SB_00044N

2024

Abschlussbericht

DVS-Forschung

Konzept, klebtechnische

Fertigung und Funktion

von Brennstoffzellen-

Demonstratoren

auf Basis nachwachsender

Rohstoffe

Konzept, klebtechnische

Fertigung und Funktion von

Brennstoffzellen-

Demonstratoren auf Basis

nachwachsender Rohstoffe

Abschlussbericht zum

Forschungsvorhaben

IGF-Nr.: 00.044

DVS-Nr.: 08.3547

Technische Universität Braunschweig

Institut für Füge- und Schweißtechnik

Zentrum für BrennstoffzellenTechnik

ZBT GmbH

Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer

Institut für Holzforschung Wilhelm-

Klauditz-Institut, WKI

Förderhinweis:

Das IGF-Vorhaben Nr.: 00.044 N / DVS-Nr.: 08.3547 der Forschungsvereinigung

Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,

wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen

Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der

Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online

abrufbar unter: http://dnb.dnb.de

© 2024 DVS Media GmbH, Düsseldorf

DVS Forschung Band 603

Bestell-Nr.: 170713

Kontakt:

Forschungsvereinigung Schweißen

und verwandte Verfahren e.V. des DVS

T +49 211 1591-0

F +49 211 1591-200

forschung@dvs-home.de

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vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die

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Schlussbericht vom 28.05.2025

zum IGF-Vorhaben FKZ 01IF00044EL

Thema

Konzept, klebtechnische Fertigung und Funktion von Brennstoffzellen-Demonstratoren auf Basis nachwachsender

Rohstoffe

Berichtszeitraum

01.11.2021 bis 31.12.2024

Forschungsvereinigung

Schweißen und verwandte Verfahren des DVS e.V.

Aachener Str. 172

40223 Düsseldorf

Forschungseinrichtung(en)

Technische Universität Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik (IFS)

Langer Kamp 8

38106 Braunschweig

ZBT - Zentrum für Brennstoffzellen-Technik GmbH (ZBT)

Carl-Benz-Straße 201

47057 Duisburg

Fraunhofer Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI)

Riedenkamp 3

38108 Braunschweig

IGF-VORDRUCK DLR-PT Stand: Januar 2025

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ..........................................................................................................................4

1.1 Problemstellung und Motivation........................................................................ 5

1.2 Zielsetzung ....................................................................................................... 6

1.3 Stand der Technik ............................................................................................ 6

1.3.1 Brennstoffzellen ................................................................................................ 6

1.3.2 Klebtechnik ....................................................................................................... 9

1.3.3 Biobasierte Brennstoffzellenkomponenten ..................................................... 10

1.4 Forschungshypothese und methodischer Ansatz ........................................... 13

2. Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse ...........................................................................16

2 ........................................................................................................................ 17

2.1 Arbeitspaket 1: Erstellung eines Lastenhefts (ifs & ZBT & WKI) .................... 17

2.2 Arbeitspaket 2: Konzeptionierung der Fügeschritte (ifs)................................. 19

2.2.1 Baltic Zelle ...................................................................................................... 20

2.2.2 Aufbau Zelle (ZBT-Testdesign) und daraus resultierender

Brennstoffzellenstack...................................................................................... 24

2.2.3 Klebstoffeinsatz .............................................................................................. 28

2.2.4 Technologieauswahl und Umsetzung ............................................................. 33

2.2.5 Teilflächige Klebstoffapplikation im FlowField ................................................ 33

2.2.6 Stromabnehmer sowie Rand- und Isolierplatte ............................................... 38

2.3 Arbeitspaket 3: Charakterisierung der Oberflächen und Klebstoffe (ifs & ZBT)39

2.3.1 Oberflächenvorbehandlung (Corona und Plasma) ......................................... 39

2.3.2 Verwendete Anlagentechnik ........................................................................... 40

2.3.3 Eingesetzte Materialien .................................................................................. 41

2.4 Arbeitspaket 4: Fügen von Versuchszellen, BPP und Endplatten (ifs & ZBT) 48

2.4.1 Applikationstreffen am ifs ............................................................................... 48

2.4.2 Planare Anforderungen an Ausgangsbauteile ................................................ 50

2.4.3 Qualitätskontrolle durch µCT .......................................................................... 53

2.4.4 Kupfer PC Compound .................................................................................... 55

2.4.5 Verzug bei geklebten Bauteilen ...................................................................... 55

2.4.6 Kupfer PC/ABS Compound Holz - fully bonded Stack .................................... 61

2.5 Arbeitspaket 5: Herstellung und Tests von 1 Zellern (ifs & ZBT) .................... 63

2.6 Arbeitspaket 6: Herstellung und Tests von 5 Zellern (ifs & ZBT) .................... 69

2.7 Arbeitspaket 7: Langzeituntersuchung (ifs & ZBT) ......................................... 72

2.8 Arbeitspaket 8: Wirtschaftlichkeitsanalyse und Ökologische HotSpot Analyse82

2.9 Arbeitspaket 9: Dokumentation und Workshop .............................................. 99

Seite 2

2.10 Ausblick ........................................................................................................ 100

Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF00044EL

3. Verwendung der Zuwendung .........................................................................................101

4. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .............................................107

5. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten

Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen

Anwendungsmöglichkeiten ............................................................................................108

6. Wissenstransfer in die Wirtschaft ...................................................................................110

- Durchgeführte Transfermaßnahmen ..............................................................................110

- Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit .................................112

7. Literaturverzeichnis ........................................................................................................113

8. Literaturverzeichnis / Bibliography ...............................................................................113

9. Förderhinweis ................................................................................................................118

10. Angaben über gewerbliche Schutzrechte .........................................................................119

11. Kurzzusammenfassung ...................................................................................................120

12. Danksagung ...................................................................................................................122

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1. Einleitung

Die Europäische Union (EU) verfolgt das Ziel, bis spätestens 2050 klimaneutral zu werden. Die

Förderung von Wasserstoffstrategien. Insbesondere grüner Wasserstoff, der mittels erneuerbarer

Energien produziert wird, ist ein zentraler Baustein dieses Vorhabens. Im Juli 2020 präsentierte die

EU-Kommission eine umfassende Wasserstoffstrategie mit dem Ziel die Wasserstoffproduktion zu dekarbonisieren

und ein integriertes, klimaneutrales Energiesystem zu etablieren.

Auf nationaler Ebene strebt Deutschland an, bereits bis 2045 klimaneutral zu sein [1]. Ein wesentliches

Instrument zur Erreichung dieses Ziels ist die im Juni 2020 verabschiedete Nationale Wasserstoffstrategie

(NWS), welche im Juli 2023 fortgeschrieben wurde. Diese Strategie zielt darauf ab, die

Erzeugung von klimaneutralem Wasserstoff zu fördern und Deutschland zu dem führenden Anbieter

modernster Wasserstofftechnologien weltweit zu machen. Bis 2030 sollen Wasserstoffelektrolyseure

mit einer Gesamtleistung von zehn Gigawatt installiert werden [2].

Um einen erfolgreichen Markthochlauf von Wasserstofftechnologien zu unterstützen, ist es notwendig

entsprechend leistungsfähige Technologien zu erforschen und diese der Industrie mit möglichst

geringen Einstiegshürden bereitzustellen. Das soll dazu beitragen, den CO₂-Ausstoß in den Bereichen

Industrie, Verkehr und Energie gemäß den Vorgaben zu reduzieren und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit

der deutschen Wirtschaft zu stärken.

Angesichts der drängenden Herausforderungen des Klimawandels und der globalen Bemühungen

um eine nachhaltige Energiezukunft rücken emissionsfreie und hocheffiziente Energiewandler zunehmend

in den Fokus. Brennstoffzellen gelten hierbei als zukunftsweisende Technologie, da sie im Gegensatz

zur Verbrennung fossiler Energieträger keine CO₂-Emissionen verursachen und gleichzeitig

deutlich effizienter arbeiten [3, 4]. Während konventionelle Kraftwerke auf der Basis von Wärme-Kraft-

Prozessen nur begrenzte Wirkungsgrade erreichen und dabei einen erheblichen Teil der eingesetzten

Energie in Form von Abwärme verlieren, wandeln Brennstoffzellen chemische Energie direkt und verlustarm

in elektrische Energie um [5]. Auch im Vergleich zu anderen regenerativen Energien wie Windoder

Solarenergie, die naturgemäß fluktuieren und somit auf effiziente Speicherlösungen angewiesen

sind, bieten Brennstoffzellensysteme den Vorteil einer bedarfsgerechten und dezentralen Energieerzeugung

– insbesondere, wenn sie mit grünem Wasserstoff betrieben werden, der zuvor aus überschüssigem

Strom erzeugt wurde.

Ein besonders vielversprechender Typ ist die Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-

Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle), die aufgrund ihrer kompakten Bauweise, schnellen Reaktionsfähigkeit

und niedrigen Betriebstemperaturen (typisch 60–80 °C) vielfältig einsetzbar ist [5]. Sie eignet

sich sowohl für den mobilen Bereich – etwa in Fahrzeugen, Zügen oder Schiffen – als auch für stationäre

Anwendungen wie in der Hausenergie- und Wärmeversorgung, industriellen Anlagen oder Rechenzentren.

Gerade im stationären Betrieb lässt sich die Brennstoffzelle ideal mit Konzepten der Kraft-

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Wärme-Kopplung (Combined Heat and Power, CHP) kombinieren, wodurch neben Strom auch nutzbare

Wärme bereitgestellt wird [6].

Im Kontext von Power-to-X-Konzepten, der Umwandlung überschüssiger erneuerbarer Energie in

energiereiche und speicherbare Stoffe wie Wasserstoff oder Methan spielen Brennstoffzellen ebenfalls

eine zentrale Rolle [7–9]. Während Elektrolyseure zur Herstellung von Wasserstoff aus grünem Strom

dienen, können Brennstoffzellen diesen Wasserstoff bei Bedarf wieder rückverstromen. Darüber hinaus

sind Brennstoffzellen einfach zu skalieren, wodurch mit geringem Aufwand eine entsprechende

Anpassung an den Leistungsbedarf stattfinden kann. Dies macht sie zu einem essenziellen Baustein

in zukünftigen, sektorgekoppelten Energiesystemen, in denen Strom, Wärme, Mobilität und industrielle

Prozesse intelligent und ressourcenschonend miteinander vernetzt werden.

1.1 Problemstellung und Motivation

Mit der zunehmenden Bedeutung der Brennstoffzellentechnologie im Hinblick auf den Energiewandel

rückt nicht nur die Funktionalität, sondern auch die ökologische Gesamtbilanz der eingesetzten Materialien

in den Fokus. Vor diesem Hintergrund gewinnt der Einsatz biobasierter Materialien entlang der

Wertschöpfungskette zunehmend an Bedeutung. Biobasierte Klebstoffe, die auf nachwachsenden

Rohstoffen basieren, ermöglichen eine ressourcenschonende und potenziell CO₂-neutrale Verbindungstechnik.

Speziell bei der Herstellung und Abdichtung von Komponenten innerhalb des Stacks

können biobasierte Klebstoffe eine elementare Rolle spielen. Bereits durchgeführte Forschungsprojekte

wie zum Beispiel „Thermoaktivierbare Bio-Klebstoffe“ (ThermoBiK) haben gezeigt, dass biobasierte

Polyurethanklebstoffe die Treibhausgasemissionen um mehr als 25 % gegenüber herkömmlicher

erdölbasierter Polyurethanklebstoffe reduzieren können [10]. Ebenso werden biobasierte Thermoplaste

als Matrixmaterialien für spritzgegossene Bauteile (Bipolarhalbplatte) in der Brennstoffzelle für

das Forschungsvorhaben FV Bio in Betracht gezogen. Diese müssen eine ausreichende mechanische

Stabilität und chemische Beständigkeit bieten. Darüber hinaus werden eine verbesserte Recyclingfähigkeit

und eine geringere Umweltbelastung gegenüber erdölbasierten Kunststoffen angenommen.

Beispielsweise werden im Projekt FC-Bio thermoplastische Bipolarplatten aus nachwachsenden Rohstoffen

entwickelt, die mittels Spritzgusses kostengünstig hergestellt werden können. Ergänzend dazu

bieten holzbasierte Randplatten eine nachhaltige Alternative zu konventionellen, aluminiumbasierten

Werkstoffen. Durch die Integration solcher Materialien wird angenommen, dass Umweltwirkungen über

den gesamten Lebenszyklus der Brennstoffzelle hinweg reduziert und neue Wege hin zu einer bioökonomisch

orientierten Kreislaufwirtschaft beschritten werden können.

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Diese Entwicklungen zeigen, dass die Transformation zu einer klimaneutralen Energietechnologie

nicht allein über die Antriebstechnologie erfolgt, sondern auch durch die konsequente Substitution konventioneller

Materialien durch biobasierte Alternativen entlang der gesamten Prozesskette unterstützt

werden kann.

Bislang existieren weder auf Basis anderer experimenteller Forschungsprojekte noch auf industriell

umgesetzten Produktlösungen Mögliche Referenzen, die im großen Stil biobasierte Materialien, oder

sogar Holz als Werkstoff in der Brennstoffzelle einsetzen. Somit ist das Zusammenspiel der Substitution

oben genannter Werkstoffe für konventionelle Werkstoffe und Fügeverfahren eine erstmalige Herausforderung.

Der vollständige Austausch durch biobasierte Materialien ist zwar das grundsätzlich erklärte

Ziel, jedoch muss auch die Bauteilleistung berücksichtigt werden. Somit muss das maximale,

aber dennoch funktionstüchtige Verhältnis zwischen biobasierten und konventionellen Materialien gefunden

werden.

Gerade im Kontext zunehmender Nachhaltigkeitsanforderungen und EU-Vorgaben zur Kreislaufwirtschaft

(z. B. EU Green Deal, REACH-Verordnung) könnte der Einsatz biobasierter und lösungsmittelfreier

Klebstoffe nicht nur ökologische Vorteile, sondern auch regulatorische Erleichterungen und

Marktvorteile für Hersteller und Anwender mit sich bringen. Für kleine und mittlere Unternehmen aus

den Bereichen Klebstoffchemie, Fügetechnik und Materialverarbeitung ergibt sich daraus ein zukunftsträchtiges

Innovationsfeld mit hoher Relevanz für den Transfer in industrielle Anwendungen.

1.2 Zielsetzung

Das Teilprojekt 1 – Joint and Function greift an dem Punkt die Ergebnisse der anderen drei Teilprojekte

(TP2: Wooden Endplate, TP3: Compound and Filler und TP4: Bio Adhesives) auf und untersucht

das Zusammenspiel dieser. Das erklärte Ziel für Teilprojekt 1 ist somit die in den einzelnen Teilprojekten

als erfolgreich und betriebstauglich geprüften Materialien über geeignete und zu definierende Fügeverfahren

gemeinsam in einen Brennstoffzellenstack zu kombinieren und eine möglichst hohe Anzahl

an funktionsnahen Betriebsstunden zu generieren. Die dabei regelmäßig durchgeführten Systemshutdowns

und erneuten Anläufe, sowie die kontinuierlich erfassten Parameter wie Betriebstemperatur,

Nennstrom und -spannung des Brennstoffzellenstacks lassen eine genaue Analyse der Leistungsfähigkeit

und Dauerbeständigkeit des Materialverbunds zu.

1.3 Stand der Technik

1.3.1 Brennstoffzellen

Die strategische Bedeutung der Brennstoffzellentechnologie spiegelt sich auch in einer Reihe nationaler

und internationaler Leuchtturmprojekte wider, die als Vorreiter für eine breitere Markteinführung

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dienen. So etwa das Projekt „Elektra“, bei dem ein emissionsfreies, wasserstoffbetriebenes Schubboot

für die Berliner Binnenschifffahrt entwickelt wurde [11]. Es kombiniert Batterien mit Brennstoffzellen

und beweist die Machbarkeit klimafreundlicher Schwerlastmobilität auf dem Wasser. Ein weiteres Beispiel

ist das Projekt „GetH₂“ in Lingen, das unter Beteiligung von RWE eine 100-MW-Elektrolyseanlage

zur Herstellung von grünem Wasserstoff vorsieht [12]. Das Ziel hierbei ist den Energiebedarf von Industrie

und Mobilität langfristig CO₂-frei zu gestalten. Auch regionale Netzwerke wie HZwo e.V. in

Sachsen treiben die Entwicklung voran, indem sie praxisnahe Anwendungen wie brennstoffzellenbetriebene

Flurförderfahrzeuge oder modular skalierbare Versorgungssysteme für Gewerbe und Industrie

entwickeln [13].

Diese Beispiele weisen das enorme Potenzial der Brennstoffzelle auf. Speziell für die Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle

(NT-PEM-BZ). Diese agiert dabei als Schlüsselkomponente

für eine nachhaltige, sichere und unabhängige Energieversorgung der Zukunft.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Brennstoffzellentechnologie rückt nicht nur die Funktionalität,

sondern auch die ökologische Gesamtbilanz der eingesetzten Materialien in den Fokus.

Brennstoffzellen tragen zur dezentralen und individuell steuerbaren Energieversorgung bei. Die ist

aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperaturen und ihrer Überlegenheit im diskontinuierlichen Betrieb

sowohl für den stationären als auch für den mobilen Einsatz geeignet. Als Werkstoffe für bipolare Halbplatten

können neben Metallen auch thermoplastische Kunststoffe verwendet werden. Diese haben

den Vorteil einer im Verhältnis zu metallischen Platten, einfacheren Herstellung, da die Bauteile aufgrund

ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und elektrischen Kontaktierung keine kostenintensive

Nachbearbeitung benötigen. Allerdings stellen die Umgebungsbedingungen im Betrieb einige

Herausforderungen an die einzusetzenden Materialien. Die permanente Feuchtigkeit, der Einsatz von

vollentsalztem Wasser (VE-Wasser), eine schwefelsaure Umgebung bei 85°C Betriebstemperatur,

hohe geforderte elektrische Leitfähigkeit und Undurchlässigkeit gegenüber der Permeation von Wasserstoff.

Um das Potenzial biobasierter Werkstoffe zu demonstrieren, wurden im Projekt Klebstoffe sowohl für

die Abdichtung als auch für die leitfähige Klebung aller Verbindungen innerhalb einer vollgeklebten

Brennstoffzelle entwickelt und getestet.

Brennstoffzellen ermöglichen eine sehr effiziente und lokal emissionsfreie elektrische Energieversorgung

mobiler und stationärer Anwendungen. Sie stellen einen elektrochemischen Energiewandler

dar, welcher auf direktem Weg chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie umsetzt. Die

Energieumwandlung verläuft durch räumliche Trennung eines Brenngases (z.B. Wasserstoff) und Oxidationsmittels

(z.B. Sauerstoff) mit Hilfe einer ionenleitfähigen Membran. Als Reaktionsprodukte werden

elektrischer Strom, Wasser und Wärme gebildet. Die Stromerzeugung findet im Vergleich zu konventionellen

Verfahren mittels Wärme-Kraft-Maschinen in nur einem Schritt statt, wodurch ein wesentlich

höherer Wirkungsgrad erreicht wird [14].

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Für niedrige Betriebstemperaturen und diskontinuierlichen Betrieb bietet sich vor allem die Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran

(NT-PEM) Brennstoffzelle an [15]. Eine Einzelzelle besteht dabei

aus einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA), verschiedenen Dichtungen und zwei Bipolarhalbplatten

(BPHP) zur Medienversorgung bzw. Kühlung und elektrischen Kontaktierung (

Abbildung 1, links) [16]. Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe Spannung liefert,

werden üblicherweise Reihenschaltungen mehrerer Zellen, sogenannte Stacks, eingesetzt und über

die Endplatten mittels Zugelementen (z.B. Zuganker, Spannbänder, etc.) miteinander verpresst [17].

Es ist dabei zwingend erforderlich, dass der gesamte Stack gleichmäßig und mit definierten Kräften

verpresst wird, um die Funktionalität der Dichtungen sowie einen guten elektrischen Kontakt zwischen

den Bipolarplatten und den Elektroden zu gewährleisten.

Abbildung 1 (rechts) zeigt den Aufbau solcher NT-PEM-Stacks.

Abbildung 1: Aufbau einer NT-PEM-Zelle (links); Aufbau eines PEM Stacks (rechts)

Neben der MEA ist die Bipolarplatte das wichtigste Wiederholelement einer Brennstoffzelle, weil sie

den volumetrisch und gravimetrisch größten Anteil an einem Stack ausmacht und dessen Leistungsfähigkeit

durch die Vielfalt an Funktionen (Medien zu- und abführen sowie trennen; Strom und Wärme

abführen) und Attributen (Inertheit, thermische und elektrische Leitfähigkeit, Mediendichtheit und -beständigkeit

gegen Wasserstoff, VE-Wasser, Glykol und ggfs. Sauerstoff) maßgeblich bestimmt [18]. Als

Werkstoff für die Bipolarplatten haben sich neben metallischen und duromeren auch thermoplastische,

polypropylengebundene Graphit/Ruß-Mischungen (Compound) etabliert [19]. Diese zeichnen sich im

Vergleich zu duromer-gebundenen BPP durch kostengünstige Fertigungsverfahren (Spritzgießen /

Walzen) und im Vergleich zu metallischen Bipolarplatten durch eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit

ohne kostenintensive Beschichtungen aus [20]. Aus diesem Grund und durch die umfangreich

vorhandene Erfahrungsbasis im Rahmen vorheriger IGF-Projekte [21–23] werden die graphitischen

Bipolarplatten in diesem Vorhaben betrachtet.

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Der Schritt nach der aktiven Zeit einer Brennstoffzelle wird durch die Entwicklung geeigneter Debonding

Prozesse im Rahmen des Forschungsvorhabens Stack to Piece (Stack2P) betrachtet [24].

Hierbei untersuchen mehrere Fraunhofer Institute zusammen mit der OpenHybridLabFactory in Wolfsburg

die Möglichkeiten einer industriellen Demontage und der Überführung der eingesetzten Materialien

in geeignete Recyclingprozesse. Stack2P ist Teil des nationalen Aktionsplans zur Brennstoffzelleproduktion

(H2Go) [25].

1.3.2 Klebtechnik

Im Zuge des zunehmenden Bedarfs an leichteren, kompakteren und effizienter herstellbaren Brennstoffzellensystemen

gewinnt das Kleben als moderne Fügetechnologie innerhalb der Zell- und Stackmontage

stetig an Bedeutung. Insbesondere in Anwendungen, bei denen herkömmliche mechanische

Verfahren wie Verschrauben, Verpressen oder Schweißen an konstruktive und materialtechnische

Grenzen stoßen – etwa durch begrenzten Bauraum, unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten

der Materialien oder hohe Toleranzanforderungen – stellt das Kleben eine äußerst flexible und

vielversprechende Alternative dar

Klebstoffe ermöglichen eine stoffschlüssige Verbindung verschiedenartiger Materialien und können

gleichzeitig zusätzliche Funktionen übernehmen, wie die Dichtwirkung, elektrische Isolation oder gezielte

Kontaktierung, Schwingungsdämpfung oder die Egalisierung topografischer Inhomogenitäten. In

Brennstoffzellen-Stacks kommen Klebverbindungen beispielsweise beim Abdichten von Medienführungen,

beim Fügen und elektrischen Kontaktieren von Bipolarplatten sowie zur Fixierung von Gasdiffusionslagen,

Stromabnehmern oder weiteren Funktionseinheiten zum Einsatz. Dabei müssen Klebstoffsysteme

vielfältigen Anforderungen gerecht werden – von chemischer Beständigkeit gegenüber

Wasserstoff, Kühl- und Reaktionsmedien (z. B. VE-Wasser, Glykol) über Temperatur- und Alterungsbeständigkeit

bis hin zur mechanischen Langzeitstabilität unter statischer und zyklischer Belastung.

Derzeitige Entwicklungsziele zielen darauf ab, geeignete Klebstofflösungen mit angepassten rheologischen,

chemischen und thermischen Eigenschaften zu identifizieren, ihre Verarbeitung prozesssicher

in bestehende Fertigungslinien zu integrieren und ihre Langzeitstabilität unter realen Betriebsbedingungen

abzusichern. Dies erfordert ein tiefgreifendes Verständnis sowohl der materialseitigen Eigenschaften

als auch der prozessspezifischen Einflussgrößen wie Fügeparameter, Aushärtungsverhalten,

Oberflächenvorbehandlung und Qualitätssicherung.

Die bislang aufwändige und manuell geprägte Fertigung von Zellen in einem NT-PEM-Stack begrenzt

deren Anwendbarkeit in hochvolumigen Anwendungen wie der Automobilindustrie, oder in modularen

stationären Systemen. So benötigen konventionelle Dichtungslösungen hohe Anpressdrücke,

woraus sich komplexe Geometrien und gewichtsintensive Spannelemente ergeben. Im Rahmen mehrerer

IGF-Forschungsvorhaben wurden daher klebgerechte Stackdesigns entwickelt, die gezielt auf

eine Reduktion der Komponentenanzahl, eine Vereinfachung der Stackgeometrie sowie eine verbesserte

Automatisierbarkeit abzielen.

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Die bislang erreichten Lebensdauern von 1.000–1.500 Stunden unter realitätsnahen Testbedingungen

sind ein erster positiver Nachweis der Funktionalität, reichen aber noch nicht an die industriell

geforderten Betriebszeiten von >5.000 Stunden heran. Hier besteht weiterhin Forschungsbedarf in Bezug

auf Alterungsmechanismen, Medienwechselwirkungen und thermomechanische Zyklisierung.

Ein noch offener Bereich betrifft die Verfügbarkeit biobasierter Klebstoffsysteme für den Einsatz in

der Brennstoffzelle. Derzeit sind keine kommerziell verfügbaren Klebstoffe bekannt, die auf nachwachsenden

Rohstoffen basieren und gleichzeitig die notwendigen Eigenschaften für den Einsatz in NT-

PEM-Stacks erfüllen. Hierbei ist die Begrifflichkeit „biobasierte Brennstoffzelle“ klar abzugrenzen von

Systemen, die biogene Energieträger (z. B. Bioethanol, Biogas) als Betriebsstoff nutzen. Vielmehr geht

es um die stoffliche Substitution fossiler Polymergrundlagen im Klebstoffsystem selbst. Zum Beispiel

durch Epoxidharze auf Lignin-, Stärke- oder Proteingrundlage.

Im industriellen Umfeld werden bereits die ersten Klebstoffe beworben, welche für den Einsatz in

der Brennstoffzelle entwickelt sind. Die Firma Delo stellt zum Beispiel verschiedene Klebstoffe zur Verfügung,

unter deren Einsatz Bipolarplatten hergestellt werden können [26]. Die Klebstoffe sind entweder

voraktivierbar, oder lichthärtend.

