Brennstoffzellen - Materialien und Bipolarplatten

Wasserstoff-Brennstoffzellen gelten als hocheffiziente Stromerzeuger, die über die Umkehrung der Wasserelektrolyse elektrische Energie erzeugen/gewinnen. Auf Grund ihrer Schadstoffarmut und des gleichzeitig guten Wirkungsgrads gibt es international zahlreiche Bestrebungen die Brennstoffzelle technologisch weiterzuentwickeln. Dabei steht häufig die Membran-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) im Fokus. 

Dies liegt daran, dass sie sich durch eine hohe Leistungsdichte in Kombination mit einer hohen Energieumwandlung auszeichnet und gleichzeitig niedrige Betriebstemperaturen von etwa 60 - 80 °C, sowie kurze Anlaufzeiten (schneller Kaltstart) aufweist und auf reinen Wasserstoff sowie normale Umgebungsluft als Oxidationsmittel verwendet. Als Anwendungsbereiche werden insbesondere stationäre Stromerzeugungssysteme und Batterieaustauschgeräte als auch brennstoffzellenbetriebene Transportsysteme gesehen. 

Bei der Weiterentwicklung der Brennstoffzellen geht es hauptsächlich um die Optimierung der Systeme und Komponenten. Diese umfasst maßgeblich Brennstoffzellen Materialien. Wichtige Aspekte der Überlegungen sind Betriebsbedingungen aber auch Kostensenkungspotentiale hinsichtlich Material und Herstellungsverfahren.  Technische Thermoplaste werden als bevorzugte Materialien in Brennstoffzellen verwendet, da sie einfach zu verarbeiten sind und auf Grund ihres geringen Gewichts zu maßgeblichen Einsparungen beitragen. Außerdem zeichnen sie sich durch eine sehr lange Lebensdauer aus. Hinzu kommt, dass die ihnen immanente elektrische Isolierung ideal für Brennstoffzellensysteme ist. 

Als führender Hersteller und Verarbeiter technischer Thermoplaste hat sich Ensinger auf die Materialentwicklung und Verarbeitungsprozesse für PEMFC-Komponenten wie Bipolarplatten und Endplatten spezialisiert. 

Bipolarplatte Brennstoffzelle

Weitere Anforderungen an die Bipolare Platte ergeben sich aus dem Einsatzgebiet. Bei mobilen Anwendungen geht es vorrangig um Volumen und Gewicht - zumal Bipolarplatten etwa 80 % des Gesamtgewichts einer Brennstoffzelle ausmachen können und nahezu das gesamte Volumen einnehmen. 

In der Praxis werden aktuell noch häufig beschichtete, dünne Metallplatten eingesetzt. Jedoch rücken bei der Materialauswahl für Bipolarplatten unter dem Aspekt der Gewichtseinsparung Verbundwerkstoffe aus Kunststoffen immer weiter in den Vordergrund. Für die Kommerzialisierung spielen weiterhin die Skalierbarkeit der Produktion sowie Produktionskosten eine entscheidende Rolle, da sich der Kostenanteil von Bipolarplatten für Brennstoffzellen derzeit auf bis zu 40 % beläuft. Auch diesbezüglich weisen Kunststoffmaterialien große Potenziale auf, die insbesondere in den Fertigungstechniken Skaleneffekte erzielen können. Ein weiterer Vorteil von Bipolarplatten aus thermoplastischen Materialien ist die deutliche Steigerung der Lebensdauer, die mit über 20.000 h mehr als das doppelte gegenüber metallischen Alternativen beträgt.

Weiterhin ergibt sich für Bipolarplatten aus thermoplastischen Kunstsoffen im Vergleich zu Duroplasten der Vorteil der Regranulierbarkeit und Recyclingfähigkeit. Außerdem zeichnen sich Thermoplaste durch eine deutlich längeren Haltbarkeit sowie einfachere Verarbeitung aus - denn Duroplaste erfordern zeitaufwändige Aushärtungsvorgänge bei denen zugleich Gase frei werden, die die Porosität des Materials erhöhen.

