Einleitung
PEM-Brennstoffzellen weisen für die Umwandlung chemischer in elektrischer Energie einen hohen Wirkungsgrad auf. Sie sind zudem insbesondere im Bereich kleiner Leistungen bis zu einigen 100 kW konventionellen Verbrennungskraftmaschinen weit überlegen. Sie eignen sich deshalb besonders gut für die unterbrechungsfreie Stromversorgung von z.B. Telekommunikationsanlagen und stehen aber auch in großem industriellen Interesse bei Automobil- und Heizgeräteherstellern. Ein zentrales Bauelement der Brennstoffzellenstacks ist die Bipolarplatte, mit der die Gasräume der benachbarten Zellen voneinander abgetrennt werden. Diese Bipolarplatten müssen neben einer guten korrosiven Beständigkeit auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Bisher werden diese Anforderungen durch graphitische Bipolarplatten sehr gut erfüllt. Diese lassen sich allerdings nur schwer in für die Massenproduktion geeigneten Prozessen herstellen. Des Weiteren tragen diese Platten zu etwa 80 % des Gewichtes und bis zu 45 % der Kosten eines Stacks bei. Durch den Einsatz metallischer Werkstoffe wie z.B. Edelstahl könnten die Platten durch Massenproduktion prinzipiell wesentlich preiswerter und die Stacks bei gleicher Leistung mit etwa 1/5 des Volumens und Gewichtes produziert werden. Nachteilig bei den metallischen Platten ist deren Anfälligkeit
gegenüber Korrosion. Innerhalb dieses Projektes sollten Kohlenstoffschichten die bereits in einem früheren IGF-Forschungsvorhaben entwickelt wurden, hinsichtlich ihrer Beschichtungsparameter so optimiert werden, dass eine Prozessverkürzung beim PACVD-Verfahren mit der Plasmastrahlquelle um Faktor 2–3 und beim Mikrowellen-PACVD Verfahren um Faktor 2 zum Vorgängerprojekt erzielt werden kann.
Ergebnisse
An der Plasmastrahlquelle wurde durch die Regulierung des Stroms an den Magnetspulen der Gitter- und Matchboxseite das Plasma „geformt“ und dadurch die Eigenschaften des Plasmas verändert. Die höchste Abscheiderate von ca. 2 µm/h wird mit einer Spuleneinstellung von 12 A an der Gitterseite und 0 A an der Matchboxseite erzielt. Zudem wurde die Ätzzeit für die Reinigung der Edelstahlsubstrate schrittweise verkürzt und anschließend die Haftung, der Kontaktwiderstand und die Korrosionsstromdichte der abgeschiedenen Kohlenstoffschichten untersucht. Dadurch konnte die Ätzzeit um den Faktor von 1,5 im Vergleich zum Vorgängerprojekt verkürzt werden, ohne dabei die DOE-Grenzwerte zu überschreiten. Während der Beschichtungsprozesse wurde die Temperatur der Edelstahlsubstrate in-situ mit einem Thermoelement gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass durch den Ätz- und Beschichtungsprozess eine deutliche Erwärmung der Edelstahlsubstrate erfolgte. Demzufolge konnte die Starttemperatur für den Beschichtungsprozess auf ~110 °C deutlich verringert werden. Der Beschichtungsdruck wurde ebenfalls schrittweise erhöht und die höchste Abscheiderate konnte für die Plasmastrahlquelle bei 9×10-4 mbar und für die Mikrowellenquelle bei 2×10-3 mbar erzielt werden. So konnte mit der Plasmastrahlquelle die Beschichtungszeit um den Faktor 10 und mit der Mikrowellenquelle sogar um den Faktor 30 zum Vorgängerprojekt verkürzt werden. Allerdings muss bei der a-C:H:N-Beschichtung mit der Mikrowellenquelle eine Substratvorspannung an das Bauteil angelegt werden. Es zeigte sich, dass bei einer niedrigen Korrosionsstromdichte der Kontaktwiderstand häufig sehr hoch ist und umgekehrt. Die DOE-Grenzwerte sowohl für den Kontaktwiderstand als auch für die Korrosionsstromdichte erfüllen nur die a-C:H:N-Schichten, deren Werte innerhalb der schraffierten Fläche liegen.
Die mit a-C:H:N-beschichteten Bipolarplatten mit Flowfield wurden in einem laufenden Testbetrieb in einer PEM-Brennstoffzelle untersucht. In Abbildung 4 ist die für den Einbau von metallischen Bipolarplatten modifizierte, Messzelle des Herstellers balticFuelCells (Typ quickConnect) abgebildet. Die a-C:H:N-beschichtete Bipolarplatte lieferte mit einer sehr hohen Stromdichte von über 2 A/cm2 ein hervorragendes Ergebnis und liegt damit sogar oberhalb der Stromdichte der vergoldeten Bipolarplatte. Damit konnten die gesteckten Ziele des HiRaCarbon-Projektes, leitfähige, korrosionsschützende a-C:H:N-Schichten für metallische Bipolarplatten mit deutlicher gesteigerter Abscheiderate bzw. mit deutlich verkürzten Prozesszeiten zu entwickeln, mehr als erfüllt werden.
Acknowledgement
Das IGF-Vorhaben 42 EWN der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
