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Innerhalb des Forschungsprojekts “InduRex” sollen u.a. dünnwandige Graphit-Polymer Bipolarplatten (BPP) für Brennstoffzellen (BZ) entwickelt werden. Der Fokus liegt dabei auf hochgefüllten Compoundmaterialien und Prozesstechniken zur kontinuierlichen Herstellung dünnwandiger Folien. Dabei wird die gesamte Prozesskette, beginnend von der Auswahl der verwendeten Rohstoffe, über die Folienherstellung bis hin zur Einbringung der erforderlichen Strukturen betrachtet. Die vom „Department of Energy“ festgelegten physikalischen und chemischen Zielwerte werden auch für die Folien als Zielvorgabe gesetzt. Der Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeit liegt auf einem grundlegenden Verständnis der Materialzusammensetzung und deren Zusammenhang mit den endgültigen Eigenschaften der strukturierten Bipolarplatten, sowie deren Leistung in einem Brennstoffzellenstapel. Die hergestellten Bipolarplattenfolien wurden vor einem Zelltest umfassend hinsichtlich elektrischer Widerstände, H2-Permeation, Warmformbeständigkeit u.a. charakterisiert, um den Einfluss des Produktionsprozesses auf ihre Qualität zu bewerten. Within the research project 'InduRex', thin-walled graphite-polymer bipolar plates (BPP) for fuel cells (FC) are to be developed, among other things. The focus is on highly filled compound materials and process technologies for the continuous production of thin-walled foils. The entire process chain, starting with the selection of the raw materials used, through film production, to the insertion of the required structures, will be considered. The physical and chemical target values defined by the 'Department of Energy' are also set as targets for the films. The focus of the scientific work is on a fundamental understanding of the material composition and its relationship to the final properties of the patterned bipolar plates, as well as their performance in a fuel cell stack. The fabricated bipolar plate films were extensively characterized in terms of electrical resistances, H2 permeation, heat deflection temperature, and others prior to a cell test to evaluate the impact of the production process on their quality.

Durch das Einbringen von leitfähigen Füllstoffen in einen Kunststoff kann dessen thermische Leitfähigkeit deutlich gesteigert werden. Dazu werden die Füllstoffpartikel mittels eines Compoundierprozesses in einen thermoplastischen Kunststoff eingebracht und homogen dispergiert. Zur Erzielung hoher thermischer Leitfähigkeiten müssen möglichst hohe Füllstoffanteile im Polymer erzielt werden. Das so hergestellte hochgefüllte Compound kann anschließend im Spritzgießverfahren zum finalen Bauteil weiterverarbeitet werden. Anwendung finden diese wärmeleitfähigen Kunststoffe beispielsweise im thermischen Management von elektronischen Komponenten, Wärmetauschern, Brennstoffzellen und Batterien. Welche Auswirkungen der Füllstoffanteil, die Füllstoffmorphologie, -partikelgröße, -orientierung und die gesamte Compound-Struktur sowie das Füllstoff-Netzwerk (räumliche Anordnung der Partikel) auf die thermische Leitfähigkeit des Compounds haben, wird in der vorliegenden Arbeit ausführlich untersucht. Dabei werden zunächst verschiedene Einflussfaktoren des Füllstoffes und der Polymermatrix auf die realisierbaren Temperaturleitfähigkeiten von hochgefüllten Polymer-Compounds betrachtet. Nachfolgend wird der Einfluss der Schneckenauslegung und des Massedurchsatzes bei der Compoundierung auf die Zerkleinerung der Füllstoffpartikel und die damit einhergehende Änderung der thermischen Leitfähigkeit der hochgefüllten Graphit-Polymer-Compounds in einer Vielzahl von Messreihen thematisiert. Durch den anschließenden Spritzgießprozess kommt es zu einer starken Ausrichtung und Orientierung der Füllstoffpartikel, wodurch das finale Bauteil anisotrope thermische Eigenschaften aufweist. Mittels Nano-CT-Aufnahmen konnten erstmals in der Literatur bisher nur beschriebene Effekte im Zusammenhang von Partikelorientierung durch den Spritzgießprozess sowie die resultierenden anisotropen Temperaturleitfähigkeiten höchstgefüllter Compounds sichtbar gemacht werden. Am Beispiel einer spritzgegossenen Bipolarplatte aus einem hochgefüllten Graphit-Polymer-Compound für