Metallische Bipolarplatten in Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM-BZ) kommen immer dann zum Einsatz, wenn geringes Volumen und minimales Gewicht benötigt werden, beispielsweise in automobilen oder portablen Brennstoffzellensystemen.
Aufgrund der korrosiven Bedingungen in Brennstoffzellen stellt die Lebensdauer eine zentrale Herausforderung beim Einsatz metallischer Bipolarplatten dar. Die Verwendung korrosionsbeständiger Metalle wie Titan als Bipolarplattenmaterial oder der Einsatz teurer Edelmetalle wie Gold als Beschichtungswerkstoff sind aufgrund des enormen Kostendrucks auszuschließen.
Daher entwickelt das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik in Kooperation mit dem Industriepartner PT&B Silcor GmbH eine edelmetallfreie Beschichtung auf Basis einer alternierenden Schichtfolge aus Chromnitrid und amorphem Kohlenstoff. Diese werden mittels physikalischen Aufdampfens (PVD) auf metallischen Substraten wie etwa Aluminium oder Edelstahl aufgebracht (vgl. Abbildung 1). Durch den gezielten Aufbau dünner Einzelschichten sowie den Wechsel der Beschichtungsmaterialien kann eine besonders dichte, homogene und fehlerfreie Schutzschicht realisiert werden.
Erste Ergebnisse dieser Entwicklungen, die im Zuge eines durch das Bundeswirtschaftsministerium geförderten ZIM-Vorhabens realisiert wurden, werden nun auf dem 5ten European PEFC & H2 Forum in Luzern vom 30.06.-03.07.2015 durch das ZBT vorgestellt. Dabei liegt der Fokus zunächst auf der Verwendung metallischer Bipolarplatten aus Aluminium sowie der Anwendung in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC), die insbesondere in portablen Geräten genutzt werden.
So konnte gezeigt werden, dass durch den Auftrag einer Beschichtung aus fünf alternierenden Lagen die Korrosionsbeständigkeit signifikant verbessert wird. Korrosionsstrommessungen an beschichteten und unbeschichteten Substraten aus Aluminium 1050A ergaben, dass das Ruhepotenzial der beschichteten Proben um 0,36 V erhöht werden konnte, also zu einem deutlich edleren Verhalten. Zudem sank der Korrosionsstrom am für DMFC relevanten Betriebspotenzial (-0,13 V vs. Ag/AgCl) um mehr als das 100-fache (vgl. Abbildung 2), was ein deutlich verbessertes Langzeitverhalten erwarten lässt.
Zukünftig sollen diese Schichten weiter verbessert werden. Dazu zählt neben der Anwendung auf weiteren Substratmaterialien insbesondere die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit, die aufgrund des niedrigen spezifischen Leitwertes von amorphem Kohlenstoff eingeschränkt ist. Weiterhin soll untersucht werden, inwieweit durch die gezielte Beeinflussung der Oberflächenstruktur die Homogenität der Schicht sowie das Benetzungs-verhalten der Bipolarplatten verbessert werden können.
- Abteilung Mikrosysteme und Strömungsmechanik
- Oberflächenanalyse
- Dienstleistungsangebot: Charakterisierung von Brennstoffzellen-Komponenten