Ensinger bietet aus dem Bereich technischer Kunststoffe auf die Einzelanwendung bezogene und in Feldversuchen erprobte Lösungen. Gemeinsam mit dem Partner Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) Duisburg, hat Ensinger hochleitfähige Materialien entwickelt, die insbesondere für Bipolarplatten von Brennstoffzellen geeignet sind. Die speziellen, elektrisch und thermisch optimierten Rezepturen bringen Ihre Vorteile im stationären als auch mobilen Bereich zur Geltung. 

Materialien für Bipolplatten

Die Granulate für Bipolarplatten sind als Compounds auf der thermoplastischen Basis PP (Polypropylen) und PPS (Polyphenylensulfid) verfügbar und werden unter dem Markennamen TECACOMP HTE geführt. Sie wurden speziell für die PEMFC Herstellung im Heißpress- oder Spritzgieß-Verfahren optimiert . Sie eignen sich für Einsatztemperaturen von 60 °C bis zu 200 °C für die Anwendung in der Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC), der LT-PEM-Brennstoffzelle und Alkalische Brennstoffzellen (AFC) als PP Variante und der HT-PEM-Brennstoffzelle sowie Phosphorsäurebrennstoffzellen (PAFC) als PPS Variante.

Die bereits erprobten Compounds aus der Serie TECACOMP HTE beweisen technisch unter anspruchsvollen Bedingungen die sehr gute Eignung für verschiedenste relevante Anwendungsfälle. Durch Skaleneffekte im Spritzguss und Heißpressverfahren können Produktionskosten der Komponenten deutlich gesenkt werden.

Mit den Granulaten der Reihe TECACOMP HTE lassen sich Bipolarplatten mit Größen von ca. 350 - 500 mm Länge, einer Breite von bis zu 160 mm und einer Dicke ≥0,4 mm realisieren. Da Ensinger mehrere Kunststoffverarbeitungsverfahren anbietet, kann auch eine Herstellung der Bipolarplatten durch uns erfolgen. Nehmen Sie dazu gerne Kontakt mit uns auf. 

Brand Name
Additiv
Verfahren       
Elektrische Leitfähigkeit [S/m]
Thermische Leitfähigkeit
Dichte [g/cm3]
Service Temp. 
Max. in [C°] 
in Fließrichtung [W/mK]
quer zur Fließrichtung  [W/mK] 
 TECACOMP PP HTE black Graphit Injection Moulding 2,5 x 103 45,00 24,00 1,87 90
 TECACOMP PP HTE PW black Graphit Hot Compression 1,7 x 104 66,00 20,00 1,94 90
 TECACOMP PPS HTE black Graphit Hot Compression 1,4 x 104 85,80 25,80 2,00 240
 TECACOMP PPS HTE PW black Graphit + Carbon Black Hot Compression
4,25 x 104 84,90 24,70 2,00 240

Brennstoffzellen endplatte

Die Endplatten in der Brennstoffzelle haben die Aufgabe, den Bennstoffzellenstack einzuspannen und zu fixieren sowie die Membran-Elektroden-Einheiten abzudichten und vor chemischen Reaktionen zu schützen. 
Dabei ist der Stapelklemmdruck von zentraler Bedeutung, der zum einen für den Zusammenhalt aber auch den auslaufsicheren Betrieb des Stacks sorgt. Ist der Kontaktdruck zwischen Elektrode und Bipolarplatte nur unzureichend, ist die Leistung auf Grund zu hoher Übergangswiederstände und Verluste stark beeinträchtigt, sogar ein Ausfall der Komponenten ist möglich. Mit steigender Stapelabmessung steigt auch die entsprechende Anforderung an den Kontaktdruck. Außerdem bilden die beiden druckfesten Endplatten den anoden- und kathodenseitigen Abschluss des Stapels oder Elektrolyseblocks. Daran können Leitungskabel angeschlossen werden aber auch Verbindungen (meist Rohre) zum Beispiel für die zu- und abgeführten Gas-, Elektrolyt- oder Kühlleitungen. Die mechanische Verspannung des Stapels erfolgt meist über Zuganker- oder Federbauteile, um mechanische Sicherheit und Dichtheit zu garantieren.