die Anwendung in einer Brennstoffzelle werden die Effekte der Füllstoffausrichtung auf die anisotrope thermische Leitfähigkeit untersucht und mittels eines Simulationstools nachgebildet., By the addition of conductive fillers into a polymer, its thermal conductivity can be significantly increased. For this purpose, the filler particles are added into a thermoplastic material by means of a compounding process and distributed homogeneously within it. In order to achieve high thermal conductivities, the highest possible filler content in the polymer must be achieved. The highly filled compound produced in this way can then be further processed in an injection molding process to produce the final component. These thermally conductive plastics are used, for example, in the thermal management of electronic components, heat exchangers, fuel cells and batteries. The effects of the filler content, filler morphology, particle size, orientation and the overall compound structure and filler network (spatial arrangement of the particles) on the thermal conductivity of the compound are investigated in detail in the present paper. First of all, various factors of influence of the filler and the polymer matrix on the realizable thermal conductivities of highly filled polymer compounds are considered. Subsequently, the influence of screw design and mass throughput during compounding on the size reduction of the filler particles and the associated change in the thermal conductivity of the highly filled graphite-polymer-compounds is addressed in a number of measurement series. The subsequent injection molding process results in a strong alignment and orientation of the filler particles, which gives the final component anisotropic thermal properties. For the first time in the literature, nano-CT images have been used to visualize effects previously only described in connection with particle orientation by the injection molding process and the resulting anisotropic thermal diffusivity of highly filled compounds. Finally, using the example of an injection-molded bipolar plate made of a highly filled graphite-polymer-compound for application in a fuel cell, the effects of filler orientation on the anisotropic thermal conductivity are investigated and simulated using a simulation tool.

Nach dem aktuellen Stand der Technik werden wärmeleitfähige thermoplastische Compounds vermehrt für Bauteile mit Entwärmungsaufgaben eingesetzt und haben somit metallische Bauteile zum Teil verdrängt. Einsatzbereiche finden sich in der Elektronik, Mechatronik aber auch in technischen Teilen in der Automobilindustrie, da bspw. die Verarbeitbarkeit im Spritzgießverfahren mehr Freiheiten bei der Formgebung ermöglicht. Weiterhin besitzen wärmeleitfähige Kunststoff-Compounds gegenüber metallischen Materialien eine wesentlich geringere Dichte und sie erlauben eine gezielte Einstellung der Materialeigenschaften durch die Variation der Füllstoffe und des Füllstoffanteils. Als Füllstoffe für wärmeleitfähige Kunststoffe haben sich organi-sche Füllstoffe (z.B. Graphit), metallische Füllstoffe (z.B. Kupfer) und keramische Füllstoffe (z.B. Bornitrid) durchgesetzt. Die Wärmeleitfähigkeitswerte von kommerziell erhältlichen Compounds liegen laut den Herstellerangaben zwischen 1 W/mK und 20 W/mK und somit um den Faktor 10 bis 100 über dem von ungefüllten Polymeren. Diese Werte konnten jedoch im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungen auf bis zu 30 W/mK gesteigert werden. Zum Erreichen solch hoher thermischen Leitfähigkeiten wurden bis zu 80 Gew.% an Füllstoffen in verschiedene Polymere eingebracht. Mittels einer Vielzahl an Versuchsreihen wurden neben der Wärmeleitfähigkeit auch der Einfluss auf die mechanischen Kennwerte sowie die Verarbeitbarkeit der Materialien im Extrusions- und Spritzgießprozess betrachtet. Durch den Spritzgießprozess kommt es bei gefüllten Compounds zur einer strömungsinduzierten Orientierung der Füllstoffpartikel im Bauteil. Mittels Raster-Elektronen- Mikroskop-Aufnahmen von verschiedenen Probekörpern konnte eine anisotrope Schichtstruktur nachgewiesen werden, die die Wärmeleitfähigkeit signifikant beeinflusst und eine Differenzierung der Wärmeleitfähigkeit in „through-plane“ und „in-plane“-Richtung erfordert.