Am Fraunhofer IFAM wird neben der Dienstleistung zur fachgerechten konstruktiven Auslegung der

Bauteile und einer Auswahlhilfe für die richtigen Klebstoffe ebenfalls die Anwendbarkeit einer „cure in

place“ Lösung als Alternative zum Festkörperdichtstoff untersucht [27]. Darüber hinaus wird angestoßen,

dass maßgeschneiderte Prüfnomen entwickelt werden. Diese sollen den Anforderungen in der

Brennstoffzellenumgebung entsprechen, damit die Eignung von Klebstoffen spezifisch überprüft werden

kann.

Die Firma Wevo Chemie GmbH bietet bereits vom ZBT Duisburg als einsatztauglich geprüfte Produkte

in Form von Silikonen und Polyurethanen für den Einsatz in der PEM-Brennstoffzelle an [28].

1.3.3 Biobasierte Brennstoffzellenkomponenten

Für einzelne Komponenten der Brennstoffzelle gibt es bereits unterschiedliche Ansätze, um eine biobasierte

Substitution von bislang etablierten Materialien zu erreichen. Der klassische Aufbau eines

Brennstoffzellenstacks mitsamt einer Brennstoffzelle sowie der mittelbaren und unmittelbaren Peripherie

ist in

Abbildung 2 als Explosionszeichnung dargestellt. Nachfolgend werden die möglichen biobasierten Ersatzmaterialien

für die jeweiligen Bauteile vorgestellt.

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Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines Brennstoffzellenstacks

Für die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) stellt das 2021 gegründete schwedische StartUp

Cellfion eine biobasierte Membran-Alternative bereit. Die Grundlage der biobasierten Membran ist Nanocellulose,

welche aus Holz gewonnen wird [29, 30]. Das ermöglicht, für die gewöhnlich auf per- und

polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) aufgebauten Membranen eine auf biobasierten Materialien basierende

Alternative anzubieten. In (QUELLE, DOS SANTOS) wird ebenfalls Nanozellulose verwendet,

um eine für die Brennstoffzelle einsetzbare MEA herzustellen. Bei dieser Variante werden die Zellulosefasern

zusätzlich modifiziert. Zum einen werden Hydroxylgruppen selektiv zu Carboxylgruppen oxidiert

(TEMPO-oxidation), zum anderen werden die Zellulosefasern chemisch mit Sulfongruppen funktionalisiert.

Für graphitische Bipolarplatten, welche üblicherweise aus einem für den Spritzgussprozess geeigneten

Thermoplasten. Wichtig ist hierbei die Unterscheidung der einzelnen Betriebstemperaturbereiche

unterschiedlicher Brennstoffzellen. Der Fokus des Forschungsvorhabens FC Bio liegt auf der

Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-BZ). Für diesen Typ bieten

sich die Materialien Polypropylen, Polyethylen, Polyetheretherketon, Polyetherimide, Polyamid und Polyphenylensulfid

als Matrix für die Bipolarplatte an [31–34]. Für die biobasierte Substitution der auf

fossilen Materialien beruhenden Werkstoffe gibt es ebenfalls erste Ansätze. Das Unternehmen Bio

Innovation mit Firmensitz in Schweden verwendet für die Bipolarplatten Bio Carbon, welches durch die

Karbonisierung verschiedener Hölzer gewonnen wird [35, 36].

Darüber hinaus gibt es weitere biobasierte Varianten für die Brennstoffzelle, welche auf der Verwendung

von Enzymen als Katalysator beruhen, um Platin als Standardkatalysator zu ersetzen [37],

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oder aber auch den Einsatz von mikrobiellen Brennstoffzellen, bei denen elektrischer Strom aus biologisch

abbaubaren organischen Stoffen gewonnen wird [38].

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1.4 Forschungshypothese und methodischer Ansatz

Basierend auf dem Stand der Technik und den eigenen Vorarbeiten lautet die Forschungshypothese

für das durchgeführte Projekt:

„Der Einsatz biobasierter Materialien – insbesondere biobasierter Klebstoffe, thermoplastischer Compounds

und holzbasierter Strukturbauteile – ermöglicht eine funktional gleichwertige und ökologisch

vorteilhafte Substitution konventioneller Materialien in PEM-Brennstoffzellensystemen, ohne die technische

Leistungsfähigkeit oder Dichtintegrität signifikant zu beeinträchtigen.“

Diese Hypothese wird durch die Untersuchungen in den später vorgestellten Arbeitspaketen

verifiziert. Speziell untermauert wird sie durch die drei Aspekte der funktionellen Gleichwertigkeit, der

ökologischen Vorteilhaftigkeit und der späteren Systemintegration ohne Leistungseinbußen. Das bedeutet,

dass Brennstoffzellen, welche durch biobasierte Materialien aufgebaut sind, mindestens vergleichbare

Leistungsdaten, wie die auf konventionelle Materialien beruhenden Referenzbauteile aufweisen.

Durch den Einsatz der biobasierten Materialien kann ein ökologisch relevanter verminderter

Einsatz von fossilen Ressourcen nachgewiesen werden. Bei dem Zusammenspiel von neuartigen Holzendplatten,

biobasierten Klebstoffen und biobasierten Compoundmaterialien lassen sich vergleichbare

Systeme verwenden, wie bei den Referenzbauteilen. Darüber hinaus weisen die biobasierten

Bauteile vergleichbare Werte in Dichtigkeit und Langzeitverhalten auf.

Zur systematischen Erreichung der Projektziele wird ein mehrstufiges methodisches Vorgehen

verfolgt. Zu Beginn steht die Entwicklung eines grundlegenden Lastenhefts (AP1), das alle relevanten

Betriebsparameter sowie nicht verwendbare Materialien oder Komponenten auflistet. Dadurch wird ein

definierter Handlungsrahmen geschaffen, der als Grundlage für die gezielte Neuentwicklung biobasierter

Materialien dient, die sich für den Einsatz in PEM-Brennstoffzellen eignen.

Im nächsten Schritt werden Fügekonzepte entwickelt (AP2), die eine toleranzarme und reproduzierbare

Fertigung sowohl einzelner Komponenten als auch vollständiger Brennstoffzellenstacks ermöglichen.

Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der klebtechnischen Integration biobasierter Werkstoffe

unter Serienfertigungsbedingungen. Parallel dazu wird ein Ansatz zur Recyclingfähigkeit defekter

Zellen aus dem Stack erarbeitet, um nicht nur ökologische, sondern auch wirtschaftliche Nachhaltigkeit

sicherzustellen.

Die zur Verfügung gestellten Materialien aus den Teilprojekten werden einer umfassenden

Oberflächencharakterisierung unterzogen (AP3), um deren Benetzungsverhalten, chemische Zusammensetzung

sowie potenzielle Wechselwirkungen mit Klebstoffsystemen zu analysieren. Darauf aufbauend

erfolgt eine gezielte Oberflächenvorbehandlung mittels Atmosphärendruckplasma oder Corona

der Feststoffe, um optimale Voraussetzungen für die klebtechnische Prozessführung zu schaffen.

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In AP4 – Fügen werden unterschiedliche Bauteile klebtechnisch miteinander gefügt. Dabei handelt

es sich um Bipolar-, End- und Randplatten. Hierbei ist die Erfüllung der im Lastenheft festgehaltenen

Zielwerte wie elektr. Leitfähigkeit, Permeabilität und grundsätzliche Dichtigkeit gegenüber der Umgebung

zu berücksichtigen.

Zur Validierung der Konzepte werden zunächst Einzelzellen (1-Zeller) basierend auf den Geometrien

der sogenannten Baltic-Zellen hergestellt (AP5). Diese dienen zur Erprobung unterschiedlicher

FlowField-Strukturen sowie Basismaterialien und Klebstoffe unter realitätsnahen Einsatzbedingungen.

Im Anschluss daran werden bei diesen geklebten Zellen ebenfalls elektrische Leitfähigkeitsmessungen

vorgenommen, um Aussagen über Kontaktqualität und potenzielle Übergangswiderstände treffen zu

können.

Darauf aufbauend werden laborerprobte Brennstoffzellenstacks (5-Zeller) gefertigt, welche in

speziell dafür vorgesehenen Messständen am ZBT hinsichtlich ihrer Dichtheit, elektrischen Leitfähigkeit

sowie der wesentlichen Betriebsparameter Spannung (U) und Stromdichte (I) untersucht werden

(AP6). Abschließend erfolgen Langzeituntersuchungen ausgewählter Stacks, um potenzielle Degradationserscheinungen

unter praxisnahen Betriebsbedingungen zu identifizieren und daraus Rückschlüsse

auf die Materialbeständigkeit und Alterung der eingesetzten biobasierten Komponenten zu

ziehen (AP7).

Parallel zu den praktischen Versuchen findet eine Wirtschaftlichkeitsanalyse statt, welche den

ökologischen Fußabdruck und eine potenzielle CO 2 Reduktion, der bis zum DesignFreeze entwickelten

Materialien betrachtet (AP8).

Im letzten Arbeitspaket wird die in der Projektlaufzeit fortlaufende Dokumentation sowie ein praxisnaher

Workshop für den projektbegleitenden Ausschuss (PA) festgehalten (AP9).

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Im methodischen Ansatz sind die oben beschriebenen Arbeitspakete optisch zusammengefasst (Abbildung

3).

Abbildung 3: Methodischer Ansatz Teilprojekt 1: Joint and Function mit Unterteilung in einzelne Arbeitspakete

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2. Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse

Nachfolgend sind die durchgeführten Arbeiten anhand der Arbeitspakete aufgeführt. Das KickOff

Projekttreffen für den Start aller vier Teilprojekte fand am 19.01.2022 online statt. Am 26.04.2023 sowie

am 14.11.2024 fanden jeweils Gesamtprojekttreffen aller vier Teilprojekte mit dem projektbegleitenden

Ausschuss am ZBT in Duisburg statt. Für das Teilprojekt 1 wurden jeweils am 14.12.2023 und am

11.9.2024 individuelle Projekttreffen durchgeführt.

Die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführten Arbeiten anhand der im Antrag aufgeführten

Arbeitspakete werden anschließend separat aufgeführt.

Bereits bei der Beantragung des Projekts wurde intensiv über eine Projekt- und Forschungsvorhabenübergreifende

Zusammenarbeit diskutiert. Speziell der zeitliche Verlauf der Teilprojekte und der

notwenige und mögliche Wissensaustausch innerhalb des Gesamtverbunds war ein essenzieller Baustein

für den Erfolg des Projekts. Aus diesem Grund wurde sowohl gemeinsam an einem Lastenheft

gearbeitet als auch ein gemeinsamer DesignFreeze für die zu erarbeitenden Inhalte, bzw. den Werkstoffen

(Bipolarplattenmaterial, Klebstoff, Holzendplatten) beschlossen. Das Teilprojekt 1, welches ab

einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Projekts auf die Ergebnisse der Teilprojekte 2,3,4 zugreift,

bildet somit sowohl die Basis für die Entwicklung eines biobasierten Brennstoffzellenstacks als auch

die finale Spitze der Forschungspyramide. Die grundsätzliche Struktur ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Schematischer Aufbau der Forschungsinhalte der einzelnen aufeinander aufbauenden Teilprojekte.

Teilprojekt 1 bildet mit der Definition des Lastenhefts die Basis und gleichzeitig auch den Abschluss mit den

Funktionstests und Dauerläufertests der zusammengeführten biobasierten Materialien, welche in den Teilprojekten

2,3,4 entwickelt werden

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2.1 Arbeitspaket 1: Erstellung eines Lastenhefts (ifs & ZBT & WKI)

In Zusammenarbeit der drei beteiligten Forschungseinrichtungen ifs, Fraunhofer WKI, und ZBT

wurde ein Lastenheft als zentrales Dokument der Projektplanung der Teilprojekte 2,3,4 für einen klebtechnischen

Aufbau eines Brennstoffzellenstacks erstellt. Das Lastenheft besteht aus einem allgemeinen

Teil, in denen die Betriebsbedingungen sowie mögliche Medienkontakte aller Komponenten im

Stack definiert sind. Der Anwendungsbereich wurde dabei auf die vier wesentlichen Bauteilelemente

(Endplatte, Stromabnehmer, MEA und BPHP) aufgeteilt.

Des Weiteren wurden die spezifischen Anforderungen aller TP im Lastenheft festgelegt. Dabei wurden

mittlere und maximale Parameter bestimmt, welche durch die zu entwickelnden Werkstoffe abzubilden

sind. Wenn möglich wurde eine Zielsetzung für spezielle Parameter (z.B. abzutestende Betriebsstunden,

elektr. Leitfähigkeit von geklebten Proben) festgesetzt.

Gesetzliche oder regulatorische Anforderungen wurden für diesen konkreten Fall nicht festgehalten.

Jedoch gibt es sowohl in der Literatur als auch in den Anforderungen verschiedener Anwender bestimmte

Materialien/Elemente, welche nicht in größeren Mengen in der Brennstoffzelle eingesetzt, bzw.

freigesetzt werden dürfen [39–47]. Andernfalls haben entsprechende Studien ergeben, dass es unter

Umständen zu Schäden an dem platingeladenen Katalysator kommen kann. Damit können sowohl die

Funktionalität an sich als auch die Langlebigkeit der Brennstoffzelle beeinträchtigt werden.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Allgemeinen- sowie Teilprojekt-spezifischen Anforderungen

aufgeführt.

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Tabelle 1: Lastenheft in Zusammenarbeit mit allen drei Forschungseinrichtungen

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2.2 Arbeitspaket 2: Konzeptionierung der Fügeschritte (ifs)

Für die Konzeptionierung der notwendigen Fügeschritte ist es unabdingbar die herzustellenden Proben

im Vorfeld zu definieren und auch zu unterscheiden. Für das Fügen von Versuchszellen wurden sogenannte

Baltic Zellen hergestellt. Diese haben einen eigenen Teststand und der Aufbau ist im Vergleich

zu den Bipolarplatten und Stacks mit dem ZBT-Testdesign einfacher gestaltet.

Tabelle 1 bietet eine Übersicht über die hergestellten Versuchsmuster und aus welchen Bauteilen die

jeweiligen Muster bestehen.

Tabelle 2: Übersicht über die hergestellten Versuchsmuster und die Anzahl der dafür notwendigen Bauteile

Bauteil Baltic Zelle 1 Zeller 5 Zeller Endblock Stack

BPHP (Baltic) 2 X X X X

MEA (Baltic) 1 X X X X

BPHP (ZBT Design) X 2 10 X 7

MEA (ZBT Design) X 1 5 X 7

Randplatte X X X ? 2

Stromabnehmer X X X 1 2

Isolatorplatte X X X 1 2

Endplatte X X X X 2

Die Bipolarplatten mit dem ZBT-Testdesign wurden bereits in vorangegangenen Forschungsvorhaben

eingesetzt. Durch die erneute Verwendung kann auf einen hohen Erfahrungswert bei der

Handhabung und eine hohe Anzahl an Referenzmessungen zurückgegriffen werden.

Auf Basis der Bipolarplatten mit dem ZBT-Testdesign wurden aus i.O. geprüften Bipolarplatten,

bzw. i.O. geprüften geklebten Zellen, vollständig geklebte Stacks hergestellt.

Neben den einzelnen Fertigungsschritten wurden die hergestellten Zellen und Stacks am ZBT hinsichtlich

ihrer Funktionstauglichkeit und Dichtigkeit überprüft. So sollte vermieden werden, dass im späteren

Testandsbetrieb ein Stack aus Ausschuss deklariert wird, weil eine Zellklebung fehlerhaft war. Während

die Prüfungen am ZBT Auskunft über die elektrischen Widerstände der Proben, ihre Dichtigkeit,

bzw. eventueller Leckagen gibt, ist es nicht möglich in eine Zelle oder einen Stack „hinein“ zu schauen.

Aus diesem Grund wurden ausgewählte Proben zusätzlich zu den ZBT-Prüfungen am ifs in Braunschweig

mit einer µCT-Untersuchung charakterisiert. Die µCT-Untersuchung hat den Vorteil, dass mit

einer hohen volumetrischen Auflösung in den Stack oder die Zelle geschaut werden kann, nachdem

sie klebtechnisch gefügt wurden.

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Verwendete Materialien bzw. Probentypen

2.2.1 Baltic Zelle

Für die Verwendung des Baltic Systems war die Entwicklung eines innovativen 25 cm² Zelldesigns

notwendig, das sich im Spritzgießverfahren herstellen lässt (Abbildung 5). Konventionell werden

solche Testzellen im Fräsverfahren hergestellt. Bedingt durch die Fließwege sowie der Oberflächeneffekt

im Spritzgießverfahren, können Abweichungen in den Zelleigenschaften zwischen den unterschiedlichen

Herstellungsverfahren auftreten. Durch die nun ermöglichte Herstellung von Spritzgießzellen

sollen die Untersuchungen zuverlässigere und realitätsnahe Ergebnisse liefern.

Abbildung 5: Spritzguss 25 cm² BPHP – Baltic BPHP

Die gewählte Kanalgeometrie orientiert sich am gegenwärtigen Stand der Technik und soll eine

möglichst gleichmäßige und vollflächige Gasverteilung ermöglichen. Durchgeführte Strömungssimulationen

in der Software FloEFD zeigen einen gleichmäßigen Druckabfall in allen Kanälen (Anode

37,22 mbar; Kathode 143,55 mbar) durch die eine entsprechende Gleichverteilung der Prozessgase

ermöglicht wird.

Abbildung 6: Strömungssimulation der 25 cm² BPHP, links Anode, rechts Kathode

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Die Baltic Zelle ist eine, im Vergleich zu den anderen im Projekt untersuchten Brennstoffzellen,

geometrisch betrachtet kleinere Brennstoffzelle. Die Grundfläche der Batlic Zelle beträgt 6 x 6 cm bei

einer Materialstärke der BPHP von 0,2 cm. Sie besteht aus einer oberen, einer unteren Bipolarhalbplatte

und einer dazwischen eingelegten MEA. Auf der aktiven Seite fällt der Dichtungsbereich im

Vergleich zur ZBT-Testzelle komplett weg. Die Dichtung gegen die Umgebung wird von der späteren

Vorrichtung im Teststand und dem äußersten Steg des FlowFields übernommen. Die beiden Rückseiten

der Bipolarplatten unterscheiden sich durch das Vorhandensein (untere), bzw. die Abwesenheit

(obere) von sogenannten Zentriernasen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Baltic Zelle, aktive Seite (links), Rückseite untere BPP (MItte), Rückseite obere BPP (rechts)

Mit Hilfe diesen Probentyps ist es möglich, mit geringem Aufwand Untersuchungen hinsichtlich der

Strom-Kennlinie und somit dem Verhalten der Brennstoffzelle durchzuführen. Variationen von in die

Matrix eingebetteten funktionellen Partikel, der Matrix selbst, oder auch dem FlowField der Bipolarplatten

können somit einfach durchgeführt werden. Weitere Vorteile liegen in der exakten Messung der

Einzelbauteile, den kontrollierten Testbedingungen und einer einfacheren Fehleranalyse durch die Reduktion

der Anzahl an benötigten Komponenten pro Probe.

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Abbildung 8 zeigt den schematischen Aufbau einer ganzheitlichen Baltic Zelle.

Abbildung 8: Schematischer Aufbau einer Baltic Zelle

Aufgrund der Größe und des speziellen Aufbaus kann bei diesem Brennstoffzellentyp auf eine Kühlseite

verzichtet werden, diese Funktion ist in den Teststand bereits integriert. In bereits vorangegangenen

Forschungsvorhaben ist die relative Lage der einzelnen Bauteile zueinander als ein essenzieller

Parameter im Herstellungsprozess festgestellt worden. Im Falle der Baltic Zelle überlappt die GDL der

MEA die Bipolarplatte nur um 1 mm pro Seite. Deshalb wurde für den Fügeprozess eine Vorrichtung

entwickelt, um die Bauteile möglichst präzise, aber auch wiederholgenau aufeinander zu kleben. Die

Vorrichtung sieht das jeweilige Einbetten der Bipolarhalbplatten in einen Rahmen, bzw. das Einlegen

in eine Basis vor. Über vier Nasen wird der Rahmen auf die Basis gesteckt. Zwischen die Bipolarplatten

wird die MEA eingelegt. In der Basis ist eine Vertiefung vorgesehen, durch welche die MEA gegen ein

Verrutschen beim Fügen gesichert wird. Abbildung 9 (links) zeigt die schematische Darstellung der

beschriebenen Fügevorrichtung für die Baltic Zelle, während in Abbildung 9 (rechts) die Aufsicht auf

eine bereits geklebte Baltic Zelle mit eingelegter MEA abgebildet ist. Der Überstand des GDL-Vlieses

der MEA lässt erahnen, wie gering die Verschiebetoleranz beim Fügen ist.

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Abbildung 9: Schematischer Aufbau der Baltic Fügevorrichtung (links) geklebte Baltic Zelle (rechts)

Neben der Berücksichtigung der Bauteilorientierung zueinander ist bei der Baltic Zelle ebenfalls zu

berücksichtigen, dass alle drei Bauteile (obere und untere BPP, MEA) in der grundsätzlich richtigen

Orientierung eingebaut werden. Beide BPP weisen ein FlowField auf, wodurch die zueinander gerichtete

Seite definiert wird. Jedoch kann beim Fügeprozess noch ein Fehler durch die falsche Rotationslage

der Bauteile erfolgen. Bei der MEA ist die Rotation nicht entscheidend, dafür aber welche Seite

der MEA zur oberen, bzw. zur unteren Bipolarplatte (Anode oder Kathode) zeigt. Eine MEA hat üblicherweise

einen mit Platin (Pt) beschichteten Katalysator. Die Seite der Anode und die Seite der Kathode

sind unterschiedlich schwer mit dem Katalysator beladen (Anode weniger, Kathode mehr). Die

eingesetzte Membran als Protonenleiter ist nur für H + Ionen und das auch nur in eine Richtung durchlässig.

Bei einer falschen Orientierung kann somit die Zelle entweder schlechtere funktionelle Eigenschaften

aufweisen, oder komplett defekt sein. Um einen Bauteildefekt aufgrund fehlerhaften Zusammenfügens

zu vermeiden, wurde die Fügevorrichtung um eine Anleitung diesbezüglich erweitert. So ist

in die Basis eine Aussparung für die vier Zentriernasen eingelassen und auf dem Rahmen ist die Orientierung

der MEA kenntlich gemacht. Weiterhin haben die untere und die obere BPP an jeweils punktsymmetrisch

um 90° gedrehten Positionen den Gasein- und -auslass. Dieses Merkmal wurde ebenfalls

in die Vorrichtung mit eingebaut. Die genaue Orientierung der beiden BPP zueinander und die der MEA

ist in Abbildung 10 dargestellt.

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Abbildung 10: Positionierung und Orientierung der BPP und MEA der Baltic Zelle zueinander

Für die Aushärtung des Klebstoffs unter Temperatur und Anpressdruck wurde für die Baltic

Zellen an die Bedingungen des ZBT-Designs der Testzellen angelehnt. Bei der Herstellung klebtechnisch

gefügter 50 cm² Zellen wird über eine Verspannvorrichtung ein Anpressdruck von 10 kN auf die

Projektionsfläche der Bipolarplatte ausgeübt. Die mit Klebstoff applizierte Fläche des ZBT-Designs liegt

bei 5465 mm². Daraus resultiert eine Flächenpressung von 1829 N/mm², bzw. 18 bar Anpressdruck.

Die Klebfläche einer Baltic Zelle entspricht 1381,95 mm². Wird ein vergleichbarer Anpressdruck angestrebt,

so ergibt das eine notwendige Anpresskraft von 2527,58 N während der Aushärtung einer geklebten

Baltic Zelle.

2.2.2 Aufbau Zelle (ZBT-Testdesign) und daraus resultierender Brennstoffzellenstack

Die Bipolarhalbplatten mit dem ZBT-Testdesign weisen geometrische Abmaße von 6,2 cm x 13,75 cm

x 0,3 cm auf. Sie sind jeweils mit einer Kühl- und einer aktiven Seite ausgestattet. Darüber hinaus

befinden sich an den kurzen Seiten drei durchgehende Ports (Zuführung: Wasserstoff, Sauerstoff,

Kühlmittel, Ausgänge: Wasserstoff, Sauerstoff, Kühlmittel). Im Vergleich zu den Baltic Zellen weist das

ZBT-Testdesign einen großzügigen Randbereich, bzw. Dichtbereich von ca. drei Millimetern auf. Im

späteren Betrieb findet die elektrochemische Reaktion im Bereich des FlowFields statt. Aus diesem

Grund ist für diesen Bereich eine besonders gute elektrische Kontaktierung der einzelnen Bauteile

untereinander wichtig. Ein gasdichtes Fügen ist in diesem Bereich nicht relevant. Im Randbereich hingegen

ist eine Abdichtung gegen die Umgebung essenziell. Bei einem Stack, der ausschließlich klebtechnisch

gefügt ist, wird darüber hinaus im Randbereich Kraft übertragen. Deshalb ist in diesem Bereich

die Anforderung an eine Klebung die Gasdichtigkeit und eine entsprechend hohe strukturelle

Festigkeit. In Abbildung 11 sind die beschriebenen Zonen dargestellt.

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Abbildung 11: Übersicht über die einzelnen Regionen und notwendigen Funktionen einer Bipolarhalbplatte

Die Fertigung eines geklebten Brennstoffzellenstacks kann auf verschiedene Weise durchgeführt

werden. Durch den Einsatz geeigneter Klebstoffe ist es grundsätzlich möglich, den Stack, vergleichbar

wie beim konventionellen Weg, in einem Durchgang aufzubauen, in dem alle Bauteile nacheinander

aufeinandergeschichtet werden. Vor dem Aufeinanderlegen eines jeden Bauteils (Endplatte, Stromabnehmer,

Bipolarhalbplatte) erfolgt die Klebstoffapplikation an den jeweiligen Stellen. Diese Variante hat

den Vorteil, dass der Stackaufbau ein zweistufiger Prozess (Schichten, Klebstoffaushärtung) ist, jedoch

ist bei einer Undichtigkeit eine sehr aufwändige Fehlersuche notwendig.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde deshalb ein segmentaler Aufbau vorgenommen, anstatt

alle Bauteile in einem Prozess zu fügen. Für die segmentale Herangehensweise kommen wiederum

zwei unterschiedliche Varianten für den Ablaufplan der Stackfertigung in Frage:

Variante A: Es wird aus zwei Bipolarhalbplatten eine kühlseitig geklebte Bipolarplatte hergestellt.

Variante B: Es werden aus zwei Bipolarhalbplatten und einer MEA eine aktivseitig geklebte Zelle hergestellt.

