Plasma- und Lasertechnik für die Wasserstofftechnologie

Für eine erfolgreiche Energiewende wird grüner Wasserstoff eine entscheidende Rolle spielen. Die Entwicklung neuer Wasserstofftechnologien fordert Techniken und Verfahren, die eine sichere Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Verwendung von Wasserstoff ermöglichen. Zentrale materialwissenschaftliche Herausforderungen sind die Diffusion von Wasserstoff und die damit einhergehende Versprödung von eingesetztem Material. Die Abteilung »Plasmatechnik und Oberflächen« am Fraunhofer IFAM erforscht, wie Oberflächen durch eine Behandlung mit Plasmen oder Lasern hiervor geschützt werden können. Im Fokus stehen Innenbeschichtungen von Tanks und Leitungen, aber auch Anwendungsmöglichkeiten für Elektrolyseure, Bipolarplatten und Brennstoffzellen werden untersucht.

 

Diffusion von Wasserstoff und Versprödung von Tanks und Leitungen

Wasserstoff ist das kleinste Molekül und stellt die Technologie von der Erzeugung bis hin zur Verwendung durch den Verbraucher (bspw. in E-Autos) vor die Herausforderung einer sicheren Konservierung. Wände und Nähte von Behältern oder Leitungen müssen so beschaffen sein, dass die Moleküle nicht durchgelassen werden.

Bei unzureichender Materialbeschaffenheit können die Moleküle das Material durchsetzen, was eine Versprödung des Materials zur Folge hat. Dieser Prozess begünstigt dann, dass Wasserstoff in Gasform oder als LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) – wenn zunächst auch nur in geringen Mengen – aus einem Behälter oder einer Leitung austritt. Das bedeutet an erster Stelle ein Sicherheitsrisiko, aber auch einen wirtschaftlichen Verlust.

Die Oberflächentechnik kann mit Plasma- und Laserverfahren Oberflächen so behandeln, dass eine solche Diffusion oder gar ein Austritt von Wasserstoff verhindert wird.

 

Mit Plasmatechnik Wasserstoff-Barrieren für LOHC-Technik, Tanks und Leitungen abscheiden

Eine erste Möglichkeit, die Diffusion und den Austritt von Wasserstoff zu verhindern, ist die Behandlung der Oberflächen von Tanks und Leitungen mittels Plasmatechnik. Durch die Interaktion mit Plasmen entstehen Schichten, die als Barrieren dienen können. Das Fraunhofer IFAM setzt sein umfassendes Know-how rund um Plasmen und Plasmatechnologien ein, um solche Barriereschichten zu entwickeln.

 

Da Plasmaverfahren auf unterschiedliche Materialien wie Kunststoffe, Faserverbundwerkstoffe oder Metalle angewandt werden können, sind Anwendungen in folgenden Bereichen möglich:

• Leichtbautanks in mobilen Anwendungen
• Tanks für die LOHC-Technik
• Leitungssysteme für die Wasserstoff generierende und –verarbeitende Industrie

 

Mit Lasertechnik Oberflächen in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen strukturieren

Während sich mit Plasmatechnik Barriereschichten auf Oberflächen erzeugen lassen, ist es mit Lasertechnik möglich, die Oberfläche mit kleinen Kanälen zu versehen. Dabei ist es das Ziel, Oberflächen mit einer Laserbehandlung so zu strukturieren, dass bspw. Gasmoleküle in eine gewünschte Richtung an der Oberfläche entlang gelenkt werden. Diese Oberflächenbehandlungsmaßnahme kann zusätzlich mit Diffusion verhindernden Plasmabeschichtungen kombiniert werden.

Deshalb erscheinen solche Laserbehandlungen besonders vielversprechend für die Entwicklung von Gastransport- und Gasverteilungssystemen, die für die Förderung von Wasserstoff geeignet sein sollen. Bspw. ist an Elektrolyseure oder Brennstoffzellen zu denken. Laserstrukturierte Oberflächen tragen in solchen Anwendungen dazu bei, dass die Moleküle möglichst effizient durch das System geleitet werden.

 

Plasmabeschichtung und Laserstrukturierung von Bipolarplatten in Brennstoffzellen

Gerade bei der Erstellung von Brennstoffzellen können mit der Plasma- und Lasertechnik unterschiedliche Systemziele erreicht werden. Denn neben Diffusionsverhinderung können durch Plasmabeschichtungen und Laserstrukturierungen Oberflächen mit weiteren Funktionen versehen werden. Um einige Beispiele zu nennen:

• Elektrische Leitfähigkeit
• Korrosionsschutz für Bipolarplatten
• Haftvermittlung bei der Klebung von Bipolarplatten
• Gezielte Benetzungssteuerung für die Drainage von Reaktionswasser

Die Einsatzmöglichkeiten für die Wasserstofftechnologie sind vielfältig und die Forschung beginnt gerade erst damit, diese in vollem Umfang auszuschöpfen.

Dr. Ralph Wilken leitet die Abteilung »Plasmatechnik und Oberflächen« am Fraunhofer IFAM. Mit seinem Team von Forscherinnen und Forschern steht ein umfassendes Wissen rund um den Einsatz von Plasma-, Laser- und VUV-Technologien in der Oberflächentechnik zur Verfügung. Seit einigen Jahren setzen sie ihre Expertise im Bereich Wasserstofftechnologie ein. Mit seinen ausgeprägten Kompetenzen in der Oberflächentechnik, Elektromobilität und Wasserstofftechnologie ist das Fraunhofer IFAM ein starker Partner für die Wasserstoffwirtschaft.