KMU-innovativ – Innovativ-Compound

KMU-innovativ - Verbundprojekt Klimaschutz: Weiterentwicklung von elektrisch und thermisch leitfähigen Kunststoffcompounds mit Funktionalitäten für den Einsatz in Wärmetauschern und Brennstoffzellen

Teilprojekt 5

Entwicklung von Redox-Flow-Batterien

Laufzeit: 01.03.2016 bis 31.08.2018

Fördersumme: 85.914,00 €

Projektvolumen: keine Angabe
 

ausführende Stelle:

Kessen Maschinenbau GmbH
Nordholter Str.  1a
49632 Essen bei Oldenburg

zum Internetauftritt

Zuwendungsempfänger:

Kessen Maschinenbau GmbH

zum Internetauftritt

Fördergeber: BMBF, Referat 723

Förderkennzeichen: 01LY1512E

Projektträger: PT-DLR

Leistungsplansystematik:
FA1021 Mitigation

Förderprofil: Forschung und Entwicklung zur Daseinsvorsorge

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Teilprojektes

Herausforderungen und Ziele

Hochgefüllte graphitbasierte Kunststoffcompounds ermöglichen eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie ausgezeichnete chemische und mechanische Integrität. Allerdings stellt der Weiterverarbeitungsprozess (Spritzgießen oder Pressen) hohe Anforderungen an die Materialeigenschaften. Dafür wurden im Verbundvorhaben zunächst Compounds und Blends entwickelt, welche sich durch ihre physikochemischen Eigenschaften (z. B. mechanisches Verhalten, Mischungs- und Schmelzverhalten) für das jeweilige Fügeverfahren eignen. Der Schwerpunkt des Forschungsprojekts lag dabei auf der Technologieentwicklung zum Fügen von Bauteilen. Neben der mechanischen Festigkeit, Fluiddichtheit und Leitfähigkeit im Fügebereich spielten auch optische Merkmale, wie beispielsweise der Schmelzeaustrieb, eine wichtige Rolle. Als Fügeverfahren wurde das Kleben und das Schweißen der Probekörper untersucht und an die Anforderungen der hochgefüllten Kunststoffkomposite angepasst.

Das Ziel des Forschungsprojekts war die Bereitstellung und Weiterentwicklung von elektrisch und thermisch leitfähigen Materialien mit einer im Vergleich zu dem im BMBF-Verbundprojekt „ImpactBlend“ (Förderkennzeichen: 01LY1307A-G) verwendeten Materialien verbesserten Verarbeitbarkeit und Fügbarkeit. Die hergestellten, innovativen Materialien sollen für den Einsatz in Technologien zur Steigerung der Energieeffizienz sowie zur direkten Minderung von Kohelndixoid-Emissionen in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen eingesetzt werden. Dazu gehören u. a. Redox Flow-Batterien, welche zur Erzeugung und Speicherung von sauberer bzw. regenerativer Energie eingesetzt werden. Während des Forschungsprojekts wurden Fügeverfahren entwickelt, welche die Integration hochgefüllter Materialien in eine Brennstoffzelle, Redox-Flow-Batterie oder einen Wärmetauscher ermöglichen.

Die Firma Kessen hat insgesamt drei Redox-Flow-Batterie-Stacks aufgebaut und getestet.


Inhalt und Arbeitsschwerpunkte

Es wurde ein Batterie-Stack aus zwei Zellen und dem Bipolarplatten-Werkstoff PPG86 (ImpactBlend) aufgebaut. Im Hinblick auf die Erfahrungen mit dem Stack aus dem BMBF-Verbundprojekt „ImpactBlend“ wurde dieser für das Projekt Innovativ-Compound konstruktiv überabeitet und neu aufgebaut. Diesmal wurde der neue Werkstoff basierend auf einer PVDF-Matrix für die Bipolarplatten verwendet. Anschließend wurde der Stack von zwei auf drei und auf zehn Zellen skaliert. Parallel dazu wurde das Pumpsystem verbessert, um den Fluss des Elektrolyten besser steuern zu können.

