KMU-innovativ - Verbundprojekt Klimaschutz: Weiterentwicklung von elektrisch und thermisch leitfähigen Kunststoffcompounds mit Funktionalitäten für den Einsatz in Wärmetauschern und Brennstoffzellen

Hochgefüllte graphitbasierte Kunststoffcompounds ermöglichen eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie ausgezeichnete chemische und mechanische Integrität. Allerdings stellt der Weiterverarbeitungsprozess (Spritzgießen oder Pressen) hohe Anforderungen an die Materialeigenschaften. Dafür wurden im Verbundvorhaben zunächst Compounds und Blends entwickelt, welche sich durch ihre physikochemischen Eigenschaften (z. B. mechanisches Verhalten, Mischungs- und Schmelzverhalten) für das jeweilige Fügeverfahren eignen. Der Schwerpunkt des Forschungsprojekts lag dabei auf der Technologieentwicklung zum Fügen von Bauteilen. Neben der mechanischen Festigkeit, Fluiddichtheit und Leitfähigkeit im Fügebereich spielten auch optische Merkmale, wie beispielsweise der Schmelzeaustrieb, eine wichtige Rolle. Als Fügeverfahren wurde das Kleben und das Schweißen der Probekörper untersucht und an die Anforderungen der hochgefüllten Kunststoffkomposite angepasst.

Das Ziel des Forschungsprojekts war die Bereitstellung und Weiterentwicklung von elektrisch und thermisch leitfähigen Materialien mit einer im Vergleich zu dem im BMBF-Verbundprojekt „ImpactBlend“ (Förderkennzeichen: 01LY1307A-G) verwendeten Materialien verbesserten Verarbeitbarkeit und Fügbarkeit. Die hergestellten, innovativen Materialien sollen für den Einsatz in Technologien zur Steigerung der Energieeffizienz sowie zur direkten Minderung von Kohelndixoid-Emissionen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen eingesetzt werden. Dazu gehören u. a. Redox-Flow-Batterien, welche zur Erzeugung und Speicherung von sauberer bzw. regenerativer Energie eingesetzt werden. Während des Forschungsprojekts wurden Fügeverfahren entwickelt, welche die Integration hochgefüllter Materialien in eine Brennstoffzelle, Redox-Flow-Batterie oder einen Wärmetauscher ermöglichen.

Die Firma Kessen hat insgesamt drei Redox-Flow-Batterie-Stacks aufgebaut und getestet.

Es wurde ein Batterie-Stack aus zwei Zellen und dem Bipolarplatten-Werkstoff PPG86 (ImpactBlend) aufgebaut. Im Hinblick auf die Erfahrungen mit dem Stack aus dem BMBF-Verbundprojekt „ImpactBlend“ wurde dieser für das Projekt Innovativ-Compound konstruktiv überabeitet und neu aufgebaut. Diesmal wurde der neue Werkstoff basierend auf einer PVDF-Matrix für die Bipolarplatten verwendet. Anschließend wurde der Stack von zwei auf drei und auf zehn Zellen skaliert. Parallel dazu wurde das Pumpsystem verbessert, um den Fluss des Elektrolyten besser steuern zu können.

Die guten mechanischen Eigenschaften des Compounds erlauben es, die Anschlusskontakte direkt in die erste bzw. letzte Zellenwand einzubauen. Diese Maßnahme erspart den Einbau einer Kontaktplatte aus Kupfer, die man besonders aufwendig vor Kontakt mit dem Medium schützen müsste. Die Bipolarplatten lassen sich gut verkleben. Ein großer Nachteil ist, dass es sehr aufwändig ist, diese Platten zu verkleben, ohne dabei die feinen Kanäle zum Verteilen des Elektrolyten mit zu verstopfen. Anstelle einer Flächenverklebung wurde eine Flachdichtung aus FKM (Fluorkarbon-Kautschuk) zwischen den Bipolarplatten eingesetzt. Dies vereinfacht die Montage und ermöglicht eine Demontage des Stacks. Für diesen Aufbau war es lediglich sinnvoll, die Medium leitenden Anschlüsse mit den Kontaktplatten zu verkleben, um die Bruchgefahr der Platten an diesen Stellen zu verringern.

Zum Ermitteln der elektrischen Eignung des Compounds für den Aufbau einer Redox-Flow-Batterie wurden zahlreiche Lade- und Entladeversuche durchgeführt.

Die mechanischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften des Compounds sind für Anwendungen dieser Art völlig ausreichend, wenngleich sich nicht klären ließ, wie sich der Werkstoff in einem Langzeittest verhält. Das Compound hat eine gute Druckfestigkeit und Elastizität, sodass die Bruchgefahr beim Zusammensetzen der Zellen niedrig ist. Mit dem Zwei-Komponenten-Klebstoff K3 ließen sich die Anschlüsse aus PVC für die Medien gut an der Bipolarplatte befestigen.

Es konnten leichte Abnutzungen an allen scharfen Kanten, welche vom Elektrolyt umströmt wurden, beobachtet werden. Durch ein überarbeitetes Design der Bipolarplatten könnte dieser Effekt aber stark reduziert oder vielleicht komplett vermieden werden.

Die chemische Resistenz gegenüber dem Vanadiumelektrolyten ist erwartungsgemäß sehr gut. Die elektrische Leitfähigkeit war für den Aufbau eines Stacks von bis zu zehn Zellen ausreichend, wobei man bei einer industriellen Anwendung die Rezeptur des Compounds noch leicht zugunsten der besseren Leitfähigkeit abstimmen könnte, um der Wärmeentwicklung entgegenzuwirken.

Der Werkstoff “InnovativCompound” ist beständig gegenüber Schwefelsäure, weist eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit auf und bringt mechanisch eine ausreichende Druck- und Zugfestigkeit mit, um in einem größeren Batterie-Stack verbaut zu werden. Weitere Versuche zum Ermitteln der optimalen Ladeparameter und der Grenzleistung beim Entladen in Bezug auf Wärmeentwicklung laufen weiter.

Die ermittelten Ergebnisse lassen sich für die Planung und Auslegung eines größeren Batterie-Stacks nutzen. Die Vorteile des neuen Werkstoffs ermöglichen eine Anwendung in Redox-Flow-Batterien und den Einsatz von gängigen Vanadium-Elektrolyten. Insbesondere die Möglichkeit von Klebeverbindungen vereinfacht den Aufbau der Anschlüsse für die Elektrolytzuführung im Vergleich zu Bipolarplatten aus Reingraphit. Im Laufe des Projekts wurden für die wichtigsten konstruktiven Details (u. a. Dichtungen, Schlauchanschlüsse, elektrische Kontaktierung) Lösungen gefunden und im Betrieb getestet.

Die Versuchsreihen der Lade- und Entladezyklen haben gezeigt, dass die Gesamtleistungsfähigkeit des Stacks trotz der Abnutzungserscheinungen an den Bipolarplatten mit der Zeit steigt. Um diese Alterungserscheinungen zu minimieren, ist die Vermeidung von scharfen Kanten und der Einsatz von verrundeten Geometrien im Elektrolytkanal notwendig.

Quellen:

Abschlussbericht zum Verbundvorhaben INNOVATIV Compound - Weiterentwicklung von elektrisch und thermisch leitfähigen

Kunststoffcompounds mit Funktionalitäten für den Einsatz in Wärmetauschern und Brennstoffzellen, Förderkennzeichen: 01LY1512A-G, Osterode am Harz, 30.10.2018;

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