Im Projekt wird im Coperion ZSK Doppelschneckenextruder die Einarbeitung der Füllstoffe ins Polymer verbessert, um die Bildung von Agglomeraten und die mechanische Degradation des Polymers während des Compoundierens zu vermeiden. (Bild: Coperion)
Die Arbeiten konzentrieren sich dabei auf die Bipolarplatten, die ein Kernelement der Brennstoffzellenstacks darstellen. In diesem Fall auf diejenigen Ausführungen, die auf thermoplastgebundenen Graphit-Compounds basieren. Die extrem hohen Füllgrade stellen dabei bisher nicht gekannte Anforderungen an die Verfahrenstechnik. Das Stuttgarter Unternehmen stellt dazu Know-how zur Entwicklung der dafür erforderlichen Maschinen für die Compoundherstellung.
Was sind Bipolarplatten – und was macht sie so wichtig?
Bipolarplatten aus Graphit-Polymer-Compounds bieten sich aufgrund ihres geringen Gewichts für mobile Anwendungen an. Dabei kombinieren sie Eigenschaften wie elektrische und thermische Leitfähigkeit und Gasdichtigkeit mit deutlich höherer mechanischer Belastbarkeit als reine Graphit-Ausführungen. Zudem widerstehen sie der Einwirkung von Feuchtigkeit und sauren Medien bei typischen Betriebstemperaturen über längere Zeiträume als Metalllegierungen.
Die Erfahrungen beim Herstellen einzugsbegrenzter Kunststoffcompounds lässt das Stuttgarter Unternehmen dabei in das Aufbereiten von Mischungen einfließen, die aus sehr hohen Graphit- und geringen Polymeranteilen bestehen. So soll die Basis für ein zukünftiges Upscaling gelegt werden.
Welche Hürden treten hierbei auf?
„Unser Hauptaugenmerk liegt auf zwei besonders kritischen Faktoren: Die hohen Graphitanteile – im Projekt sind Füllgrade von weit über 85 Gew.-% angestrebt – bei zugleich geringer Schüttdichte erfordern spezielle Vorrichtungen, um die Mischungen in den Extruder einzuspeisen und den möglichen Massedurchsatz zu steigern. Wir wollen diesen schwierigen Materialeinzug optimal in den Prozess integrieren. Parallel optimieren wir auch die Einarbeitung der Füllstoffe ins Polymer, um die Bildung von Agglomeraten und die mechanische Degradation des Polymers während des Compoundierens zu vermeiden“, erklärt Markus Fiedler, Verfahrenstechnik, Teamleiter Chemical Applications bei Coperion.
Coperion liefert auch seine FET-Technologie
Als Basistechnologie zur Verbesserung des Einzugsverhaltens wird die patentierte Feed Enhancement Technology (FET) genutzt. Sie eignet sich besonders bei feinen, nicht kompaktierten Füllstoffen. Dabei ist die Einzugszone der Seitenbeschickung mit einer porösen, gasdurchlässigen Wand ausgestattet. Liegt auf der Außenseite ein Vakuum an, wird ein Teil der in der Mischung enthaltene Luft abgesaugt. Dadurch steigen die Schüttdichte und somit das Material-Aufnahmevermögen in der Seitenbeschickung.
Auch zur Homogenisierung der Mischung hat man ein prozessoptimiertes Maschinenkonzept entwickelt. Parallel nutzt das Unternehmen numerische 3D-Strömungssimulationen (CFD) zur virtuellen und realen Optimierung des Mischprozess von Polymer und Füllstoff. Projektbegleitend entwickelt Coperion darüber hinaus ein Inline-Qualitätstool zur Erfassung von Prozess- und Produktschwankungen, wodurch perspektivisch eine Regelung der Compoundqualität in Echtzeit realisiert werden soll.
Das Vorhaben wird mit dem Akronym GrabaT (Graphit-basierte Bipolarplatten-Technologien) unter dem Kennzeichen 03ETB028B vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