Die guten mechanischen Eigenschaften des Compounds erlauben es, die Anschlusskontakte direkt in die erste bzw. letzte Zellenwand einzubauen. Diese Maßnahme erspart den Einbau einer Kontaktplatte aus Kupfer, die man besonders aufwendig vor Kontakt mit dem Medium schützen müsste. Die Bipolarplatten lassen sich gut verkleben. Ein großer Nachteil ist, dass es sehr aufwändig ist, diese Platten zu verkleben, ohne dabei die feinen Kanäle zum Verteilen des Elektrolyten mit zu verstopfen. Anstelle einer Flächenverklebung wurde eine Flachdichtung aus FKM (Fluorkarbon-Kautschuk) zwischen den Bipolarplatten eingesetzt. Dies vereinfacht die Montage und ermöglicht eine Demontage des Stacks. Für diesen Aufbau war es lediglich sinnvoll, die Medium leitenden Anschlüsse mit den Kontaktplatten zu verkleben, um die Bruchgefahr der Platten an diesen Stellen zu verringern.

Zum Ermitteln der elektrischen Eignung des Compounds für den Aufbau einer Redox-Flow-Batterie wurden zahlreiche Lade- und Entladeversuche durchgeführt.


Nutzung der Ergebnisse und Beitrag zur Energiespeicherung

Die mechanischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften des Compounds sind für Anwendungen dieser Art völlig ausreichend, wenngleich sich nicht klären ließ, wie sich der Werkstoff in einem Langzeittest verhält. Das Compound hat eine gute Druckfestigkeit und Elastizität, sodass die Bruchgefahr beim Zusammensetzen der Zellen niedrig ist. Mit dem Zwei-Komponenten-Klebstoff K3 ließen sich die Anschlüsse aus PVC für die Medien gut an der Bipolarplatte befestigen.

Es konnten leichte Abnutzungen an allen scharfen Kanten, welche vom Elektrolyt umströmt wurden, beobachtet werden. Durch ein überarbeitetes Design der Bipolarplatten könnte dieser Effekt aber stark reduziert oder vielleicht komplett vermieden werden.

Die chemische Resistenz gegenüber dem Vanadiumelektrolyten ist erwartungsgemäß sehr gut. Die elektrische Leitfähigkeit war für den Aufbau eines Stacks von bis zu zehn Zellen ausreichend, wobei man bei einer industriellen Anwendung die Rezeptur des Compounds noch leicht zugunsten der besseren Leitfähigkeit abstimmen könnte, um der Wärmeentwicklung entgegenzuwirken.

Der Werkstoff "InnovativCompound" ist beständig gegenüber Schwefelsäure, weist eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit auf und bringt mechanisch eine ausreichende Druck- und Zugfestigkeit mit, um in einem größeren Batterie-Stack verbaut zu werden. Weitere Versuche zum Ermitteln der optimalen Ladeparameter und der Grenzleistung beim Entladen in Bezug auf Wärmeentwicklung laufen weiter.

Die ermittelten Ergebnisse lassen sich für die Planung und Auslegung eines größeren Batterie-Stacks nutzen. Die Vorteile des neuen Werkstoffs ermöglichen eine Anwendung in Redox-Flow-Batterien und den Einsatz von gängigen Vanadium-Elektrolyten. Insbesondere die Möglichkeit von Klebeverbindungen vereinfacht den Aufbau der Anschlüsse für die Elektrolytzuführung im Vergleich zu Bipolarplatten aus Reingraphit. Im Laufe des Projekts wurden für die wichtigsten konstruktiven Details (u. a. Dichtungen, Schlauchanschlüsse, elektrische Kontaktierung) Lösungen gefunden und im Betrieb getestet.

