Trend-Workshop Hydrogen Technologies

Im Rahmen der PSE 2024 in Erfurt im vergangenen September fand auch der Trend-Workshop „Hydrogen Technologies“ statt und informierte darüber, was Schichten und Oberflächentechnologien zur Fertigung und Optimierung von Komponenten der Wasserstofftechnologie beitragen können.

Behandelt wurden u. a. die Schwerpunkte

• Influence of economic and environmental aspects,
• Impact of different coating technologies,
• Regulations in the field of hydrogen applications,
• Classification in different application areas

Für den Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur sind langlebige Komponenten erforderlich, zudem muss das klimaneutrale Element effizient gewonnen werden. Was (Foto: stock.adobe.com/Planetz) die Dünnschicht- und Plasmatechnik leisten kann, wurde in Erfurt diskutiertLukas Gröner, Fraunhofer IWM, stellte in seinem Beitrag “Development of hydrogen barrier coatings and characterization methods thereof” Barriereschichten vor, mit denen das Eindiffundieren von Wasserstoff in Werkstoffe der Wasserstofftechnologie verhindert werden kann, denn das kann mechanische (Versprödung), elektrische oder chemische Auswirkungen haben. In einigen Fällen werden zum Schutz Goldschichten aufgetragen, was aber teuer ist. Als günstigere Alternative stellte der Vortragende nitridische oder oxidische Schichten vor, die durch reaktives RF-Sputtern und Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS) auf ferritischen Stahlmembranen aufgebracht wurden. Am Beispiel von Aluminiumoxidschichten AlO_x konnte er zeigen, dass durch Kontrolle der Pulslänge und des Pulsstroms durch Arc-Vorgänge entstehende Droplets weitgehend vermieden werden können. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde die Art der Defekte und deren Häufigkeit sowie der temperaturabhängige Einfluss auf die Barrierewirkung bestimmt. Die Wirksamkeit der Schichten wurde durch Vergleich mit einer unbeschichteten Membran ermittelt. Die Arbeiten konnten zeigen, dass die Barrierewirkung nur in geringem Maße durch Droplets verschlechtert wird. Weiterführende Arbeiten sollen den Einfluss von Defekten auf die Barrierewirkung exakter vorhersagen.

“Enhancing hydrogen permeating barriers on low alloy C-steel through optimised DLC coatings by PECVD” war Thema des Vortrags von Oihane Hernández-Rodríguez, Tek­niker, Eibar, Spanien. Bei der Lagerung und dem Transport von Wasserstoff treten Probleme auf, so kann z. B. in Stahlwerkstoffe eindiffundierender Wasserstoff zu Versprödung führen. Barriereschichten (z. B. Diamond-like Carbon; DLC) können das verhindern. Der Vortragende informierte über die Abscheidung und Charakterisierung dieser Überzüge sowie elektrochemische Permeationstests zum Nachweis der Barrierewirkung. Zur Abscheidung von a-C:H-Schichten mit einem Wasserstoffgehalt von 30 bis 40 Prozent wurde ein PECVD-Prozess eingesetzt. Bei Schichtdicken von 1 bis 2 µm konnten dichte Schichten erzielt werden, auch im Inneren von wasserstoffgasleitenden Rohren. Zur Bestimmung der Permeationsrate der verschiedenen DLC-Schichten wurden Messungen in einer Devanathan­-Stachurski Zelle vorgenommen. Mit dieser kann die Permeation von Wasserstoff durch Bleche oder Membranen untersucht werden. Der Vortragende konnte zeigen, dass die Barrierewirkung mit der Schichtdicke zunimmt, mit steigendem Wasserstoffgehalt der Schichten aber niedriger wird. In weiteren Arbeiten soll das Optimum ermittelt werden.

„Plasma-based industrial processes for production of green hydrogen” – Adam Obrusník, PlasmaSolve s.r.o., Brno, Tschechische Republik, gab einen Überblick über die plasmaunterstützte Gaskonversion, mittels der Methan, das noch klimaschädlicher als CO₂ ist, in „grünen“ Wasserstoff, der vielfältige Anwendungen hat, umgewandelt werden kann. Plasma bietet Vorteile im Vergleich zur konventionellen thermischen Chemie, Energiekosten könnten gesenkt und der Umwandlungswirkungsgrad erhöht werden. Auch das Upscaling in den Industriemaßstab würde einfacher sein. Unterstützt durch Simulation können CVD, PVD aber auch Atmosphärendruckprozesse optimiert werden. Ob die mit den Verfahren von der Thermodynamik vorgegebene Prozessausbeute durch Katalysatorwirkung erreicht oder überschritten werden kann, lässt sich noch nicht sagen.

