Neben der Speicherung von Wasserstoff und der Infrastruktur sind spezielle Materialeigenschaften von Bedeutung. Ein Beispiel für die Energiegewinnung aus Wasserstoff ist die Brennstoffzelle. Hier sind in der Anwendung teils konträre Anforderungen an die Komponenten erforderlich. Beispielsweise muss eine Bipolarplatte eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Für die qualitative Messung dieser Eigenschaften, hat das Fraunhofer IST in einem Gemeinschaftsprojekt mit dem Institut für Oberflächentechnik (IOT) der TU Braunschweig geeignete Messverfahren entwickelt. Diese Messverfahren können für die Beurteilung von verschiedenen Materialien und Oberflächenbehandlungen eingesetzt werden und die Oberflächenbeschichtungen und -modifikationen unter anderem hinsichtlich der oben genannten Anforderungen verbessern.
Herausforderungen in der Entwicklung von Brennstoffzellen
An die Entwicklung der Brennstoffzelle werden große Erwartungen zur nachhaltigen Energieversorgung gestellt. Eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle besteht aus mehreren Stacks. Innerhalb eines Stacks bildet die Bipolarplatte (BPP) ein Kernelement, die gleichzeitig verschiedene Aufgaben erfüllt.
Die Bipolarplatte ist neben der elektrischen Verbindung der Zellen auch für die Kühlung sowie den Transport der Reaktionsgase beziehungsweise Reaktionsprodukte über Kanäle zuständig. Hinsichtlich der Aufgaben einer Bipolarplatte ergeben sich daraus verschiedene Anforderungen an die Eigenschaften wie eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, eine hohe Gasdichtigkeit sowie niedrige Kosten für das Material und die Produktion.
Aufgrund der geforderten Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit wird der serientaugliche Einsatz von kostengünstigen metallischen Bipolarplatten derzeit begrenzt.
Materialprüfmaschine zur Kontaktwiderstandsmessung
Mit einer speziellen Materialprüfmaschine kann der Kontaktwiderstand, der den elektrischen Widerstand einer Kontaktfläche beschreibt, an Oberflächen analysiert werden. Dadurch erhält man ein Maß für die Leitfähigkeit eine einer Oberfläche. Bei solchen Leitfähigkeitsuntersuchungen kann zudem die Normalkraft innerhalb bestimmter Grenzen variiert werden.
Am Fraunhofer IST wurde eine modifizierte Messmethode entwickelt und validiert, um die Messung gemäß des DOE durchführen zu können.
Linseis Messgeräte werden für die Materialanalyse in Forschung und bei der Qualitätskontrolle eingesetzt. Insbesondere die thermische Analyse, die Prüfung thermoelektrischer Messgrößen sowie die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit gehören zu den Kernkompetenzen der Firma Linseis. Die thermische Analyse ist perfekt dafür geeignet, Sorptions- und Desorptionsprozesse von Wasserstoff zu untersuchen. Die Untersuchung erfolgt mit Thermowaagen sowie volumetrischen und gravimetrischen Sorptionsanalysatoren unter Druck. Mit dem richtigen Aufbau können die Sorptions- und Desorptionswärme bestimmt werden.
Messung der Korrosion
Ein Potentiostat bildet die Grundlage für die elektrochemische Korrosionsmessung von Werkstoffen. Das zu untersuchende Material in der Messzelle wird in Kontakt mit einem Elektrolyten gebracht und als Arbeitselektrode geschaltet. Indem eine Zellspannung angebracht wird, fließt elektrischer Strom zwischen der Gegenelektrode und dem Substrat. Dabei wird das Elektrodenpotenzial zwischen der Referenzelektrode und dem Substrat, zum Beispiel Ag/AgCl, gemessen.
Der Messaufbau sollte wie am Beispiel des Messstands des Fraunhofer IST so modifiziert sein, dass eine Prüfung gemäß der Vorgaben des Department of Energy (DoE) erfolgen kann.
Dadurch sind folgende Prüfungen möglich:
- Messung mit konstanter Spannung (statisch)
- Messung über einen definierten Bereich (dynamisch)
- Variation des Elektrolyten, der Begasung sowie der Referenzelektroden
- Variation der Besohlung und in der Temperierung mit verschiedenen Gasen.?
Vorteile der Messverfahren in der Anwendung
Durch die neuen Messverfahren ergeben sich für die Anwendung in der Wasserstofftechnik folgende Vorteile und Möglichkeiten:
- Materialien und Schichtsysteme in der Wasserstofftechnik können vergleichen und beurteilt werden
- Weitere Anwendungsmöglichkeiten zum Beispiel bei Tanks, Rohren oder Ventilen für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff
- Weiterentwicklung durch ein tiefergehendes Verständnis der Zusammenhänge.