In beiden Fällen werden die hergestellten Bauteile am ZBT bezüglich der Dichtigkeit, elektrischen

Widerstände (nur Variante A) und ihrer geometrischen Maße dokumentiert. Bauteile, welche die

internen Spezifikationen nicht erfüllen, können auf diese Weise früh im Fertigungsprozess ausgeschlossen

werden, was eine spätere Fehlersuche stark vereinfacht. Im Laufe des Projektes wurden

auch bereits diese Zwischenstufen in Brennstoffzellenstacks eingebaut und geprüft.

Sobald die kühlseitig geklebten BPP, oder die aktivseitig geklebten Zellen zur Verfügung stehen,

besteht der nächste Schritt zum klebtechnisch gefügten Stack darin, dass die im Vorfeld hergestellten

Bauteile (A: Bipolarhalbplatte, bzw. B: geklebte Brennstoffzelle) gefügt werden. Bei Variante A

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wird zwischen zwei Bipolarplatten eine MEA eingelegt, bei Variante B werden zwei Zellen direkt über

die Kühlseite miteinander gefügt. Sobald dieser daraus resultierende Mittelblock an aufeinander geklebten

Zellen bereitsteht, erfolgt auch zu diesem Zeitpunkt eine Dichtigkeitsuntersuchung. Aufgrund

unterschiedlicher Bauteildicken der MEA von Randbereich zum Bereich der GDL kann es an dieser

Stelle zu einem möglichen Bauteilverzug kommen. Dieser wird speziell durch die bei der Aushärtung

des Klebstoffs beaufschlagte Anpresskraft und die Rückstellkraft der GDL gefördert. Aus diesem Grund

muss bei dem späteren Klebstoffeinsatz auf eine geeignete Maßnahme zur Schichtstärkeneinhaltung

geachtet werden. Vorzugsweise kommen für diesen Zweck Glaskugeln zum Einsatz. Schon bei geringer

Menge kann auf diese Weise eine bestimmte Klebschichtdicke erreicht werden, ohne dass der

Klebstoff in seinen funktionellen oder rheologischen Eigenschaften eingeschränkt wird.

Der geklebte Mittelblock muss im abschließenden Schritt mit einer Randplatte, einem Stromabnehmer

und einer Endplatte sowie Medienverteilerblöcken verbunden werden. Diese Einheit kann genauso

wie der Mittelblock zu einer eigenständigen Einheit klebtechnisch vorbereitet werden. Der detaillierte

Ablauf der Fertigung ist in Abbildung 12 dargestellt.

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Abbildung 12: Fließdiagramm mit Ablaufmöglichkeiten zur Fertigung eines klebtechnisch gefügten Stacks

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MEA Auswahl

Im Rahmen des Arbeitspakets wurden zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Herstellung der

Brennstoffzellen (Variante A) untersucht. Bei Möglichkeit 1 wurden BPHP und kommerziell erhältlichen

7-Layer-MEAs verwendet. Bei Möglichkeit 2 besteht die Zelle aus zwei BPHP, zwei GDLs und einer

innenliegenden Nafion-Membran. Die erste Variante zeichnet sich durch einen kompakten MEA-Aufbau

aus, was das Handling dieses Bauteils vereinfacht. Allerdings sind die Kontaktstellen der Klebung

von BPHP und die Randverstärkung der MEA aus Polyethylennaphthalat (PEN) anfällig für Wasserstoff-Leckagen

und die MEA ist nicht auf anpressdrucklosen Betrieb ausgelegt. Bei der zweiten Variante

wird die Membran direkt auf die GDL geklebt. Diese Verbindung ist weniger fehleranfällig, jedoch

kann das Handling bei trockener Umgebungsluft durch das mechanische Zusammenziehen der Membran

erschwert sein. Im Rahmen von Dichtheitstests am ZBT wurde festgestellt, dass sich beide Varianten

zur Herstellung der Brennstoffzellen eignen (

Abbildung 13). Aus Gründen der Handhabung wurde der Schwerpunkt auf die Klebung von

BPHP/7-Layer-MEA gelegt.

Abbildung 13: Dichtheitstests von Brennstoffzellen, bestehend aus zwei BPHP und einer innenliegenden 7-layer

MEA

2.2.3 Klebstoffeinsatz

Für das klebtechnische Fügen von Brennstoffzellenstacks und deren Komponenten bedarf es

besonderer funktioneller Klebstoffsysteme, welche im Teilprojekt 4 – biobasierte Klebstoffe entwickelt

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wurden. Die grundsätzlichen Anforderungen sind in (2.1) erläutert. Eine mögliche Unterscheidung zwischen

Randbereich und FlowField und den damit einhergehenden Anforderungen an den Klebstoff ist

in 2.2.2 vorgenommen. Somit kann zwischen einer Klebung im Randbereich (Dichten und Fixieren)

und einer Klebung im FlowField (elektrische Kontaktierung) unterschieden werden. Für den Randbereich

und für das FlowField können grundsätzlich unterschiedliche Klebstoffe in Betracht gezogen werden.

Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass für beide funktionelle Bereiche speziell darauf ausgerichtete

Klebstoffe verwendet werden können. Häufig ist der Einsatz eines Klebstoffs mit dem Kompromiss

verbunden, dass verschiedene Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden müssen. Für die aktive

Seite liegt der Kompromiss darin, dass im FlowField eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit bei

gleichzeitig hoher Beständigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung, oder schwefelsaurem Milieu

stattfinden muss. Darüber hinaus muss der Klebstoff die starre Oberfläche der Bipolarplatte mit der

mechanisch flexiblen Oberfläche de Gasdiffusionsschicht sowohl mechanisch als auch elektrisch verbinden.

Im Randbereich hingegen liegt die Hauptaufgabe des Klebstoffs darin eine Gasbarriere gegenüber

Wasserstoff und Sauerstoff zur Umgebung zu bilden damit keine Leckage entsteht. Hierbei kommt

der Klebstoff unweigerlich ebenfalls mit Sauerstoff und Wasserstoff in Verbindung. Die Anforderung

der Beständigkeit gegenüber stark verdünnter Schwefelsäure ist im Randbereich weniger gegeben.

Schwefelsäure ist ein guter Ionenleiter und befindet sich, wenn überhaupt vorhanden, im Bereich der

MEA. Bei dem Ziel eines vollständig geklebten Stacks kommt noch die mechanische Verbindung der

beiden Oberflächen der jeweiligen Bipolarplatte hinzu. Die Aufgabe, den Stack mechanisch zusammenzuhalten

und gleichzeitig einen Anpressdruck der Bauteile aufeinander auszuüben, wird üblicherweise

durch externe Verspannvorrichtungen bewältigt. Bei der Idee eines vollständig geklebten Stacks

werden die Verspannelemente wegrationalisiert und der Klebstoff übernimmt diese Aufgabe. Daraus

ergibt sich, dass auf den Klebstoff verschiedene Anforderungen fallen, welche mit nur einem Klebstoff

eventuell jeweils nur teilweise erfüllt werden können. Nichtsdestotrotz ist das erklärte Ziel für eine industrielle

Umsetzung eine Ein-Klebstoff-Lösung zu erarbeiten und bereitzustellen.

Für die Kühlseite ist eine solche Unterteilung nicht von Vorteil. Durch die elektrische Verteilung

vom FlowField durch die Bipolarhalbplatte bis hin zur Kühlseite ist die vollflächige Verwendung von

elektrisch leitfähigem Klebstoff ratsam, um eine möglichst große Kontaktfläche für die elektrische Kontaktierung

bereitstellen zu können. Nach dem Ohm´schen Gesetz ist die Erhöhung der Querschnittsfläche

des Leiters (in diesem Fall die mit Klebstoff zu benetzende Fläche der Bipolarhalbplatte) direkt

proportional zum spezifischen Widerstand des Materials, hier dem Verbund aus mehreren Bipolarplatten

(Gleichung (1)).

RR = σσ ∗ LL AA

(1)

Die oben beschriebenen Anforderungen je Funktionsfläche sind in Tabelle 3 noch einmal übersichtlich

zusammengefasst.

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Tabelle 3: Anforderungen an Klebung innerhalb der Zelle

Funktionsfläche Anforderung

FlowField

(aktive Seite)

Randbereich

(aktive Seite)

Kühlseite

(vollflächig)

- Elektrische Kontaktierung von GDL und BPP-Oberfläche

- Mechanische Kontaktierung von flexibler GDL und steifer BPP-

Oberfläche miteinander

- Hohe Fließfähigkeit für geeigneten Applikationsvorgang

- Geringe Fließfähigkeit, um vollflächige Benetzung der GDL zu

verhindern

- Chemische Beständigkeit gegen Wasserstoff, Sauerstoff, schwefelsaures

Milieu

- Hohe Permeationsbarriere gegen gasförmigen Wasserstoff und

Sauerstoff

- Chemische Beständigkeit gegen Wasserstoff und Sauerstoff

- Chemische Beständigkeit gegenüber vollentsalztem Wasser

- Elektrische Kontaktierung von Bipolarplatte zu Bipolarplatte

Für den vorliegenden Anwendungsfall stehen für die Klebstoffapplikation pauschal vier Applikationsvarianten

zur Verfügung: Das Walzen, das Dispensen, das Rakeln und der Stempeldruck (Abbildung

14).

Abbildung 14: Exemplarische Veranschaulichung der vier in Frage kommenden Applikationsverfahren

Der Walzprozess ermöglicht eine schnelle und gleichmäßige Applikation von Klebstoffen auf

großen, ebenen Flächen und ist besonders gut für kontinuierliche Fertigungsprozesse geeignet. Im

industriellen Maßstab lässt sich die Schichtdicke gut durch das Einstellen des Walzenspaltmaßes steuern.

Im Labormaßstab kommt eine händische Variante mit einer Silikonwalze in Frage. Hierbei lässt

sich die Schichtstärke sowohl über den Anpressdruck als auch über die Anzahl der Überfahrten der

Walze über das Bauteil regulieren. Der Prozess ist effizient, leicht automatisierbar und verursacht wenig

Ausschuss. Darüber hinaus werden die Ports nicht mit Klebstoff verengt. Nachteile bestehen bei

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komplexen Geometrien oder kleinere Applikationsflächen, was im vorliegenden Fall nicht zutrifft. Bei

2K Klebstoffsystemen kann die Topfzeit zu einer vermehrten Reinigung führen. In Abbildung 15 ist

exemplarisch die partielle Klebstoffapplikation auf der Kühlseite einer Bipolarplatte dargestellt. Durch

den klaren Schnitt zwischen appliziertem und nicht appliziertem Bereich ist der Unterschied gut darstellbar.

Auch die Grenzen zu den Kanälen und das kein Klebstoff reingedrückt wird ist gut erkennbar.

Abbildung 15: Exemplarische Walzenapplikation auf der Kühlseite einer Bipolarplatte

Der Rakelprozess bietet eine gleichmäßige, wiederholbare Applikation von Klebstoffen auf ebenen

Flächen und lässt sich gut im industriellen Maßstab mit hohen Stückzahlen übertragen. Durch

definierte Parameter wie Rakeldruck, Winkel und Geschwindigkeit lässt sich die Schichtdicke grundsätzlich

gut kontrollieren. Zudem ist der Prozess gut automatisierbar und damit effizient. Nachteile zeigen

sich bei der Empfindlichkeit gegenüber Materialeigenschaften – etwa Viskosität, oder bei zu großen

Partikeln in der viskosen Klebstoffphase. Diese Methode ist primär für plane Flächen geeignet und

stößt bei unregelmäßigen Geometrien an Grenzen. Das ist bis auf den Stromabnehmer bei allen anderen

Bauteilen der Fall, da diese Ports für die Medienkanäle aufweisen, welche nicht mit Klebstoff

verstopft oder verengt werden dürfen. Bei Versuchen im Labor zeigte sich auch, dass immer wieder

Graphit- oder Rußpartikel vor dem Rakel hängen geblieben sind, wodurch keine homogene Klebstoffschicht

auf der Oberfläche zu Stande kam. Aus diesem Grund wurde dieses Verfahren nicht gewählt.

Beim Dispensen im ifs Labor ist ausschließlich eine Raupenapplikation möglich. Dafür eignet

sich nur der Randbereich der aktiven Seite beim Kleben von Zellen (Abbildung 16). Dabei wird mittig

im Randbereich eine ausreichend dicke Klebraupe gelegt, welche beim Fügen der Bauteile in alle Richtungen

gequetscht wird. Dadurch soll erreicht werden, dass beide Oberflächen einen garantierten Kontakt

mit dem Klebstoff haben und ausreichend benetzt werden, was für die erforderliche Dichtwirkung

notwendig ist.

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Abbildung 16: Raupenauftrag mittels Dispenserapplikation auf den Randbereich einer Bipolarplatte

Der Stempeldruck ermöglicht eine präzise und saubere Applikation von viskosen Substanzen

auf definierte Bereiche, auch bei kleinen Strukturen oder unregelmäßigen Geometrien. Der Prozess ist

einfach umzusetzen, gut kontrollierbar und erzeugt kaum Materialverlust. Besonders bei diskreten Applikationen

bietet er hohe Wiederholgenauigkeit. Nachteile zeigen sich bei der begrenzten Geschwindigkeit,

was ihn für Massenfertigungen weniger effizient macht. Zudem unterliegt der Stempel mechanischem

Verschleiß, was regelmäßige Wartung oder Austausch erfordert. Auch ist die Klebstoffschichtdicke

oft begrenzt, was bei Anwendungen mit hohen Toleranzausgleichen problematisch sein kann.

Tabelle 4: mögliche Applikationsarten in Abhängigkeit von dem Applikationsort

Applikationsort Mögliche Applikationsart Fügepartner

Aktive Seite: FlowField Walzen, Drucken BPHP - MEA

Aktive Seite: Randbereich Walzen, Dispensen, Drucken BPP - MEA

Kühlseite: vollflächig Walzen, Drucken BPP – BPP

Randplatte: vollflächig Walzen, Drucken, Rakeln BPP - BPP

Stromabnehmer: vollflächig Walzen, Drucken, Rakeln BPP – Kupfer

Stromabnehmer: vollflächig Walzen, Drucken, Rakeln Kupfer - PC

Isolatorplatte: vollflächig Walzen, Drucken PC – Holz, Alu

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2.2.4 Technologieauswahl und Umsetzung

Der Walzenprozess mit einer Silikonwalze per Hand wurde in diesem Fall als das präferierte

System ausgewählt. Ergebnisse aus vorangegangenen Forschungsvorhaben haben gezeigt, dass damit

für den Labormaßstab ausreichend gute Ergebnisse produziert werden können, um die geklebten

Zellen und Stacks sowohl mediendicht als auch funktionstauglich miteinander zu fügen. Der Transfer

vom Labormaßstab zum industriellen Einsatz ist mit dem Walzenprozess ebenfalls gegeben, was in

[48] gezeigt werden konnte. Für den Klebstoffauftrag im Bereich des FlowFields ist der Raupenauftrag

sowohl in der Geschwindigkeit als auch der späteren Qualität der Klebebene unzureichend. Die Gefahr

das überschüssiger Klebstoff in die Kanäle gedrückt wird, ist dabei zu hoch. Im Randbereich hingegen

ist es unbedingt notwendig, dass in jedem Bereich ausreichend viel Klebstoff appliziert ist. Während im

FlowField eine inhomogene Klebschicht nicht von Bedeutung ist, würde solch ein Defekt im Randbereich

die hergestellte Zelle, den hergestellten Stack als n.i.O qualifizieren. In Tabelle 5 sind die ausgewählten

Applikationstechnologien in Abhängigkeit zum Applikationsort zusammengefasst.

Tabelle 5: ausgewählte Technologie in Abhängigkeit zur Applikationsfläche

Applikationsort

ausgewählte Applikationsart

Aktive Seite: FlowField

Aktive Seite: Randbereich

Kühlseite: vollflächig

Randplatte: vollflächig

Stromabnehmer: vollflächig

Stromabnehmer: vollflächig

Isolatorplatte: vollflächig

Walzen

Walzen, Dispensen

Walzen

Walzen

Walzen

Walzen

Walzen

2.2.5 Teilflächige Klebstoffapplikation im FlowField

Fugenband

Das Kleben der MEA mit seiner GDL an das FlowField der aktiven Seite einer Bipolarplatte

wurde noch weiter spezifiziert. Die eingesetzten 1K Klebstoffe härten unter Temperatureinfluss bei ca.

80°C aus. Während dieser Aushärtung reduziert sich die Viskosität des Klebstoffs deutlich, was zu

einem vermehrten Fließen führen kann. Die GDL als Fügepartner kann durch das Gelege der Karbonfasern

für niederviskose Materialien als eine Art Schwamm betrachtet werden. Überschüssiger Klebstoff

verteilt sich nicht nur vollflächig auf dem Flies, sondern wird auch von dem Vlies absorbiert. Eine

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reduzierte frei gasdurchlässige GDL-Fläche kann zu einer verringerten Sauerstoff-, bzw. Wasserstoffversorgung

der Membran und somit zu einer reduzierten Leistung der Brennstoffzelle führen. Beim

Walzprozess mit einer unstrukturierten Walze wird der Klebstoff vollflächig auf die Stege des Flow-

Fields appliziert. Um die mit Klebstoff versehene Fläche der Stege zu reduzieren, wurden zwei Herangehensweisen

ausgewählt: Das primäre Abkleben des FlowFields mit einem speziellen Gitterband und

die Verwendung von speziell entwickelten Silikonstempeln für einen Transferdruckprozess.

Für das Gitterband wurde ein Fugenband easy-tape der Firma Knauf verwendet. Das Fugenband

besteht aus einem regelmäßigen Gelege von Glasfasern mit einer Breite von 0,3 mm und einer

Faserdicke von 0,2 mm. Die Fasern liegen sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung in

einem Abstand von 2,6 mm voneinander entfernt. Das Fugenband ist mit einem Acrylat Haftklebstoff

versehen.

Dadurch, dass der Klebstoff im FlowField über den Walzenprozess aufgetragen wird, ist eine

gleichzeitige Applikation im umliegenden Randbereich unvermeidbar. Aus diesem Grund wurde der

Randbereich der aktiven Seite vor dem Aufbringen des Fugenbands zusätzlich mit einem Maskierband

abgeklebt (Abbildung 17) Im Anschluss an den Walzenauftrag werden Fugenband und Maskierband

wieder entfernt.

Abbildung 17: Mit Fugenband und Maskierband abgeklebte aktive Seite einer BPHP

Mit einem auf das FlowField aufgelegtem Gitterband wurde erzielt, dass nur in den freiliegenden

Stegflächen Klebstoff appliziert wurde. Beim Anschließenden Entfernen des Fugenbands ergab sich

somit eine strukturierte Klebstofffläche auf den Stegen des FlowFields (Abbildung 18).

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Abbildung 18: Auf FlowField aufgebrachtes Fugenband (links), BPHP nach Entfernen des Fugenbands (Mitte),

partiell applizierter Klebstoff im Detail (rechts)

Die applizierte Fläche der FlowField Stege hängt davon ab, in welcher Orientierung und Position

das Gitter aufgebracht wird (Überlappung freiliegende Gitterfläche mit Stegfläche). Für die Wiederholbarkeit

wurde das Gitter immer senkrecht, bzw. parallel zu den Kanälen und Stegen des FlowFields

ausgerichtet. Das berechnete Verhältnis des Fugengitters von freiliegender Fläche und umgebender

Glasfaser liegt im vorliegenden Fall bei 78,25 %. Somit kann durch den Einsatz des Fugengitters die

applizierte Klebstoffmenge um 21,75 % reduziert werden.

Druckstempel

Ein weiterer Ansatz die applizierte Klebstoffmenge zu reduzieren und gleichzeitig den Applikationsprozess

zu vereinfachen ist der Einsatz von Druckstempeln. Mit geeigneten Stempeln kann der

Klebstoff gezielt in definierten Bereichen appliziert werden, wodurch der Einsatz von Maskierband wegfallen

kann. Zusätzlich ist es möglich, die Kontur des Druckstempels so weit anzupassen, dass ein frei

wählbares Applikationsverhältnis eingestellt werden kann. Dadurch kann auch auf die Verwendung

eines Fugenbands verzichtet werden. Zu diesem Zweck wurden am ifs versuchsweise spezielle Druckstempel

auf Basis von Silikon (Wacker Elastosil M4643 AB) hergestellt. Durch die Verwendung von

generativ erzeugten Negativformen und einem anschließenden Abguss konnten speziell definierte

Stempel mit individuellen Druckmustern hergestellt werden (Abbildung 19).

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Abbildung 19: Übersicht möglicher Druckmuster in Stempelform (oben), Klebstoff auf Papier gedruckt (Mitte) und

Klebstoff auf das FlowField einer Bipolarplatte gedruckt (unten)

Für die Verwendung auf dem FlowField der BPHP wurde das Muster mit um 45° versetzten

parallelen Linien mit einem Abstand von jeweils 3 mm ausgewählt (Abbildung 20).

Abbildung 20: Druckplatte aus Silikon für die lokale Klebstoffapplikation auf dem FlowField

Der Silikonstempel wurde via Transferdruck verwendet. Ergänzend wurde eine zweiteilige Vorrichtung

entworfen, in der sowohl der Stempel auf der einen Seite als auch die BPHP auf der anderen

Seite fixiert werden. Über Führungsstifte können beide Teile zusammengeführt werden, wodurch eine

sehr gut wiederholgenaue Applikation des Klebstoffs auf dem FlowField erfolgt (Abbildung 21).

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Abbildung 21: Aktive Seite einer BPHP mit per Stempeldruck appliziertem Klebstoff; ganze Platte (links) und im

Detail (rechts)

Das FlowField weist ein Verhältnis von Stegen zu Kanälen von 1:1 auf. Bei einer vollflächigen

Klebstoffapplikation der Stege und der damit einhergehenden Benetzung der GDL würden 50 % der

GDL-Fläche mit Klebstoff für den Gastransport von den Medienkanälen hin zur Membran wegfallen. In

Abbildung 22 wurde Klebstoff auf 100 % der Stege im FlowField appliziert, ein GDL-Vlies aufgelegt und

der Klebstoff im Anschluss ausgehärtet. Beim Abziehen des Vlieses von der BPHP zeigt sich ein deutlicher

Übertrag vom Steg auf die GDL.

Abbildung 22: Klebstoffübertrag von Steg auf GDL-Oberseite nach Aushärtung bei vollflächiger Applikation

Im Vergleich dazu wurde bei einem zweiten Versuch der Klebstoff mit Hilfe des Druckstempels

und dem um 45° versetzten Muster auf das FlowField übertragen. Beim Abziehen des Vlieses nach

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der Klebstoffaushärtung ist ein deutlich anderer Übertrag zu erkennen (Abbildung 23). Ohne eine Berücksichtigung

von einem Verlaufen des Klebstoffs innerhalb der Vlies-Ebene (ähnlich wie in Versuch

#1) werden mit dieser Methode nur 10,6 % des Vlieses mit Klebstoff bedeckt.

Abbildung 23: Klebstoffübertrag von Steg auf GDL-Oberseite nach Aushärtung bei Applikation via Druckstempel

mit 45° Druckmuster

2.2.6 Stromabnehmer sowie Rand- und Isolierplatte

Den Anfang und das Ende eines Stacks (ausgenommen der Randplatten) bildet jeweils ein Paket aus Endplatte,

Stromabnehmerplatte und Isolatorplatte (siehe

Abbildung 2). Die Randplatte ist ähnlich wie eine Bipolarhalbplatte aufgebaut, weist jedoch auf

einer Seite keine Kühlstruktur auf und ist stattdessen plan. Mit dieser Seite wird die Endplatte auf eine

Kupferplatte, dem Stromabnehmer aufgelegt, bzw. im Rahmen von FC Bio geklebt. Die Kupferplatte

wiederum wird auf eine Kunststoffplatte, die Isolatorplatte, welche gleichzeitig auch als Medienverteiler

fungiert, geklebt. Zusätzlich ist angedacht die Isolatorplatte mit einer Tasche zu versehen, in der die

Kupferplatte versenkt werden kann. Damit wird gewährleistet, dass die Medienkanäle von Randplatte

und Isolatorplatte direkt aufeinanderliegen und keine weiteren Fittings oder Übergänge/Verbinder benötigt

werden. Schematisch ist dieser Aufbau in Abbildung 24 dargestellt. Im späteren Verlauf des

Projektes wurde der Aufbau modifiziert.

Abbildung 24: Schematische Darstellung der Einheit aus Taschen-Isolatorplatte-Stromabnehmer-Randplatte

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2.3 Arbeitspaket 3: Charakterisierung der Oberflächen und Klebstoffe (ifs & ZBT)

Für das erfolgreiche Klebfügen der Stackkomponenten ist die Ermittlung einer geeigneten Vorbehandlung

und die Charakterisierung der Oberflächen der zu klebenden Substrate und der zu verwendenden

Klebstoffe unabdingbar. Die dafür notwendigen Untersuchungen überschneiden sich mit

Teilprojekt 4.

2.3.1 Oberflächenvorbehandlung (Corona und Plasma)

Oberflächenbehandlungen spielen eine zentrale Rolle sowohl in der modernen Materialwissenschaft

und Fertigungstechnik als auch insbesondere der Klebtechnik. Die Benetzbarkeit von Oberflächen

durch viskose Systeme (z.B. Klebstoffe) ist von entscheidender Bedeutung. Zwei typischerweise

eingesetzte Techniken zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften sind die Plasma- und die

Corona-Oberflächenbehandlung. Beide Methoden zielen darauf ab, die Oberflächenspannung zu erhöhen.

Trotz ihrer ähnlichen Ziele unterscheiden sich die beiden Verfahren in ihrer Funktionsweise und

bieten gerade in Bezug auf den Einsatz bei compoundierten Kunststoffen für den Einsatz in der Brennstoffzelle

spezifische Vor- und Nachteile.

Die Plasma-Oberflächenbehandlung basiert auf der Erzeugung eines Plasmas, einem ionisierten

Gas, das eine Mischung aus Elektronen, Ionen, Radikalen und neutralen Atomen enthält. Diese

hochenergetischen Teilchen interagieren mit der Materialoberfläche und führen zu verschiedenen physikalischen

und chemischen Veränderungen. Das Plasma kann aus verschiedenen Gasen wie Argon,

Stickstoff, Sauerstoff oder Luft erzeugt werden, wobei die Wahl des Gases die Art der Oberflächenmodifikation

beeinflusst. Typischerweise werden durch die Plasma-Behandlung funktionelle Gruppen wie

Hydroxyl-, Carbonyl- oder Carboxylgruppen auf der Oberfläche erzeugt, die die Benetzbarkeit und Haftungseigenschaften

erheblich verbessern. Darüber hinaus kann das Plasma Verunreinigungen, organische

Rückstände und oxidierte Schichten von der Oberfläche entfernen, was zu einer sauberen und

reaktiven Oberfläche führt. Zudem kann die Plasma-Behandlung in einer Vakuumumgebung durchgeführt

werden, was eine sehr gleichmäßige und kontrollierte Modifikation der Oberfläche ermöglicht.

