Metallische Plattenwärmeübertrager leiten Wärme optimal, haben aber naturgemäß Nachteile in korrosiven Umgebungen. Reine Polymere halten den schwierigen Bedingungen stand, schwächeln aber beim Wärmetransport. Was wäre, wenn man Thermoplasten mit wärmeleitfähigen Graphitpartikeln füllen würde? Dieser Frage gingen Forscher vom ZBT und der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) in einem gemeinsamen Projekt nach, das jetzt als „GVT-Projekt des Jahres 2023“ ausgezeichnet wurde.

Die Idee dahinter: Graphitische Bipolarplatten für Brennstoffzellen werden schon seit längerer Zeit ganz ähnlich hergestellt – wobei es hierbei vor allem auf die elektrische Leitfähigkeit ankommt und nur nachrangig auf die Wärmeleitung. Lässt sich das Prinzip auf Wärmeübertragerplatten übertragen?

Um es kurz zu machen: Es funktioniert. Die hochgefüllten Wärmeübertragerplatten mit einer Plattenstärke zwischen 0,5 mm und 2,5 mm haben eine bis zu 15-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als Platten aus reinem Polymer, haben die Forscher von ZBT und RPTU ermittelt.

Aber die Wissenschaftler haben sich nicht nur das Material angeschaut, sondern auch die Fertigungstechniken unter die Lupe genommen. Möglichst einfach, automatisiert und massenpoduktionstauglich sollte es sein. „Mit Extrusion und Prägung lassen sich nicht nur die gewünschten Eigenschaften erzeugen, so wird auch eine kostengünstige Herstellung möglich und der Einsatz in der Industrie wirtschaftlich realisierbar“, erläutert Dr. Marco Grundler, Gruppenleiter Compoundtechnik am ZBT.

Die Prägung scheint den Forschern zufolge zu einer Verschiebung der inneren Graphitstruktur zu führen. Das hat eine weitere Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit um 7 bis 20 Prozent im Vergleich zu den ungeprägten Platten zur Folge. Bei geringen Plattendicken konnten so Wärmedurchgangskoeffizienten von bis zu 1850 W/m²K erzielt werden. Damit ist die Leistung der entwickelten Materialien in einem weiten Bereich von Prozessbedingungen durchaus mit der metallischer Werkstoffe vergleichbar.

Die Wissenschaftler untersuchten die Platten zudem auf mechanische Stabilität, thermische Performance und Foulinganfälligkeit, um ihre Eignung als Alternative zu metallischen Plattenwärmeübertragern zu bewerten. Ihre Stabilität erhalten die Platten sowohl durch den Füllstoff als auch durch die spezifische Geometrie mit Stützstellen. „Unsere Platten sind so stabil, dass Prozessdrücke von mindestens 4,8 bar möglich sind“, betont Paul Stannek vom ZBT.

Die Fouling-Versuche mit Calciumsulfat und Calciumcarbonat zeigen eine signifikant geringere Fouling-Anfälligkeit der entwickelten Materialien gegenüber dem Referenzmaterial Edelstahl. „Das gleicht Performanceunterschiede im Betrieb schnell aus“, findet Grundler.

„Die GVT betreut jedes Jahr erfolgreich etwa 20 bis 30 Projekte der industriellen Gemeinschaftsforschung IGF. Jedes Jahr kommen ca. 10 Projekte neu hinzu und eine ebenso große Anzahl an Projekten wird jedes Jahr erfolgreich beendet. Aus dem Pool der erfolgreich beendeten Projekte wählt der Forschungsbeirat der GVT jedes Jahr ein exzellentes Beispiel zum GVT-Projekt des Jahres. Die Projekte des Jahres überzeugen, ganz im Sinne der IGF, gleichzeitig durch wissenschaftliche Qualität und durch wirtschaftliche Relevanz.“
GVT - Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V.

Das aufgezeigte Verfahren zur Herstellung von graphitgefüllten Polymer-Plattenwärmeübertragern bietet nach Einschätzung der Forscher deutliche Vorteile gegenüber Verfahren, in denen eine aufwendige Nachbearbeitung der Platten notwendig ist. Die Kombination von Extrusionsverfahren und anschließendem Prägeprozess zur Einbringung von Strukturen erlaubt es, die thermischen Platten dünn, kostengünstig und mit geringerem Energieeinsatz auch in kleinen und mittelständischen Unternehmen zu fertigen.

Grundlers Fazit: „Wir schätzen, dass der Einsatz unserer Wärmeübertrager im Vergleich zu den auf dem Markt vorhandenen Alternativen im Korrosions- und Hochtemperaturbereich zu Vorteilen im Hinblick auf die Investitions- sowie die Betriebskosten führen wird.“ Gründe dafür liegen laut den Forschern zum einen in den kostengünstigen Rohstoffen und Fertigungsverfahren sowie der geringen Anfälligkeit für Fouling.

Den Forschungsbeirat der GVT - Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik überzeugten die wissenschaftliche Qualität und die wirtschaftliche Relevanz des Projekts. Er wählte das Projekt von Marco Grundler und Paul Stannek vom ZBT und Hendrik Kiepfer von der RPTU zum GVT-Projekt des Jahres 2023.

Abteilung Brennstoffzellen und Stapel

Projekttitel:
Entwicklung von hochgefüllten dünnwandigen Kunststoffelementen mit verbesserten Wärmetransporteigenschaften im Korrosionsbereich
IGF-Nr. 20999 N

Projektzeitraum: 02/2020 bis 10/2022

Projektpartner:

• Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT)
• Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU), Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik

Weitere Informationen:

• ZBT-Artikel "Kunststoffelemente mit verbesserten Wärmetransporteigenschaften im Korrosionsbereich"
• ZBT-News zum Projektstart
• Artikel über das Projekt auf der Website der GVT