Die Versuchsreihen der Lade- und Entladezyklen haben gezeigt, dass die Gesamtleistungsfähigkeit des Stacks trotz der Abnutzungserscheinungen an den Bipolarplatten mit der Zeit steigt. Um diese Alterungserscheinungen zu minimieren, ist die Vermeidung von scharfen Kanten und der Einsatz von verrundeten Geometrien im Elektrolytkanal notwendig.

Quelle: Abschlussbericht zum Verbundvorhaben INNOVATIV Compound - Weiterentwicklung von elektrisch und thermisch leitfähigen
Kunststoffcompounds mit Funktionalitäten für den Einsatz in Wärmetauschern und Brennstoffzellen, Förderkennzeichen: 01LY1512A-G, Osterode am Harz, 30.10.2018;
https://www.tib.eu/de/suchen/?tx_tibsearch_search%5Bdocid%5D=TIBKAT%3A1663505934&tx_tibsearch_search%5Bcontroller%5D=Download&cHash=f28cb12c3d8b4b953e37e2ea12171210#download-mark (Stand: 12.03.2020)


Laufzeit der angegebenen Teilprojekte: 01.03.2016 bis 31.08.2018
Fördersumme der angegebenen Teilprojekte: 85.914,00 €
Projektvolumen der angegebenen Teilprojekte: keine Angabe

Teilprojekt 5: Entwicklung von Redox-Flow-Batterien

Förderkennzeichen: 01LY1512E

Kessen Maschinenbau GmbH
49632 Essen bei Oldenburg

Fördergeber: BMBF, Referat 723

Projektträger: PT-DLR

Leistungsplansystematik:
FA1021 Mitigation

Förderprofil: Forschung und Entwicklung zur Daseinsvorsorge

Förderart: PDIR

Ausführliche Beschreibung des Verbundprojektes

Herausforderungen und Ziele

Für Brennstoffzellensysteme und Redox-Flow-Batterien müssen Stacks aus Bipolarplatten hergestellt werden, die so miteinander verbunden werden, dass durch Gasdichtheit eine hohe Effizienz und Prozesssicherheit bei der Stromerzeugung resultiert. Bei Wärmetauschern müssen die Fügestellen aufgrund des druckbehafteten Fluidstroms hohen mechanischen Belastungen standhalten. Wärmetauscher und Brennstoffzellensysteme werden daher meist aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Metalle zeigen im Gegensatz zu Kunststoffen sehr gute leitfähige Eigenschaften sowie ein gutes Umform- und Fügeverhalten. Kunststoffe aber, weisen neben der hervorragenden Verfügbarkeit und dem geringen Materialpreis ein geringes Gewicht und eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf. Deswegen eignen sich Kunststoffe ideal für den Einsatz in Bipolarplatten und Wärmetauscherplatten.

Ein erstes Ziel des Verbundvorhabens war die Entwicklung von elektrisch und thermisch leitfähigen Kunststoffen, die als Bipolarplatte in Redox-Flow-Batterien bzw. Wärmetauscherplatten eingesetzt werden können. Hierfür wurde durch die Kombination von Füllstoffen mit unterschiedlichen Partikelgrößen ein Synergieeffekt genutzt, wodurch ein besseres elektrisch leitfähiges Netzwerk ausgebaut werden konnte. Dadurch konnten zum einen die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Kunststoffcompounds erhöht werden und zum anderen wurde der Materialpreis reduziert.

Ein weiteres Ziel war das Fügen von hochgefüllten leitfähigen Kunststoffen durch das Zusammenbringen von mehreren Platten durch Kleben bzw. den Einsatz eines Kunststoffschweißverfahrens. Im Hinblick auf die Anwendung wurde einerseits ein Verfahren entwickelt, bei dem der elektrisch und thermisch leitfähige Teil der Bipolar- bzw. Wärmetauscherplatte aus einem hochgefüllten Compound gepresst und anschließend durch Klebe- bzw. Schweißtechnik mit anderen Komponenten verbunden wurde.

