In einem Konsortium aus sechs großen deutschen Forschungseinrichtungen gefördert vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur und der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW) wurden die von der Industrie geforderten Messstandards im Sinne einer verbesserten Qualitätsüberwachung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure (BePPel) entwickelt und implementiert.
Der Fokus der Arbeiten am ZBT bestand in der Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme des neuen Messsystems, sowie der Erstellung einer Messvorschrift zur einheitlichen Bestimmung der elektrischen through-plane Widerstände von Bipolarplatten. Dafür wurden u.a. Konstruktionszeichnungen und elektrische Schaltpläne angefertigt, eine umfangreiche Bedienungsanleitung geschrieben, sowie eine Gefährdungsbeurteilung erstellt, sodass eine CE-Zertifizierung des Geräts erfolgen konnte. Der Teststand erlaubt es dank der Steuerung via LabView, Messroutinen mit verschiedenen Anpressdrücken und verschiedenen Stromstärken automatisiert innerhalb kürzester Zeit durchzuführen, wobei bei maximaler Kontaktfläche von BPP zu Messpol bzw. GDL Anpressdrücke von bis zu 40 bar und Stromdichten bis zu 2,5 A/cm² angelegt werden können. Im Nachgang des Projektes werden nun von ZBT Messungen am Teststand als Referenz für Hersteller von Bipolarplatten angeboten. Der neu aufgebaute Widerstandsmessplatz wird am ZBT auch in aktuellen und zukünftigen F&E-Projekten zur Charakterisierung von Bipolarplatten und GDL-Materialien genutzt werden.
Neben den Arbeiten zur elektrischen Leitfähigkeit wurden am ZBT auch umfangreiche Untersuchungen zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit von Bipolarplatten durchgeführt. Dazu wurden drei kommerzielle Messgeräte zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit für die Anwendung zur Charakterisierung von Bipolarplatten verglichen. Es zeigten sich große Unterschiede in den Messergebnissen der drei Geräte, was u.a. auf die Ausrichtung der Füllstoffpartikel innerhalb graphitischer Bipolarplatten zurückgeführt werden konnte. Bspw. bei spritzgegossenen BPP konnte mittels REM-Aufnahmen die Ausrichtung der Füllstoffe im randnahen Bereich in Spritzgießrichtung und im Kern der Probe quer zur Fließrichtung nachgewiesen werden, was signifikanten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit hat. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen wird das das Flash-Verfahren für die Bestimmung der through-plane Wärmeleitfähigkeit von Bipolarplatten präferiert und es wurde eine Messvorschrift zur Bestimmung der through-plane Wärmeleitfähigkeit an BPP entworfen. Des Weiteren wurde am ZBT ein Berechnungstools basierend auf der Software COMSOL Multiphysics® entwickelt, was die Verteilung der thermischen oder elektrischen Leitfähigkeit innerhalb einer Bipolarplatte darstellen kann. Mittels des entwickelten Berechnungstools ist es möglich, auf Basis der Messdaten von einzelnen Messpunkten auf die Gesamtgeometrie einer Bipolarplatte zu extrapolieren und dadurch auch strukturierte Proben messtechnisch zu untersuchen.
Die Ergebnisse des Projektvorhabens fließen in die Entwicklung der Brennstoffzellen-Technologie ein und leisten dadurch einen Beitrag für die Klimaschutzpolititk der Bundesrepublik Deutschland zur Reduktion von Treibhausgasemissionen. Das entwickelte Messsystem sowie die Messvorschrift zur Bestimmung von elektrischen Widerständen (in- und through-plane) und Kontaktwiderständen sowohl an metallischen als auch graphitischen Bipolarplatten für Brennstoffzellensysteme und Elektrolyseure leisten zum Aufbau einer international wettbewerbsfähigen Zuliefererindustrie in Deutschland einen wichtigen Beitrag und tragen zur Stärkung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie im Verkehrssektor und im Energiemarkt bei.
Projektpartner
- DLR-Institut für Vernetzte Energiesysteme e. V.;
- Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE;
- Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT;
- Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK), Forschungszentrum Jülich;
- Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH;
- Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg.
Weitere Dokumente und Informationen
- Der Abschlussbericht wird in Kürze über die TIB Hannover veröffentlicht
- VIDEO der Messanlage
- Messvorschrift zur Bestimmung des elektrischen through-plane Widerstands an Bipolarplatten
- Information zum druckabhängigen Widerstandmesstand des ZBT
- Abteilung Brennstoffzellen und Stapel
