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

Für Brennstoffzellensysteme und Redox-Flow-Batterien müssen Stacks aus Bipolarplatten hergestellt werden, die so miteinander verbunden werden, dass durch Gasdichtheit eine hohe Effizienz und Prozesssicherheit bei der Stromerzeugung resultiert. Bei Wärmetauschern müssen die Fügestellen aufgrund des druckbehafteten Fluidstroms hohen mechanischen Belastungen standhalten. Wärmetauscher und Brennstoffzellensysteme werden daher meist aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Metalle zeigen im Gegensatz zu Kunststoffen sehr gute leitfähige Eigenschaften sowie ein gutes Umform- und Fügeverhalten. Kunststoffe aber, weisen neben der hervorragenden Verfügbarkeit und dem geringen Materialpreis ein geringes Gewicht und eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf. Deswegen eignen sich Kunststoffe ideal für den Einsatz in Bipolarplatten und Wärmetauscherplatten.

Ein erstes Ziel des Verbundvorhabens war die Entwicklung von elektrisch und thermisch leitfähigen Kunststoffen, die als Bipolarplatte in Redox-Flow-Batterien bzw. Wärmetauscherplatten eingesetzt werden können. Hierfür wurde durch die Kombination von Füllstoffen mit unterschiedlichen Partikelgrößen ein Synergieeffekt genutzt, wodurch ein besseres elektrisch leitfähiges Netzwerk ausgebaut werden konnte. Dadurch konnten zum einen die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Kunststoffcompounds erhöht werden und zum anderen wurde der Materialpreis reduziert.

Ein weiteres Ziel war das Fügen von hochgefüllten leitfähigen Kunststoffen durch das Zusammenbringen von mehreren Platten durch Kleben bzw. den Einsatz eines Kunststoffschweißverfahrens. Im Hinblick auf die Anwendung wurde einerseits ein Verfahren entwickelt, bei dem der elektrisch und thermisch leitfähige Teil der Bipolar- bzw. Wärmetauscherplatte aus einem hochgefüllten Compound gepresst und anschließend durch Klebe- bzw. Schweißtechnik mit anderen Komponenten verbunden wurde.

Des Weiteren wurden druckfeste und fluiddichte Wärmetauscher-Geometrien durch ein hierfür konfiguriertes Fügeverfahren für die Anwendung in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) entwickelt. Ausgehend von den mechanischen Herausforderungen dieses neuartigen Bauteilverbunds wurden systematische Untersuchungen zur Rezepturentwicklung und Fügetechnologie von leitfähigen Compounds zusammen mit einem geeigneten Rahmenmaterial vorgenommen. Der Materialverbund wurde in Versuchsanlagen gebrauchsnah getestet. Ebenfalls wurden Kunststoffcompounds entwickelt, welche die Korrosionsstabilität von Wärmetauschern deutlich erhöhen und beispielsweise zur Beheizung von Aquakulturen eingesetzt werden können. In diesem Fall wird oftmals mit aggressiven Medien wie Salzwasser gearbeitet, sodass der Werkstoff sowie die Fügeverbindung den hohen Anforderungen standhalten muss.

Durch den Einsatz neuer Graphitcompoundrezepturen konnten die genannten Technologien derart weiterentwickelt werden, dass sie aufgrund ihrer verbesserten Effizienz und ihrer Kostenstruktur zukünftig voraussichtlich in großem Maße wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar sind und potenziell eine wirtschaftlich darstellbare Energiespeicherung mit Rückverstromung sowie eine verbesserte Energieeffizienz ermöglichen. Außerdem konnten völlig neue Anwendungsfelder durch die neuartigen Compounds eröffnet werden. Insgesamt hat dieses Projekt auch einen wichtigen Beitrag zur Einsparung von Energie, zur Ressorcenschonung und letztlich auch zur Verminderung der CO2-Emmission geleistet. Sowohl die neu entwickelten Kunststoffcompounds als auch die neu etablierten Fügetechniken haben dazu beigetragen, das Einsatzfeld von regenerativ erzeugten Energien durch chemische Zwischenspeicherung der Energie zu erweitern.

Quelle: 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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