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23.03.2017

Auf die Größe kommt es eben doch an

Graphit-Compounds für großskalige PEM-Brennstoffzellen

Forscher von Fraunhofer Umsicht haben eine 3,2 m² große Bipolarplatte entwickelt, die den Bau großskaliger Redox-Flow-Batterien ermöglicht. Das verwendete Material kommt bereits heute in kleinen Stacks zum Einsatz. Zusammengesetzt als Redox-Flow-System sollen die großen Varianten bis zu 1000 Haushalte am Tag mit Strom versorgen.

Prof. Christian Doetsch, Bereichsleiter Energie, Lukas Kopietz, Entwickler Abteilung Chemische Energiespeicher, Prof. Eckhard Weidner, Institutsleiter, Peter Schwerdt, Entwickler Abteilung Chemische Energiespeicher (© Fraunhofer Umsicht)

Elektrische Energiespeicher sind der Schlüssel für die Energiewende, um den unstetigen Stromfluss aus Windkraftanlagen und Solarzellen bedarfskonform zu verstetigen. Gerade bei großen Leistungen und großen Kapazitäten bieten Redox-Flow-Batterien klare ökonomische Vorteile. Sie lassen sich – im Gegensatz zu Lithiumzellen – auch mit sehr großen Zellen realisieren. Daher geht die weltweite Entwicklung in Richtung immer größerer Zellflächen.

Während die heute übliche Zellfläche eher der eines DIN-A3-Blattes entspricht, ist das langfristige Ziel, zwanzig- bis dreißigmal größere Zellen bzw. Stacks zu bauen. „Die meisten der benötigten Komponenten einer Redoxzelle sind bereits ausreichend großskalig erhältlich bzw. prinzipiell produzierbar“, erklärt Prof. Christian Doetsch, Leiter des Bereichs Energie bei Fraunhofer Umsicht. Den Flaschenhals stellen bisher die Bipolarplatten dar. Denn erst mit ihnen können aus Einzelzellen die notwendigen Stacks zusammengefügt werden, um diese anschließend zur Batterie zu konfigurieren.

1000 Haushalte einen Tag mit Strom versorgen

Das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht), Oberhausen, hat eine 3,2 m² Bipolarplatte entwickelt und gemeinsam mit der Saueressig GmbH + Co. KG, Vreden, produziert. Die Platte ist in ihrer Größe bisher einzigartig und stellt eine entscheidende Entwicklung für große Redox-Flow-Batterien dar. Das verwendete Material wird heute schon erfolgreich in kleinen Redox-Flow-Stacks des Fraunhofer-Start-ups Volterion eingesetzt und im Feld erprobt.

Die großflächige Bipolarplatte bietet eine Leistung pro Zelle, die ca. 5 kW (Peak) entspricht bzw. als Stack mit 70 Zellen ca. 350 kW (Peak) ermöglicht. Ein Redox-Flow-System mit drei solcher Stacks (1 MW, 10 MWh) kann bis zu 1000 Haushalte einen Tag mit Strom versorgen. Die Kapazität entspricht ca. 2000 typischen PV-Lithium-Ionen-Batterien (à 5 kWh). Weitere entscheidende Vorteile der neuen Platte sind laut eigener Aussage die geringe Mindestdicke (400-500 µm), die damit einhergehende gute Leitfähigkeit, ihre Flexibilität und die kosteneffiziente Rolle-zu-Rolle-Produktionsweise.

Nächster Schritt: kontinuierliche und günstige Fertigung

Dr. Jens Burfeind, Gruppenleiter Elektrochemische Speicher, Lukas Kopietz, Peter Schwerdt, beide Entwickler Abteilung Chemische Energiespeicher, Prof. Christian Doetsch, Bereichsleiter Energie, Prof. Eckhard Weidner, Institutsleiter, Dr. Anna Grevé, Abteilungsleiterin Chemische Energiespeicher (© Fraunhofer Umsicht)

Das Ziel der Forscher ist, in Zukunft nicht nur eigene Großstacks mit der neuen Bipolarplatte zu realisieren, sondern eine weltweite Vermarktung mit Partnern der Industrie. Unterstützt werden sie dabei nicht nur vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und dem Forschungszentrum Jülich, sondern auch von Saueressig. Das vom Unternehmen eingebrachte Maschinen- und Verfahrens-Know-how für Rolle-zu-Rolle-Fertigung soll eine gleichmäßige Produktqualität in Kombination mit dem Kostensenkungspotenzial einer großskaligen Produktion ermöglichen.

Es soll erstmalig eine kontinuierliche Fertigung von dünnen hochgefüllten Graphitplatten mit integrierter Einbringung von komplexen Strukturen (Prägewalzen) aufgebaut sowie eine kontinuierliche Fertigung getestet und demonstriert werden. Zugleich soll die hohe Qualität aus dem Laborversuchen erhalten bleiben und eine Qualitätskontrolle entwickelt werden. Parallel dazu soll im Labormaßstab die flexible Bipolarplatte für HT-PEM FC weiterentwickelt werden, was neue Kunststoffmischungen und höhere Prozesstemperaturen (>300 °C) erfordert.

Grundlage dafür ist ein von Fraunhofer Umsicht entwickeltes und zum Patent angemeldetes Verfahren (DE 10 2013 107 514, Verfahren zur Herstellung eines Verbundhalbzeugs) für die kontinuierliche Fertigung von Graphit-Kunststoff Verbundmaterialien. Gleichzeitig ermöglicht es ein materialschonendes Verarbeiten von thermoplastischen Kunststoffen, wodurch die bisherigen positiven Materialeigenschaften übertroffen werden sollen. Im Gegensatz zu bisherigen Bipolarplatten können die so gewonnenen Graphitplatten miteinander sowie mit artgleichen Fügepartnern stoffschlüssig verschweißt werden und seien zusätzlich flexibel und somit breit einsetzbar. (me)

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