Hochgefüllte Graphit/Polymer-Komposite
Ein Forschungsthema der Abteilung ist die Entwicklung von hochgefüllten Graphit/Polymer-basierten Materialien mit bis zu 90 Ma% Graphit. Diese Materialien können als Bipolarplatten in Brennstoffzellen bzw. Redox-Flow-Batterien eingesetzt werden. Voraussetzung dafür ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit. Damit können metallische Bipolarplatten substituiert werden, deren hohes Gewicht, hoher Materialpreis und geringe chemische Beständigkeit nachteilig sind. Außerdem können die entwickelten Graphit/Polymer-Rezepturen auch als Platten in planaren Wärmetauschern Einsatz finden, wofür eine hohe Wärmeleitfähigkeit angestrebt wird. Für beide Anwendungen ist die hohe Korrosionsbeständigkeit von Graphit/Polymer-Materialien gegenüber z. B. Säuren (Batterie) oder Salzwasser und Elektrolyten (Wärmetauscher) von großer Bedeutung.
Bipolarplatten
Eine Herausforderung ist es, die Sprödigkeit des bis zu 90 Ma% Graphit enthaltenden Materials zu verringern, ohne dabei die elektrische und thermische Leitfähigkeit zu reduzieren. Die innovative Idee des IPF war es, eine elastomere Komponente einzubinden und das Konzept der Polymerblends anzuwenden. Für Polypropylen mit 80 Ma% Graphit zeigten mechanische Untersuchungen, dass der Zusatz von 6 Ma% Elastomer zu einer Steigerung der Schlagzähigkeit auf 220% und der Biegedehnung auf 460%, jedoch zu einer Reduzierung der Biegefestigkeit auf 40% im Vergleich zu einer Rezeptur ohne Elastomer führt. Gleichzeitig konnte die Verarbeitbarkeit deutlich verbessert werden.
Rezepturen aus verschiedenen Polymeren (Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylidenfluorid (PVDF)) und Graphiten entwickelt und untersucht. Es wurden thermische Leitfähigkeiten von bis zu 26 W/(m·K) sowie elektrische Leitfähigkeiten von bis zu 34 S/cm erreicht. Als erfolgversprechendste Varianten erwiesen sich für Bipolarplatten Komposite basierend auf PVDF. In einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle, die von der Firma Eisenhuth GmbH & Co.KG aufgebaut wurde, konnte gezeigt werden, dass die Stromdichte im Vergleich zu herkömmlichen PP/Graphit-Platten verdoppelt ist.
Wärmetauscherplatten
Für die Anwendung im Wärmetauscher wurden neben den Wärmeleitfähigkeiten auch die Wärmeübertragungskoeffizienten der Materialien bestimmt. Für PP-, PE- und PVDF-basierte Kompositmaterialien wurde durch die Graphitzugabe jeweils eine Verfünffachung des Wärmeübertragungskoeffizienten erreicht im Vergleich zum reinen Polymer. Damit kann bei gleicher Fläche die fünffache Wärmemenge übertragen werden beziehungsweise für eine gleichbleibende Wärmemengenübertragung die Fläche des Wärmetauschers auf 20% reduziert werden. Zusätzlich führt der Zusatz von Graphit bei PVDF-basierten Wärmetauscherplatten zu einer deutlichen Kostenreduzierung gegenüber reinen PVDF-Platten. Mögliche Einsatzgebiete sind die Kühlung von Redox-Flow-Batterien und die Temperierung von Salzwasserbecken.
Ansprechpartner
Dr. Beate Krause
Dr. Petra Pötschke
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