Technologie

Graphit statt Gold

06.10.2020 - Erschwingliche Wasserstoff-Autos mit der Reichweite eines Diesels.

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. 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.

Dafür entwi­ckel­ten die IWS-Wis­sen­schaftler eine Tech­nolo­gie, 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.

„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. Des­halb arbei­ten wir mit unse­ren 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“, be­tont Dr. Teja Roch vom IWS. „Denn damit liefern wir ei­nen Bau­stein für eine klima­neut­rale Mobi­lität jen­seits der klassi­schen Ver­bren­nungsmoto­ren.“ Das funk­tio­niere aber nur, wenn sich ein neues Ver­fah­ren in der Praxis auch rech­net. „Un­sere Tech­nolo­gie hat das Po­ten­zial, die Pro­dukti­ons­kos­ten für Brennstoff­zellen spür­bar zu sen­ken.“

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 aus der Auto­mobil- und Stahl­in­dust­rie 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.

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 bei­trägt.

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 Was­ser­stoff-Tech­nolo­gien zu ma­chen. Einige Marktbe­obachter wie IDTe­chEx und McKinsey er­war­ten, dass im Jahr 2030 be­reits meh­rere Millio­nen Fahr­zeuge mit Brennstoff­zel­len-Tech­nik welt­weit unter­wegs sein wer­den. Die Fraun­hofer-Ge­sell­schaft hat sich dieser Her­aus­forde­rung ge­stellt. In ei­ner ge­mein­sa­men Initia­tive stel­len die betei­ligten Insti­tute ihre „Kom­pe­tenz für das Was­ser­stoff-Zeital­ter“ zur Ver­fü­gung. Auch das IWS ist Teil dieses Netz­wer­kes.

IWS / LK

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