Faserverstärkte Compoundfolien-Bipolarplatten für kompakte Brennstoffzellen

News25

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle gilt unter anderem im Automobilbereich als einer der technischen Ansätze zur Abkehr von fossilen Energieträgern. Eine Brennstoffzelle besteht aus mehreren Bipolarplatten, die aufgrund ihres komplexen Anforderungsprofils entweder aus beschichtetem Metall oder aus graphitgefüllten Kunststoffen, sog. Graphit-Polymer-Compounds, bestehen. Der Vorteil der Compound-Bipolarplatten ist der Wegfall der kostenintensiven Beschichtung, die für die Lebensdauer metallischer Bipolarplatten essentiell ist. Allerdings sind durch den Spritzgussprozess und die geringen mechanischen Kennwerte des Compounds hierbei hohe Wandstärken erforderlich, die den Bauraum erhöhen und die Leistungsdichte der Brennstoffzelle verringern. Um dem entgegenzuwirken, werden im Rahmen dieses Projektes - gemeinsam mit dem Zentrum für Brennstoffzellen-Technik (ZBT)- dünne Compoundfolien aus einem Folienextrusionsprozess mit Kohlenstofffasern verstärkt.

Eine zentrale Frage ist hierbei, wie die 0,4 mm dicken Compoundfolien mit Fasern verstärkt werden können. Zum einen gibt es fertigungsbedingte Limitationen (z.B. Imprägnierbarkeit der Fasern mit Graphit-Polymer-Compounds), zum anderen erfüllt die Faserverstärkung zwar eine wichtige mechanische Aufgabe, andere essentielle Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit oder die Kontakteigenschaften mehrerer Bipolarplatten zueinander in der Brennstoffzelle können durch die Fasern verschlechtert werden. Somit sind eine umfassende Messkampagne und eine Optimierung der verschiedenen Eigenschaften erforderlich. In diesem Projekt wird die Faserverstärkung durch das Einbringen von Fasertapes realisiert, in denen die Fasern bereits mit herkömmlicher Matrix imprägniert sind. Parallel dazu werden die einzelnen Werkstoffe mechanisch charakterisiert, um Finite Elemente Simulationen durchzuführen. Diese Simulationen dienen der Auslegung der notwendigen Fasereinbringung, sodass die Bipolarplatte beim Einbau und im Betrieb der Brennstoffzelle den vorherrschenden Lasten wie Verspannung und Mediendrücken, aber auch den erhöhten Betriebstemperaturen standhält. Hierbei lässt sich der Einfluss verschiedener Fasereinbringungen, Wandstärken, Kanalanordnungen und Werkstoffeigenschaften etc. vergleichen.

Das Projekt „Faserverstärkte Compoundfolien-Bipolarplatten für kompakte Leichtbau Brennstoffzellen“ wird im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund des Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert (Förderkennzeichen 22342 N).

Links: Umformwerkzeug, Rechts: Zur Bipolarplatte umgeformte Compound-Folie, verstärkt mit vier Fasertapes. Gewellte Fläche: 30x30 mm²

Simulation zur Belastung einer umgeformten faserverstärkten Folie im Biegeversuch. Rechts: Simulation mehrerer umgeformter Folien in einem Stack. Foliendicke nicht gerendert

Kontakt

M.Eng.

Stefan Schmidt

Wiss. Mitarbeiter Mechanische Charakterisierung & Modellierung

M.Sc.

Alexander Nuhn

Wiss. Mitarbeiter Press- und Fügetechnologien