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Beton-Werkzeug: Innovatives Heißpressverfahren für hochleitfähige Compounds

Im Forschungsprojekt UltraPress wurde ein neuartiges innovatives Heißpressverfahren mit einem Werkzeug aus ultrahochfestem Beton (Ultra-high-performance concrete (UHPC)) entwickelt. Eingesetzt werden kann dies zur Herstellung graphitischer Bipolarplatten für z.B. HT-PEM-Brennstoffzellen auf Basis hochleitfähiger Compound-Materialien.

Schematische Darstellung des Beton-Induktions-Werkzeugs (links) und Versuchswerkzeug mit Compound-Material

Im Projekt hergestellte Bipolarplatte (Halbzeug)

BMBF Projekt 03VNE1022D

Im Projekt, das im Rahmen der Förderinitiative KMU‑NetC des BMBFs finanziert wurde, konnten die Grundlagen für ein neuartiges innovatives Heißpressverfahren mit einem Werkzeug aus ultrahochfestem Beton (Ultra-high-performance concrete (UHPC)) zur Herstellung graphitischer Bipolarplatten für HT-PEM-Brennstoffzellen sowie dessen Eignung nachgewiesen werden. Die Anwendungstauglichkeit eines Presswerkzeuges aus UHPC wurde überprüft und nach iterativer Optimierung der UHPC-Mischung konnten die angestrebten Zielwerte wie z.B. Druckfestig­keiten von 200 MPa, hohe Temperaturbeständigkeit bis 330 °C, geringe Schwindneigung und eine selbstverdichtende Konsistenz erreicht werden! Die Temperierung des UHPC-Werkzeugs zur Herstellung von graphitischen Bipolarplatten erfolgte dabei mittels Induktion.

Die Prozessführung (Zeit, Leistung) und die induktive Erwärmbarkeit von verschiedenen Graphit-PPS-Compounds wurde am ZBT untersucht und eine optimale Compoundrezeptur in enger Kooperation mit dem Projektpartner Eisenhuth ermittelt. Die Auslegung und Simulation der Induktionsspulengeometrie erfolgte beim Projektpartner IKFF an der Universität Stuttgart. Nach Einrichtung einer für den Anwendungsfall geeigneten isostatischen Presse beim Projektpartner Boyke wurden verschiedene Testreihen mit zweiteiligen reinen Betonwerkzeug und dreiteiligen Aufbauten mit zusätzlichem Stahleinleger durchgeführt. Dabei stellte sich das dreiteilige Presswerkzeug aufgrund der einstellbaren und erreichten Prozessparameter als zielführender heraus. Mit dem gewählten Werkzeugaufbau konnte die Herstellung von heißgepressten Bipolarplatten innerhalb weniger Minuten realisiert werden.

Die am ZBT überprüften charakteristischen Materialparameter wie Permeabilität gegenüber Wasserstoff, elektrische Leitfähigkeit und mechanische Kennwerte der Bipolarplatten entsprechen den Vorgaben des Department of Energy und sind mit am Markt etablierten Referenzen vergleichbar. Damit wurde die prinzipielle Nutzbarkeit der Technologie zur Herstellung von Halbzeugen und zukünftig auch strukturierten Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen, auch in der technisch anspruchsvolleren Hochtemperatur-PEM-Variante, oder auch Redox-Flow-Batterien nachgewiesen.

Die Technologie bietet eine erhebliche Reduktion der Zykluszeit gegenüber herkömmlichen Heißpressprozessen dieser Bipolarplatten dar. Die Ergebnisse des Projektvorhabens bieten großes Potential zur erheblichen Reduktion der Kosten für Brennstoffzellen und elektrochemische Wandler sowie des notwendigen Energieverbrauchs zur Herstellung der BPP.