Im Vergleich dazu nutzt die Corona-Oberflächenbehandlung Hochspannungselektroden, um

eine atmosphärische Entladung zu erzeugen, die als Koronaentladung definiert ist. Diese Entladung

tritt auf, wenn eine hohe elektrische Spannung auf eine Elektrode angelegt wird, die durch eine isolierende

Barriere (meist Luft) von einer geerdeten Gegenüberlage getrennt ist. Optisch stellt sich diese

Entladung als Corona-Lichtbogen dar. Die dabei entstehenden freien Elektronen und Ionen treffen auf

die Materialoberfläche, was zu einer Erhöhung der Oberflächenenergie führt. Ähnlich wie bei der

Plasma-Behandlung werden durch die Corona-Behandlung polare Gruppen auf der Oberfläche erzeugt,

die die Haftungseigenschaften verbessern. Die Corona-Behandlung ist besonders effektiv bei

der Behandlung von nichtleitenden Materialien wie Polymeren.

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Ein Nachteil der Corona-Behandlung ist jedoch ihre begrenzte Flexibilität. Die erzeugte Koronaentladung

ist weniger kontrollierbar als ein Plasma, was zu einer ungleichmäßigen Behandlung führen

kann, insbesondere bei komplexen Geometrien. Bei den verwendeten Compoundmaterialien führte

die elektrische Leitfähigkeit der Substrate zu weiteren Nachteilen.

Die Corona-Behandlung kann bei der Bearbeitung von Materialien wie Polypropylen, zu einer Ozonbildung

führen, die eine potenzielle Gefahrenquelle darstellt und besondere Belüftungsmaßnahmen erfordert

[49, 50].

2.3.2 Verwendete Anlagentechnik

Plasma

Für die Plasmavorbehandlung wurde von der Firma Tigres GmbH mit Sitz in Marschacht ein

PlasmaJet A1 Lab als Leihgerät zur Verfügung gestellt (Abbildung 25). Das Gerät weist eine elektrische

Leistung von 725 W auf. Der Wärmeverlust ist hierbei mit ca. 50 % zu berücksichtigen. Bei einer Entfernung

von ca. 10 mm zwischen Düse und Materialoberfläche beträgt der Plasmaspot ca. 2 cm. Damit

die Vorbehandlung möglichst wiederholgenau durchgeführt wird, wurde der PlasmaJet an einen XY-

Tisch geflanscht. Über die interne Steuerung ist es möglich die Plasmaleistung zwischen 60 und 100 %

zu regulieren. Das Gerät wurde im ifs Labor mit Druckluft und einem anliegenden Luftdruck von 3 bar

betrieben.

Abbildung 25: Leihgerät PlasmaJet A1 Lab der Firma Tigres GmbH (links) mit an einen XY-Tisch geflanschter

Düse (Mitte) und aktivem Plasma (rechts)

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Corona - Vorbehndlung

Für die Corona Vorbehandlung stand ein ARCOJET 1.1A“ der Firma arcotec Oberflächentechnik

GmbH, Mönsheim am ifs in Aachen zur Verfügung (Abbildung 26).

Abbildung 26: Corona Anlage des ifs in Aachen, ARCOJET 1.1A

2.3.3 Eingesetzte Materialien

Für das Teilprojekt 1 wurden während der Projektlaufzeit verschiedene Materialien zur Verfügung

gestellt. Eine Auflistung aller Materialien und ihrer Beschreibungen findet sich in Tabelle 6.

Tabelle 6: während der Projektlaufzeit zur Verfügung gestellte Materialien

Material

PP (petrochemisch)

PP (Bio)

PE (Bio)

PA 6.10 (Bio) / PA11

(Bio)

Holz

Das petrochemisch basierte PP ist das Standard PP vom ZBT.

Bio PP stand aufgrund schlechter Verfügbarkeit erst am Ende der

Projektlaufzeit zur Verfügung.

Hauptsächliche Grundlage der durchgeführten Bio Untersuchungen

Schlechte Verarbeitbarkeit im Spritzgussprozess. Dadurch geringe

Probenverfügbarkeit

Holzendplatten wurden für die fertigen Stacks zur Verfügung gestellt

Kontaktwinkelmessung

Für die Ermittlung der Kontaktwinkel der einzelnen im Projekt zur Verfügung gestellten Materialien

wurden die jeweiligen Oberflächen mittels Corona, bzw. Plasma aktiviert. Für die grundsätzliche

Verwendung der spritzgegossenen Materialien in der Brennstoffzelle muss eine mechanische, abrasive

Behandlung der Oberfläche stattfinden. Damit wird die elektrisch isolierende Spritzgusshaut an der

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Oberfläche abgetragen und die darunter liegenden Partikel freigelegt. Für einen guten elektrischen

Kontakt ist diese Vorbehandlung unbedingt notwendig.

Der Abstand zwischen Plasmadüse und Materialoberfläche betrug 5 mm. Die Verfahrgeschwindigkeit

der Düse über das Substrat betrug 0,1 m/s. Die Leistung des Plasmageräts wurde bei 60 %

eingestellt. Es wurde jeweils nur eine Überfahrt durchgeführt.

Für die Corona Aktivierung wurde kein automatisierter XY Tisch verwendet. Stattdessen wurde

eine Linearführung eingesetzt. Der Abstand zwischen Düse und Materialoberfläche wurde auf 2,5 cm

eingestellt. Die Verfahrgeschwindigkeit betrug ebenfalls ca. 0,1 m/s.

Alle Materialien wurden vor der Oberflächenaktivierung mittels Isopropanol gereinigt. Die Messung

des Kontaktwinkels fand im direkten Anschluss an die Oberflächenaktivierung statt. Die Berechnung

der Oberflächenenergien wurde mit der Owens-Wendt-Rabel-Kaelble-Methode (OWRK) durchgeführt.

Die Ergebnisse der jeweiligen Oberflächenenergie ist in Tabelle 7 aufgelistet.

Die Ergebnisse zeigen, dass bei den beiden Materialien PP und PE die polaren Anteile stark

erhöht werden konnten. Das fördert die Benetzung durch die eingesetzten, polaren Epoxidharzklebstoffe.

Zwischen der Corona und der Plasmaaktivierung konnte kein wesentlicher Unterschied sowohl

bei den polaren Anteilen als auch bei dem Gesamtkontaktwinkel beobachtet werden.

Tabelle 7: Ausgangswerte und Kontaktwinkel verschiedener Materialien nach Oberflächenaktivierung mittels

Corona (teilweise aus TP 4 übernommen) und Plasma

Ausgangswert [mN/m] Corona [mN/m] Plasma [mN/m]

polar | dispers

polar | dispers

polar

| dispers

PP geschliffen 36,4 46,1 47,2

0,3 36,2 7,3 38,8 9,4 39,3

Bio PE low geschliffen 42,5 46,4 47,9

2,9 39,6 5,67 40,7 11,5 36,4

Bio PA 6.10 42,1 n.a. n.a.

36,6 5,5 n.a. n.a

Bio PA 11 39,9 53,0 n.a.

36,1 3,7 11,9 41,1

Bio PP geschliffen 29,1 45,6 n.a.

0,3 28,8 9,7 35,9

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Oberflächendefekte bei Corona - Vorbehandlung

Während der Corona Aktivierung können Entladungsblitze an der Oberfläche registriert werden, Abbildung

27. Dadurch, dass die Corona nicht potentialfrei ist und das Compoundmaterial stark elektrisch

leitfähig, kann die Beobachtung damit erklärt werden. Nach der Oberflächenaktivierung sind eine Vielzahl

von Oberflächendefekten erkennbar. Diese treten in Form von kleinen Kratern auf. In der Literatur

ist dieser Effekt bereits bekannt. Während der Corona-Behandlung erzeugen die elektrischen Entladungen

hochenergetische Spezies und lokale Erhitzungen auf der Polymeroberfläche. In Bereichen, in

denen leitfähige Partikel wie Graphit und Ruß vorhanden sind, können diese Effekte verstärkt auftreten,

da die elektrischen Felder in der Nähe dieser Partikel konzentriert werden. Dies kann zu mikroskopischen

Entladungen führen, die Material von der Oberfläche abtragen und somit Krater verursachen

[51–53]. Für den Anwendungsfall im Rahmen des Forschungsvorhabens ist dieser auftretende Effekt

nicht als nachteilig eingestuft worden. Bei der Verwendung der Plasmavorbehandlung wurden diese

Effekte nicht festgestellt. Aus dem Grund ist diese Vorbehandlung grundsätzlich der Corona Vorbehandlung

auf Basis dieser Erkenntnisse vorzuziehen.

Abbildung 27: Compound Material vor (links), während (MItte) und nach der Corona Aktivierung mit deutlich sichtbaren

Kratern auf der Oberfläche (rechts)

Vermehrte Überfahrten mit Plasma

Die Aktivierung der Materialoberfläche durch die Plasmavorbehandlung wurde fortführend untersucht.

Die Fragestellung dabei war, inwiefern der mechanische Prozess des Abtragens der Spritzgusshaut

durch eine intensive Plasmavorbehandlung ersetzt werden kann. Dazu wurden PE-Platten

mit variablen Überfahrtgeschwindigkeiten, einer erhöhten Anzahl der Überfahrten und einer höheren

Plasmaleistung vorbehandelt. Als Substrate dienten dabei 6 cm x 6 cm x 0,2 cm Platten aus PE. Die

Parameter der durchgeführten Versuche sind in Tabelle 8 dargestellt.

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Tabelle 8: Parameter für erhöhte Plasmaaktivierung von PE Platten

Proben Abstand

Verfahr-

Leistung

Nr Düse-Substrat

geschwindigkeit

Anzahl

Überfahrten

Oberfläche

#1 5mm 60 % 1 m/s 1,2,3 Geschliffen

#2 5mm 60 % 0,25 m/s 1,2,3 Ungeschliffen



#5 5mm 90 % 0,05 m/s 1,2,3 Geschliffen

Bei Einzelversuchen konnte festgestellt werden, dass bei mehrfacher, kurz hintereinander erfolgter

Überfahrt des PlasmaJets über das Substrat eine Oberflächentemperatur von ca. 110°C erreicht

wird. Diese Temperatur liegt bereits sehr nah an der Schmelztemperatur der untersuchten Materialien.

Bei geringen Verfahrgeschwindigkeiten konnten lokale Defekte, bzw. Aufschmelzungen des Materials

beobachtet werden (Abbildung 28).

Abbildung 28: Lokales Aufschmelzen des Substrates durch zu viel Temperatureintrag durch die Plasmabehandlung

Bei einer üblichen Plasmabehandlung kann bei den untersuchten Materialien kaum eine Änderung

an der Oberfläche bemerkt werden. Im Falle der vorliegenden Versuchsreihe zur maximalen Behandlung

ohne Zerstörung der Oberfläche, weisen die Proben bei ausreichender Überfahrt weiße

Schlieren im Bereich der Plasmaaktivierung auf (Abbildung 29, Probe #4, Probe #5). Weiße Schlieren

bei Kunststoffen und einer Oberflächenvorbehandlung können auf eine Oberflächenoxidation hinweisen.

Durch den Plasmaprozess werden oxidierte, funktionelle Gruppen an der Substratoberfläche angeheftet.

Bei einer übermäßigen Aktivierung erhöht sich die Anzahl dieser Gruppen, welche aufgrund

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ihrer Eigenschaften das Licht anders brechen und somit zurückstreuen. Ebenfalls kann es auf Mikroabrasion

der Oberfläche hindeuten, was eingangs Ziel von dieser Versuchsreihe war. Eine zu starke

Oxidation der Oberfläche kann jedoch den Klebverbund auch schwächen und somit nachteilig sein [54,

55].

Abbildung 29: Oberflächeneffekte der jeweiligen Probe nach Plasmavorbehandlung; Anzahl der Überfahrten von

links nach rechts pro Probe ansteigend von 1 bis 3

Bei genauerer Betrachtung konnte bei der einfachen und doppelten Überfahrt keine mechanische

Zerstörung der Oberfläche festgestellt werden. Erst bei der dritten Überfahrt zeigten sich Verformungen

auf der Oberfläche, was auf ein Umschmelzen des Materials schließen lässt (Abbildung 30).

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Abbildung 30: Übersicht von Probe #4 mit Unterteilung der Anzahl der Überfahrten (links) und entsprechende

Mikroskopaufnahmen der mit Plasma aktivierten Bereiche (rechts)

Für eine noch detailliertere Betrachtung wurden die Proben mittels Raster Elektronenmikroskop

(REM) begutachtet (Abbildung 31). Dazu wurden 1 cm x 1 cm große Stücke aus den vorbehandelten

Bereichen herausgetrennt und entsprechend untersucht. Die mechanische Vorbehandlung mittels

Schleifvlies ist sehr gut in den auftretenden Riefen zu erkennen (Unterschied zwischen oben und unten).

Die weißen Schlieren auf der Oberfläche lassen sich nicht nachweisen. Eine Materialschädigung

konnte nicht erkannt werden.

Abbildung 31: REM Aufnahmen der Proben #4 und #5 mit jeweils 0, 1 und 2 Überfahrten

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Der Kontaktwinkel wurde anhand vergleichbarer Proben bei Überfahrtgeschwindigkeiten von

0,1 m/s und einem Düsenabstand zum Substrat von 5 mm gemessen. Der disperse Anteil erreichte bei

zwei Überfahrten sein Maximum und nahm danach ab. Der polare Anteil konnte, genau wie die Gesamtoberflächenenergie

pro Überfahrt gesteigert werden (Abbildung 32).

Abbildung 32: Vergleich disperser Anteil, polarer Anteil und Oberflächenenergie (gesamt) nach mehrfachen Überfahrten

mit PlasmaJet

Die notwendigen Voraussetzungen für eine Benetzung der Oberfläche durch den Klebstoff ist bereits

nach einer ersten Überfahrt erfüllt. Weitere Überfahrten garantieren nicht, dass der Verbund zwischen

Klebstoff und Substrat verstärkt wird. Vielmehr ist eine Schädigung der Oberfläche wahrscheinlicher.

Eine industrielle Umsetzung mehrfacher Oberflächenvorbehandlungen der gleichen Stelle ist bei

Massenbauteilen als gering einzuschätzen. Stattdessen wird eine Anpassung von Leistung, Abstand

und Verfahrgeschwindigkeit stattfinden. Aber auch dann bedarf es weiterer Untersuchungen diesbezüglich,

ob eine reine Plasmavorbehandlung die elektrisch isolierende Spritzgusshaut der Bauteile abtragen

kann. Weitere Untersuchungen dazu müssten angestrebt werden.

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2.4 Arbeitspaket 4: Fügen von Versuchszellen, BPP und Endplatten (ifs & ZBT)

2.4.1 Applikationstreffen am ifs

Für die Herstellung von geklebten Zellen und Stacks wurden Applikationstreffen am ifs in

Aachen zwischen dem ZBT und dem ifs abgehalten. Bei neun Treffen wurden verschiedene Zellen,

Stacks, Endblöcke (Randplatte, Stromabnehmer und Isolatorplatte) und Baltic Zellen gefertigt (Übersicht

in Tabelle 9). Der in 2.2.2 beschriebene Ablauf zur Herstellung der Proben auf Laborebene wies

eine arbeits- und somit zeitintensive Bearbeitung auf. Zusätzlich wurden alle geklebten Bauteile hinsichtlich

ihrer Funktionstauglichkeit am ZBT geprüft, bevor der nächste Prozessschritt erfolgen konnte

(siehe Abbildung 12).

Tabelle 9: Übersicht über die im Laufe des Projekts hergestellten und geprüften Proben

Bauteil

Stückzahl

Bipolarplatte 44

Zelle 41

Stack 10

Randplatte 20

Endblock 10

Baltic Zellen 6

Die verwendeten Klebstoffe für die Herstellung der Baltic Zellen, Bipolarplatten, Zellen bzw. Stacks und

Endblöcke sind in

Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 10: Eingesetzte Klebstoffe zur Herstellung der einzelnen Bauteile

Bauteil Aktive Seite Kühlseite

Klebstoff

FlowField

Klebstoff Randbereich

Klebstoff

Kühlseite

Stack #1 (PP) - - #BZ 107

Stack #2 (PP) #BZ 107 #BZ 100 -

Stack #3 (PE) #BZ 107 #BZ 100 #BZ 133

Stack #4 (PE) #BZ107 #BZ100 #BZ 107

Baltic Zellen #BZ107, #BZ 133 -

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Endblöcke #BZ 107

Die eingesetzten Klebstoffe sind allesamt heißhärtende Epoxidharzklebstoffe. Diese härten bei

einer Temperatur von 85°C über einen Zeitraum von mehreren Stunden, bis hin zu 24h aus. Für die

Aushärtung wurden die hergestellten Proben in einer vom ZBT zur Verfügung gestellten Aushärtungsvorrichtung

verspannt. Die Vorrichtung besteht aus zwei Aluminiumblöcken (Materialstärke: 2 cm),

sechs Gewindestangen, Muttern und mehreren Tellerfedern (Abbildung 33). Bei geeignetem Anzugsmoment

der Muttern von 2,0 Nm wird eine zum späteren Teststand vergleichsbare Anpresskraft auf

alle in der Vorrichtung befindlichen Proben ausgeübt. Um ein einseitiges Verpressen und damit verbundenes

Wegschieben des Klebstoffs zu vermeiden, in dem jede Mutter direkt mit dem maximalen

Drehmoment beaufschlagt wird, findet ein iterativer Schraubprozess statt. Die jeweiligen Drehmomente

sind 0,5 Nm, 1,0 Nm, 1,5 Nm und 2,0 Nm. Die Muttern werden in einem speziellen Muster festgezogen.

Abbildung 33: Vorrichtung für die Aushärtung geklebter Bipolarplatten oder Zellen

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2.4.2 Planare Anforderungen an Ausgangsbauteile

Bei der Verarbeitung einiger PE-Proben traten im Vorfeld mechanische Verformungen bei den

Ausgangbauteilen auf. Diese Verformungen konnten auch bei einer Wärmebehandlung mit aufgelegten

Kontergewichten höchstens reduziert, aber nicht beseitigt werden. Die Herstellung geeigneter Plattenware

zeigte sich somit in diesem Fall als herausfordernder als bei den bis dahin verarbeiteten PP Materialien.

Abbildung 34: Verformte Ausgangsmaterialien aus PE, BPHP (oben), Baltic Platten (unten)

Speziell bei den Baltic Zellen ist die Anforderung an eine ebene Bipolarplatte besonders hoch.

Die Baltic Zelle hat keinen Randbereich, der mechanische Kräfte auffängt, so wie es bei dem ZBT-

Design für die 50 cm² Zellen ist. Marktverfügbare MEAs sind Bauteile, welche auf die Verwendung mit

einem Anpressdruck ausgelegt sind. Die Umsetzung eines geklebten Stacks ohne Anpresskräfte von

außen wird in dieser Hinsicht bislang noch nicht bedient. Der Verbund aus Membran und GDL kann

keine Zugkräfte aufnehmen. Werden diese Bauteile dennoch mit Zugkräften beaufschlagt, ist es sehr

wahrscheinlich, dass sich die GDL von der funktionalen Schicht der Membran löst und die MEA dadurch

unbrauchbar wird (Abbildung 35).

Durch verformte Ausgangsmaterialien (wie in Abbildung 34 abgebildet) wirkt bereits nach der

Entformung der geklebten Zelle eine solche Zugkraft auf das Bauteil. Darüber hinaus ist das Compoundmaterial

hochgefüllt mit funktionalen Füllstoffen, wodurch es anfällig für ein Sprödbruchverhalten

bei punktuell induzierten Biegebelastungen wird. Dadurch entstehende Risse führen zu einer Undichtigkeit,

bzw. Leckage im späteren Betrieb und muss unbedingt vermieden werden.

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Abbildung 35: Im Randbereich abgelöste GDL (links), vollflächig abgelöste GDL (rechts)

Durch eine intensive Bauteilüberwachung und -vermessung am ZBT war es möglich Baltic Zellen

und Bipolarhalbplatten mit geringen Toleranzen herzustellen (Abbildung 36). Damit war es möglich

die Zellklebung in diesem Bereich erfolgreich durchzuführen.

Abbildung 36: Nachgearbeitete Baltic Bipolarplatten mit geringen Toleranzen

Bipolarplatten und Zellen im 50 cm² ZBT-Testdesign

Leitfähige Klebung im FlowField

Im konventionellen Stack-Aufbau werden die elektrischen Kontaktwiderstände an den Grenzflächen

zweier (Halb-)Platten durch eine starke mechanische Verpressung mit ca. 10 kN Anpresskraft

reduziert. Um einen vollgeklebten und voll einsatzfähigen Stack ohne Anpresskräfte aufzubauen, ist es

notwendig, die Verringerung dieser Kontaktwiderstände durch elektrisch leitfähige Klebungen zu erzielen.

Für die aktive Seite einer Platte betrifft dies die elektrische Kontaktierung zwischen der BP(H)P

und der GDL. Die Klebung an dieser Stelle dient ausschließlich der elektrischen Kontaktierung. Eine

große Herausforderung besteht in der Dosierung der Klebstoffmenge. Ein übermäßiger Klebstoffauftrag

führt zu einer Blockade des FlowFields, bzw. den Kanälen und somit zu einer ungleichmäßigen

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Verteilung der Medien im Betrieb. Wird hingegen zu wenig Klebstoff aufgetragen, besteht die Möglichkeit,

dass die Komponenten nicht optimal elektrisch kontaktiert sind und somit der Wirkungsgrad gering

ist.

Der im Rahmen von Teilprojekt 4 („Adhesives“) entwickelte elektrisch leitfähige Klebstoff auf

Epoxidharz-Basis wird per Walze aufgetragen.

Anhand von Proben, die aus BPHP-GDL-BPHP mit leitfähiger Klebung bestehen, konnte gezeigt

werden, dass bei geringen Anpressdrücken, der Kontaktwiderstand ebenfalls reduziert wurde.

Damit eignet sich dieses Vorgehen zum Testen im realen Betrieb.

Dichtklebung im Randbereich

Der BPHP/MEA-Verbund muss im Randbereich und um die Medienverteiler abgedichtet werden.

Abbildung 37 zeigt, wie eine Klebraupe ohne elektrisch leitfähige Zusätze entlang des Randbereichs

mittels Dispenser appliziert wurde. Dabei ist zu beachten, dass dieser Dichtklebstoff die Höhendifferenz

der GDL ausgleichen muss. Die verwendeten MEAs weisen im Bereich der GDL eine Gesamtdicke

von 0,473 mm auf, während das Subgasket lediglich 0,1 mm dick ist. Vom Subgasket ausgehend,

auf welches geklebt wird, beträgt der Höhenunterschied zwischen Subgasket und GDL-Oberfläche

ca. 0,1865 mm. Die geklebten Zellen dürfen im Bereich der Ports nicht zu einem Nullspalt gepresst

werden und die GDL darf nicht zu stark komprimiert werden (führt zu einem verringerten Durchfluss

der GDL und zu einer verringerten Leistung der Zelle). Zu diesem Zweck wurden nach dem Auftragen

des Klebstoffs zusätzlich Glaskugeln mit einem Durchmesser D 90 von ca. 170 μm entlang der

Dichtkontur verteilt.

Abbildung 37: Klebstoffauftrag zwischen BPHP und MEA zum Abdichten der Brennstoffzellen (links) und aufgelegte

MEA mit PEN-Rahmen (rechts)

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2.4.3 Qualitätskontrolle durch µCT

Neben den Funktionstests am ZBT wurden speziell ausgewählte Zellen, wie auch die hergestellten

PE-Stacks mit Hilfe der µCT am ifs in Braunschweig nichtinvasiv untersucht. Während aufgrund

der Materialeigenschaften der Bipolarplatten (undurchsichtig) eine Einsicht in eine geklebte Zelle, bzw.

einen geklebten Stack unmöglich ist, so können mit Hilfe einer µCT Untersuchung Aussagen über die

Klebstoffschichtstärke, die Klebstoffverteilung in der Klebebene und auch die Lage der einzelnen Bauteile

zueinander getroffen werden. Verwendet wurde ein phoenix „v|tome|x s 240“ microCT System der

Firma GE Sensing & Inspection GmbH (Wunstorf, Deutschland).

Durch den Einsatz der µCT kann grundsätzlich untersucht werden, inwiefern beide Bipolarhalbplatten

relativ zueinander ausgerichtet sind, ob im Laufe des Füge- und Aushärtungsprozesses Klebstoff in die

Medienkanäle des FlowFields oder der Kühlstruktur eingedrungen ist (Abbildung 38).

Abbildung 38: Exemplarische 3D Visualisierung einer gescannten Zelle in der Draufsicht (links) und im Schnitt

über das FlowField (rechts)

Speziell bei der Untersuchung von geklebten Zellen, bei denen im Randbereich eine Raupenapplikation

des Klebstoffs vorgenommen wurde, konnte die Verteilung des Klebstoffs nach dem Fügeprozess

analysiert werden. So zeigten sich zum Beispiel Bereiche, in denen der Klebstoff die Bipolarplatte

nicht vollständig bedeckt Abbildung 39, rechts.

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Abbildung 39: Blick in die Zelle auf Ebene der MEA (links) mit Ansammlung von als Abstandshalter verwendeten

Glaskugeln (gelber Kreis) und der Klebstoffschicht (rechts) mit Bereichen, in denen der Klebstoff den Randbereich

nicht vollständig bedeckt (roter Kreis)

Durch eine Kombination von ZBT-Funktionstests und einer anschließenden µCT-Untersuchung

konnten gezielt Defekte in den Zellen, bzw. den Stacks gesucht werden, ohne die Bauteile invasiv

voneinander zu trennen.

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2.4.4 Kupfer PC Compound

Der Klebstoff wird hier ebenfalls vollflächig aufgewalzt, um eine möglichst große Kontaktfläche zu erreichen

(Abbildung 40).

Abbildung 40: Bauteile eines Endblocks einzeln (oben), Bauteile klebtechnisch miteinander gefügt (unten)

Bei der Herstellung dieser Endblöcke zeigten sich mechanische Verformungen während der

Klebstoffaushärtung im Ofen. Das äußerte sich in einem messbaren Schüsseln.

