beschichtungstechnologien können wir hier einen bedeutenden Beitrag für die Hochratebeschichtung von verschiedenen Substraten leisten. Mittels plasmaaktivierter Elektronenstrahlverdampfung können beispielsweise duktile, umformbare Schichten auf Metallband aufgebracht werden, bevor diese zu Bipolarplatten geprägt werden.“
Skalierung
Die Beschichtung des Materials vor dem Prägeprozess gilt als entscheidender Schritt für eine Hochskalierung der Produktion im Rolle-zu-Rolle Verfahren. Herausforderung ist hierbei die Umformbarkeit der Schicht. Um dies sicherzustellen wird eine dichte Makrostruktur in der Schicht mit möglichst großen Kristalliten erforderlich. Diese Schichteigenschaften lassen sich durch die entwickelten Prozesse am Fraunhofer FEP realisieren; mit der Anlage MAXI steht sowohl für die Forschung und Entwicklung als auch für die Pilotproduktion eine neue 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 200 nm mit grobkristallinem Gefüge, die bei Bandgeschwindigkeiten von 10 m/min erzeugt werden konnten.
Dr. Stefan Saager, Leiter der Gruppe Beschichtung Metall und Energietechnik, erläutert: „Vorteilhaft bei diesem Prozess ist, 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 Möglichkeiten der Hochratebeschichtung für Komponenten in der Wasserstofftechnologie sowie weitere Fokusthemen in der Nutzung von Elektronenstrahl- und Plasmatechnologien stellen die Wissenschaftler während der Clean Hydrogen Convention 2023, am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Nr. B-11 in Halle 3, auf der Messe Dresden vom 25. bis 26. Oktober vor.
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