Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Flexibles Kleben von flexiblen Hybrid-Kunststoff-Bipolarplatten

Durch die Forschungsergebnisse aus dem IGF Vorhaben 498 ZN steht eine neuartige, elektrisch leitfähige Compound-Folie zur Verfügung, die weiter optimiert als dünne und flexible Basis für graphitische Bipolarplatten (BPP) dienen kann und in Kombination mit z.B. metallischen Blechen für die Kühlstrukturen weitaus dünnere (graphitische) Bipolarplatten als bisher ermöglicht.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, Bipolarplatten aus mehreren Schichten von graphitischen und metallischen Folien klebtechnisch aufzubauen. Diese neuartigen Hybrid-Bipolarplatten zeichnen sich durch volumetrische und gravimetrische Vorteile, aber auch durch ihre mechanische Flexibilität und Vibrationsunempfindlichkeit besonders für mobile Anwendungen aus.

Um das beschriebene Ziel zu erreichen, werden geeignete Klebstoffe formuliert, Kontaktierungsmöglichkeiten evaluiert und verschiedene Applikationsverfahren getestet. Durch das von der Geometrie sehr variable Ausschneiden und Fügen einzelner Folien werden die funktionalen Strukturen einer Brennstoffzelle wie FlowField, Kühlkanäle überaus einfach und individuell erzeugt. Mit dem Zusammenfügen der einzelnen Fügelösungen kann die Multilayer-Bipolarplatte auf ihre Funktion hin geprüft und eine Wirtschaftlichkeitsanalyse durchgeführt werden.

Mit der Herstellung dünner, folienbasierter BPP werden die klassischen Probleme von metallischen oder über Spritzguss hergestellten graphitischen Bipolarplatten vermieden und die jeweils besten Eigenschaften miteinander kombiniert. Somit ist es für kmU möglich, Bipolarplatten auf einfache Art und Weise (Beschnitt & Kleben) sowohl in geringen Stückzahlen als auch im Serienprozess wirtschaftlich herzustellen, ohne in teure Anlagentechnik oder Werkzeuge investieren zu müssen. Die Möglichkeit einer endlosen „Rolle zu Rolle“-Fertigung unterstreicht das sehr hohe Potential, eine Massenfertigungsmethode entwickeln zu können, die dem derzeitigen Bedarf an alternativen Energiequellen entgegenkommt.

Ergebniszusammenfassung:

Die zu verwendende Compoundfolie konnte mit Hilfe einer Breitschlitzdüse auf eine Schichtstärke von 600 µm reduziert werden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse über das Folienverhalten bei mechanischen Belastungen hilft, in nachfolgenden Projekten das Produkt weiter zu optimieren und auch für andere Anwendungszwecke zur Verfügung zu stellen.

Durch den Einsatz der dünnwandigen Substrate konnte ein strukturelles Versagen der klebgefügten Platte im Bereich der Medienports beobachtet werden. Die daraus resultierenden Rückschlüsse auf lokale Materialbelastungen führten zu einem Designupgrade im Portbereich. Dieses Upgrade dient ebenso spritzgegossenen Bipolarplatten, um druckinduzierte Störungen zu reduzieren.

Im Bereich der untersuchten Klebstoffe wurden sowohl marktverfügbare, als auch neu formulierte Systeme klassifiziert. Dabei konnte eine bis dahin für den Einsatz im Brennstoffzellenbereich komplett unbetrachtete Gruppe, die der biobasierten Klebstoffe, im Rahmen einer studentischen Arbeit erfolgreich getestet werden. Diese Ergebnisse führten mitunter zur Einreichung eines Projektvorschlags im Rahmen der Ausschreibung für „Leittechnologien für die Energiewende“ der AiF.

Das Fügen einzelner Folienschichten hat eine individuelle Fügestrategie hervorgebracht. Dabei wurden Unterschiede zwischen heiß- und kalt ausgehärteten Klebstoffen beobachtet. Die speziell entwickelte Fügevorrichtung dient nachfolgenden Forschungsvorhaben als Grundlage des Fügeprozesses.

Im Bereich der petrochemischen Epoxidharzklebstoffe konnten sehr gute Erfolge im Bezug auf das Dichtkleben von mehrschichtigen Bipolarplatten erzielt werden. Sowohl die elektrische Leitfähigkeit des Gesamtverbunds, als auch dessen Mediendichtigkeit zeigten im ex-situ Versuch bei über 400h Testlaufzeit gute Ergebnisse. Das lässt sich auf folgende Projekte übertragen und verschafft diesen damit einen Forschungsvorsprung.