PolyFoleR: Compound-Bipolarfolien für elektrochemische Reaktoren

Für Anwendungen in elektrochemischen Reaktoren sind Bipolarplatten mit kohlenstoff- bzw. metallgefüllten Polymercompounds gefragt. Im Projekt »PolyFoleR« erfolgen eine systematische Untersuchung verschiedener Einsatzstoffe von Bipolarplatten aus dem vom Fraunhofer UMSICHT patentierten Pulver-zu-Rolle-Herstellungsprozess. Die wesentliche Zielsetzung besteht darin, Wirkungsbeziehungen zwischen Materialien, Verarbeitung und Eigenschaften abzuleiten, um eine schnelle Adaption an geänderte Anforderungsprofile zu ermöglichen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Erhöhung der mechanischen Stabilität der dünnwandigen Polymercompounds. In diesem Kontext werden das Einbringen von Faserfüllstoffen sowie die Elektronenstrahlmodifizierung als Lösungsansätze untersucht. Die entwickelten Materialien werden umfassend charakterisiert und abschließend anwendungsnah in einzelligen Versuchsaufbauten getestet. Als Beispielanwendungen dienen hierbei die Wasserelektrolyse und die PEM-Brennstoffzelle.

Das breite Material-Screening und der Aufbau einer Materialbibliothek sollen zudem die Grundlage schaffen, perspektivisch das breite Feld an Wasserstofftechnologien und weitere Anwendungsfelder (z.B. elektrochemische Verdichter, Hydrierungsreaktoren, Elektrosynthesezellen oder Elektrodialysezellen) zu erschließen.

Ob Elektrolyseure oder Brennstoffzellen: Elektrochemische Reaktoren übernehmen in einer auf Wasserstoff basierenden nachhaltigen Energiekreislaufwirtschaft eine Schlüsselrolle – vor allem mit Blick auf Produktion und Speicherung. Aktualität hat das Thema durch das Update der Nationalen Wasserstoffstrategie gewonnen: In ihr formuliert die Bundesregierung das Ziel, Wasserstoff als einen wichtigen Energieträger für die Zukunft zu etablieren und die Dekarbonisierung des Energiesektors voranzutreiben.

Ein wesentlicher Bestandteil elektrochemischer Reaktoren ist die Bipolarplatte. Sie wird mit der katalytisch aktiven Membran und dem Gasdiffusionslayer alternierend zu einem Stapel (Stack) geschichtet, der wiederum den Kern elektrochemischer Zellen bildet. Dabei übernimmt die Bipolarplatte die elektrische Verbindung der Zellen, die Gasverteilung mittels einer eingebrachten Gasverteilergeometrie (sog. Flowfield) über die Fläche der Platte, die stoffliche Trennung der Edukte zwischen angrenzenden Zellen und die Kühlung des gesamten Systems.

Um diese Aufgaben sowohl effizient als auch über einen längeren Zeitraum hinweg übernehmen zu können, muss die Bipolarplatte beständig gegenüber den Reaktionsmedien, oxidierende und reduzierende Bedingungen sein sowie eine geringe Permeabilität aufweisen. Außerdem sollte sie eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine hohe mechanische Stabilität mitbringen.

Die folienbasierten Compound-Bipolarplatten des Fraunhofer UMSICHT kombinieren die Vorteile metallischer Platten (»dünn, flexibel und prägbar«) mit den Vorteilen der Kunststoff-Compounds (»preiswert und hohe Lebensdauer«). Gleichzeitig vermeiden sie die jeweiligen Nachteile (teure Legierungen, Schutzbeschichtungen, Sprödigkeit und hohe Materialdicke). Insbesondere die einstellbare Flexibilität bzw. Steifigkeit qualifiziert das Material für verschiedenste Anwendungen. Zudem bestehen – bedingt durch die einzigartigen Produkteigenschaften wie die Umformbarkeit, Laminierbarkeit und Verschweißbarkeit – neue Möglichkeiten beim Stackdesign.

Die Erkenntnisse aus dem Projekt »PolyFoleR« sollen dazu beitragen, die Entwicklungszyklen für Bipolarfolien aus dem Pulver-zu-Rolle-Prozess zu verkürzen. Gleichzeitig sollen sie eine gezielte Anpassung der Produkteigenschaften ermöglichen, um den spezifischen Anforderungen verschiedener Einsatzbereiche gerecht zu werden. Dies bildet die Grundlage für die gezielte Erschließung neuer Anwendungsfelder wie elektrochemische Verdichter, Hydrierungsreaktoren, Elektrosynthesezellen, Elektrodialysezellen und bipolar aufgebaute Batterien.

• Identifizierung geeigneter Einsatzstoffe (Binderpolymer, Graphit- und Metallpulver, Zuschlagsstoffe etc.) für die Herstellung der elektrisch leitfähig eingestellten Polymercompound-Folien im Hinblick auf die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Zielanwendung
• Evaluation der Verarbeitbarkeit und der Prozesseigenschaften im neuartigen Pulver-zu-Rolle-Herstellungsprozess
• experimentell validierte Materialbibliothek
• Optimierung der Materialeigenschaften (elektrische Leitfähigkeit, mechanische Eigenschaften etc.) für den Einsatz in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen
• Bewertung der Leistungsfähigkeit der entwickelten Materialien in einzelligen Ver-suchsaufbauten (PEM-BZ und Membran-Elektrolyse)

• Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
• Schaeffler Technologies AG & Co. KG

Das Projekt »PolyFoleR – Elektrisch leitfähig eingestellte Polymercompound-Folien für elektrochemische Reaktoren« wird im Rahmen der Ideenwettbewerbs »Wasserstoffrepublik Deutschland« Modul 2 – Grundlagenforschung grüner Wasserstoff vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.