2.4.5 Verzug bei geklebten Bauteilen

Die mechanische Verformung von Bauteilen wiederholte sich selbst mit ebenen Ausgangsbauteilen

nach dem Klebprozess. Klebtechnisch gefügte Zellen, Stacks und auch Endblöcke wiesen wiederholbar

Schüssellungen auf. Besonders stach die Verformung des Endblocks nach der Klebstoffaushärtung

hervor. Die verwendeten Materialien, ein 2 cm dicker Block aus Polycarbonat, eine 2 mm dicke

Kupferplatte und eine Bipolar-Randplatte zeigten eine gemeinsame Verformung auf, obwohl die Einzelbauteile

i.O. waren. Eine abgefräste Platte aus Aluminium ist bei dem Endblock als Referenz angehalten

(Abbildung 41, unten). Die Durchbiegung des PC-Cu-BPP Blocks wurde im maximalen Bereich

mit 700 µm gemessen.

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Abbildung 41: Geschüsselte Bauteile: geklebter Stack (oben), geklebter Endblock (unten)

Für den Endblock, bestehend aus Isolatorplatte (Polycarbonat), Stromabnehmer (Kupfer) und

Endplatte (Compoundmaterial) wurde ein temperierter 3-Punkt-Biege-Versuch unternommen, um die

Verformung zu reduzieren. Dazu wurde der geklebte Block in einer Heißpresse eingespannt und während

an den beiden kurzen Kanten der Polycarbonatplatte die Auflager waren, wurde auf der Seite der

graphitischen Endplatte eine Druckkraft aufgebracht. Gleichzeitig wurde die Presse auf +80°C aufgeheizt.

Dieser Versuch lief über 24h. Beim Entnehmen des Endblocks und direkten Messen mittels Fühlerlehre

konnte eine reduzierte Durchbiegung von nur noch 250 µm gemessen werden (Abbildung 42,

links). Die Durchbiegung erhöhte sich während der Abkühlung auf Raumtemperatur auf 600 µm (Abbildung

42, rechts). Eine Abkühlung unter konstanter Druckkraft innerhalb der Presse zeigte ein ähnliches

Bauteilverhalten, jedoch konnte die Durchbiegung gleichbleibend auf 450 µm reduziert werden.

Abbildung 42: Seitenansicht des Endblocks zum Vergleich der Durchbiegung direkt nach der Entnahme aus der

Presse (oben) und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur (unten)

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In Abbildung 43 werden beide Bilder aus Abbildung 42 übereinandergelegt und die gläserne

Auflage als Referenz genommen (Abbildung 43, gelber Kasten). So kann die während der Abkühlung

stattfindende Durchbiegung über den Versatz von Kupferplatte und Compound-Platte von links nach

rechts gut beobachtet werden (Abbildung 43, roter Kasten).

Abbildung 43: Überlagerung des Endblocks in den beiden Zuständen +80 °C (links) und Raumtemperatur (rechts)

zur Visualisierung der Durchbiegung

Hypothesen für den Bauteilverzug

Für die Ursachenforschung wurden mehrere Hypothesen aufgestellt:

a) Im Material wurden Eigenspannungen bereits bei der Produktion eingefroren und diese werden

durch das Aufheizen auf + 85 °C freigesetzt.

b) Die Bauteile dehnen sich im Ofen unterschiedlich aus und werden in diesem Zustand durch den

ausgehärteten Klebstoff eingefroren. Bei der späteren gleichförmigen Abkühlung wird ein Schrumpfen

verhindert, wodurch es zu Spannungen und einer daraus resultierenden Verformung kommt

(Delta-Alpha-Problematik)

c) Der ausgehärtete Klebstoff selbst erzeugt derart große Spannungen, dass sich die Materialien verbiegen

Hypothese a) Für die Überprüfung von Annahme, dass bereits bei der Produktion der Ausgangsmaterialien

Spannungen eingefroren wurden, wurden die einzelnen Bauteile jeweils im Ofen bei

+85°C gelagert. Hierbei konnten keine einzelnen Verformungen der Bauteile beobachtet werden.

Hypothese b): Die einzelnen Materialien weisen jeweils einen unterschiedlich hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten

auf. Während der Klebstoff bei +85°C aushärtet, werden die jeweiligen

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Längenänderungen mit eingefroren. Bei der Entnahme aus dem Ofen und einer Abkühlung auf Raumtemperatur

ergeben sich durch das Zusammenziehen der Einzelmaterialien Spannungen, welche sich

in einer Durchbiegung des Verbunds äußern.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von kristallinem Graphit ist anisotrop und somit abhängig

von der Schichtebene zu betrachten [56]. Eine Aussage basierend auf berechneten Werten kann somit

nicht für die Compound Materialien oder die eingesetzten gefüllten Klebstoffe erfolgen, weil die eingesetzten

Partikel keine gemeinsame Orientierung aufweisen.

Aus diesem Grund wurde ein praktisch orientierter Versuch angestrebt: die Vermessung einer

Compoundplatte (6 cm x 6 cm x 0,2 cm) im Urzustand, bei einer Temperatur von +85°C und nach einer

anschließenden Abkühlung auf Raumtemperatur. Damit ist es möglich die Längenänderung während

der Klebstoffaushärtung zu bestimmen.

Die Materialstärke wurde mit Hilfe einer digitalen Bügelmessschraube ermittelt, die Kantenlängen

wurden mit einer digitalen Schieblehre bestimmt. Als Messpunkte wurden die vier Ecken des Prüflings

mit einem Abstand zu den beiden anliegenden Kanten von 1 cm definiert.

Abbildung 44: Messpunkte für Dicken- und Längenänderung einer PE-Compoundplatte

Die Änderung der Materialstärke beläuft sich bis auf einen Messpunkt im Bereich von 0,2 %.

Auch wenn alle Messpunkte mehrfach abgetastet wurden, so ist bei den Werten von Messpunkt C

entweder von einem Fehler auszugehen oder aber von einer einseitig orientierten Ausrichtung der dort

vorkommenden Partikel. Die Längenänderung über die Kanten sind bei +85°C alle im positiven Bereich

und identisch. Bei der Abkühlung von +85°C zurück auf Raumtemperatur erfahren zwei Kanten eine

Längenreduktion im Vergleich zu ihrem Ausgangswert. Die gemittelte prozentuale Ausdehnung über

alle Messpunkte beträgt 0,4 % und über die Messlängen 0,086 %. Daraus ergibt sich ein Wärmeausdehnungskoeffizient

von ca. 60 * 10^-6 K^-1, bzw. 13,2 * 10^-6 K^-1 für die gemessene Probe.

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Dickenänderung [%]

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

A B C D

bei +85°C auf RT abgekühlt

Längenänderung [%]

0,15

0,1

0,05

0

-0,05

A-B A-C B-D C-D

-0,1

-0,15

bei +85°C auf RT abgekühlt

Abbildung 45: Prozentuale Änderung der Dicke und Länge des Prüflings an den gekennzeichneten Messpunkten,

bezogen auf die Ausgangswerte bei Raumtemperatur

Anschließend kann der ermittelte Wert mit üblichen Wärmeausdehnungskoeffizienten für die

restlichen eingesetzten Materialien gegenübergestellt werden (Tabelle 11). Die Kombination aus den

Materialien für einen Endblock (PC, Kupfer, PE-Compound) erreicht bei niedrigen Ausdehnungen einen

sehr vergleichbaren Wert und bei höheren Werten der Kunststoffe eine höhere Ausdehnung um

den Faktor vier. Die mit Abstand höchsten Längenänderungen erfahren reine Kunststoffmaterialien (PP

und PE). Diese kommen in dieser Form jedoch nicht in dem Zellstapel vor.

Tabelle 11: Übliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien und die daraus resultierende

Längenänderung eines Bauteils auf Basis des 50 cm² ZBT-Zelldesigns (137,5mm)

Material

Wärmeausdehnungskoeffizient

[10^-6 K^-1] rung bei ∆T = 65°C

Theoretische Längenände-

[mm]

Polypropylen 100 - 200 0,89 – 1,78

Polyethylen 150 – 200 1,34 – 1,78

Polycarbonat 60 – 70 0,53 - 0,62

PE-Compound, gefüllt 13,2 – 60 0,12 – 0,53

Epoxidharzklebstoff, ungefüllt 30 – 60 0,26 – 0,53

Kupfer 16,5 0,14

Für eine genaue Bestätigung oder Widerlegung dieser These müssen weitere Untersuchungen in diesem

Bereich angestrebt werden.

Hypothese c) Der Epoxidharzklebstoff erfährt während der Aushärtung eine Schwindung, wodurch

Spannungen im Verbund auftreten und noch während der Aushärtung eine Durchbiegung des Verbunds

entsteht. Da diese Durchbiegungen auch bei geklebten Zellen zu bemerken sind, wurde in erster

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Linie eine Interaktion zwischen Compoundmaterial und Klebstoff untersucht. Dazu wurden PE-Platten

mit einem Gravierstichel abgefräst, so dass eine strukturelle Schwächung über die Dicke des Compoundmaterials

entsteht (

Abbildung 46). Die Reststärke der Compoundplatte betrug an der dünnsten Stelle 0,25 mm.

Abbildung 46: Abgefräste PE-Platte zur strukturellen Schwächung des Materials für Tests hinsichtlich Bauteilverzugs

Für die Durchführung des Versuchs wurde Klebstoff auf die noch intakte Oberfläche des Prüflings

vollflächig aufgetragen und im Ofen ausgehärtet. Bei einem übermäßigen Schwinden des Klebstoffs

wurde erwartet, dass sich das Bauteil so verzieht, dass die Enden jeweils nach oben gebogen

werden. Dieses Verhalten konnte nicht beobachtet werden. Eine imaginäre Gerade über die Klebstoffoberfläche

(Abbildung 47, rot gestrichelte Linie) verliert in der Seitenansicht kaum den Kontakt mit dem

Prüfling. Dadurch, dass sowohl der Klebstoff, als auch das Compoundmaterial mit den funktionalen

Füllstoffen Graphit und Ruß hochgefüllt sind, wird davon ausgegangen, dass der Effekt des Klebstoffschrumpfs

so gering ist, dass er keinen Einfluss auf den Verbund ausübt.

Abbildung 47: Seitenansicht einer Durchbiegung

Eines der Ziele eines vollständig geklebten Brennstoffzellenstacks ist die spätere Umsetzung

eines anpressdrucklosen Stacks. Sind die Einzelbauteile jedoch mit einer mechanischen Verformung

vorbelastet, besteht die Möglichkeit, dass das im späteren Verbund zu Spannungen und somit zum

Versagen durch Adhäsionsverlust auf der kohäsionsarmen Compound-Oberfläche führen kann. Aus

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diesem Grund ist die Überprüfung der geometrischen Eigenschaften ein essenzieller Schritt für den

erfolgreichen Projektverlauf bei einem anpressdrucklosen Stack.

2.4.6 Kupfer PC/ABS Compound Holz - fully bonded Stack

Aufgrund der Verzugsthematik, wurde die Endplattenbaugruppe durch das Innovatinsprinzip

der Segmentierung modifiziert (Abbildung 48, links). Die mechanische Entkopplung der Medienverteiler

und der Endplatten soll die zuvor nicht vermeidbare Schüsselung der Endplattenbaugruppe verhindern.

Dafür wurden die in Gemeinschaftsarbeit mit dem TP „Wooden Endplate“ entstandenen Holzendplatten

Inlays, Kupfer Stromabnehmer und Polycarbonat (PC) Medienverteiler entwickelt und hergestellt.

Abbildung 48: Endplattenbaugruppe aus Polycarbonat, Kupfer und Holz, links, 3D gedruckte alternative Endplattenkomponenten

aus PP, ABS und PA12, rechts

Aus dem Teilprojekt „Adhesives“ war bereits bekannt, dass die Klebung PC zu Compound nach

Auslagerungsversuchen in feuchter Umgebung undicht werden kann. Deswegen wurden mit PP, ABS

(favorisiert) und PA12 zusätzlich alternative Materialien als Medienverteiler ausgewählt und per 3D-

Druck hergestellt (Abbildung 48, rechts). Plättchen dieser Proben wurden auf Wasserstoffpermeation

hin untersucht und aufgrund der Ergebnisse die Bauteile nachträglich mit Epoxidharz versiegelt.

Für die Herstellung der Stacks wurden 2 aktiv- und kühlseitig geklebte und versiegelte Zellstapel

sowie ein vollständig geklebter bereits 1400 h betriebener PP Stapel verwendet (Details dazu siehe

2.6). Da eine ausreichende Anzahl an Endplattenbaugruppen zur Verfügung stand und die Wahrscheinlichkeit

recht hoch war, dass nicht alle Aufbauten dicht werden, wurden 3 fully bonded Stacks

hergestellt.

Im Gegensatz zum vorherigen Vorgehen der separaten klebtechnischen Herstellung der Endplattenbaugruppen

wurde in diesem Fall alles direkt mit dem Zellstapel geklebt und ausgehärtet. Die

Vorteile sind, dass potentieller Verzug sich nicht direkt auswirken kann und es zu einem schnelleren

Ergebnis führt. Nachteilig kann sich auswirken, dass Defekte Bauteile oder Klebungen nicht durch eine

Vorprüfung vor dem finalen Fügen ausgeschlossen werden können.

Abbildung 49, links zeigt einen geklebten 5-zelligen Stapel mit einer aufgelegten und einer anzuklebenden

BPP-Randplatte sowie PC Medienverteiler, welche mit Holzstiften in der Holzendplatte

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fixiert werden können. Die rechte Seite zeigt einen Stack mit angeklebten ABS Medienverteilern,

Stromabnehmern und lose aufgelegten Holzendplatten noch vor dem Aushärten. Dass die Holzendplatten

in diesem Fall nur lose aufgelegt werden hat den Hintergrund, dass potentieller Verzug durch

eine starre Verbindung klein gehalten werden soll und dass die Endplatten für einen späteren anpressdrucklosen

Betrieb abnehmbar bleiben sollen.

Abbildung 49: Geklebter 5-zelliger Stapel mit Randplatte und Medienverteilern, links, assemblierter Stack vor

dem Aushärten, rechts

Für den Aushärtevorgang müssen allerdings die Endplatten und auch die Medienverteiler mit

dem Stack verspannt werden (Abbildung 50).

Abbildung 50: Montage der Spannbänder, links und Verspannung der Medienverteiler zum Aushärten

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So entstanden 3 vollständig geklebte Stacks, 2 davon wurden mit den PC und einer mit ABS Medienverteilern

ausgerüstet (Abbildung 51).

Abbildung 51: 3 Fully bonded Stacks mit 2x Bio-PE und 1x PP BPP und PC bzw. ABS Medienverteilern

Die weiteren Dichtprüfungen und Arbeiten an den Stacks werden in 2.6 beschrieben.

2.5 Arbeitspaket 5: Herstellung und Tests von 1 Zellern (ifs & ZBT)

Im Rahmen von Teilprojekt „Compound and Filler“ wurde eine 25 cm² Testzelle entwickelt, welche

eine hohe Performance ermöglichen soll und die dazugehörigen BPP Inlays auf einer kleinen

Spritzgießmaschine (Boy 35 E HV) hergestellt werden können. Abbildung 52 zeigt einen spritzgegossenen

Einleger mit Anguss sowie die anoden- und kathodenseitige Adaption zur Aufnahme sowie die

montierte Baltic qCF Schnellspannvorrichtung. Dadurch dass sich die Dichtungen in dem jeweiligen

Rahmen befinden und es nur jeweils eine einteilige Bipolarplatte für die Anode und Kathode gibt, können

mit diesem Aufbau ausschließlich ungeklebte und aktivseitig leitfähig im Flowfield geklebte Zellen

getestet werden. Dichtklebungen, welche im Stack in 2 Varianten auftreten, können mit diesem Aufbau

somit nicht getestet werden. Der Vorteil des Schnellspannsystem ist es, dass neben den BPHP und

der MEA keine weiteren Bauteile eines Stacks benötigt werden und somit die Bearbeitungsschritte zum

Aufbau der Zelle deutlich reduziert sind.

Abbildung 52: 25 cm² spritzgegossene Einleger, Anoden- und Kathodenseitige Adaptierung, Baltic

Schnellspannvorrichtung mit integrierten spritzgegossenen BPP

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Abbildung 53: Erster Dauerversuch mit PP BPP, UI Kennlinien nach 93, 417 und 453 h mit Anpressdruckreduktion

unter AST-3 Bedingungen

Abbildung 53, links zeigt einen ersten Dauerversuch über 450 h mit PP BPP ohne Klebung und

rechts die dazugehörigen UI-Kennlinien nach dem Einfahren bei 93 h, zum Ende des Tests bei 417 h

und mit reduziertem Anpressdruck nach 453 h. Es ist eine sehr hohe Anfangsperformance von 1,26

W/cm² bei Strömen von über 75 A, also mehr als 3 A/cm² erreicht worden.

Für nachfolgende Versuche standen 3 Typen von Compound BPP zur Verfügung, PP Referenz, Bio

PE und Bio PA 11. Diese 3 Typen sollten jeweils ungeklebt und geklebt geprüft werden. Von jeder

Sorte standen eine ausreichende Anzahl BPP zur Verfügung und es wurden jeweils 2 Zellen geklebt.

Um die Anpressdruckabhängigkeit vor allem der geklebten Zellen näher untersuchen zu können wurde

ein Messprotokoll entwickelt bei welchem der Anpressdruck auf den Stegen der Baltic Zelle von ca.

3 bar für das Einfahren über 60 h, auf 6 bar für weitere 20 h und jeweils weitere ca. 3 bar für 20 h bis

25 bar erhöht wurde. Die Gesamtmesszeit wurde aufgrund der Anzahl an Prüflingen pro Test auf 140 h

festgelegt und weil bei diesen Versuchen nicht die Haltbarkeit, sondern die Performanceunterschiede

herausgearbeitet werden sollen. Aufgrund der automatisierten Anpressdruckvariation musste der Teststand

gewechselt werden.

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Abbildung 54: Initialer Versuch mit PP BPP ungeklebt nach AST-3 und Anpressdruckvariation

Abbildung 54 zeigt den initialen Versuch mit dem neuen Protokoll und den Referenz PP BPP.

Bereits bei einem Anpressdruck von nur 12,5 bar, also dem halben sonst üblichen Druck ist die Leistung

höher als bei der als rote Linie eingezeichneten Goldreferenz eines älteren metallischen Designs

bei 25 bar. Weitere Steigerungen des Anpressdrucks erhöhen die Leistung zusätzlich. Dies bestätigt

die sehr hohe Performance des entwickelten Flowfields.

Nach dem zweiten Versuch mit Bio-PE, welcher eine erheblich geringere Performance zeigte

als die PP Referenz musste erneut der Teststand gewechselt werden, da es sonst zu längeren Verzögerungen

gekommen wäre. Um keine weiteren Verzögerungen zu provozieren wurde mit dem Testprogramm

unverändert fortgefahren. Dabei zeigte das Material Bio-PA 11 eine erheblich bessere Performance

als die beiden anderen Compounds (Abbildung 55).

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Abbildung 55: UI Kennlinien Versuche 01 bis 03 PP, Bio-PE, Bio-PA 11

Aufgrund dessen wurde davon ausgegangen, dass der Wechsel des Teststands reibungslos funktioniert

hat und ein Wiederholungsversuch erst am Ende der Messreihe durchgeführt wird.

Abbildung 56: UI Kennlinien Versuche 01 bis 06 ungeklebt und geklebt

Abbildung 56 zeigt die Ergebnisse der Versuche 01 bis 06 ungeklebt und geklebt. Auffällig ist

dabei, dass die aktivseitig geklebten Zellen deutlich geringere Performance und eine veränderte Reihenfolge

zeigen als die ungeklebten. Insbesondere die geklebte PP Zelle weicht erheblich von den

anderen Ergebnissen ab. Diese Ergebnisse widersprechen denen der späteren Stackversuche.

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Abbildung 57 zeigt zusätzlich, dass zwar die Performance der geklebten Zellen geringer ist,

aber die Anpressdruckabhängigkeit auch abgenommen hat. In diesem Fall ist dies negativ, da die Performance

mit steigendem Anpressdruck kaum oder gar nicht zugenommen hat. Bei Versuch 05 Bio-

PE geklebt ist auffällig, dass nach jeder Anpressdruckerhöhung die Stromdichte steigt und daraufhin

wieder deutlich abfällt. Da die Ursachen der unerwarteten Messergebnisse nicht klar auf die Klebungen,

den Zellaufbau oder den Teststand zurückzuführen ist, wurden Wiederholungsmessungen durchgeführt.

In Abbildung 57 ist bereits Versuch 11, der zuletzt durchgeführte Wiederholungsversuch mit

PP geklebt enthalten. Im Vergleich zu Versuch 04 ist die Performance angestiegen, allerdings nur auf

das Niveau der anderen Klebungen.

Abbildung 58 zeigt alle Baltic Versuche mit ungeklebten Zellen. Die Versuche 07 und 08, die direkt im

Anschluss an die Versuche mit geklebten Zellen durchgeführt wurden zeigen schwerwiegende Probleme

in Form unsteter Verläufe über die Zeit. Aufgrund des neuartigen Aufbaus haben sich Kontaktierungsprobleme

ergeben welche ab Versuch 09 behoben wurden. Versuch 09, 10 und wie zuvor beschrieben

11 kommen erreichen dennoch nicht die jeweiligen Referenzergebnisse der Versuche 01,

02 und 04.

Abbildung 57: Stromdichteverläufe über die Zeit bei 0,6 V der Versuche 01 bis 06 und 11

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Abbildung 58: Stromdichteverläufe über die Zeit bei 0,6 V der Versuche 01 bis 03 und 07 bis 10

Insofern bleibt die Beurteilung der geklebten Baltic Zellen schwierig. Unter der Annahme, die Ergebnisse

geben die Realität wieder, ist davon auszugehen, dass zu viel Klebstoff auf der aktiven Fläche

appliziert wurde.

Seite 68


2.6 Arbeitspaket 6: Herstellung und Tests von 5 Zellern (ifs & ZBT)

Dieses Arbeitspaket befasst sich mit der Herstellung und dem Test von 5-zelligen Brennstoffzellen im

50 cm² ZBT Design. Da zunächst nur konventionelle PP BPP zur Verfügung standen, wurden diese

verwendet um die Prozesse zu erproben und als Referenz zu wirken. Im späteren Verlauf wurden die

Ergebnisse auf die Bio-PE BPP übertragen. Abbildung 59 fasst die Vorgehensweise, Resultate und

Tests kompakt zusammen.

Abbildung 59: Übersicht durchgeführte Klebungen und Dichtprüfungen

Zu Beginn wurden PP BPHP zu BPP gefügt und anschließend dichtgeprüft. Abgesehen von V4

mit 78 % waren alle der jeweils sieben geprüften BPP dicht. Das kühlseitige Kleben konnte somit mit

einer hohen Zuverlässigkeit durchgeführt werden und eine erster Stackaufbau und Dauerversuch erfolgen.

Nachfolgend wurden aus PP BPHP und MEAs Zellen geklebt. Die Dichtprüfung ergab in zwei

Versuchsreihen jeweils eine Erfolgsquote von 71 %. Von sieben bestanden also jeweils fünf Zellen die

Dichtprüfung, so dass ein Stack für den Dauerbetrieb aufgebaut werden konnte. Die Ausschussquoten

der beiden Klebprozesse führten zur Festlegung der Klebereihenfolge. Für geklebte Stapel sollen zunächst

die Zellen geklebt, dichtgeprüft und ausgewählt werden und erst anschließend die Kühlseiten

miteinander verbunden werden. Somit ergibt sich eine höhere Wahrscheinlichkeit für einen fehlerfreien

geklebten Stapel. Entsprechend wurde aus der zweiten Charge aktivseitig geklebter und dichtgeprüfter

Zellen ein PP basierter Stapel durch zusätzliches Kleben der Kühlseiten hergestellt. Dieser bestand

ebenfalls die Dichtprüfung und konnte somit in den Dauerversuch gehen.

Auf Basis dieser Informationen wurde der Übertrag auf die Bio-PE BPHP vorgenommen. Das aktivseitige

Kleben zu Zellen wurde in zwei Versuchen à sieben Zellen mit einer 100 % Quote bestanden, also

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besser als bei den PP BPHP. Aufgrund der bereits fortgeschrittenen Projektlaufzeit wurden diese nicht

einzeln getestet, sondern direkt zu geklebten Stapeln weiterverarbeitet. Hierbei ist die Dichtquote in

beiden Fällen auf 40 %, mit geringfügigen Undichtheiten, an mehreren Klebungen gefallen. Da es sich

um einen geklebten Stapel handelt, ist es essentiell, dass jede Zelle und BPP ausreichend dicht ist.

Offensichtlich gab es also Probleme mit der kühlseitigen Klebung, die mit PP BPHP in diesem

und Vorgängerprojekten sicher beherrscht wurde. Daraufhin wurden sieben kühlseitig geklebte BPP

aus Bio-PE hergestellt, von denen die Dichtprüfung nur vier bestanden haben, also zu wenig, um damit

einen Stapel fertig zu kleben. Das Problem wurde somit bestätigt, es gab jedoch keine Alternative als

mit den Bio-PE BPP weiterzuarbeiten.

Eine Ursache für die Schwierigkeiten der kühlseitigen Klebung kann zusätzlich in der Schüsselung

geklebter Zellen gesucht werden. Bei den geklebten Zellen hat sich immer wieder gezeigt, dass

der geklebte Verbund zu einer konvexen mechanischen Verformung neigt. Obwohl bei der Herstellung

die Klebstoffe im Randbereich mit Glaskugeln ausgestattet wurden, zeigte sich eine deutliche Schüsselung.

Das vermeintliche Herunterbiegen der Compoundplatten im Randbereich sowie die Rückstellkraft

der GDL wurden als Ursache vermutet. Um dem zu begegnen, wurde in das FlowField eine Tasche

für die GDL eingefräst (Abbildung 60). Dadurch kann im Randbereich auf die abstandshaltenden

Glaskugeln verzichtet werden und soll somit den Effekt des Schüsselns reduzieren, bzw. eliminieren.

Abbildung 60: Aktive Seite mit eingefräster Tasche für die GDL der MEA

Die Quote dichter BPP mit Flowfieldtasche betrug 100 %, allerdings waren die elektrischen Widerstände

wegen des fehlenden Anpressdrucks auf die aktive Fläche beim Aushärten der Klebung zu

hoch für den Einsatz in der Brennstoffzelle. Der Anpressdruck hat sich entsprechend auf die Dichtbereiche

verteilt und dafür gesorgt, dass die BPP gasdicht werden. Dies kann zu der Schlussfolgerung

führen, dass etwa doppelt so hohe Kräfte für die Aushärtung benötigt werden würden um gasdichte

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Bio-PE BPP mit geringen Widerständen herstellen zu können. Da die Laufzeit des Projektes beendet

war, konnten diese Versuche nicht mehr durchgeführt werden.

Es standen damit keine geklebten Stapel für die Erprobung eines vollgeklebten Stacks zur Verfügung.

