Alternative Werkstoffe für alternative Energieerzeugung

IKV und Partner erforschen maßgeschneiderte Compounds für Brennstoffzellen und Wärmetauscher.

Gespritzte Bauteile (Bipolarplatte, Wärmetauscher-Ring und Batteriegehäuse) aus einem hochgefüllten Graphitcompound | Bild: Eisenhuth GmbH

Gewicht- und Kostenreduktion sind in vielen Anwendungen Argumente für einen Metallersatz. So auch bei Bipolarplatten für Brennstoffzellen und Redox-Flow-Batterien. Deshalb beschäftigt sich das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen gemeinsam mit den Projektpartnern ALLOD Werkstoff GmbH & Co. KG, Calorplast Wärmetechnik GmbH, Eisenhuth GmbH & Co. KG, Kessen Maschinenbau GmbH, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. und PROTECH GmbH mit der Entwicklung maßgeschneiderter Compounds für Bipolarplatten, die in der Lage sind, elektrischen Strom und Wärme zu leiten. Derzeit werden im zweiten Projektschritt Demonstratoren hergestellt und auf ihre Eignung in dieser Anwendung hin getestet.

Brennstoffzellen und Redox-Flow-Batterien stellen eine Alternative zur konventionellen Energieerzeugung bzw. Energiewandlung aus fossilen Ressourcen dar. Sie erzeugen durch eine elektrochemische Reaktion saubere Energie ohne umweltschädigende Abgase. Neben ihrem Einsatz zur effizienten Energieumwandlung ergibt die Anwendung dieser Energiespeichersysteme überall Sinn, wo dem thermischen Management von Prozessen eine hohe Bedeutung zukommt.

Zentrales Element von Brennstoffzellen und Redox-Flow-Batterien ist die Bipolarplatte, welche die Reaktionsmedien in beiden Systemen voneinander trennt, gleichzeitig aber elektrischen Strom und Wärme leitet. Für die Herstellung von Brennstoffzellsystemen und Redox-Flow-Batterien sind Stacks aus Bipolarplatten nötig. Diese müssen gasdicht miteinander verbunden sein, um eine hohe Effizienz und Prozesssicherheit bei der Stromerzeugung zu garantieren. Bipolarplatten bestehen bisher meist aus metallischen Werkstoffen. Nachteilig sind jedoch ihr hohes Gewicht, hohe Material- und Herstellkosten sowie eine geringe chemische Beständigkeit.

Das Ziel des IKV und seiner Forschungspartner ist es daher, metallische Systeme durch neu entwickelte elektrisch und thermisch leitfähige kunststoffbasierte Materialien mit integrierten Hochleistungsfunktionseinheiten zu substituieren. Diese zeichnen sich durch eine optimale Verarbeitbarkeit bei guten mechanischen Eigenschaften aus. Neben Bipolarplatten werden die Composites außerdem genutzt, um druckfeste und fluiddichte Wärmetauschergeometrien durch ein hierfür konfiguriertes Fügeverfahren für die Anwendung in einem Blockheizkraftwerk und in Plattenwärmetauschern herzustellen. Im Rahmen des Projektes führen die Forscher systematische Untersuchungen zur Rezepturentwicklung der leitfähigen Composites sowie der Fügetechnologie der einzelnen Platten durch – immer vor dem Hintergrund der mechanischen Herausforderungen des neuartigen Bauteilverbunds. Mithilfe eigens hergestellter Demonstratoren lässt sich die Eignung des Composites gebrauchsnah testen.

Die innovativen Verbundstrukturen können in Technologien zur Steigerung der Energieverwertung, zur Verringerung klimaschädlicher CO2-Emissionen und zur Schonung von Ressourcen in ökonomisch und ökologisch relevanten Anwendungen wie Wärmetauschern, Brennstoffzellen und Redox-Flow-Batterien Einsatz finden. Hier verringern sie die Investitions- und Betriebskosten und sind in der Lage, die Sicherheit, Lebensdauer und Performance zu erhöhen.