Für die betrachtete stationäre und mobile Nutzung bietet sich die Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) an. Sie läuft mit niedrigen Betriebstemperaturen von ca. 85° C und verträgt häufiges An- und Ausschalten.
Eine einzelne Brennstoffzelle besteht aus einer Membran-Elektroden-Einheit, verschiedenen Dichtungen und zwei Bipolarplatten zur Medienverteilung bzw. Temperierung und elektrischen Kontaktierung. Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe Spannung liefert, werden üblicherweise mehrere Zellen in Reihenschaltung zu sogenannten Stacks zusammengesetzt. Zwei Endplatten dienen der Medienzu- und abfuhr und ermöglichen einen gleichmäßigen Anpressdruck aller Zellen im Stack. Das Gesamtziel dieses Forschungsprojekts besteht darin, einen biobasierten Brennstoffzellenstack zu entwickeln. Es gliedert sich in vier Teilprojekte:
Fügetechnik und Funktion
In diesem Teilprojekt legen die Projektpartner das Konstruktionsdesign unter Berücksichtigung der gewünschten Funktionalität, materialspezifischen Anforderungen, Fügestellen und verfahrenstechnischen Möglichkeiten fest. Der Schwerpunkt liegt auf dem klebtechnischen Aufbau der Brennstoffzellenstacks durch Zusammenführung aller Ergebnisse aus den Teilprojekten und deren Erprobung und Validierung im realen Brennstoffzellbetrieb. Zudem wird eine Wirtschaftlichkeitsanalyse durchgeführt und die Recyclingfähigkeit des biobasierten Brennstoffzellenstacks bewertet.
Endplatten aus Holzwerkstoff
Bisher wurden die Endplatten aus Aluminium oder Stahl hergestellt. Zur Einsparung von Fertigungskosten sind sie überwiegend als massive Blockkomponente ausgeführt und daher recht schwer. Bei herkömmlichen PEM-Brennstoffzellenstacks machen die Endplatten ca. 30 Prozent des Gesamtgewichts aus. Metallische Endplatten weisen zudem eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit auf. Daher sind in herkömmlichen Brennstoffzellenstacks Isolationsplatten verbaut, die zu höheren Material- und Montagekosten führen. Projektziel sind Endplatten aus hochleistungsfähigem, leichtem Holzwerkstoff. Da trockenes Holz ein sehr guter thermischer und elektrischer Isolator ist, kann auf Isolationsplatten verzichtet werden. Durch einen maßgeschneiderten Sandwichaufbau des Holzwerkstoffmaterials soll zusätzlich Gewicht eingespart werden. Das Fraunhofer WKI ist federführend bei der Entwicklung der Endplatten.
Bipolarplatte aus biobasierten Compounds
Zur Herstellung von Bipolarplatten werden sowohl metallische als auch graphitische Werkstoffe verwendet. Zur Sicherstellung der chemischen Beständigkeit und Reduzierung der Kontaktwiderstände müssen metallische Bipolarplatten kostenintensiv beschichtet werden. Graphit-Polymer-Compounds weisen aufgrund ihrer Eigenschaften auch ohne eine Beschichtung sehr hohe Lebensdauern bei gleichzeitig hohen elektrischen Leitwerten auf. Außerdem bieten Compounds die Chance, Bipolarplatten aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Der Fokus des Projekts liegt auf thermoplastischen Bipolarplatten, da sie mittels Spritzguss/Walzen kostengünstiger hergestellt werden können als duromere Bipolarplatten. Bisher wurden thermoplastische Bipolarplatten aus erdölbasiertem Polypropylen und Graphit/Ruß als leitfähigem Füllstoff hergestellt. Projektziel sind elektrisch und thermisch hochleitfähige Compounds aus einem biobasierten Biopolymer als Binder und Naturgraphit bzw. carbonisiertem Holz als Füllstoff. Am Fraunhofer WKI entwickeln wir hierfür passende Biopolymere.
Biobasierte Kleb- und Dichtstoffe
Herkömmliche Brennstoffzellen werden mittels Spannmitteln (z. B. Schraubverbindungen, Drähte, Spannbänder) zu Stacks verspannt. Diese Fügetechnik ist zeitintensiv und bringt technische Nachteile. Beispielsweise benötigt man zum Erreichen einer adäquaten Dichtwirkung hohe Anpressdrücke und infolgedessen gewichtsintensive Spannelemente. Zur Vereinfachung der Füge- und Montageprozesse und zur Reduzierung des Gesamtgewichts bieten sich klebtechnische Lösungen an. Die grundsätzliche Eignung wurde in Vorläuferprojekten bereits erfolgreich untersucht. Projektziel ist es, biobasierte Kleb- und Dichtstoffe für die Fügestellen innerhalb der Brennstoffzelle zu entwickeln.
Fraunhofer-Institut für Holzforschung 