Da die Endplatte einer Vielzahl von Belastungen ausgesetzt ist, wird die Performance des Brennstoffzellenstacks maßgeblich durch ihre Geometrie, die Verbindungsmethode aber auch die in der Endplatte eingesetzten Materialien beeinflusst.

In der Vergangenheit wurden auf Grund ihrer hohen mechanischen Festigkeit und Steifigkeit sowie Hitzebeständigkeit vorrangig Metalle für Endplatten verwendet - obgleich diese mit komplexen Herstellungs- und Beschichtungsprozessen sowie hohen Kosten einhergehen. Jedoch ergaben sich maßgebliche Nachteile durch Wärmeverlust und Korrosion des Materials. Letzterer Aspekt hat zur Folge, dass Metallionen in den Elektrolyt diffundieren können, was wiederum Auswirkungen auf die Leitfähigkeit und die Ausgangsspannung hat. Die hohe Wärmeleitfähigkeit metallischer Materialien führt zu einem Verlust der Wärmekapazität, was mehr Zeit zur Erreichung der Betriebstemperatur und den Einsatz zusätzlicher Wärmeisolatoren erfordert. 

In Zusammenarbeit mit unseren Kunden konnten wir metallische Materialien und duroplastische Verbundwerkstoffe erfolgreich durch thermoplastische Materialien in Endplatten ersetzen. Insbesondere unser glasfaserverstärktes PPS TECATRON GF40 black bietet ideale Eigenschaften für den Einsatz in Endplatten. PPS Material zeichnet sich grundsätzlich durch eine hervorragende chemische Beständigkeit, eine sehr geringe Wasseraufnahme sowie ein geringes Risiko für Ionenauswaschungen (bedingt durch den geringen Fremdionenanteil) aus. 
Dank der hohen mechanischen Festigkeit und Steifigkeit des PPS GF40 kann der geforderte Kontaktdruck im Brennstoffzellenstack aufgebaut werden. Die hohe Dimensionsstabilität und Kriechfestigkeit von TECATRON GF40 black resultiert in einer sehr geringen Verformung - selbst über längere Zeiträume unter Last und unter höheren Temperaturen. Weiterhin erfüllt TECATRON GF40 black mit der UL94 V-0 weitere bauspezifische Anforderungen der Flammbeständigkeit.

Die Verarbeitung und präzise Zerspanung von PPS GF40 ist besonders anspruchsvoll, da das Material zu starkem Verzug neigt sowie zu Ausbrüchen beim Fräsen führen kann. 
Erschwerend kommen die für Endplatten typischen komplexen Geometrie-Merkmale im 5-Achs-Bereich hinzu. Diese zeichnen sich durch viele Durchbrüche und Taschen sowie Bohrungen in Randnähe aus. Nicht unüblich sind auch größere Bauteile von über einem halben Meter Länge sowie größere Diskrepanzen im Verhältnis von Breite/Länge zur Dicke.  

Unserer langjährige Expertise in der Verarbeitung von verstärkten Kunststoffen wie dem TECATRON GF40 black ermöglicht es uns hochpräzise Endplatten für unsere Partner und Kunden verzugsarm zu fertigen. Besonders in der Phase der Prototypen Herstellung, mit Ausblick auf eine Skalierung der Produktion Richtung Spritzguss, ist die Präzision in der Fertigung unerlässlich. 
Die von uns zerspanten Prototypen aus TECATRON GF40 black haben sich in verschiedenen externen Testläufen selbst bei einer Betriebsdauer von über 10.000 Stunden als äußerst geeignet erwiesen.