Hochtemperatur-PEM Brennstoffzellen werden für Anwendungen in der Energieversorgung dezentraler und mobiler Anwendungen propagiert. Aufgrund der notwendigen Temperaturstabilität der einzusetzenden Materialien sind die aus der klassischen PEM bekannten Materialen und Produktionsverfahren nicht direkt zu übernehmen. Die Prozessoptimierung zur Herstellung der Bipolarplatten ist eine zentrale Aufgabe der Arbeitsgruppe Stackkomponenten der Abteilung Brennstoffzellen- und Systemtechnik.

Funktionsfähige Bipolarplatten für HT-PEM Brennstoffzellen aus PPS-Compound sind spritzgießtechnisch herstellbar. Das zeigte das ZBT bereits vor einigen Jahren. Allerdings verhinderten die sehr hohe Viskosität und Wärmeleitfähigkeit des Compounds eine Vergrößerung der aktiven Fläche über 50 cm². In einem Nachfolgevorhaben wurde nun die Herstellung von Bipolarplatten mit einer aktiven Fläche von 163 cm² unter Zuhilfenahme einer ölvariothermen Prozessführung untersucht.

Zur Zielerreichung wurden gemeinsam mit dem Projektpartner IPE der Universität Duisburg-Essen neue Compounds entwickelt, charakterisiert und zu Probekörpern und Bipolarplatten verarbeitet. Die Ermittlung der Materialeigenschaften bildete die Grundlage des Materialverständnisses für das variotherme Spritzgießen und ermöglichte die Durchführung umfangreicher Simulationsreihen des Spritzgießprozesses dieser hochgefüllten PPS-Compounds. Dabei wurden diese zur Werkzeugauslegung und zum Abgleich zwischen Simulations- und experimentellen Messdaten genutzt.

Für das neue Stackdesign wurden 2 unterschiedliche Bipolarplatten-Designs in einteiliger und zweiteiliger Ausführung entwickelt, die dazugehörigen Formeinsätze entworfen und das Stammwerkzeug angepasst.

Für die Versuchsreihen standen 3 massenproduktions-technisch hergestellte Compounds mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen zur Verfügung. Als äußerst wichtige Erkenntnis erweist sich der positive Einfluss der entwickelten variothermen Prozesse auf die elektrischen Widerstände und deren Homogenisierung über die komplette aktive Fläche. Unabhängig davon wie Spritzgießparameter eingestellt werden, stellt sich ein geringes und homogenes Widerstandsniveau über die gesamte Fläche der Bipolarplatte ein. Vorausgesetzt die Prozessführung ist variotherm, d.h. der Formeinsatz ist beim Einspritzen auf 280°C bis 330°C temperiert und beim Auswerfen kälter als 220°C. Isotherm, also bei konstanter Temperierung von ca. 200°C steigt das Widerstandsniveau und die Schwankungsbreite wird erheblich größer.

Zudem nimmt erwartungsgemäß die Füllbarkeit bei dynamisch temperierter Prozessführung deutlich zu, so dass erst dadurch die vollständige Füllung der einteiligen Bipolarplatte ermöglicht wurde. Allerdings zeigt sich dennoch, dass die hohe Viskosität der Compounds große Einspritzdrücke erfordert. Diese lassen sich bei keinem Compound auf Standard­maschinenniveau (< 2500 bar) senken. Dies gelang erst bei der Herstellung der dickeren zweiteiligen Bipolarplatten mit maximalen Einspritzdrücken unterhalb von 2200 bar. Diese ließen sich jedoch auch isotherm mit Drücken von 3250 bar herstellen.

Die Erkenntnis, dass Portbereiche auch bei variothermen Spritzgießprozessen sehr sensible Bereiche sind und entsprechend designed werden müssen, ist ebenfalls neu. Der Hang zu bindenahtbedingten Rissen nahm variotherm zu. Die Ursache ist nicht abschließend geklärt, liegt aber entweder an der langsamen Abkühlung der Schmelze oder an der Zyklusszeit bedingt langen Standzeit der Schmelze im hohen Temperaturbereich.

Trotz der herausfordernden Herstellung der Bipolarplatten konnten zwei mehrzellige Brennstoffzellenstacks mit spritzgegossenen und gefrästen Bipolarplatten mit 163 cm² aktiver Fläche aus zwei verschiedenen PPS Compounds aufgebaut und ausgiebig charakterisiert werden. Zudem konnten beide Stacks über mehrere hundert Stunden im Dauerbetrieb ihre Funktionsfähigkeit unter Beweis stellen und wichtige Erkenntnisse für die Material- und Brennstoffzellenentwicklung generieren.

Das Forschungsvorhaben „Verfahrensentwicklung eines variothermen Spritzgießprozesses zur Herstellung großdimensionierter Bipolarplatten für den Einsatz in reformatgespeisten Hochtemperatur PEM-Brennstoffzellen mit einer Nennleistung von mindestens 2 kWel. für KWK Anwendungen“ wurde in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Universität Duisburg-Essen, Institut für Produkt Engineering, Lehrstuhl für Konstruktion und Kunststoffmaschinen und der Mitgliedsvereinigung IUTA e.V. durchgeführt.

Autor: Sebastian Brokamp, ZBT GmbH

• Abteilung Brennstoffzellen- und Systemtechnik