Leonhardt: Ressourcenschonende Bipolarplatten für Brennstoffzellen - Materialentwicklung für effizientere Spritzgussfertigung

Schematische Darstellung einer Brennstoffzelle - (Bilder: Leonhardt).

Brennstoffzellen ermöglichen die großtechnische Nutzung von grünem Wasserstoff zur Energieerzeugung. In Brennstoffzellen kommen unter anderem hochwertige plattenförmige Bauteile, so genannte Bipolarplatten, zum Einsatz. Das Familienunternehmen Leonhardt e. K. aus Hochdorf hat es sich zur Aufgabe gemacht, Bipolarplatten herzustellen, die weniger Ressourcen verbrauchen und mit deutlich weniger Energie auskommen.

Wie das Unternehmen im Vorfeld der Fakuma 2024 weiter mitteilt, arbeitet es seit einem Jahr in einem Entwicklungsprojekt daran, Bipolarplatten aus einem polymerbasierten Werkstoff herstellen zu können. Mit einem ganzheitlichen Konzept aus Materialentwicklung, optimiertem Werkzeugkonzept und exakt abgestimmter Prozessführung will Leonhardt Bipolarplatten im Spritzgießverfahren auf Standardmaschinen herstellen. Die Entwicklung ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass erste Ergebnisse veröffentlicht werden können.

Ausschnitt aus der filigran strukturierten Oberfläche einer Bipolarplatte

Bipolarplatten müssen eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen. Sie müssen gasdicht und chemisch beständig gegen Feuchtigkeit, oxidierende und reduzierende Bedingungen sein, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und geringe Übergangswiderstände aufweisen, sich durch eine gute Planparallelität (<20 m) auszeichnen und zudem möglichst geringe Fertigungs- und Materialkosten verursachen. „Außerdem haben wir darauf geachtet, leicht verfügbare Grundstoffe zu verwenden, die nicht um den halben Erdball reisen müssen“, ergänzt Geschäftsinhaber Wolfgang Leonhardt.

Derzeit werden Bipolarplatten aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Angesichts des steigenden Kostendrucks wird daran gearbeitet, polymergebundene Graphit-Compounds zu verwenden. Diese Materialien zu verarbeiten, sei jedoch höchst anspruchsvoll. Aufgrund des erforderlichen sehr hohen Spritzdrucks komme man nicht umhin, Sondermaschinen einzusetzen. „Wir haben in den vergangenen Monaten ein Material entwickelt, das aus einer Matrix aus Polyetheretherketon besteht und mit einem synthetischen Graphit und einem hochleitfähigen Ruß gefüllt ist“, erläutert Entwickler Marcel Leonhardt. „Dieser Werkstoff kann – anders als die Graphit-Compounds mit Polymerbinder – auch auf Standard-Spritzgießmaschinen verarbeitet werden.“

Dafür braucht es als zweiten Faktor ein passgenaues Werkzeugkonzept. Graphit ist hoch viskos und thermisch leitfähig, gleichzeitig ist die Fließweglänge begrenzt. „Deshalb haben unsere Konstrukteure besonderes Augenmerk auf die Temperierung des Werkzeugs gelegt“, berichtet Marcel Leonhardt. Eine weitere Herausforderung stellt demnach die großflächige, dünnwandige Geometrie dar – die Abmessungen der Bipolarplatten variieren zwischen 100 x 100 Millimeter und 600 x 800 Millimeter bei einer Dicke von 0,2 bis 0,8 Millimeter. Das führt zu einer schnellen Abkühlung in der Formeinheit während des Einspritzvorgangs. „Hier ist die Kreativität, die Detailkenntnis der Prozesse und die langjährige Erfahrung unserer Mitarbeiter gefragt, um die Platten in Class-A-Qualität fertigen zu können“, sagt Wolfgang Leonhardt. „Hoch-graphitgefüllte Compounds erfordern eine andere Prozessführung. Viele Prozessparameter, wie Einspritzdruck und Nachdruck, Einspritzzeit und Abkühlzeit, haben wir in mehreren Iterationsschleifen ermittelt und optimiert.“ Gleichzeitig geht es Leonhardt um eine effiziente Energienutzung, die Produktionsmaschinen arbeiten mit Wärmerückgewinnung. Allein dadurch soll eine Energieeinsparung von 25 Prozent erzielt werden.

Das Ergebnis der Entwicklung, die noch nicht abgeschlossen ist, kann sich den abschließenden Angaben zufolge bereits jetzt sehen lassen: Das entwickelte Material weist zum einen die gewünschten mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften auf und hält zum anderen mindestens dreimal so lange wie der bisher verwendete Werkstoff. Dank seiner auf Kreislaufführung ausgerichteten Zusammensetzung lässt sich das Material zudem einfach recyceln. Hinzu kommt, dass sich das Gewicht der Platten im Vergleich zu den bislang üblichen aus gepresstem V2A-Stahl halbiert. Mit dem Effekt, dass die neuen Bipolarplatten deutlich geringere CO2-Emissionen verursachen. Wolfgang Leonhardt: „Unsere Bipolarplatten eignen sich für eine wirtschaftliche Fertigung in Großserie, sodass relativ schnell eine Vielzahl an Brennstoffzellen bereitgestellt werden kann, die Energie für Mobilität, Industrie und Haushalte aus grünem Wasserstoff erzeugen.“

Fakuma 2024, Friedrichshafen, 15.-19. Oktober 2024, Halle A5, Stand 5206

Weitere Informationen: www.leonhardt-gravuren.de

Leonhardt e. K., Hochdorf

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