Bipolarplatten für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen aus thermisch und elektrisch hochleitfähigen thermoplastischen Kunststoffen: Rezeptierung, Herstellung, Charakterisierung und Anwendung

Vor dem Hintergrund der Verknappung nichtregenerativer Primärenergieträger und
im Zuge der steten Diskussion um die Einflüsse anthropogener Klimaveränderungen
erlebt die Brennstoffzellen-Forschung in Europa, den Vereinigten Staaten und Japan
seit einigen Jahren eine Renaissance. Alle großen Automobilhersteller arbeiten mit
Hochdruck an Brennstoffzellenfahrzeugen. Doch nicht nur im mobilen Bereich rückt
die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMBZ) ins Zentrum des Interesses.
Auch die stationäre PEMBZ zur dezentralen Energieversorgung, betrieben z.B. im
Kraft-Wärmekopplungsbetrieb (Vaillant BZ-Systeme, Bosch/Junkers), wird als sehr
attraktiv angesehen. Da Systemminiaturisierung und Gewichtsreduktion nicht in dem
Maße erforderlich sind wie in der mobilen BZ-Anwendung, erwartet man hier eine
Markteinführung serienreifer Systeme deutlich früher. Neben dem wichtigen Ziel der
Gewichtsreduktion des Stacks (Gewichtsanteil der End- und Bipolarplatte am
Gesamtgewicht des Stacks z. Zt. 50-90 %) für mobile BZ-Anwendungen, muss
insbesondere durch Kostenreduktion der Endverbrauchermarkt gewonnen werden.
Preistreibend sind 3 Baugruppen: Die Polymerelektrolytmembran, das
Katalysatorsystem und die Bipolarplatten (BPP). Die massenproduktionstauglichen
Herstellverfahren der Kunststofftechnologie ermöglichen es, werkzeugfallend und
hochintegriert zu fertigen. Somit sind diese Verfahren prädestiniert zur Herstellung
von maßgeschneiderten Brennstoffzellen-Komponenten auf Polymerbasis, wie
Bipolarplatte, Endplatten, Zellrahmen oder Peripheriekomponenten. Fokus dieser
Promotion ist die Entwicklung einer Bipolarplatte (BPP) auf der Basis
thermoplastischer Hochtemperaturkunststoffe zur Anwendung in PEMBZ bis zu 200
° Die Schwerpunkte dieser Arbeit konzentrieren si ch auf Fragestellungen der
C.
Materialauswahl und der Rezeptierung vor dem Hintergrund der optimalen
Leitfähigkeitsgenerierung bei reduziertem Füllstoffanteil, aber auch auf die Rheologie
dieser thermisch und elektrisch hochleitfähigen Compounds, sowie der für diese
Werkstoffsysteme applizierbaren BPP-Herstellmöglichkeiten: Mit der Auslegung von
Profilextrusions- und Spritzgießwerkzeugen. Die aus diesen neuartigen hochgefüllten
Compounds in unterschiedlicher Weise urformend hergestellten BPP wurden im
Brennstoffzellenbetrieb sowohl als einzellig aufgebautes System, mit einer
elektrochemisch aktiven Fläche von 25 cm^2, als auch in dreizellig aufgebauten
Kleinstacks, mit einer aktiven Gesamtfläche von 75 cm^2 bis zu 130 ° C
Zelltemperatur, charakterisiert.