Somit wurde die Idee geboren die 2 nur geringfügig undichten Stapel aus den vorherigen Versuchen

nachzudichten. Die Voraussetzungen für eine weitere Verwendung dieser Stapel war zwar

fraglich, allerdings war eine erneute Herstellung nicht mehr möglich und sinnvoll. Zur äußeren Abdichtung

der beiden Stapel wurde der ausgetretene Klebstoff zunächst abgeschliffen und die Stacks von

allen vier Seiten mit einem 2K-Epoxidharzklebstoff der Firma Sika abgedichtet (Abbildung 61). Das

Biresin CR75 ist ein sehr niederviskoses System und härtet bei Raumtemperatur aus. Optimale Ergebnisse

werden laut Datenblatt bei einer anschließenden Nachhärtung unter erhöhter Temperatur. Deshalb

wurden die Reparaturlösung der beiden Stacks zusätzlich noch für 24 h bei 70 °C nachgehärtet.

Das System von Sika weist eine geringe Ausgangsviskosität auf (Harz: 1800 mPa*s, Härter:

35 mPa*s). Damit Undichtigkeiten der Stacks möglichst gut aufgefüllt und abgedichtet wurden, wurde

sich für diese Lösung entschieden.

Abbildung 61: Nachträglich applizierte Dichtung der PE-Stacks, 5 mm dicke Epoxidharzschicht aus Sika Biresin

CR75

Nach drei Dichtversuchen wurde bei beiden Stapeln eine ausreichende Dichtwirkung nachgewiesen.

Ein Zwischentest nur eines geklebten Stapels wurde aus Zeitgründen ausgelassen, stattdessen

wurden Endplattenbaugruppen (Abbildung 48, links) vorbereitet und an die Stapel angeklebt

Auch bei den zuletzt durchgeführten Klebungen zwischen Medienverteilern und Bipolarplatte

wurden undichte Positionen bei allen Stacks festgestellt und diese von außen nachgedichtet. Der Stack

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mit den PP BPP konnte nicht mehr gangbar gemacht werden. Übrig geblieben sind die zwei Bio-PE

Stacks, an welchen zusätzlich Verspannelemente für die Medienverteiler angebracht wurden, um die

Chance für einen längeren leckagefreien Betrieb zu erhöhen. An diese Verspannelemente wurden

noch die Einzelspannungserfassungen angebracht, welche aufgrund der Versiegelung der Stacks

nachträglich gebohrt werden mussten, Abbildung 62.

Abbildung 62: Anfertigung Einzelspannungserfassung, fertig aufgebaute fully bonded Stacks

2.7 Arbeitspaket 7: Langzeituntersuchung (ifs & ZBT)

Wie bereits im vorigen Kapitel beschrieben wurden bereits Stacks mit einzelnen Klebungen im

Dauerlaufprüfstand untersucht, um Rückschlüsse auf die Wirksamkeit der einzelnen Klebungen zu erhalten.

Für die Untersuchungen steht ein Teststand mit 3 Prüfplätzen für 5-zellige Stacks zur Verfügung.

Sobald für jeden Prüfplatz ein Kandidat vorhanden ist, kann der Test starten. Somit wurden

Stacks aus den jeweiligen Teilprojekten gesammelt und in den meisten Fällen gemeinsam getestet.

Sofern möglich wurde ein Stack als Referenz mit PP BPHP, ungeklebt und mit verschraubten Aluminiumendplatten

versehen.

In der ersten Langzeituntersuchung wurden drei Stacks für 1.500 Stunden betrieben: TP3 (Stack mit

Bio PE-BPHP), TP1/TP4 (Stack mit kühlseitiger Klebung) und TP2 (Stack mit Holz-Endplatte), Abbildung

63.

Das Testprotokoll sieht drei Abschaltungen bzw. Abkühlphasen pro 24 Stunden vor, einen drucklosen

Nennbetriebspunkt mit konstantem Strom von 20 A ohne aktive Befeuchtung mit Anodenrezirkulation

und einen Nettobetrieb von 21,9 Stunden pro Tag.

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Abbildung 63: Erster Dauerversuch mit Bio-PP BPP, kühlseitig geklebte PP BPP und gerundeter Holzendplatte

Abbildung 64 zeigt den Verlauf der gemittelten Einzel-Zellspannung im Konstant-Strom-Punkt

über die Betriebsdauer des Stacks mit Bio-PE BPHP (blau) der kühlseitig geklebten Variante (orange)

und des Holzendplattenstacks (grau). Die geklebte Variante war auch nach dem Betrieb noch vollständig

dicht und zeigte im Vergleich zu den anderen beiden Stacks die geringste Degradation, allerdings

auch das geringste Startniveau. Im Gegensatz zum Stack mit Spannbändern und Holzendplatten wies

der Stack mit den geklebten BPP nach 1066 h noch das Zieldrehmoment auf.

Abbildung 64: Dauerprüfung 5-Zeller Stack mit kühlseitig geklebter PP BPP

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Nicht nur im Konstantbetriebspunkt bei 20 A sondern über die gesamte Stromdicht-Spannungskurve

zeigt der Stack mit den geklebten PP BPP die beste Performance (Abbildung 65). Die geringere

Performance der Bio-PE BPP bestätigt sich auch in diesem Test.

Abbildung 65: Stromdichte-Spannungs-Kurven kühlseitig geklebter PP BPP

Abbildung 66 zeigt den zweiten Dauerversuch mit aktivseitig leitfähig und dicht geklebten Zellen gegenüber

einem Referenzstack mit ungeklebten BPP und einem Stack mit Holzendplatten sowie Spannbändern,

alle mit PP BPHP. Das Startniveau des geklebten Stacks ist am geringsten, allerdings degradiert

dieser auch nicht, so dass dieser am Ende des Tests nach 1050 h die höchste Performance der

drei Stacks erreicht hat. Das Nachspannen wurde in diesem Fall nur bei dem Holzendplattenstack

durchgeführt und eine Abschaltung des Teststands bei 919 h hat sich auf alle Stacks nur geringfügig

ausgewirkt. Die geringere Anfangsperformance kann daran gelegen haben, dass evtl. zu viel Klebstoff

auf die aktive Fläche aufgetragen wurde. Die bessere Performance zum Ende des Versuchs hat dies

jedoch überkompensiert.

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Abbildung 66: Dauerprüfung 5-Zeller Stack mit aktivseitig geklebten Zellen und PP BPHP

Abbildung 67: Stromdichte-Spannungs-Kurven aktivseitig geklebter Stack gegenüber 2 Referenzstacks

Auch die Stromdichte-Spannungs-Kurven bestätigen die gute Performance der aktivseitig geklebten

Variante (Abbildung 67). Allerdings ist die Outperformance nicht so deutlich wie bei der geklebten Kühlseite.

Gegenüber den zuvor dargestellten einzelligen Tests mit der Baltic Testzelle schneidet dieser

aussagekräftigere Test mit 5 gleichzeitig betriebenen Zellen sehr viel besser ab.

Ein weiterer Versuch über 1400 h beinhaltet einen Stack mit aktivseitig und kühlseitig geklebten Zellen

und PP BPHP, also abgesehen von den Endplattenbaugruppen ein vollgeklebter Stack (Abbildung 68).

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Als Referenz diente ein ungeklebter Stack mit PP BPHP, weiterhin geprüft wurde ein Stack mit Aluminium

Endplatten und Spannbändern (siehe TP 2). Wiederum auffällig ist das niedrige Anfangsniveau

des geklebten Stacks, welches innerhalb der ersten 100 h jedoch wieder vollständig ausgeglichen wird.

Am Ende zeigt der geklebte Stack die geringste Degradation und knapp die höchste Performance in

diesem Betriebspunkt.

Abbildung 68: Dauerprüfung 5-Zeller Stack mit aktivseitig und kühlseitig geklebten Zellen und PP BPHP

Über die Stromdichte-Spannungs-Kurven lassen sich auch andere Betriebspunkte vergleichen. Dazu

zeigt Abbildung 69 die jeweiligen Kurven zum Beginn und zum Ende des Tests. Hierbei fällt auf, dass

die geklebte Variante bei höheren Strömen einen stärkeren Leistungsabfall hat. Die Ergebnisse der

ersten beiden Tests (Kühlseite geklebt und aktiv Seite geklebt) lassen sich in diesem Fall also nicht

bestätigen. Ursächlich könnte auch hier wieder zu viel Klebstoff im aktiven Bereich sein.

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Abbildung 69: Stromdichte-Spannungs-Kurven aktiv- und kühlseitig geklebter Stack mit 2 Referenzstacks

Da es sich bei dem Testobjekt um einen fast vollständig geklebten Stack handelt ( lediglich die O-Ringe

zwischen BPP-Randplatte und Medienhülsen und die elektrische Kontaktierung zum Stromabnehmer

benötigen einen gewissen Anpressdruck zur Erfüllung ihrer Funktion) kann geprüft werden, inwieweit

der Anpressdruck reduziert werden kann, bis eine Leckage auftritt bzw. wie sich die Performance bei

reduziertem Anpressdruck verhält. Hierzu wurde der Anpressdruck sukzessive von 20 bar in 5 bar

Schritten reduziert, jeweils dichtgeprüft und eine Stromdichte-Spannungs-Kennlinie aufgenommen

(Abbildung 70). Die Kennlinien bei 10, 15 und 20 bar sind quasi deckungsgleich, d. h. der Anpressdruck

könnte ohne Performanceeinbußen und Leckage um 50 % reduziert werden. Eine Reduktion um 75 %

auf 5 bar bewirkt nach wie vor keine messbaren Leckagen und geringfügige Performanceeinbußen von

3,6 bzw. 13 % je nach Betriebspunkt. Im Vergleich dazu lag die Performanceeinbuße bei den o. a.

Baltic Versuchen nicht geklebt mit PP bei 36 % also erheblich höher. Eine ungeklebte Zelle identischen

Aufbaus würde je nach Dichtsystem bei diesen Anpressdrücken erfahrungsgemäß auch bereits Leckagen

aufweisen.

Eine weitere Anpressdruckreduktion auf 0 bar wurde durchgeführt, dabei wurden die Anbauteile durch

kraftarmes Umlegen eines Klebetapes gegen Auseinanderfallen gesichert. Auch in diesem Zustand

konnte keine Leckage festgestellt werden. Mit einem konventionell verspannten Stack wäre dies nicht

möglich gewesen. Ein Betrieb ist aus sicherheitstechnischen Gründen in diesem Zustand allerdings

nicht mehr erfolgt. Die Klebtechnik zeigt also definitiv Vorteile bzgl. Leckage und Performance.

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Abbildung 70: Stromdichte-Spannungs-Kurven aktiv- und kühlseitig geklebter Stack reduzierte Anpressdrücke

Der letzte Testlauf beinhaltet die beiden vollständig geklebten Stacks mit Bio-PE BPP, welche zuvor

mehrmals nachgedichtet werden mussten. Die bis dato gesammelten Erfahrungen mit den Bio-PE BPP

sprechen eher gegen den Einsatz dieser. Die Vorzeichen sehen also eher schlecht aus. Dennoch

wurde der Versuch unternommen und die zwei und ein Referenzstack in den Teststand eingebaut

(Abbildung 71).

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Abbildung 71: Letzter Testlauf mit Referenzstack PP und zwei fully bonded Stacks

Der Testlauf wurde mit dem Einfahren und einer initialen UI-Kennlinie gestartet (Abbildung 72). Wie bei

den geklebten Stacks bislang üblich lag die Anfangsperformance mit 5,7 bzw. 7,2 % im 400 mA/cm²

Betriebspunkt unter der des Referenzstacks.

Abbildung 72: Stromdichte-Spannungs-Kennlinie nach Start des Tests mit zwei vollgeklebten Bio-PE Stacks

Seite 79


Innerhalb von einem Testtag ist der geklebte Stack 1 undicht geworden und musste ausgebaut werden.

Stack 2 konnte noch einige Tage weiter betrieben werden, bis auch dieser eine zu hohe Leckage aufwies,

um sicher weiter betrieben zu werden. Die Anfangsbefürchtung und Erkenntnis aus den vorherigen

Versuchen, dass die Klebungen auf Bio-PE nicht sehr zuverlässig sind, bestätigt dieser Versuch

nochmals. Nach dem Ausbau aus dem Teststand wurden beide Stacks einer eingehenden Dichtprüfung

unterzogen und undichte Positionen entsprechend markiert (Abbildung 73). Die undichten Stellen

beschränken sich auf Klebungen zwischen Compound-Randplatte und Bio-PE Compound-BPP sowie

zwischen letzterer und den Medienverteilern aus PC bzw. ABS. Im unverspannten Zustand halten alle

Stackkomponenten weiterhin zusammen.

Abbildung 73: Vollgeklebte Stacks nach dem Betrieb und Ausbau

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Abbildung 74 zeigt abschließend die zusammengefasste Darstellung der Langzeitversuche in

einem Diagramm. Die geklebten Stacks mit PP-BPP zeigen durchgehend eine vergleichbare Degradation

und Performance zu den ungeklebten Referenzstacks. Einzig die initiale Performance weicht häufig

nach unten ab. Auffällig ist jedoch die vergleichsweise deutliche Degradation des Stacks mit den

Bio-PE BPP.

Abbildung 74: Vergleich der Langzeitversuche geklebter und von Referenz Stacks

Nicht nur aus klebtechnischer Sicht, sondern auch aus Sicht der Zellbeständigkeit sollte somit von

der Verwendung des eingesetzten Bio-PE abgeraten werden. Da der größte Teil der Erkenntnisse erst

gegen Ende des Projektes gewonnen werden konnte und ein alternatives Material wie das PCR-PP

mit sehr guten Ergebnissen in den anderen Teilprojekten auch erst zum Ende des Projektes zur Verfügung

stand, konnten keine darüberhinausgehenden Erkenntnisse gewonnen werden. Hier besteht

weiterer Forschungsbedarf und weiterführende Forschungsvorhanden sind in Planung.

Seite 81


2.8 Arbeitspaket 8: Wirtschaftlichkeitsanalyse und Ökologische HotSpot Analyse

1. LCA mit LCS Life Cycle Simulation GmbH

2. Ausarbeitung von Prozessschritten und benötigten Materialien

Die Durchführung der Wirtschaftlichkeitsanalyse und der LifeCycleAnalyse (LCA) wurde nach

dem Designfreeze Anfang 2024 gestartet. Dieses Arbeitspaket fand in Zusammenarbeit mit der Firma

LCS Life Cycle Simulation GmbH statt. Die Durchführung einer Wirtschaftlichkeitsanalyse im Kontext

der verwendeten Brennstoffzellenkomponenten ist ein essenzieller Schritt, um sicherzustellen, dass

die geplanten Technologien nicht nur technisch umsetzbar, sondern auch wirtschaftlich tragfähig sind.

Im vorliegenden Fall wurde die Analyse auf Basis mehrerer Treffen von den beteiligten Forschungseinrichtungen

und der Firma LCS Life Cycle Simulation GmbH in einzelnen, aufeinander aufbauenden

Arbeitsschritten durchgeführt. Diese Sitzungen waren entscheidend, um die Rahmenbedingungen und

die Einzelkomponenten des Brennstoffzellenstacks präzise festzulegen. Im Vorfeld wurden von den

Forschungseinrichtungen die detaillierten Zusammensetzungen der verwendeten Werkstoffe ermittelt.

Im Folgenden wird der Prozess der Wirtschaftlichkeitsanalyse beschrieben, einschließlich der Berücksichtigung

der Vergangenheit der Materialien und der verarbeitenden Prozessschritte.

Hintergrund und Vorbereitung

Nach dem Designfreeze, einem im Vorfeld festgelegten Punkt im Verlauf des Forschungsvorhabens,

an dem keine weiteren Änderungen am Design und den zu verwendenden Materialien vorgenommen

werden, konnte erst mit dem Zusammentragen aller relevanter Fakten für die LCA (LifeCycleAnalyse)

begonnen werden. Mit Hilfe der LCA und einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung soll sichergestellt

werden, dass die Kostenstruktur und der erwartete potenzielle Marktwert eines vollständig geklebten

Brennstoffzellenstacks im Einklang stehen.

Die Vorbereitungsphase umfasste mehrere Meetings, bei denen alle relevanten Parteien einbezogen

wurden. Diese Treffen dienten dazu, die Anforderungen, Spezifikationen und Einschränkungen

der Brennstoffzellenkomponenten zu definieren. Dabei wurden sowohl technische als auch wirtschaftliche

Aspekte beleuchtet, um eine ganzheitliche Sicht auf die Projektanforderungen zu gewährleisten.

Festlegung der Randbedingungen und Komponenten

In den Meetings wurden die Randbedingungen für die Wirtschaftlichkeitsanalyse klar definiert.

Dazu gehörten unter anderem:

• Kosten der Materialien:

Seite 82


Die Kosten der Rohmaterialien, die für die Brennstoffzellenkomponenten erforderlich sind, wurden

detailliert untersucht. Dabei wurden historische Preisentwicklungen, aktuelle Marktpreise und zukünftige

Preisprognosen berücksichtigt.

• Verarbeitende Prozessschritte:

Die einzelnen Schritte, die zur Verarbeitung der Materialien und zur Herstellung der Brennstoffzellenkomponenten

erforderlich sind, wurden analysiert. Dazu gehörten auch die Kosten für Energie,

Arbeitskraft, Maschinen und andere Betriebsmittel.

• Lebensdauer und Zuverlässigkeit:

Die erwartete Lebensdauer der Brennstoffzellenkomponenten und ihre Zuverlässigkeit wurden

ebenfalls als kritische Faktoren in die Analyse einbezogen. Komponenten mit längerer Lebensdauer

und höherer Zuverlässigkeit können die Gesamtkosten über die Lebensdauer der Brennstoffzelle

erheblich beeinflussen.

Erstellung eines Berechnungs-Excel-Sheets für die Menge an Klebstoff, abhängig von aufgetragenem

Gewicht pro FlowField, bzw. pro Kühlseite:

Abbildung 75: Methodik der Wirtschaftlichkeitsanalyse

Die Methodik der Wirtschaftlichkeitsanalyse basiert auf der systematischen Bewertung der verschiedenen

Kostenfaktoren in Relation zum erwarteten Nutzen und Marktpotenzial der Brennstoffzellenkomponenten.

Die Analyse gliedert sich in mehrere Schritte:

Seite 83


Kostenanalyse

Zunächst wurden die Kosten für jede einzelne Komponente des Brennstoffzellenstacks ermittelt.

Dies umfasste die Materialkosten, die Prozesskosten (einschließlich der verarbeitenden Schritte

wie Beschichtung, Montage und Qualitätskontrolle) sowie die Fixkosten wie Maschinen- und Anlagenkosten.

Besondere Aufmerksamkeit wurde der Analyse historischer Materialkosten gewidmet, um die

Preisentwicklung besser einschätzen zu können. Auch die Kosten für mögliche Abfallprodukte oder

Ausschuss wurden berücksichtigt.

Nutzwertanalyse

Die Nutzwertanalyse bezieht sich auf den erwarteten wirtschaftlichen Nutzen, der durch die

Verwendung der Brennstoffzellenkomponenten erzielt werden kann. Dazu wurden Szenarien entwickelt,

die verschiedene Marktbedingungen und Preisentwicklungen simulieren. Die Analyse umfasste

auch die Bewertung von Einsparungspotenzialen durch verbesserte Energieeffizienz und Reduzierung

von Emissionen im Vergleich zu konventionellen Technologien.

Break-Even-Analyse

Ein zentraler Bestandteil der Wirtschaftlichkeitsanalyse ist die Break-Even-Analyse. Sie bestimmt

den Punkt, an dem die Einnahmen aus dem Verkauf der Brennstoffzellenkomponenten die Produktionskosten

decken. Diese Analyse ist entscheidend, um zu ermitteln, wie viele Einheiten verkauft

werden müssen, um das Projekt wirtschaftlich rentabel zu machen. Hierbei wurden auch verschiedene

Szenarien durchgespielt, um die Auswirkungen von Änderungen in den Produktionsvolumina, den Materialkosten

und den Verkaufspreisen zu verstehen.

Risikoanalyse

Da die Brennstoffzellentechnologie für den großskaligen Einsatz noch relativ jung und in vielerlei

Hinsicht noch unvorhersehbar ist (Entdeckung der Brennstoffzelle hingegen war 1838/1839), war

eine Risikoanalyse von entscheidender Bedeutung. Diese Analyse identifizierte potenzielle Risiken,

wie z.B. Schwankungen in den Rohstoffpreisen, Änderungen in den regulatorischen Rahmenbedingungen

oder technologische Durchbrüche bei konkurrierenden Technologien. Zu jedem identifizierten Risiko

wurden mögliche Gegenmaßnahmen entwickelt, um die wirtschaftliche Stabilität des Projekts zu

gewährleisten.

Die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsanalyse zeigten ein differenziertes Bild. Einige Brennstoffzellenkomponenten

erwiesen sich als wirtschaftlich tragfähig, insbesondere solche, deren Materialkosten

relativ stabil und deren Verarbeitungsprozesse gut etabliert sind. Andere Komponenten hingegen,

deren Herstellung komplexer und kostenintensiver ist, stellten sich als weniger wirtschaftlich heraus,

Seite 84


insbesondere unter Berücksichtigung der Unsicherheiten in den Materialkosten und der Marktentwicklung.

Ein zentrales Ergebnis der Analyse war die Identifikation von Komponenten, bei denen durch

technologische Innovationen oder Prozessoptimierungen signifikante Kostensenkungen möglich wären.

Es wurde empfohlen, gezielt in die Forschung und Entwicklung dieser Bereiche zu investieren, um

die Wirtschaftlichkeit der gesamten Brennstoffzelle zu verbessern.

Empfehlungen und nächste Schritte

Auf Basis der Analyseergebnisse wurden mehrere Empfehlungen formuliert:

• Optimierung der Prozessschritte: Es wurde vorgeschlagen, die Effizienz der verarbeitenden

Prozessschritte weiter zu steigern, um die Produktionskosten zu senken. Dies könnte durch

Automatisierung, verbesserte Qualitätskontrollen oder den Einsatz kostengünstigerer Materialien

erreicht werden.

• Forschung und Entwicklung: Investitionen in Forschung und Entwicklung wurden als entscheidend

erachtet, um die identifizierten Kostentreiber zu adressieren und die technologische Reife

der Brennstoffzellenkomponenten zu erhöhen.

• Marktüberwachung: Eine kontinuierliche Marktüberwachung wurde empfohlen, um Preisentwicklungen

und regulatorische Änderungen frühzeitig zu erkennen und entsprechend reagieren

zu können.

Die Durchführung der Wirtschaftlichkeitsanalyse für die Brennstoffzellenkomponenten nach

dem Design Freeze war ein kritischer Schritt, um die wirtschaftliche Tragfähigkeit des Projekts sicherzustellen.

Durch die sorgfältige Berücksichtigung der Materialkosten, der verarbeitenden Prozessschritte

und der Marktbedingungen konnten wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden, die nun als

Grundlage für die weiteren Entscheidungen und Entwicklungen im Projekt dienen. Die enge Zusammenarbeit

zwischen den Forschungseinrichtungen und der Firma LCS Life Cycle Simulation GmbH

erwies sich als besonders wertvoll, um ein umfassendes Verständnis der technischen und wirtschaftlichen

Herausforderungen zu gewährleisten.

Nachfolgend werden die Vorgehensweise zur Erstellung der LCA durch die Firma LCS Life Cycle Simulation

GmbH in Form von Diagrammen, Abbildungen und Stichpunkten sowie die Ergebnisse dargestellt.

Abbildung 76 beginnt mit den betrachteten Systemgrenzen. Nachfolgend werden die Randbedingungen

und das methodische Vorgehen betrachtet.

Seite 85


Abbildung 76: Betrachtete Systemgrenze, ©LCS

Für die Betrachtung und den Vergleich getroffene Annahmen und Abstimmungen

Nachfolgend werden die getroffenen Annahmen für die Betrachtung und die Methodiken aufgezählt.

• Funktionelle Einheit (FU): ein Brennstoffzellenstack mit 50 Zellen

• Energie Randbedingungen: EU27

• Datenbasis Stückliste Stack und Informationen zu Einzelbestandteilen

• Ökoprofile berechnet auf Basis LCS Datenbank (The calculation of the Life Cycle Inventory

data sets (eco-profiles) is based on the LCA for Experts® 10 software using the LCS database.

The LCS database contains the Managed LCA Content Database (fka GaBi® 10 Professional

Database) (https://gabi.sphera.com/deutsch/index/), published industry data, patents,

literature values and own calculations.)

• Herstellung Brennstoffzellenstack: Massenproduktion (LCS Expertenschätzung)

• Annahme End-of-Life von Brennstoffzelle: thermische Verwertung und Metallrecycling

o

o

Prozessablauf: Stackinganlage, Verpressen, Dichtprüfen, Verspannen, Konditionieren,

Heißtest

Betrachtung Prozess- und Hallentechnik (Strom, Wärme)

Seite 86


o

o

Stack konventionell und Holzendplattenstack: Montage gleich ansetzen, Aushärtung

Silikondichtung: 1 min bei 120°C

Bio-Variante bei 6h und 80°C wegen PE Material (industrielle Umsetzung energetisch

gleich angesetzt wie Variante Silikon)

o

Nutzungsphase berücksichtigt (wird in Szenarioanalyse definiert)

• Skalierung nur der BPHP und der Komponenten MEA (2x GDL, 2x PEN-Folie + Kathode/Anode,

1x CCM)

• Gewicht pro MEA LCS berechnet: 1,612 g

• Herleitung Masse einzelne Komponenten MEAGDL 1,124 g

o

o

o

o

o

o

o

o

PEN + Kathode/Anode 0,344 g

CCM 0,144 g

Festgelegte Materialien Bestandteile MEAGDL Carbon Paper

PEN + Kathode/Anode Polyethylennaphtalatfolie, Beschichtung Platin

CCM Nafion

Herstellungsenergien für Einzelbestandteile durch LCS Expertenschätzung

o

o

GDL Annahme, Angaben ZBT: Unverpresste Dicke von 230 μm

Fläche von jeweils 55,54 cm²

o

o

o

Korrigierten Annahmen PEN Folie + Kathode/Anode: 0,4 mg/cm² Platin auf der Kathode

und 0,1 mg/cm² auf der Anode

Aktive Fläche beträgt 52 cm² pro Kathode/Anode

Subgasket ist 0,09 mm dick und besteht aus 2 Folien, also jeweils 0,045 mm (45 μm)

o

Membran: LCS Annahme Dicke: 14 μm

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o

o

o

Szenariobetrachtung Nutzungsphase (Stationäre Anwendung)

Leistung eines 50-Zellen Stacks: 1,25 kW elektrisch (Annahme keine Unterschiede bei

der Leistungsfähigkeit)

Nutzungsdauer: 80.000 h, Wasserstoff aus steam reforming (natural gas)


o

o

o

o

o

Szenariobetrachtung Nutzungsphase (Mobile Anwendung)

Mittelklasse E-PKWs zur Darstellung Einfluss Gewichtsunterschied

Laufleistung: 200.000 km und lineare Skalierung Standardstack (1,25 kW elektrisch) auf

E-PKW 125 kW elektrisch (rein rechnerische Annahme von 100 Stacks und Annahme

keiner Unterschiede bei der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen)

Wasserstoff aus steam reforming (natural gas)

Darstellung über Minderverbrauchsfaktor*: 0,298 kWh/100km x 100kg

o

o

Masse linear skalierter konventioneller Stack: 533,58 kg

Masse linear skalierter Holzplattenstack: 447,87 kg

Abbildung 77: Randbedingungen der LCA, ©LCS, ZBT, IFS, WKI

Abbildung 78: Methodisches Vorgehen der LCA, ©LCS

Seite 88


Abbildung 79: Definition der wichtigsten Parameter für das Vorgehen der LCA, ©LCS

Die Annahme für den DE Mix laut LCS beträgt 466 g CO2/kWh, für den EU27 Mix 317 g CO2/kWh. Die

Annahmen werden genutzt laut obigen Randbedingungen (Abbildung 77).

