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Materialentwicklung für Polymer/Graphit-basierte Bipolarplatten und Wärmetauscherplatten

|   2019-DGM-NL-09

Im Bereich Energieeffizienz und Klimaschutz wurden zwei Verbundprojekte (ImpactBlend, INNOVATIV Compound) vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert, die sich mit der Entwicklung von Polymer/Graphit-basierten Materialien beschäftigten. Diese Materialien sollen einerseits als Bipolarplatten in Brennstoffzellen bzw. Redox-Flow-Batterien einsetzbar sein. Voraussetzung dafür ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit. Andererseits sollen die entwickelten Rezepturen auch als Platten in planaren Wärmetauschern Einsatz finden, wofür eine hohe Wärmeleitfähigkeit angestrebt wird. Für beide Anwendungen ist die hohe Korrosionsbeständigkeit von Polymer/Graphit-Materialien gegenüber z. B. Säuren (Batterie) oder Salzwasser (Wärmetauscher) von großer Bedeutung.

Rezepturen aus verschiedenen Polymeren (Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylidenfluorid (PVDF)) und Graphiten wurden am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. entwickelt und untersucht (Abb. 1). Als erfolgversprechendste Variante erwiesen sich für Bipolarplatten Komposite basierend auf PVDF (Abb. 2). In einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle, die von der Firma Eisenhuth GmbH & Co.KG aufgebaut wurde, konnte gezeigt werden, dass die Stromdichte im Vergleich zu herkömmlichen PP/Graphit-Platten verdoppelt ist.

Für die Anwendung im Wärmetauscher (Abb. 3) wurden neben den Wärmeleitfähigkeiten auch die Wärmeübertragungskoeffizienten der Materialien bestimmt. Für PP-, PE- und PVDF-basierte Kompositmaterialien wurde durch die Graphitzugabe jeweils eine Verfünffachung des Wärmeübertragungskoeffizienten erreicht. Damit kann bei gleicher Fläche die fünffache Wärmemenge übertragen werden beziehungsweise für eine gleichbleibende Wärmemengenübertragung die Fläche des Wärmetauschers auf 20% reduziert werden.

https://www.calorplast-waermetechnik.de/produkte/kunststoff-waermetauscher/
Abb. 2: Strukturierte Bipolarplatte für Brennstoffzellen und Redox-Flow-Batterien der Firma Eisenhuth GmbH & Co.KG (Foto © IPF, K. Uhlig)
Abb. 3: Demonstrator eines Plattenwärmetauschers der Firma Calorplast Wärmetechnik GmbH (Foto © IPF, K. Uhlig)

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