Verbundvorhaben: EmboPlate - Entwicklung und Charakterisierung maßgeschneiderter Graphitwerkstoffe für die zwei Kernkomponenten von Redox-Flow-Batterie-Stacks, der Bipolarplatte (BPP) sowie der Monopolarplatte (MPP); Teilprojekt: Weiterentwicklung von Werkstoffen aus Kohlenstoff zur Anwendung in RFB

Abstract

Background and objectives: Stationary energy storage systems are needed to make better use of the volatile and only instantaneously available energy from wind and solar power. Redox flow batteries (RFB) store electrical energy in liquid electrolytes and enable energy capacities in the kWh to MWh range. One advantage of redox flow batteries is the independent scalability of power (MW) and energy (MWh). This makes it possible to design the battery system flexibly for a wide range of applications. They are suitable as intermediate storage for grid stabilization, in emergency power generators, as buffer storage for wind and solar power systems or for off-grid power supply, for example for mobile phone transmitters or remote households. The aim of this project is to develop two new core components of RFB stacks, the bipolar plate (BPP) and the monopolar plate (MPP). The BPP acts as a conductive separator between the electrically series-connected battery cells, whereas the MPP is a component of the stack termination, which typically contains a copper plate as a current collector. The objectives of the project are a) to design the BPP as a composite plate using a simple manufacturing process with a flow structure, b) to dispense with a fluoropolymer for the binder polymer, c) to replace the current stack termination consisting of several functional layers with a single MPP with increased transverse conductivity and d) to develop a new, more efficient and more reliable battery cell separator. Results: As part of the Emboplate project, numerous new bipolar plate/monopolar plate materials were developed and characterized using standard materials science methods as well as directly in RFB test cells. It was shown that not every polymer tested is suitable for use in a redox flow cell system. A potential new material based on a fluorine-free polymer was successfully developed that meets the requirements of a redox flow cell in terms of permeability, electrical conductivity and strength. This applies both to the application as a bipolar plate and as a monopolar plate. However, there is certainly still potential for optimization in the area of the monopolar plate. The production of the samples was scaled up to pilot plant scale as part of the project, so that plates for prototype systems could be produced. Conclusion: The objective of the project was achieved. In the course of the Emboplate project, a fluorine-free, conductive and corrosion-resistant bipolar/monopolar plate material was developed and production was scaled up to pilot plant scale. Prototypes can be produced. Hintergrund und Ziele: Um die volatilen und nur instantan verfügbaren Energien aus Wind- und Solarkraft besser nutzbar zu machen, werden stationäre Energiespeicher benötigt. Redox-Flow-Batterien (RFB) speichern elektrische Energie in flüssigen Elektrolyten und ermöglichen Energiekapazitäten im kWh- bis MWh-Bereich. Ein Vorteil von Redox-Flow-Batterien liegt in der unabhängigen Skalierbarkeit von Leistung (MW) und Energie (MWh). Dies ermöglicht es, das Batteriesystem flexibel auf unterschiedlichste Anwendungen auszulegen. Sie eignen sich als Zwischenspeicher zur Netzstabilisierung, in Notstromaggregaten, als Pufferspeicher für Wind- und Solarstromanlagen oder zur netzfernen Stromversorgung, etwa von Mobilfunksendern oder abgelegenen Haushalten. Ziel dieses Projekts ist, die Neuentwicklung zweier Kernkomponenten von RFB-Stacks, der Bipolarplatte (BPP) sowie der Monopolarplatte (MPP). Die BPP fungiert als leitfähiger Separator zwischen den elektrisch in Serie geschalteten Batteriezellen, wohingegen die MPP ein Bestandteil des Stapelabschlusses ist, welcher typischerweise eine Kupferplatte als Stromsammler enthält. Die Ziele des Projektes sind es a) die BPP als Verbundplatte über einen simplen Herstellungsprozess mit einer Flussstruktur auszuführen, b) bei dem Binderpolymer auf ein Fluorpolymer zu verzichten c) den derzeitigen aus mehreren funktionalen Lagen bestehenden Stapelabschluss durch eine einzige MPP mit erhöhter Querleitfähigkeit zu ersetzen und d) diese Verbundplatten in einem wirtschaftlichen Prozess herzustellen. Ergebnisse: Im Rahmen des Projektes Emboplate wurden zahlreiche neue Bipolarplatten-/Monopolarplattenwerkstoffe entwickelt und u.a. mit Standardverfahren der Werkstoffwissenschaft charakterisiert als auch direkt in RFB Testzellen. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich nicht jedes getestete Polymer für den Einsatz in einem Redox-Flow Zellsystem eignet. Es konnte erfolgreich ein potentieller neuer Werkstoff auf Basis eines fluorfreien Polymers entwickelt werden, der sowohl hinsichtlich Permeabilität, elektrischer Leitfähigkeit als auch Festigkeit den Anforderungen einer Redox-Flow Zelle entspricht. Dies gilt sowohl hinsichtlich der Anwendung als Bipolarplatte als auch als Monopolarplatte. Im Bereich der Monopolarplatte ist aber sicherlich auch noch Optimierungspotential vorhanden. Die Herstellung der Muster wurde im Rahmen des Projektes auf den Technikumsmaßstab skaliert, so dass Platten für Prototypensysteme hergestellt werden könnten. Schlussfolgerung: Die Zielsetzung des Projektes wurde erreicht. Im Laufe des Projekts Emboplate wurde ein fluorfreier, leitfähiger und korrosionsbeständiger Bipolar-/Monopolarplattenwerkstoff entwickelt und die Herstellung auf Technikumsmaßstab skaliert. Prototypen können produziert werden.