KONTIFLEX: Massenfertigung von Graphit-Bipolarplatten

Kontinuierliche Herstellung von flexiblen Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen mittels Rolle-zu-Rolle-Verfahren

© Fraunhofer UMSICHT

Weltweit größte Bipolarplatte

V.l.n.re.: Jens Burfeind, Gruppenleiter Elektrochemische Speicher, Lukas Kopietz, Peter Schwerdt, beide Entwickler Abteilung Chemische Energiespeicher, Christian Doetsch, Bereichsleiter Energie, Eckhard Weidner, Institutsleiter, Anna Grevé, Abteilungsleiterin Elektrochemische Energiespeicher.

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Herstellverfahren

Das neuartige Herstellverfahren wurde bereits zum Patent angemeldet.

Projektziele

Im Projekt »KONTIFLEX« werden die bereits von Fraunhofer UMSICHT für Flow-Batterien entwickelten verschweißbaren, flexiblen Polymer-Bipolarplatten für die Anwendung in NT-PEM (Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen) weiterentwickelt. Dazu soll das Herstellungsverfahren von der Laboranlage in eine großtechnische Rolle-zu-Rolle-Fertigung überführt werden. Als Verbundpartner unterstützt die SAUERESSIG GmbH + Co. KG mit ihrem Know-how die Realisierung des Produktionsprozesses auf industriellem Maßstab, um mittelfristig das Kostensenkungspotenzial eines großskaligen Herstellungsverfahrens zu erschließen. Erstmals soll somit der Aufbau einer stetigen Fertigung von dünnen, hochgefüllten Graphitplatten mit integrierter Einbringung von komplexen Strukturen ermöglicht und eine kontinuierliche Produktion entwickelt, getestet und realisiert werden. Darüber hinaus wird die Bipolarplatte für Hochtemperatur-PEM durch den Einsatz neuer Kunststoffmischungen ertüchtigt.

Herausforderungen

Als alternative, wasserstoffbasierte Energiewandler bieten Brennstoffzellen ein großes Einsatzspektrum in stationärer und mobiler Anwendung – allerdings sind die Investitionskosten noch sehr hoch. Bipolarplatten sind ein Hauptbestandteil von Brennstoffzellenstacks. Sie trennen die Reaktionsgase und Kühlmedien voneinander ab und verteilen sie in den entsprechenden Brennstoffzellen-Reaktionsbereich. Bipolarplatten müssen elektrisch und thermisch gut leitfähig sowie robust gegenüber chemischen Einflüssen und hohen mechanischen Anpressdrücken in der Zelle sein. Darüber hinaus sollten sie kühlbar und möglichst dünn sein. Hohe Anforderungen, aber auch hohe Kosten: Bipolarplatten verursachen etwa ein Viertel der Stackkosten.

Nutzen

Die bereits von Fraunhofer UMSICHT entwickelte Technologie für eine kontinuierliche Produktion von Graphit-Kunststoff-Verbundmaterialien ermöglicht eine Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung sowie den direkten Einsatz pulverförmiger Ausgangsstoffe. Die – im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren – äußerst materialschonende Verarbeitung ermöglicht ein Thermoplast-basierter Kunststoff-Compound, der verschweißbar ist.

Neues, kostengünstiges Design

Die Bipolarplatten können miteinander und mit anderen Fügepartnern stoffschlüssig verbunden werden, sind sehr flexibel und gewähren somit völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten für Brennstoffzellen. Da die Bipolarplatten mit anderen Elementen direkt verschweißt werden können, kann auf Dichtflächen nahezu komplett verzichtet werden. Durch die geringere Anzahl an Bauteilen und die neue Flexibilität wird der Stackaufbau darüber hinaus einfacher und sicherer, kompakter und durch das effektive Assembling erheblich günstiger.

Vom Labor zur Großfertigung

Mit der Überführung dieses Verfahrens von der Laboranlage in eine großtechnische Fertigung ist es erstmals möglich, eine fortlaufende Produktion von dünnen, hochgefüllten Bipolarplatten zu demonstrieren und die Technologie auch für weitere Anwendungen als kostengünstige Komponente weiter zu entwickeln.

Ergebnis

Die neue Anlage zur Fertigung befindet sich derzeit im Testbetrieb. Im Rahmen des Vorhabens entwickelten und produzierten Forscher des Fraunhofer UMSICHT gemeinsam mit SAUERESSIG GmbH + Co. KG darüber hinaus eine 3,2 m² Bipolarplatte. Die Platte ist in ihrer Größe bisher einzigartig.

Projektpartner

SAUERESSIG GmbH + Co. KG