Der Wasserstoff-Workshop war gut besucht (Foto: EFDS)

„Cu₂O/MoS₂ electrodes produced by magnetron sputtering for water electrolysis” war Thema von Diogo Cavaleiro, University of Coimbra, Portugal. Durch Sputtern hergestellte Elektroden für die Wasserelektrolyse benötigen keine Lösungsmittel, können schnell gefertigt und praktisch auf jedem Substrat abgeschieden werden. MoS2 liefert in sauren Lösungen eine hohe Wasserstoffausbeute, was in alkalischen Lösungen nicht der Fall ist. Im Unterschied dazu ist Cu₂O in alkalischen Lösungen gut geeignet. Zweiphasige Elektroden als dünne Cu₂O/MoS_2-Schichten können daher die elektrokatalytische Leistung extrem verbessern. Sie wurden durch Magnetronsputtern in Sauerstoff/Argonatmosphäre mit einem MoS₂- und einem Kupfertarget auf verschiedenen Substraten (Kupfer, Silikon oder Gasdiffusionselektroden) abgeschieden. Zur Optimierung der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen und Erhöhung der Wasserstoffausbeute wurden unter anderem Zigzag-Morphologien durch Variation des Einfallswinkels erzeugt. Die Elektroden wiesen hohe elektrochemische Aktivität auf, die durch den Einsatz neuer Nano-Fertigungsverfahren noch weiter erhöht werden soll.

„Challenge accepted – High volume coating of metallic plates for hydrogen applications by PVD technology“ – Philipp Immich, IHI Hauzer Techno Coating B.V., Venlo, Niederlande, stellte die Aktivitäten seines Unternehmens vor. IHI Hauzer entwickelt seit vielen Jahren PVD-Schichten und bietet sowohl die Anlagentechnik als auch in Kooperation mit Ionbond Beschichtungsdienstleistungen an. Schlüsselkomponenten von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen wie Bipolarplatten, poröse Transportschichten (PTL sheets) oder katalysatorbeschichtete Membranen (Catalyst Coated Membranes, CCMs) benötigen hochwertige Beschichtungen mit guter katalytischer Wirkung, hoher elektrischer Leitfähigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit. Für Bipolarplatten und PTL sheets hat Hauzer Schichten auf PVD-Basis entwickelt und stellt auch die zu ihrer Abscheidung erforderliche Anlagentechnik bereit. Diese soll Taktzeiten von einer Minute und Jahresdurchsätze von acht bis zehn Millionen Stück ermöglichen. Für Brennstoffzellen sind entsprechende edelmetallfreie Schichtsysteme bereits entwickelt und verfügbar. Dabei stehen Korrosionsbeständigkeit und niedriger elektrischer Widerstand bei geringerer Gesamtschichtdicke im Vordergrund. Auch Bipolarplatten aus rostfreiem Stahl können mit Titan und anschließend einer kohlenstoffbasierten (DLC) Schicht versehen werden. Aktueller Entwicklungsschwerpunkt im Bereich der Elektrolyseanwendung sind edelmetallreduzierte oder sogar edelmetallfreie Schichten (Ersatz von Gold/Platin).

“In-situ testing of hollow spezimen under H₂ atmosphere” – Dr. Bernd Schrittesser, SCIOFLEX Hydrogen GmbH, 7210 Mattersburg, Österreich, informierte zu diesem Thema. Wasserstoff kann zur Erreichung der von der EU vorgegebenen Klimaziele beitragen. Dies macht es notwendig, auch die dafür benötigten Verfahren und Werkstoffe bereitzustellen und zu verbessern. Unter den Temperatur- und Druckbedingungen beim Transport von Wasserstoff kann z. B. Wasserstoffversprödung von Stählen auftreten. Um mit Wasserstoff kompatible Materialien auszuwählen, sind Tests erforderlich. Der SSRT (slow strain rate tensile test) wird bisher verwendet, um den Einfluss von Wasserstoff auf die Zugfestigkeit zu bestimmen. Er ist jedoch aufwendig und nicht immer einsetzbar. Der Vortragende stellte eine neue Prüfmethode vor, die mit einem speziellen metallischen Hohlprüfkörper arbeitet, der im Autoklaven geprüft wird. Dadurch können konventionelle Testmethoden entfallen. Vorteile sind schnellere und reproduzierbare Ergebnisse, niedriger Wasserstoffverbrauch sowie sichere und kostengünstige Messungen.

Philippe Roquiny, AGC Plasma Technology Solutions – Gosselies, Belgien & Lauenförde, Deutschland –, stellte in seinem Vortrag „CH₄ direct conversion in double vortex gliding arc reactor evaluation for green chemistry upscaling” eine bei AGC entwickelte Versuchsanlage für die Konversion von CO₂ oder CH₄ mittels Plasmalyse vor. Pro Minute können in der Versuchsanlage 50 Liter Gas bearbeitet werden, die entstehenden Endprodukte werden mit Sensoren oder Gaschromatographie analysiert. Im Unterschied zur CO₂- Konversion ist der Prozess der Umwandlung von CH4 noch instabil. Der Grund dafür liegt in der unterschiedlichen Wärmekapazität von CO₂ und CH₄, was mit einem digitalen Zwilling erklärt werden konnte. Weiterführende Untersuchungen sind geplant.