Suchen

Real Age of Aquarius! Wer braucht schon Gold für bessere Wasserstoff-Fahrzeuge?

Redakteur: Peter Königsreuther

Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) beweisen, dass Kohlenstoffschichten in Brennstoffzellen effizienter sind als das teure Edelmetall Gold.

Firmen zum Thema

Schwarzes Gold: Diese Bipolarplatte (oben) für einen Kfz-Wasserstoffantrieb von Daimler wird mit einer Kohlenstoff- statt Goldschicht versehen (unten). Denn auch das reduziert den Kontaktwiderstand und erhöht die Korrosionsbeständigkeit.
Schwarzes Gold: Diese Bipolarplatte (oben) für einen Kfz-Wasserstoffantrieb von Daimler wird mit einer Kohlenstoff- statt Goldschicht versehen (unten). Denn auch das reduziert den Kontaktwiderstand und erhöht die Korrosionsbeständigkeit.
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Elektroautos, die in 5 min vollgetankt sind, können Reichweiten wie ein Diesel haben und doch „sauber“ durch die Lande cruisen. Utopie? Nein! Denn das schafft man mit wasserstoffbetankten Brennstoffzellen, die statt der schweren Batterie, dem Elektroboliden den Strom liefern, bereits heute.

Doch solche Fahrzeuge sind noch selten, und deshalb teuer, sagen die Dresdener Forscher.

Außer an Effizienzproblemen liege das unter anderem an einer Kernkomponente: die goldbeschichteten Bipolarplatten (BiP) in den Brennstoffzellen. Sie sorgen für die Zufuhr des Wasserstoffs, der Luft und führen den bei der Verbrennung enstehenden Wasserdampf auch ab. Auch die Abgabe thermischer und elektrischer Energie ist ihre Aufgabe. Aber Bipolarplatten sind aufwendig herzustellen.

Das IWS, Daimler und das finnische Stahlunternehmen Outokumpu Nirosta haben aber nun eine preiswerte Alternative für die schnelle Massenproduktion entwickelt, wie es weiter heißt.

Die Batterie könnte bald ausgedient haben - zurecht!

Die Idee erlaube eine kontinuierliche Produktion von Bipolarplatten . Und statt mit Gold beschichtet, sie diese hauchdünn mit Kohlenstoff überzogen. Dieses Konzept ist großserientauglich und kann die Fertigungskosten stark reduzieren, betonen die Forscher. So könne ein wichtiger Beitrag zum massenhaften Bau umweltfreundlicher Fahrzeuge geleistet werden.

„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 Alternative sein. „Deshalb arbeiten wir mit unseren Partnern aus der Wirtschaft eng zusammen, um preisgünstigere und leistungsfähige Brennstoffzellen auf den Weg zu bringen“, merkt Leyens an.

„Auch Ingenieure sind Idealisten und deshalb hängen wir an diesem Projekt mit besonderem Herzblut“, betont Dr. Teja Roch vom IWS. Denn im Erfolgsfall stehe ein fundamentaler Baustein für eine klimaneutrale Mobilität jenseits der klassischen Verbrennungsmotoren bereit. Das funktioniert laut Roch aber nur, wenn sich ein neues Verfahren in der Praxis auch rechnet. Die IWS-Technologie hab nun aber das Potenzial, um die Produktionskosten für Brennstoffzellen spürbar zu senken.

Informativer „Ausflug“: So funktioniert die Brennstoffzelle...

Brennstoffzellen funktionieren wie Minikraftwerke: Sie werden mit dem Energieträger Wasserstoff (H2) sowie mit Sauerstoff (O2) gespeist und erzeugen daraus in einer chemischen Reaktion (quasi eine sehr moderate Verbrennung) Strom und Wärme. Der umweltfreundliche Vorteil: Als Abgas entsteht lediglich Wasserdampf!

Unterschiedliche Bauweisen kann man dafür nutzen, heißt es. Eine weit verbreitete ist die PEM-Brennstoffzelle. Sie bestehen aus Stapeln (sogenannte 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 installiert, je eine Gasdiffusionslage (GDL), und ganz außen, auf beiden Seiten, diese Bipolarplatten. 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 sind. Die Halbbleche werden dann zusammengeschweißt, erklärt das IWS.

Weil Stahloberflächen elektrischen Strom aber nur mäßig gut leiten, werden Bipolarplatten mit dem sehr gut leitenden Gold beschichtet – auch 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. „Gold ist aber bekanntermaßen teuer“, wirft Roch ein. Auch werden die Edelstahlbleche für die Bipolarplatten, wie gesagt, erst umgeformt, dann zusammengeschweißt, um sie anschließend stapelweise zu beschichten. „Das ist ein recht aufwendiger und langwieriger Prozess“, sagt Roch.

Eine nanometerdünne Graphitschicht reicht vollkommen aus

Deshalb sind die IWS-Forscher und ihre Partner im Rahmen des vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Verbundprojektes „miniBIP II“ neue Wege gegangen, um das Gold zu ersetzen. Die 50 bis 100 µm dünnen Stahlbleche werden nun mit einer nur Nanometer messenden graphitähnlichen Schicht versehen. Dafür setzen sie den PVD-Prozess (Physical Vapour Deposition) 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, wie die Experten erklären.

Viel günstiger zur noch besser leitenden Beschichtung

Bereits im Vorserienstadium bringe diese Kohlenstoffschicht einen ähnlich niedrigen Kontaktwiderstand wie Gold zustande. Anders ausgedrückt: Wenn die Ingenieure ihr Verfahren bis zur Massenproduktion weiter verfeinern können, wird diese Schicht den Strom mindestens ebenso gut wie das Edelmetall leiten, womöglich sogar besser – und das bei halbierten Beschichtungskosten, betonen die Projektpartner. Die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS sind davon überzeugt, dass dies zu einer neuen Generation effektiverer Brennstoffzellen mit höherer elektrischer Ausbeute beiträgt.

Die etwa 50 bis 100 µm dünnen Stahlbleche werden mit einer nur wenige Nanometer dünnen graphit-ähnlichen Schicht überzogen.
Die etwa 50 bis 100 µm dünnen Stahlbleche werden mit einer nur wenige Nanometer dünnen graphit-ähnlichen Schicht überzogen.
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Darüber hinaus verspricht die neuartige Fraunhofer-Technologie auch ein höheres Produktionstempo. Denn die Kohlenstoffschicht sei so dünn, dass die Beschichtung selbst in Sekunden erledigt ist, heißt es. Zudem könnten Stack-Produzenten in Zukunft ganze Blechrollen noch vor der Umformung quasi „am laufenden Band“ beschichten. Das geht, weil die Fraunhofer-Schicht so strapazierfähig sei, dass sie auch den Umform- und Schweißprozess aushalte.

Wasserstoff-Stromer kommen weiter als Batterie-Enten

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. Hier ein kleines Video zu dem Verfahren.

Es dämmert das Zeitalter des Wasser(stoff)mannes herauf

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. Weitere Informationen dazu sind

hier im Internet zu finden.

So könnte das im Musical Hair heraufbeschworene Zeitalter des Wassermanns, nach einem halben Jahrhundert Verzögerung, in ganz anderer Weise positiv auf die Gesellschaftsentwicklung ausstrahlen.

(ID:46898804)