Die Herausforderungen des Klimawandels beschleunigen die Entwicklung von Zukunftstechnologien. Die Elektromobilität ist heute einer der größten weltweiten Wachstumsmärkte. Eine großflächige Verbreitung dieser Technologie ermöglicht den Übergang zu einer nachhaltigeren Energieversorgung und einer Verringerung der Kohlenstoffdioxidemissionen. E-Mobilitätslösungen für PKWs basieren aktuell weitgehend auf Batterien. Aufgrund ihrer begrenzten Reichweite und zeitintensiven Ladezeiten sind diese Konzepte vor allem im Güter- und Warenverkehr mit LKWs nur die zweite Wahl. Eine der zukunftsfähigen Schlüsseltechnologien für die E-Mobilität in diesen Bereichen ist die Brennstoffzelle. Lange Ladezeiten entfallen, der Energieträger Wasserstoff kann schnell „nachgetankt“ werden und die Reichweite hängt nur noch vom Tankstellennetz ab.
» Gastbeitrag der Helmut Fischer GmbH
In Deutschland spielt die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie eine wichtige Rolle im Wandel zur nachhaltigen Mobilität. Während politische Strategien und umfangreiche Förderprogramme den Rahmen für einen klimaneutralen Energie- und Industriesektor setzen, gewinnt besonders der Mittelstand zunehmend an Bedeutung. Kleine und mittlere Unternehmen entwickeln spezialisierte Komponenten, skalierbare Elektrolyselösungen und innovative Speichertechnologien, die für den breiten Einsatz von grünem Wasserstoff unerlässlich sind. Gleichzeitig treiben Großkonzerne den Übergang zur Serienfertigung voran und schaffen damit die Grundlage für sinkende Kosten und wachsende Marktakzeptanz. Dennoch bleibt der Weg zum industriellen Hochlauf anspruchsvoll: Infrastruktur, Wirtschaftlichkeit und klare Standards sind entscheidende Faktoren, die über den Erfolg der Wasserstoffwirtschaft in Deutschland entscheiden werden.
PEM-Brennstoffzelle in E-Mobilität am häufigsten eingesetzt
Es gibt verschiedenste Arten von Brennstoffzellen am Markt. Grundsätzlich reagieren in einer Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft zu Wasser, wobei elektrische Energie und Wärme freigesetzt werden. Im Bereich der E-Mobilität wird die PEM-Brennstoffzelle am häufigsten eingesetzt. Ein zentraler Bestandteil dieser modernen Brennstoffzellen ist die Polymerelektrolytmembran (PEM). Sie separiert die beiden Teilreaktionen Oxidation von Wasserstoff sowie Reduktion von Sauerstoff und ermöglicht die Migration von Protonen der Anodenseiten zur Kathodenseite. Die dabei entstehenden elektrischen Ladungen werden über leitfähige Schichten in den Elektroden abgeleitet und bilden so den Stromkreis.
Die Polymerelektrolytmembran (PEM) besteht aus mehreren Schichten, von denen eine Schicht Platin oder andere Metalle als Katalysator enthält. Der Metallgehalt dieser Schicht kann im Rahmen einer Neuentwicklung oder auch bei der Produktion mit der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) offline, atline oder auch inline gemessen und kontrolliert werden.
Präzise Messung
Die RFA ermöglicht eine präzise und zerstörungsfreie Messung der katalytischen Elemente und ist leicht automatisierbar. Bei dieser Messmethode wird eine Probe mit Röntgenstrahlen bestrahlt. Diese „antwortet“ mit sogenannter Röntgenfluoreszenz, deren Spektrallinien zum einen elementspezifisch und zum anderen proportional zur vorhandenen Elementkonzentration sind.
Das Resultat gibt somit Aufschluss über die vorhandenen Elemente in der Membran und deren Konzentrationen bzw. Flächenmassen (mg/cm2). Insbesondere für Metalle, die typischerweise in der Katalysatorschicht zum Einsatz kommen, erreicht man eine exzellente Messperformance. Die Inline RFA erfasst Elemente im Bereich der Ordnungszahlen 14 bis 92. Im Gegensatz zu alternativen indirekt bestimmenden Methoden, die häufig auf Ultraschall oder optischen Verfahren basieren, misst die RFA direkt die Flächenmasse aller katalytischen Metalle auf der Membran.
Breites Anwendungsspektrum
Die Röntgenfluoreszenzanalyse eignet sich nicht nur zur Messung von katalytischen Metallen auf Brennstoffzellenmembranen, sondern bietet ein breites Anwendungsspektrum. Dazu gehört beispielsweise auch die Messung von Schichtdicken bzw. Flächenmassen sowie der Zusammensetzung der Beschichtungen von Elektrodenmaterialien von Batterien, wie z.B. Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt -Oxide (NMC), Lithium-Eisenphosphat (LFP) oder anderen katalytisch aktiven Materialien.
Bei der Produktion von PEM-Brennstoffzellen werden typischerweise die katalytisch aktiven Schichten in einem Reel-to-Reel Prozess aufgebracht. FISCHERSCOPE® XRF-Geräte ermöglichen die präzise Messung bei kurzen Messzeiten im Labor, atline oder im Falle des FISCHERSCOPE® XRAY 4000 direkt in der Produktionslinie und sichern damit die kontinuierliche Qualitäts- und Prozesskontrolle der Schichten im laufenden Produktionsprozess.
Optimierung der Produktionskosten
Das FISCHERSCOPE® X-RAY 5100 bietet eine weitere Möglichkeit, um den Platingehalt inline zu kontrollieren. Im Vergleich zum X-RAY 4000 kann das X-RAY 5100 noch besser an individuelle Kundenanforderungen angepasst und in Produktionsanlagen integriert werden. Tabelle 1 zeigt die Bestimmungsgrenzen und typische Wiederholpräzisionen für eine Pt Beladung von 100 bzw. 300 µg/cm2.
Dank des äußerst präzisen und zerstörungsfreien Röntgenfluoreszenzverfahren lassen sich sowohl Schichtdicke bzw. Flächenmasse als auch die Zusammensetzungen von katalytisch aktiven Beschichtungen in engen Toleranzgrenzen kontrollieren. Die Produktionskosten können somit optimiert werden und die Qualität sowie Zuverlässigkeit des Produktes werden sichergestellt.