Des Weiteren wurden druckfeste und fluiddichte Wärmetauscher-Geometrien durch ein hierfür konfiguriertes Fügeverfahren für die Anwendung in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) entwickelt. Ausgehend von den mechanischen Herausforderungen dieses neuartigen Bauteilverbunds wurden systematische Untersuchungen zur Rezepturentwicklung und Fügetechnologie von leitfähigen Compounds zusammen mit einem geeigneten Rahmenmaterial vorgenommen. Der Materialverbund wurde in Versuchsanlagen gebrauchsnah getestet. Ebenfalls wurden Kunststoffcompounds entwickelt, welche die Korrosionsstabilität von Wärmetauschern deutlich erhöhen und beispielsweise zur Beheizung von Aquakulturen eingesetzt werden können. In diesem Fall wird oftmals mit aggressiven Medien wie Salzwasser gearbeitet, sodass der Werkstoff sowie die Fügeverbindung den hohen Anforderungen standhalten muss.

Durch den Einsatz neuer Graphitcompoundrezepturen konnten die genannten Technologien derart weiterentwickelt werden, dass sie aufgrund ihrer verbesserten Effizienz und ihrer Kostenstruktur zukünftig voraussichtlich in großem Maße wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar sind und potenziell eine wirtschaftlich darstellbare Energiespeicherung mit Rückverstromung sowie eine verbesserte Energieeffizienz ermöglichen. Außerdem konnten völlig neue Anwendungsfelder durch die neuartigen Compounds eröffnet werden. Insgesamt hat dieses Projekt auch einen wichtigen Beitrag zur Einsparung von Energie, zur Ressorcenschonung und letztlich auch zur Verminderung der CO2-Emmission geleistet. Sowohl die neu entwickelten Kunststoffcompounds als auch die neu etablierten Fügetechniken haben dazu beigetragen, das Einsatzfeld von regenerativ erzeugten Energien durch chemische Zwischenspeicherung der Energie zu erweitern.

Quelle: Abschlussbericht zum Verbundvorhaben INNOVATIV Compound - Weiterentwicklung von elektrisch und thermisch leitfähigen
Kunststoffcompounds mit Funktionalitäten für den Einsatz in Wärmetauschern und Brennstoffzellen, Förderkennzeichen: 01LY1512A-G, Osterode am Harz, 30.10.2018;
https://www.tib.eu/de/suchen/?tx_tibsearch_search%5Bdocid%5D=TIBKAT%3A1663505934&tx_tibsearch_search%5Bcontroller%5D=Download&cHash=f28cb12c3d8b4b953e37e2ea12171210#download-mark (Stand: 12.03.2020)


Kurzkategorisierung

Energiespeichertypen

Redox-Flow-Systeme

Anwendungsfelder

stationär

Förderempfänger

Industrie

schwarze Schlagworte: charakterisieren das Teilprojekt
graue und schwarze Schlagworte: charakterisieren das komplette Verbundprojekt


Schlagworte zum Teilprojekt

Energiespeichertyp

Redox-Flow-Systeme protische Elektrolyte einphasig (flüssig) All-Vanadium

Forschungsgegenstand

Zelle Bipolarplatte

Forschungsbereiche

Material-, Bauteil- und Systementwicklung Bauteil- und Komponentenentwicklung

Analytik und Charakterisierung Material-, Bauteil und Systemcharakterisierung

Anwendungsfelder

stationär

Förderempfänger

Industrie Anlagen-, Maschinenbau und Automatisierung Förderanlagen

Industrie Sondermaschinenbau

Teilprojektleiter

Herr André Kessen
Kessen Maschinenbau GmbH
Nordholter Str.  1a
49632 Essen bei Oldenburg

Telefon: +49 5438 9588-47
Kontaktformular


Verbundprojektleiter

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