Sowohl in PEMEC (Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren) als auch in PEMFC (-Brennstoffzellen) laufen im Betrieb chemische Prozesse ab, die mittel- und langfristig die Oberfläche der verwendeten Materialien angreifen und zu Korrosion führen. Verschiedene Studien zeigen, dass sich bei BPP aus reinem Edelstahl aufgrund der inneren Korrosionsprozesse die etwa für Pkw-Brennstoffzellen angestrebten Lebensdauern von mindestens 10.000 Betriebsstunden nur schwerlich erreichen lassen. Für Brennstoffzellen für den Schwerlastbereich oder aber für Elektrolyseure im Dauerbetrieb sind noch weitaus längere Lebensdauern gefordert.
Die seit Jahrzehnten für eine Vielzahl von Anwendungen genutzte Technik der PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) stellt eine Lösung für diese Problematik dar. „Durch geeignete Beschichtungen der beiden Außenseiten der BPP kann deren Korrosionsverhalten unter Langzeitbetrieb und damit deren Lebensdauer signifikant optimiert werden“, sagt Dr. Andreas Kraft. Laut dem Director of Operations bei PVT Plasma und Vakuum Technik ergeben sich dadurch keine Einbußen in der Leitfähigkeit, sondern sogar Verbesserung hin zu einem angestrebt hohen Leitwert. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Bensheim bei Frankfurt a. M. operiert seit mehr als 35 Jahren im Bereich der ionen- und plasmagestützten PVD-Beschichtung von Werkzeugen und Bauteilen.
Die Beschichtungen, die auf den BPP aufgebracht werden, sind zwar sehr dünn, stellen aber einen entscheidenden Kostenfaktor bei der Herstellung der Platten dar. „Bei einer Platte mit einer Größe von rund 750 cm2 sollten die Kosten für die Beschichtung deutlich unterhalb von 1 Euro pro Platte liegen“, betont Kraft. Eine gleichzeitige Beschichtung beider Seiten einer BPP erfordere deshalb einen hochproduktiven Beschichtungsprozess sowie zuverlässige Beschichtungstechnik. Deshalb sind auch laut dem Werkstoffexperten die in der Werkzeug- und Bauteilbeschichtung meist üblichen Batch-Beschichtungssysteme hinsichtlich ihrer Produktivität unwirtschaftlich und nicht zielführend.
„Für eine derartige Massenproduktion kommen nur sogenannte In-Line-Systeme in Frage, bei denen Substrate mit hohem Durchsatz beidseitig und ohne Rotation beschichtet werden“, betont Kraft. Im Unterschied zu Batch-Systemen handelt es sich hierbei um Mehrkammeranlagen, bei denen die Substrate von Kammer zu Kammer transportiert werden. Die Kammern werden dabei von großen Transferventilen separiert, wodurch räumlich und zeitlich getrennt verschiedene definierte Prozessschritte ablaufen können. Dieser Aufbau ermögliche eine saubere Umgebung mit gleichbleibenden Vakuum- und Prozessbedingungen.
Mit der von PVT entwickelten In-Line-Anlage i-L 4.3500 lassen sich laut Kraft pro Jahr etwa 5 Mio. BPP für Brennstoffzellen mit den Dimensionen von 500 mm x 150 mm beidseitig in gleichbleibender Qualität beschichten. Der Aufbau der Anlage ist als Kombination aus vier kammerförmigen Einzelmodulen realisiert, wodurch gleichzeitig mehrere Positionen an BPP eingeschleust (Atmosphäre à Vakuum), unter gleichbleibenden Vakuumbedingungen beschichtet und schließlich wieder ausgeschleust (Vakuum à Atmosphäre) werden können.
Der PVT-Manager betont, dass die Beschichtungskosten pro Platte (bezogen auf die Brennstoffzellen-BPP) typischerweise deutlich unterhalb von 1 Euro liegen. Abhängig vom verwendeten Prozess und den eingesetzten Beschichtungsmaterialien können die Kosten sogar signifikant geringer ausfallen, so Kraft.
Autor: Michael Nallinger
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