Der Bedarf an Bipolarplatten für H2-Brennstoffzellen wird bereits kurzfristig rasant ansteigen. Die KCS Europe GmbH baut Anlagen für die Beschichtung metallischer Bipolarplatten für die Serienproduktion.

Vor dem Hintergrund der Einhaltung der Klimaziele wird Wasserstoff (H2) als Energieträger eine zentrale Rolle in der internationalen Energiewirtschaft der Zukunft spielen. Hierbei kann gasförmiger H2 beispielsweise zusammen mit Sauerstoff H2-Brennstoffzellen zugeführt werden und in der sogenannten „kalten Verbrennung“ in Strom, Wasser(-dampf) und Wärme umgewandelt werden. Mit dem entstehenden Strom wiederum kann ein Elektromotor betrieben werden, der beispielsweise in einem PKW verbaut ist. Heutzutage sind bereits einige PKW-Modelle auf dem Markt erhältlich, die mit H2-Brennstoffzellen betrieben werden, wobei sich das Angebot schon in naher Zukunft deutlich vergrößern wird. Eine Schlüsselkomponente der H2-Brennstoffzellen – wie auch von H2-Elektrolyseuren – bilden die Bipolarplatten, die perspektivisch aus Kosten- und Designgründen vornehmlich aus Metallen, wie z. B. Stahl, hergestellt werden. Die Bipolarplatten haben einige ganz wesentliche technische Funktionen in den Brennstoffzellen. So sorgen sie bspw. für eine homogene Zufuhr der Reaktionsgase, räumliche Trennung der Halbzellen sowie auch die Abfuhr der entstehenden Reaktionswärme. Zudem stellen sie eine gewisse mechanische Stabilität sicher. Pro PKW werden hierbei mehrere Hundert Bipolarplatten benötigt, die in sogenannte Stacks verbaut werden.

Einer der zentralen Herstellungsschritte bei der mehrstufigen Herstellung von Bipolarplatten ist die Beschichtung, da die Bipolarplatten in der H2-Brennstoffzelle unter anderem einer korrosiven Umgebung ausgesetzt sind. Die Korrosion führt zu der Bildung von elektrisch isolierenden Deckschichten auf der Oberfläche der Bipolarplatten, die in einer vermeidbaren Verringerung des Wirkungsgrades der H2-Brennstoffzellen resultiert. 

Abhilfe können hier nur geeignete Beschichtungen leisten, die in der Regel über PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) auf der Bauteiloberfläche abgeschieden werden. Bei dieser physikalischen Gasphasenabscheidung handelt es sich um einen technisch anspruchsvollen Beschichtungsprozess, bei dem unter Vakuum zunächst Material aus sogenannten Targets in die Gasphase überführt wird. Anschließend wird das Target-Material auf das zu beschichtende Bauteil hin beschleunigt und dort abgeschieden. Durch diesen sich wiederholenden Vorgang wird eine dünne Beschichtung mit vordefinierter chemischer Zusammensetzung und einstellbarer Schichtdicke auf der Bauteiloberfläche aufgebaut. Die zwei bekanntesten Vertreter der PVD-Verfahren sind das Arc-PVD-Verfahren (Lichtbogenverdampfen) sowie das Sputtering. Ein klarer Vorteil von PVD-Verfahren im Vergleich zu den ebenfalls am Markt etablierten CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) liegt insbesondere in der Möglichkeit, den Beschichtungsprozess bei geringeren Temperaturen oder sogar bei Raumtemperatur ablaufen zu lassen. Denn unter hohen Temperaturen wird die Mikrostruktur des zu beschichtenden Bauteils unnötig beansprucht oder sogar deutlich nachteilig verändert.

Das 2009 gegründete Unternehmen KCS Europe GmbH mit Sitz in Monschau ist Spezialist in der Entwicklung und dem Bau von konventionellen und kundenspezifischen PVD-Beschichtungsanlagen für verschiedenste Bauteile mit komplexen Geometrien, wie z.B. Werkzeugkomponenten oder Spezialbauteile für PKWs. Hierbei vertreibt das Unternehmen neben Arc-PVD-Anlagen auch Anlagen zum Sputtering. Der einzigartige modulare Aufbau der Anlagen der KCS Europe ermöglicht es, mehrere Beschichtungsmodule hintereinander zu schalten (In-Line-Variante), um in einem automatisierten Prozess größere Mengen an Bauteilen gleichzeitig in möglichst kurzer Zeit zu beschichten (s. Abbildung 1).

Neben dem Know-how im Anlagenbau verfügt das Unternehmen zudem über das nötige Spezialwissen hinsichtlich der konkreten Schichtzusammensetzung und -optimierung je nach Kundenanforderung. 

Die KCS Europe treibt aktiv verschiedene F&E-Vorhaben im Kontext von PVD-Beschichtungsanlagen und den entsprechenden Beschichtungen für die H2-Wirtschaft voran. So ist das Unternehmen durch das Mitwirken an dem H2-Leitprojekt der Bundesrepublik „H2Giga“ sowie an dem durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderten Vorhaben „FlyGO“ bestens vernetzt und fester Bestandteil der H2-Community. Im Rahmen des Vorhabens „BiPolarPilot“ (ebenfalls EFRE) hat die KCS Europe erst kürzlich erfolgreich eine Pilotanlage zur Beschichtung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen entwickelt. Die erheblich verbesserte Korrosionsresistenz der beschichteten Bipolarplatten aus Edelstahl konnte bereits vom Kooperationspartner, dem Zentrum Für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT) aus Duisburg, nachgewiesen werden (s. Abbildung 2). So liegt der Kontaktwiderstand der beschichteten Bipolarplatten auch nach dem Korrosionstest mit < 0,6 mΩcm2 noch deutlich unter dem von der DoE definierten Richtwert von 10 mΩcm2.

Aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem Vorhaben „BiPolarPilot“ entwickelt die KCS Europe GmbH aktuell bereits Beschichtungsanlagen für die Serienfertigung und liefert diese an internationale Kunden. Der modulare Aufbau ermöglicht je nach Kundenanforderung grundsätzlich auch eine weitere Skalierung der Anlagentechnik. Hierbei sind verschiedenste Anwendungsfelder denkbar.  

KCS Europe GmbH

Technologische Basis

• PVD-Beschichtungsanlagen
• PVD-Beschichtungen
• Kundenspezifische Konfigurationen

Innovation

• Modularer Aufbau von PVD-Beschichtungsanlagen
• In-Line- und Batch-Konfigurationen zur Serienfertigung

Anwendungsfeld im Automobil

• PVD-Beschichtungen für Bipolarplatten 
• PVD-Beschichtungen für mechanisch/chemisch hoch beanspruchte Spezialbauteile
• PVD-Beschichtungen zur Einstellung u.a. mechanischer, elektrischer und adhäsiver Eigenschaften

Impact

• Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten
• Verschleiß-, Oxidations- und Korrosionsschutz
• Ressourcen- und Materialeffizienz
• Kosteneffiziente Herstellung von Bipolarplatten in industriellem Maßstab für verschiedenste Anwendungen, von stationären Lösungen hin bis zum Automobil