Die Datenerfassung für die Varianten der Stacks war entsprechend wichtig, um möglichst aussagekräftige

Ergebnisse zu erhalten (Abbildung 80 bis Abbildung 82).

Abbildung 80: Datenerfassung für den konventionellen Stack, Stückliste, ©LCS

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Abbildung 81: Datenerfassung für den Stack mit Holzendplatten, Stückliste, ©LCS

Abbildung 82: Datenerfassung für den geklebten Stack mit Holzendplatten, Stückliste, ©LCS

Seite 90


Weiterhin erfolgte durch LCS eine Einschätzung zu folgenden Materialien:

• Naturgraphit: Naturgraphit kann ökologisch besser hergestellt werden als synthetisches Graphit,

wegen des deutlich geringeren Energiebedarfs und wenn alle Prozessstufen (u.a. Bergbau,

etc.) die eingesetzten Chemikalien (speziell Flusssäure) nach dem Stand der Technik verwerten.

• Bio-PE: Bio-PE kann nachhaltiger als Standard PP hergestellt werden, da die Ethylen Basis

eine erneuerbare Vorkette hat wird der CO2-Fußabdruck reduziert.

• Holzmaterialien: Die Ökoprofile der beiden Endplattenvarianten (Festholz, Accoya) fallen ähnlich

aus, die Variante mit Holz Accoya ® minimal besser durch einen geringeren Harzeinsatz als

beim Festholz ® .

Seite 91


Ergebnisse der LCA

Nachfolgend werden die Ergebnisse der LCA dargestellt. Begonnen wird mit dem Vergleich eines konventionellen

Stacks mit dem Holzendplattenstack aus TP 2 ohne Nutzungsphase. Abbildung 83, Abbildung

84 und Abbildung 85 zeigen dazu das GWP und den Primärenergiebedarf. Abbildung 86 zeigt

neben dem GWP die normalisierte Auswirkung auf andere Umweltaspekte. In allen Fällen gibt es geringfügige

Vorteile auf Seiten des Holzendplattenstacks, die vor allem auf die Endplatte, Verspannung

und teilweise auf die End of Life Gutschrift für das Recycling zurückzuführen sind.

Abbildung 83: Global Warming Potential (GWP) - cradle-to-grave (ohne Nutzungsphase), ©LCS

Abbildung 84: Primärenergiebedarf - cradle-to-grave (ohne Nutzungsphase), ©LCS

Seite 92


Abbildung 85: Primärenergiebedarf - cradle-to-grave (ohne Nutzungsphase), ©LCS

Abbildung 86: Normalisierung - cradle-to-grave (ohne Nutzungsphase), ©LCS

Ergänzend dazu zeigt Abbildung 87 das ganze nochmal unter Einbeziehung eines voll geklebten

Stacks mit Holzeendplatten. Bzgl. GWP zeigt dieser Vorteile gegenüber den beiden anderen Varianten,

bzgl. Primärenergiebedarf Nachteile. Die normierte Darstellung aller betrachteter Umweltaspekte hinterlässt

ein gemischtes Bild mit Vor- und Nachteilen für die geklebte Variante.

Seite 93


Abbildung 87: Vergleich von geklebtem und nicht geklebten Holzendplattenstack, ©LCS

Seite 94


Ergebnisse Szenario stationäre Nutzungsphase: 1 Stack (50 Zellen), 80.000h

Abbildung 88 zeigt die Ergebnisse des GWP, des Primärenergiebedarfs und der normalisierten Umweltfaktoren

mit stationärer Nutzungsphase von 80.000 h. Hier ist die Nutzungsphase weitestgehend

auf Basis fossiler Energieträger dominant, die Herstellungsphase spielt keine Rolle mehr. Die Abkehr

von fossilen Energien und Erhöhung des Wirkungsgrades z. B. durch Klebungen wäre für diese Betrachtung

vorteilhaft.

Abbildung 88: Ergebnisse Szenario stationäre Nutzungsphase: 1 Stack (50 Zellen), 80.000h, ©LCS

Seite 95


Ergebnisse Szenario - mobile Nutzungsphase - 100 Stacks

Abbildung 89: Ergebnisse Szenario - mobile Nutzungsphase -100 Stacks, ©LCS

In der mobilen Nutzungsphase gemäß Abbildung 89 zeigen die Holzendplatte und der geklebte Stack

Vorteile in Bezug auf GWP und Primärenergiebedarf, weil die Masse der Stacks geringer ist, was sich

auf den Wasserstoffverbrauch positiv auswirkt. Da ZBT Laborstacks für die Berechnung herangezogen

worden benötigt 1 PKW 100 Stacks um auf die benötigte Leistung zu kommen, was nicht realistisch

ist. Bzgl. der anderen Umweltfaktoren ergibt sich wiederum ein gemischtes Bild. Auch hier kann durch

Steigerungen des Wirkungsgrads bzw. die vermehrte Nutzung regenerativer Energiequellen der positive

Effekt der biobasierten Werkstoffe verstärkt werden.

Seite 96


Gesamtfazit der LCA

• Bei Betrachtung des Life Cycle ohne die Nutzungsphase ist das Material der Haupteinfluss

auf das GWP.

• Durch Nutzung einer Holzendplatte kann das GWP um ca. 10% reduziert werden.

• Durch Nutzung einer Holzendplatte kann die Primärenergie reduziert werden.

• Weiter wird das GWP durch Nutzung von Bipolarhalbplatten (BPHP) mit Bio-PE und biobasierten

Klebstoffen reduziert.

• Die Primärenergie erhöht sich bei dem geklebten Holzendplattenstack durch energetisch aufwendigere

Prozesse in der Herstellung der Rohstoffe

• In der Normalisierung (ohne Nutzung) ist der Faktor AP durch Graphit und die MEA bestimmt.

• Beim Szenario des geklebten Holzendplattenstack erhöhen sich die Faktoren AP und EP

durch aufwendigere Prozesse und den Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen (Bio-PE aus

konventioneller Landwirtschaft).

• Bei einer stationären Nutzung über 80.000 h eines Brennstoffzellenstacks überwiegt die Nutzungsphase

komplett.

• Bei der mobilen Nutzung von 100 Stacks macht sich der Gewichtsunterschied zwischen der

Referenz und dem Holzendplattenstack bemerkbar.

Damit folgt:

• Für eine nachhaltige Entwicklung bzw. Weiterentwicklung von Brennstoffzellentechnologien ist

die Betrachtung des kompletten Lebenszyklus wesentlich, sowie unterschiedlicher Umweltwirkungen.

• In der Herstellungsphase können Material- bzw. Prozesstechnik Hot Spots identifiziert werden,

z.B. Potenziale unterschiedlicher Endplatten.

o

Die Nutzungsphase wird vom Anwendungsszenario dominiert, d.h.bei der stationären

Anwendung ist die Energieeffizienz dominierend, bei einer mobilen Anwendung ist zusätzlich

ein „Leichtbau“ vorteilhaft.

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o

Für den Einsatz nachwachsender Rohstoffe ist immer wichtig, dass diese durch eine

biologische Landwirtschaft bereitgestellt werden, d.h. Effekte auf die Umweltwirkungen

AP und EP möglichst vermeiden.

o

Um bereits in F&E Prozessen frühzeitig richtungsweisende Material- bzw. Prozesstechnik

Entscheidungen zu unterstützen sind Digitale Zwillinge von Brennstoffzellenkonzepten

sehr hilfreich.

Seite 98


2.9 Arbeitspaket 9: Dokumentation und Workshop

Die Dokumentation wurde im Projekt fortlaufend durchgeführt und im Rahmen der Projekttreffen

dem projektbegleitenden Ausschuss zur Verfügung gestellt.

Für das Teilprojekt 1 wurde am ZBT in Duisburg am 11.09.2024 ein HandsOn Projekttreffen

durchgeführt, Abbildung 90. Dadurch, dass dieses Forschungsvorhaben viele einzelne, speziell praktisch

orientierte Arbeitsschritte aufweist, war die Intention, dem PA sowohl die Komplexität darzulegen

als auch in einer gemeinsamen Runde an Originalteilen einen tiefen Erfahrungsaustausch zu ermöglichen.

Zu diesem Zweck wurden Exponate aus den einzelnen Fertigungsschritten (Oberflächenvorbehandlung,

Klebstoffapplikation, Stackbau und Dichtungsapplikation zur Verfügung gestellt. So konnten

die Industrievertreter einzelne Schritte selbst versuchen und mit Erfahrungswerten aus dem jeweiligen

Unternehmen den Fortschritt des Projekts gezielt vorteilhaft gestalten.

Abbildung 90: Fotos vom Hands-on Workshop am ZBT

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2.10 Ausblick

Eine offene Frage, die im Rahmen des Forschungsvorhabens nicht vollumfänglich geklärt werden

konnten, war der Bauteilverzug von Zellen und Endblöcken. Die vorgestellten Hypothesen konnten

nicht bewiesen oder widerlegt werden. Sie zeigten lediglich eine mögliche Richtung für die Problemfindung

auf. Aus diesem Grund ist die Untersuchung für die Ursachen der in den Bauteilen enthaltenen

Spannungen ein wichtiger Punkt. Die Relevanz wird noch gesteigert, dadurch dass weiterhin das Ziel

besteht, einen anpressdruckreduzierten bzw. einen anpressdrucklosen Stack aufzubauen. Für diesen

Einsatz ist es erforderlich, dass alle Bauteile möglichst plan sind.

Die nicht invasive Untersuchung der geklebten Bauteile durch den Einsatz einer µCT wurde in

diesem Projekt intensiv für Brennstoffzellenkomponenten eingesetzt. Diese Art der Untersuchung lieferte

eine Vielzahl an Daten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens ist es nicht gelungen, aus den

generierten Daten einen maximalen Nutzen zu ziehen. Aus diesem Grund ist eine automatisierte Analyse

als Qualitätssicherung (analog einer Fertigungskontrolle) der logische nächste Schritt für die Verwendung

dieser Art von Prüfung. Die Grundidee dabei ist, dass die durch die Analyse mittels µCT

erstellten Daten mit einem idealisierten 3D Modell automatisiert verglichen werden. Fehler in der Klebschicht

oder Delaminationen im Compoundmaterial sowie Risse könnten in Form von Abweichungen

zwischen 3D Modell und erfasstem Datenmodell der µCT bestimmt werden.

Bezüglich der Materialauswahl bestehen auch weiterhin offene Fragestellungen. Das eingesetzte Bio-

PE zeigt sowohl Nachteile bzgl. der Klebbarkeit, der Dichtwirkung im geklebten Zustand als auch bei

der Degradation in der Brennstoffzelle. Die verfügbaren Alternativen Werkstoffe PA 11 und PCR PP

konnten entweder nicht gut spritzgießtechnisch verarbeitet werden oder standen zu spät im Projektverlauf

zur Verfügung, um vollständig geprüft werden zu können. Die Fokussierung auf das Bio-PE hat

schließlich dazu geführt, dass die vollgeklebten Stacks Leckagen aufzeigten und nicht mit reduzierten

Anpressdruck betrieben werden konnten. Dass dies jedoch funktioniert zeigte ein kühl- und aktivseitig

geklebter Stack auf Basis von PP-BPP eindrucksvoll. Hier ist weiteres Potential für Folgeprojekte und

die industrielle Anwendungen gegeben, besonders wenn dadurch bei mobiler Nutzung in PKW, Trucks

oder Flugzeugen durch die massiv reduzierten Endplattenbaugruppen sehr viel Gewicht gespart werden

kann.

Seite 100


3. Verwendung der Zuwendung

AP 1: Erstellung Lastenheft

Tabelle 12

Ziele AP 1

AP 1: Ziele, Arbeiten und Ergebnisse

Arbeiten und Ergebnisse

Erweiterung Lastenheft in Bezug auf angestrebte

Nachhaltigkeit durch biobasierte

Werkstoffe

Eigenschaften der zu entwickelnden Werkund

Klebstoffe

Betriebsparameter der Brennstoffzellentests

Das Lastenheft wurde entsprechend herstellt. Im Laufe des

Projektes mussten aufgrund von aktuellen Erkenntnissen allerdings

Anpassungen vorgenommen werden.

Es wurde die im späteren Verlauf aufzubauende Brennstoffzelle

definiert und die einzelnen zu berücksichtigten Stellen

benannt.

Um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten wurden die Betriebsparameter

der Brennstoffzellentests bewusst unverändert

belassen. Lediglich die Testzeiten wurden bei den 5-zelligen

Langzeitversuchen möglichst lang angesetzt und bei den

1-zelligen Baltic Versuchen freibleibend, abhängig der Anzahl

an Prüflingen.

Seite 101


AP 2: Konzeption der Fügeschritte

Tabelle 13

Ziele AP 2



In Arbeitspaket 2 werden die Fügeschritte

der im Lastenheft festgelegten, klebtechnisch

zu fügenden Komponenten konstruktiv

konzeptioniert

Die auszuwählenden Methoden werden an

Prozesse angelehnt, welche auch in der industriellen

Fertigung Anwendung finden.

Es wird aufgezeigt wie BPP-MEA-Baugruppen

aus einem defekten Stack entnommen

und getrennt werden können, um

hinsichtlich der Nachhaltigkeit möglichst

viele Bauteile wiederzuverwenden.

Es wurden unterschiedliche Applikations- und Fügeschritte

konzeptioniert. Die Aushärtung erfolgte in Brennstoffzellenaufbauten

oder in einer Presse. Eine ausreichende

Anzahl dichter Baugruppen wurde für die jeweiligen

Prozessschritte in späteren AP´s nachgewiesen.

Es wurden industriell anwendbare Prozesse wie Walzen,

Stempeldruck und Dispensen betrachtet.

Die Trennbarkeit wurde aufgezeigt.

AP 3: Charakterisierung der Oberflächen und Klebstoffe

Tabelle 14

Ziele AP 3



Rheologische Untersuchungen der Klebstoffe,

Analyse mittels DSC

Ermittlung der Oberflächentopografie der zu

fügenden Substrate (Auflichtmikroskopie,

LSM)

Ermittlung der Oberflächenenergie und notwendiger

Oberflächenvorbehandlung bei Bipolarplatte

und Endplatte, Stromabnehmer,

Membran und Subgasket

Umfangereiche Untersuchungen zur Appizierbarkeit

der Klebstoffe über verschiedene Verfahren in Abhängigkeit

der rheologischen Eigenschaften.

Die Ergebnisse zur DSC Untersuchung erfolgten

umfassend im Vorhinein von TP 4 „Adhesives“ und

wurden hier nicht noch einmal wiederholt.

Die Topographie wurde eingehend durch Mikroskopiesche

Methoden untersucht, besonders im Hinblick

auf die Unterschiede durch die verschiedenen

Vorbehandlungmethoden. Probleme durch eine

Coronavorbehandlung und die Optimierung durch

eine Plasmavorbehandlung konnte gezeigt werden.

Weiterhin wurden die Prozessgrenzen untersucht.

Die Benetzbarkeit wurde nachgewiesen und die Parameter

zur Vorbehandlung entsprechend optimiert

sowie Grenzen der Anwendbarkeit (Prozessgrenzen)

ermittelt.

Seite 102


AP 4: Fügevorgang (BPP, MEA, Endplatten, Stromabnehmer)

Tabelle 15

Ziele AP 4



Beginn der Arbeiten mit konventionellen PP

BPHP

Für die Herstellung von Bipolarplatten werden

Bipolarhalbplatten (BPHP) aus Teilprojekt

3 kühlseitig leitfähig aufeinander geklebt.

Im Sinne der Qualitätssicherung (QS) wird

zur Überprüfung ein Leckageprüfstand aufgebaut,

in dem sich das ausgewählte BPP-

Design in geringer Taktzeit überprüfen lässt.

Messung von Widerständen gefügter BPP

und Vergleich mit lose assemblierten BPP

Klebung von Zellen mit 7-Layer MEA´s und

von Zellen mit losen CCM und GDL´s

Fügen von Endplatten mit den Stromabnehmern

und der Bipolar-Randplatte

Gezieltes Trennen der gesamten Baugruppe

zum Recyclen einzelner Werkstoffe

Umfangreiche Arbeiten wurden auf Basis von PP

BPHP druchgeführt, wie das Kleben von BPP und

von Zellen

Dies ist mit einer geringen Ausschussrate für PP-

BPP und mit einer recht hohen Ausschussrate für

Bio-PE BPP erfolgt.

Am ZBT wurde ein Teststand zur schnellen Überprüfung

von einzelnen BPHP, gefügten BPP und gefügten

Zellen auf Basis einer Handpresse entwickelt,

aufgebaut und erprobt. Die verschiedenen Designs

werden durch passende Platten adaptiert.

Die Messungen sind für eine Vielzahl von BPP vor

allem im Rahmen von TP 4 erfolgt. Bei Verwendung

leitfähig gefüllter Klebstoffe und adäquatem Aushärtprozess

werden die Widerstände sehr gering

und anpressdruckunabhängig.

Bzgl. Handhabung hat sich die Klebung von 7-Layer

MEA´s als technisch überlegen gezeigt und wurde

deswegen bevorzugt verfolgt. Delaminationen aus

vorherigen Projekten wurden nicht mehr beobachtet.

Klebungen von Zellen bestehend aus losen

CCM und GDL´s sind aufwändiger und fehleranfälliger,

funktionieren grundsätzlich aber auch.

Endplattenbaugruppen wurden gefügt. Allerdings

trat ein zu starker Verzug auf, weswegen im späteren

Verlauf die Baugruppe nicht mehr vorgefertigt

wurde, sondern in einem Gang bei der Fertigung der

Stacks.

Das Trennen wurde erfolgreich gezeigt.

Seite 103


AP 5: Herstellung und Tests von 1 Zellern

Tabelle 16

Ziele AP 5



Die Zwischenergebnisse aus TP 2 (Holzendplatte),

TP 3 (Bio-Compound) und TP

4 (Bio-Klebstoff) werden im Komplettverbund

betrieben und somit die Eignung und

Leistungsfähigkeit unter realen Brennstoffzellbedingungen

charakterisiert

Die Zwischenergebnisse wurden in Form von 3 verschiedenen

Compounds aus TP 3 und von aktivseitigen Klebstoffen aus TP

4 in der Baltic FuelCell überprüft. Das Bio-PA 11 erwies sich dort

als aussichtsreicher Kandidat, das Bio-PE zeigte eine geringere

Performance. Schwierigkeiten beim Wechsel des Teststands ließen

die Bewertung der Klebungen nicht vollständig zu. Es wurden

in 12 verschiedenen Test insgesamt über 2.000 h Betriebsstunden

mit der Baltic FuelCell gesammelt. Der Komplettverbund

wurde ausschließlich in AP 6 auf Basis fünfzelliger Aufbauten

untersucht, weil für einzellige FC-Stacks kein Teststand zur Verfügung

stand und die fünfzelligen Untersuchungen aussagekräftiger

sind.

AP 6: Herstellung und Tests von 5-Zellern

Tabelle 17

Ziele AP 6



Vor dem Aufbau von Stacks wurden alle Komponenten sofern

möglich Sicht- und thermomechanischen Dichtprüfungen unterworfen.

Dazu gehören BPHP, gefügte BPP, gefügte Zellen, gefügte

Zellstapel, Medienverteiler, gefügte Endplatten und fertig

aufgebaute FC-Stacks.

Aufbau und Dichtprüfung von 5-zelligen

Brennstoffzellenstacks

Der Aufbau von 5-zelligen Brennstoffzellentest erfolgte in unterschiedlichen

Konfigurationen, damit einzelne Materialien und

Fügeoperationen separat betrachtet werden können. Insgesamt

wurden über alle Teilprojekte hinweg 16 fünfzellige Stacks aufgebaut.

Auf dieses Teilprojekt entfallen dabei 11 Stacks.

Der Betrieb und die Aufnahme von UI Kennlinien der Stacks erfolgte

in AP 7.

Seite 104


AP 7: Langzeituntersuchungen

Tabelle 18

Ziele AP 7



Es finden beschleunigte in-situ Langzeituntersuchungen

mit anspruchsvollem Betriebsprotokoll

im Teststand an 5-Zellern

statt. Das Betriebsprotokoll soll durch häufige

warm/kalt Zyklen und einer hohen Befeuchtung

den verwendeten Materialien

extremen Belastungen aussetzen und somit

schon nach ca. 500 Stunden Tendenzen

zur Lebensdauer des Stacks erkennen

lassen.

Post mortem Analysen der Stacks nach Abschluss

der Zelltests, z. B. Dichtheitsmessungen

sowie Zerlegung und optische Analysen

der Stacks führen zu einer Bewertung

der durchgeführten Klebungen und des gesamten

Konzepts.

Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten wurde

das vorhandene Parameterset mit einer täglichen Abschaltung,

einer UI-Kennlinie und einem moderaten Dauerbetrieb herangezogen.

Insgesamt wurden in 4 Testläufen jeweils 3 Stacks untersucht,

wobei ein Stack möglichst der Referenz mit PP BPHP und

Silikondichtungen entspricht. Bis auf einen Test bei dem kein

Dauerbetrieb zustande kam, übertrafen alle Testläufe die angestrebten

500 h mit 1000 bis 1500 h. Über alle Teilprojekte hinweg

sind somit 14.000 h Testzeit angesammelt und in Form von UIund

Degradationskennlinien ausgewertet worden. Es wurden

aussagekräftige Ergebnisse hinsichtlich der Verwendbarkeit von

biobasierten und geklebten Brennstoffzellenkomponenten generiert.

Ein Stack mit aktivseitig und kühlseitig geklebten PP-BPP

konnte mit einer Anpressdruckreduzierung von 75 % noch fasst

volle Leistung generieren.

Die Stacks wurden nach Ende des Tests bzw. post mortem untersucht.

Alle Stacks aus den Dauerlaufversuchen haben die anschließenden

Leckagetests nach wie vor bestanden. Ein Stack

mit aktivseitig und kühlseitig geklebten Endplatten blieb sogar

ohne Anpressdruck noch dicht.

AP 8: Wirtschaftlichkeit, ökologische HotSpot Analyse und Recyclingpotentiale

Tabelle 19

Ziele AP 8



Wirtschaftliche Analyse: Die erreichten Ergebnisse

aus den Funktionstests werden

mit denen herkömmlicher Brennstoffzellenstacks

verglichen

Seite 105

Im Rahmen von AP 7 wurden die Ergebnisse aus den Funktionstest

in allen Fällen mit denen herkömmlicher Stacks verglichen.

Die biobasiert gefügten Baugruppen weisen in fast allen Fällen

eine geringere Anfangsperformance aus, beenden die Tests

aber häufig mit der höchsten Performance zeigen somit weniger

Degradation und ermöglichen potentiell eine höhere Lebensdauer.

Der wirtschaftliche Nutzen ist abhängig vom gewählten

Szenario und der angestrebten Betriebsdauer, kann aufgrund


der erhöhten Schluss-Performance und der kleiner definierbaren

Verspannelemente als positiv angesehen werden.

Ökologische HotSpot LC Analyse

Die ökologische HotSpot Analyse wurde beauftragt, durchgeführt

und hat wichtige Ergebnisse zur Beurteilung der biobasierten

Lösungen gegeben. Abhängig von dem Anwendungsfall und

den Randbedingungen ist der Einsatz biobasierter Lösungen

mehr oder weniger sinnvoll.

Auf der abschließenden Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses des Gesamtprojektverbundes

am 13.11.2024 wurden die finalen Ergebnisse noch einmal den Teilnehmern vorgestellt

und abschließend diskutiert. Der PA bestätigt, dass das Vorgehen innerhalb des Projektes

zielführend war und die angestrebten Ergebnisse mit diesem Vorgehen bezogen auf Methoden

und Umfang wie hier dargestellt erzielt wurden.

Die Ergebniseinschätzung des Projektes wurde gemeinsam mit dem PA durchgeführt und dokumentiert.

Seite 106


4. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit

Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des Finanzierungsplans)

Forschungseinrichtung 1 – Institut Füge- und Schweißtechnik (ifs)

Soll (lt. Finanzierungsplan): 25 PM HPA-A

Ist (gebucht): 24,8 PM HPA-A

Forschungseinrichtung 2 – ZBT GmbH

Soll (lt. Finanzierungsplan): 10,2 PM HPA-A


Forschungseinrichtung 3 – Fraunhofer WKI

Soll (lt. Finanzierungsplan): 0,75 PM HPA-A


Die Aufwendungen für das Personal an den Instituten waren für den Projektverlauf notwendig und

angemessen zur Erreichung der im Antrag festgelegten und in diesem genehmigten Projektziele. Geräte

(Einzelansatz B des Finanzierungsplans) sind laut Antrag nicht vorgesehen und entfallen daher.

Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans)

Im Rahmen des Projektes wurde extern eine LifeCycleAnalyse durchgeführt. Durch die Beauftragung

eines unabhängigen Unternehmens konnte sichergestellt werden, dass die Daten unabhängig von den

Forschungsergebnissen interpretiert wurden. Die erhaltenen Informationen waren für alle Forschungseinrichtungen

von hohem Wert und stehen mit diesem Bericht allen Unternehmen zur Verfügung. Die

Ausgaben waren somit für die Qualität der Ergebnisse notwendig und gerechtfertigt.

Seite 107


5. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen

Nutzens der erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres

innovativen Beitrags und ihrer industriellen Anwendungsmöglichkeiten

Die Integration biobasierter Materialien in Brennstoffzellensysteme bietet nicht nur ökologische

Vorteile, sondern eröffnet auch erhebliches Potenzial für Innovationen entlang der industriellen Wertschöpfungskette.

