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 cm², als auch in dreizellig aufgebauten Kleinstacks, mit einer aktiven Gesamtfläche von 75 cm² bis zu 130 ° C Zelltemperatur, charakterisiert.