Die erzielten Ergebnisse aus Forschungsprojekten wie FC-Bio, bei denen biobasierte

Klebstoffe, Thermoplaste und holzbasierte Bauteile für PEM-Brennstoffzellen entwickelt wurden, zeigen

dass diese Werkstoffe sowohl funktionale Anforderungen erfüllen als auch zur Verbesserung der

Nachhaltigkeit beitragen können. Dies stellt einen bedeutenden wissenschaftlich-technischen Fortschritt

dar, da bislang vor allem petrochemisch basierte Materialien in der Brennstoffzellentechnik dominieren.

Insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) liegt hierin ein hoher wirtschaftlicher

Nutzen. Unternehmen aus der Holz-, Kunststoff- und Klebstoffbranche verfügen über spezifisches

Know-how in der Verarbeitung biobasierter Rohstoffe und können durch die Übertragung dieser Technologien

in den wachsenden Markt der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie neue Geschäftsfelder

erschließen. Die entwickelten Ansätze lassen sich mit geringem Aufwand umsetzen, was die

Einstiegshürden senkt und eine zügige Markteinführung ermöglicht.

Die Fertigung von holzbasierten End- und Randplatten für Brennstoffzellen bietet KMU aus der

Holzwerkstoffindustrie die Möglichkeit, sich als Zulieferer in einem zukunftsträchtigen Technologiebereich

zu positionieren. Durch den Einsatz technischer Holzwerkstoffe mit gezielt einstellbaren Eigenschaften

(z. B. mechanische Festigkeit, Dichte, Feuchtebeständigkeit, Permeationseigenschaften) können

diese Bauteile nicht nur kostengünstig und gewichtsoptimiert hergestellt werden, sondern auch

Designfreiheiten und thermische Isolationseffekte bieten, die konventionelle Materialien nur bedingt

leisten.

KMU aus dem Bereich der biopolymerverarbeitenden Industrie können sich hier mit maßgeschneiderten

Werkstofflösungen etablieren, insbesondere wenn eine Substitution petrochemischer

Compounds im Sinne der Kreislaufwirtschaft oder dem Ziel der Klimaneutralität gefordert ist.

Im Bereich der biobasierten Klebstoffe ergeben sich zusätzliche Chancen für KMU aus der

Klebstoffentwicklung und -anwendungstechnik. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass Klebstoffsysteme

auf Basis natürlicher und nachwachsender Rohstoffe technisch geeignet sind, um Komponenten

unter Betriebsbedingungen in der Brennstoffzelle dauerhaft und mediendicht zu verbinden.

Über den Einsatz einzelner biobasierter Komponenten hinaus zeichnet sich eine zunehmend systemische

Betrachtung ab: Die Vision eines ganzheitlich biobasierten Brennstoffzellensystems rückt in greifbare

Nähe. Dabei werden sämtliche materialseitigen Elemente im Hinblick auf biobasierte Alternativen

analysiert. Ziel ist es, nicht nur fossile Rohstoffe durch nachwachsende zu ersetzen, sondern gleich-

Seite 108


zeitig die Herstellprozesse ökologisch zu optimieren und die Recyclingfähigkeit der gesamten Brennstoffzelle

zu verbessern. Dies trägt zur Schaffung eines kreislaufwirtschaftlich orientierten Produkts bei,

welches den Prinzipien eines klimaneutralen Anspruchs folgt.

Für KMU bedeutet dies nicht nur eine Ausweitung des Innovationsraums, sondern auch die Möglichkeit,

sich als Systemlieferanten für biobasierte Brennstoffzellentechnologie zu etablieren. Von der Materialentwicklung

über die Bauteilfertigung bis zur Modulintegration entstehen neue Schnittstellen zwischen

klassischem Mittelstand und der Hochtechnologiebranche. Die Ergebnisse zeigen somit nicht nur ein

hohes Anwendungspotenzial, sondern auch einen konkreten Beitrag zur Wertschöpfung, zur Technologietransferfähigkeit

und zur Positionierung Deutschlands und Europas als Vorreiter nachhaltiger

Energietechnologien.

Seite 109


6. Wissenstransfer in die Wirtschaft

- Durchgeführte Transfermaßnahmen

Maßnahme Ziel Ort / Rahmen

Projektbegleitender

Ausschuss (PA)

Kontakt mit potentiellen

Anwendern

Die Forschungsergebnisse Gesamtverbundtreffen Gesamtprojekt

werden fortlaufend im PA Vorstellen der bereits durchgeführten Arbeiten

und Diskussion der geplanten Arbei-

ausführlich vorgestellt und

diskutiert

ten

Ansprache potentiell interessierter

Unternehmen außerhalb

des PA

PA Treffen und Hands-on Workshop nur

vom Teilprojekt 1

Vorstellung der durchgeführten Arbeiten

seit dem letzten Treffen und Diskussion der

geplanten Arbeiten

1. Einzelgespräche mit PA Mitgliedern

2. Ansprache neuer Interessenten

3. Firma ADEKA - Herr Onur Savas

4. Firma Miele - Herr Sven Krumbiegel

5. Firma L&L Products - Herr Karsten

Scholz

6. Firma Drei Bond - Dr. Florian

Menk

7. Firma WEVO Chemie - Herr Andreas

Arlt

8. Firma Leuna Harze - Dr. Matthias

Birkner

9. Firma Biofibre - Jörg Dörrstein"

10. DELO Industrie Klebstoffe - Sophia

Walter

Datum / Zeitraum

19.01.2022

26.04.2023

13.11.2024

14.12.2023

11.09.2024

Laufend

Transfer in Industrie

durch Verband

Darstellen der Forschungsergebnisse

mit möglichst

großer Breitenwirkung

1. Verbreitung der Ergebnisse über

Transferzentren / Zwischenberichterstellung

im FA 8 der FV des

DVS

2022-2024

2. Darstellung des Projektinhalts im

Internet

1. WKI Homepage

2. IFS Homepage

3. ZBT Homepage

Seite 110


Ergebnistransfer in die Darstellen der Forschungs-Darstellunergebnisse mit möglichst

des Projektinhalts im Internet

Industrie

• Erstellen der Projekthomepage


• ifs-und ZBT Homepage

• Website der FV von DVS (www.dvs-forschung.de),

und IUTA

Laufend

seit

09/2022

• DVS-Newsletter

Newsletter Fakultät für Maschinenbau

TUBS WS 2021/2022

01/2022

Poster AiF Brennstoffzellenallianz, Duisburg

21.-22.09.2022

Vortrag Klebtechnisches Kolloquium, GAK,

Frankfurt

01.03.2023

Vortrag European Coating Show, Nürnberg 28.03.2023

ZBT Messestand auf HannoverMesse 17.-21.04.2023

22.-26.04.2024

Vortrag Klebtechnisches Kolloquium, TC 14.06.2023

Kleben, Übach Palenberg

Vortrag AB 2023/Porto, Portugal 14.07.2023

Poster EURADH/WCARP 2023, Garmisch-

Partenkirchen

Vortrag Klebtechnisches Kolloquium GAK

in Köln

10.-13.9.2023

28.02.2024

Akademische Lehre Ausbildung des wissen-Einbindung Nachwuchses

studentischer Hilfskräfte

und berufliche Weiter-schaftlichebildung

durch Vermittlung der Ergebnisse

aus erster Hand

1 SHK bei ZBT

seit Projektbeginn

Seite 111


- Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach der

Projektlaufzeit

Maßnahme Ziel Ort / Rahmen

Kontakt mit potentiellen Ansprache potentiell interessierter

Unternehmen außer-

Anwendern

halb des PA

Datum / Zeitraum

Firma HONDA April 2025

Transfer in Industrie Darstellen der Forschungs-Verbreitunergebnisse mit möglichst zentren / Zwischenberichterstellung im FA

der Ergebnisse über Transfer-

durch Verband

großer Breitenwirkung 8 der FV des DVS

Veröffentlichung der Darstellung der For-Veröffentlichunschungsergebnisse mit mög-über TIB Hannover, den DVS sowie auf An-

des Abschlussberichtes

Forschungsergebnisse

lichst großer Breitenwirkung

frage bei den FE

Ergänzungen

zum Abschlussbericht

ab III/2025

III/2025

Ergebnistransfer in die Darstellen der Forschungs-Darstellunergebnisse mit möglichst

des Projektinhalts im Internet

Industrie

• ifs-, WKI-und ZBT Homepage


• Website der FV von DVS (www.dvs-forschung.de),

und IUTA

Ab III/2025

• DVS-Newsletter

InnovationForum Kunststofftechnik, Villingen-Schwenningen,

Messestand & Vortrag

Vortrag und Beitrag im Tagungsband, Klebtechnisches

Kolloquium, GAK, Köln

Vortrag und Paper, AB 2025/Porto, Portugal

Messestand des ZBT auf der K-Messe,

Düsseldorf

03.04.2025

18.-19.2.2025

07-2025

8.-15.10.2025

Akademische Lehre Ausbildung des wissen-Dissertation Nachwuchses

des Projektmitarbeiters I/2026

und berufliche Weiter-schaftlichebildung

durch Vermittlung der Ergebnisse

aus erster Hand

Seite 112


7. Literaturverzeichnis

8. Literaturverzeichnis / Bibliography

1. (2016) Drucksache des Deutschen Bundestages 387/16 vom 23. September 2016: Mitteilung der

Kommission an das Europäische Parlament, den Rat, den Europäischen Wirtschafts-und Sozialausschuss

und den Ausschuss der Regionen: Eine europäische Strategie für emissionsarme

Mobilität

2. Die Deutsche Bundesregierung (2023) Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie:

Drucksache 20/7910, Berlin

3. Halder P, Babaie M, Salek F et al. (2024) Performance, emissions and economic analyses of hydrogen

fuel cell vehicles. Renewable and Sustainable Energy Reviews 199:114543.

https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114543

4. Durkin K, Khanafer A, Liseau P et al. (2024) Hydrogen-Powered Vehicles: Comparing the

Powertrain Efficiency and Sustainability of Fuel Cell versus Internal Combustion Engine Cars.

Energies 17:1085. https://doi.org/10.3390/en17051085

5. Li X (2007) Thermodynamic Performance of Fuel Cells and Comparison with Heat Engines. In:

Advances in Fuel Cell, vol 1. Elsevier, pp 1–46

6. Brown MA, Herrera VS (2021) Combined heat and power as a platform for clean energy systems.

Applied Energy 304:117686. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117686

7. Palys MJ, Daoutidis P (2022) Power-to-X: A review and perspective. Computers & Chemical Engineering

165:107948. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2022.107948

8. Daiyan R, MacGill I, Amal R (2020) Opportunities and Challenges for Renewable Power-to-X.

ACS Energy Lett 5:3843–3847. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02249

9. Dahiru AR, Vuokila A, Huuhtanen M (2022) Recent development in Power-to-X: Part I - A review

on techno-economic analysis. Journal of Energy Storage 56:105861.

https://doi.org/10.1016/j.est.2022.105861

10. Covestro AG; Henkel AG & Co. KGaA; Jowat SE (2018) Verbundvorhaben Thermoaktivierbare

Bio-Klebstoffe (ThermoBiK): Schlussbericht zum Vorhaben : Laufzeit: 01.08.2014 bis

31.12.2017. Covestro Deutschland AG, Leverkusen

11. NOW GmbH (2017-2019) ELEKTRA – Technische Lösungsansätze für die Realisierung eines

durch Brennstoffzellen und Akkumulatoren betriebenen Schubbootes. Förderkennzeichen

03B10603. https://www.now-gmbh.de/projektfinder/elektra/. Accessed 28 Mar 2025

12. Nowega GmbH (2024) GET H2 Nukleus. https://www.get-h2.de/geth2-nukleus/. Accessed 25

Feb 2025

13. HZwo e V (2021) Wertschöpfungs potenziale von Wasserstoff für Sachsen. https://hzwo.eu/media/HZwo_Wasserstoffstudie-Sachsen_04-2021.pdf?utm_source=chatgpt.com.

Accessed 02 Apr

2025

Seite 113


14. Heinzel A (ed) (2006) Brennstoffzellen: Entwicklung, Technologie, Anwendung, 3., neu bearb.

und erw. Aufl. Energietechnik. Müller, Heidelberg

15. Crastan V (2008) Elektrische Energieversorgung 2: Energie- und Elektrizitätswirtschaft, Kraftwerktechnik,

alternative Stromerzeugung, Dynamik, Regelung und Stabilität, Betriebsplanung

und -führung, 2nd edn. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg

16. Steele BC, Heinzel A (2001) Materials for fuel-cell technologies. Nature 414:345–352.

https://doi.org/10.1038/35104620

17. Kreuz C PEM-Brennstoffzellen mit spritzgegossenen Bipolarplatten aus hochgefülltem Graphit-

Compound. Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2008

18. Töpler J, Lehmann J (eds) (2017) Wasserstoff und Brennstoffzelle: Technologien und Marktperspektiven,

2., aktualisierte und erweiterte Auflage. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg

19. Wilkinson DP, Zhang J, Hui R et al. (2009) Proton Exchange Membrane Fuel Cells. CRC Press

20. Niemzig O Entwicklung eines portablen PEM-Brennstoffzellensystems mit Bipolarplatten aus einem

elektronisch leitfaehigen thermoplastischen Compound-Material. Duisburg, Essen, Univ.,

Diss., 2005

21. TU Braunschweig (IFS), ZBT GmbH Duisburg Untersuchung des Einsatzes von Klebstoffen zur

Herstellung von Bipolarplatten zur Vereinfachung der Montage sowie zur Verminderung von Leckagemöglichkeiten

in Brennstoffzellenstacks: IGF17062 N. 01.10.2011 -30.09.2013

22. TU Braunschweig (IFS), ZBT GmbH Duisburg Kleben der aktiven Bipolarplattenseite zur vollständigen

und wirtschaftlicheren Montage graphitischer Brennstoffzellenstacks: IGF 18948N.

01.12.2015-30.11.2017

23. TU Braunschweig (IFS), ZBT GmbH Duisburg Flexibles Kleben von flexiblen Hybrid-Kunststoff

Bipolarplatten: IGF 20093N. 01.02.2018 - 31.07.2020

24. Fraunhofer IFAM Recycling von Brennstoffzellen: Klebtechnische Montage- und Demontagestrategien.

https://www.ifam.fraunhofer.de/de/magazin/stack2p-brennstoffzellen.html. Accessed 08

Apr 2025

25. Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen (2025) H2Go - Nationaler Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion.

https://www.h-2-go.de/ueberblick. Accessed 08 Apr 2025

26. DELO Industrie Klebstoffe GmbH & Co. KGaA Innovative Klebstoffe für die effiziente Brennstoffzellen-Produktion.

https://www.delo.de/news-und-presse/delo-news/details/klebstoffe-effizientebrennstoffzellen-produktion.

Accessed 05 Apr 2025

27. Kordy H, Bußkamp P, Voss S (2021) Qualifizierung von Kleb- und Dichtstoffen zur Fertigung von

Bipolarplatten. Adhaes Kleb Dicht 65:20–23. https://doi.org/10.1007/s35145-021-0512-8

28. WEVO-CHEMIE GmbH Dicht- und Klebstoffe von Wevo für PEM-Brennstoffzellen.

https://www.wevo-chemie.de/news-presse/detailseite/brennstoffzellen-gasdichtigkeit-dichtungenklebstoffe.


29. Lander S (2023) Sulfonated Cellulose Membranes for Energy Storage Applications. Linköping

University Medical Dissertations Ser, v.2277. Linkopings Universitet, Linköping

Seite 114


30. Lander S, Erlandsson J, Vagin M et al. (2022) Sulfonated Cellulose Membranes: Physicochemical

Properties and Ionic Transport versus Degree of Sulfonation. Advanced Sustainable Systems

6. https://doi.org/10.1002/adsu.202200275

31. Windarto C, Chanda UK, Lim O (2024) A review of materials and surface processing for bipolar

plates in polymer electrolyte membrane fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy

92:419–433. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.10.274

32. Liu Q, Zhao Z, Lin Z et al. (2025) Influence of material properties of bipolar plates on power performances

of proton exchange membrane fuel cell stacks. Applied Thermal Engineering

260:125018. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.125018

33. Song Y, Zhang C, Ling C-Y et al. (2020) Review on current research of materials, fabrication and

application for bipolar plate in proton exchange membrane fuel cell. International Journal of Hydrogen

Energy 45:29832–29847. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.07.231

34. Jeong KI, Oh J, Song SA et al. (2021) A review of composite bipolar plates in proton exchange

membrane fuel cells: Electrical properties and gas permeability. Composite Structures

262:113617. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113617

35. Bio Innovation Renewable bipolar plates for sustainable fuel cell technology (BioBPP 2) – step 2.

https://www.bioinnovation.se/en/projekt/renewable-bipolar-plates-for-sustainable-fuel-cell-technology-biobpp-2-step-2/.


36. Bio Innovation (2023) Biocarbon-based renewable bipolar plates for sustainable fuel cell technology

(BioBPP) – step 1. https://www.bioinnovation.se/en/projekt/biocarbon-based-renewable-bipolar-plates-for-sustainable-fuel-cell-technology-biobpp-step-1/?utm_source=chatgpt.com.

Accessed

02 Apr 2025

37. Cao L, Chen J, Pang J et al. (2024) Research Progress in Enzyme Biofuel Cells Modified Using

Nanomaterials and Their Implementation as Self-Powered Sensors. Molecules 29.

https://doi.org/10.3390/molecules29010257

38. Wang J, Ren K, Zhu Y et al. (2022) A Review of Recent Advances in Microbial Fuel Cells: Preparation,

Operation, and Application. BioTech (Basel) 11. https://doi.org/10.3390/biotech11040044

39. St-Pierre J, Zhai Y (2020) Impact of the Cathode Pt Loading on PEMFC Contamination by Several

Airborne Contaminants. Molecules 25. https://doi.org/10.3390/molecules25051060

40. Li N, Araya SS, Kær SK (2019) Long-term contamination effect of iron ions on cell performance

degradation of proton exchange membrane water electrolyser. Journal of Power Sources

434:226755. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.226755

41. Zhu F, Wu A, Luo L et al. (2020) The Asymmetric Effects of Cu 2+ Contamination in a Proton Exchange

Membrane Fuel Cell (PEMFC). Fuel Cells 20:196–202.

https://doi.org/10.1002/fuce.201900189

42. Yan W-M, Chu H-S, Liu Y-L et al. (2011) Effects of chlorides on the performance of proton exchange

membrane fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy 36:5435–5441.

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.01.158

Seite 115


43. Zhu J, Tan J, Pan Q et al. (2019) Effects of Mg2+ contamination on the performance of proton

exchange membrane fuel cell. Energy 189:116135. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116135

44. Uribe FA, Gottesfeld S, Zawodzinski TA (2002) Effect of Ammonia as Potential Fuel Impurity on

Proton Exchange Membrane Fuel Cell Performance. J Electrochem Soc 149:A293.

https://doi.org/10.1149/1.1447221

45. Yuan X-Z, Li H, Yu Y et al. (2012) Diagnosis of contamination introduced by ammonia at the

cathode in a polymer electrolyte membrane fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy

37:12464–12473. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.05.125

46. Li H, Song C, Zhang J et al. (2008) Catalyst Contamination in PEM Fuel Cells. In: Zhang J (ed)

PEM Fuel Cell Electrocatalysts and Catalyst Layers. Springer London, London, pp 331–354

47. Chen H, Liu H, Chen M et al. (2024) New insights into the performance and durability degradation

mechanisms of PEMFCs caused by Cr3+ contaminant. Fuel 365:131253.

https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131253

48. Reckers M, Starck F, Henneken H et al. (2018) Verbundvorhaben "Low Cost BiP: Klebfügen metallischer

Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen unter den besonderen Anforderungen des automotive

Betriebs": Abschlussbericht : Laufzeit des Vorhabens: 1. Mai 2014 bis 31. Oktober 2017

(nach Verlängerung) = LowCostBiP: Adhesive joining of metal separator plates for PEM fuel cells

in consideration of the special requirements of the automotive operation. Volkswagen Aktiengesellschaft,

Wolfsburg

49. Strobel M, Jones V, Lyons CS et al. (2003) A Comparison of Corona-Treated and Flame-Treated

Polypropylene Films. Plasmas and Polymers 8:61–95. https://doi.org/10.1023/A:1022817909276

50. Carlsson DJ, Wiles DM (1970) Surface studies by attenuated total reflection spectroscopy. I. Corona

treatment of polypropylene. Can J Chem 48:2397–2406. https://doi.org/10.1139/v70-401

51. Li J, Shen Z, Tie L et al. (2024) Surface Microstructure Study on Corona Discharge-Treated Polyethylene

Using Positron Annihilation Spectroscopy. Molecules 29. https://doi.org/10.3390/molecules29174147

52. Leon-Garzon AR, Dotelli G, Tommasini M et al. (2019) Experimental Characterization of Polymer

Surfaces Subject to Corona Discharges in Controlled Atmospheres. Polymers (Basel) 11.

https://doi.org/10.3390/polym11101646

53. Ma B (2011) Effects of corona and ozone exposure on properties of polymeric materials for high

voltage outdoor applications. Zugl.: Göteborg, Univ., Diss., 2011. Doktorsavhandlingar vid

Chalmers Tekniska Högskola, N.S., 3246. Chalmers Univ. of Technology, Göteborg

54. Lahidjanian D (2011) Effekte einer Atmosphärendruck-Plasmabehandlung auf luftfahrtspezifische

Beschichtungsstrukturen. Technische Universität Berlin

55. Tillmann W, Wojarski L, Hopmann C et al. (2023) The Influence of Low-Pressure Plasma Treatments

on the Lap Shear Strength of Laser-Joined AISI 304 Hybrids with Polypropylene and Polyamide

6.6. Applied Sciences 13:13275. https://doi.org/10.3390/app132413275

Seite 116


56. Romao CP (2017) Origins of anisotropic thermal expansion in flexible materials. Phys Rev B 96.

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.134113

Seite 117


9. Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben BioBZ_Adhesives, IGF-Projekt Nr. 01IF00044EL, der Forschungsvereinigung

Schweißen wurde über den Projektträger DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen

Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund

eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Seite 118


10. Angaben über gewerbliche Schutzrechte

Es wurden im Rahmen des vorliegenden Projektes keine gewerblichen Schutzrechte erworben.

Eine Anmeldung eines gewerblichen Schutzrechtes ist nicht beabsichtigt.

Seite 119


11. Kurzzusammenfassung

Brennstoffzellen tragen zur dezentralen und individuell steuerbaren Energieversorgung bei. Die

Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ist aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperaturen

und ihrer Überlegenheit im diskontinuierlichen Betrieb sowohl für den stationären

als auch für den mobilen Einsatz sehr gut geeignet. Als Ausgangsmaterialien für die Herstellung

bipolarer Halbplatten können leitfähig gefüllte Thermoplaste eingesetzt werden. Diese

sind im Vergleich zu den metallischen Konkurrenzprodukten kostengünstiger herstellbar, da die

Bauteile aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und direkten elektrischen Kontaktierung

keine kostenintensive Nachbearbeitung benötigen. Allerdings stellen die Umgebungsbedingungen

im Betrieb eine große Herausforderung für die zu verwendenden Materialien dar:

permanente Feuchtigkeit und schwefelsaure Umgebung bei 85 °C, hohe geforderte elektrische

Leitfähigkeit und Wasserstoffundurchlässigkeit. Um das Einsatzpotenzial biobasierter Materialien

und Komponenten zu demonstrieren, wurden im Projekt teilweise und vollständig geklebte Brennstoffzellenstacks

mit biobasierten Bipolarplatten (BPP), Klebstoffen und Holzendplatten entwickelt

sowie getestet.

Hierzu wurde in Zusammenarbeit aller beteiligten Forschungseinrichtungen anhand der Betriebsparameter

ein Lastenheft erstellt, welches die Anforderungen an die zu entwickelnden Werkstoffe

zusammenfasst. Der Prozess des Klebfügens eines Brennstoffzellenstacks wurde schrittweise

betrachtet und Laborlösungen vorgestellt. Eine möglichst einfache Übertragung in die Industrie

war dabei als wesentliches Ziel definiert. Anfang 2024 fand in den Teilprojekten 2,3 und 4 ein

Designfreeze statt, damit für TP1 Werkstoffe zur Verfügung standen, die den Anforderungen im

Lastenheft entsprechen. Diese Werkstoffe wurden im Hinblick auf die Verwendung im Klebprozess

untersucht und charakterisiert. Unter anderem wurden die Oberflächenenergien der Compoundmaterialien

ermittelt. In Applikationstreffen zwischen den FE wurden bei diversen Treffen

einzelne Zellen, Baltic-Zellen und auch komplette Stacks klebtechnisch aufgebaut.

Fünfzellige Stacks wurden sowohl aus PP als auch aus Bio-PE Compound Materialien hergestellt.

Die PP Stacks wurden erfolgreich funktionstauglich getestet. Bei den PE Stacks wurden

Undichtigkeiten von dem Bauteil in die Umgebung festgestellt. Eine zusätzlich von außen aufgetragene

Klebstoff-Dichtschicht konnte die Leckagen beseitigen. Die 5-zelligen Stacks wurden in

unterschiedlichen Konfigurationen als Dauerläufer am ZBT für insgesamt 14.000 Stunden erfolgreich

getestet. Zusätzlich wurden die hergestellten Baltic Zellen für 2000 Stunden untersucht.

Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beruht auf den Ergebnissen der LifeCycleAnalsye durch die

LCS Life Cycle Simulation GmbH. Die Ergebnisse lassen sich unterschiedlich interpretieren. Je

nach Betrachtungsweise ist die Verwendung von biobasierten Materialien als mehr oder weniger

Seite 120


ökologisch sinnvoll anzusehen. Insbesondere bei mobiler Nutzung und Verwendung regenerativ

hergestellten Wasserstoffs ist der Einsatz von biobasierten Materialien und Leichtbaukomponenten

sinnvoll. Gerade diese Ergebnisse sind für KMU besonders wertvoll bei der Entscheidungsfindung

eigener Lösungen, da sie unabhängig von wirtschaftlichen Interessen generiert und interpretiert

wurden.

Den KMU stehen somit sowohl konkrete Ergebnisse als auch Entscheidungshilfe für zukünftige

nachhaltige Strategien im eigenen Unternehmen zur Verfügung.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde somit erreicht.

Seite 121


12. Danksagung

Die Forschungseinrichtungen bedanken sich bei den Mitgliedern des Arbeitskreises für die

anregenden Diskussionen und konstruktiven Ergänzungen zu diesem Vorhaben. Ohne diese Unterstützung,

auch durch Versuchsgeräte und beigestellte Materialien sowie zahlreichen Dienstleistungen,

wäre eine Durchführung nicht möglich gewesen.

Seite 122


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