"EmboPlate - Entwicklung und Charakterisierung maßgeschneiderter Graphitwerkstoffe für die zwei Kernkomponenten von Redox-Flow-Batterie-Stacks, der Bipolarplatte (BPP) sowie der Monopolarplatte (MPP); Teilvorhaben: Charakterisierung u. Integration neuartiger, MPP und BPP in Redox-Flow-Batterie-Stacks"

Abstract

Das Verbundprojekt EmboPlate verfolgte das Ziel, neuartige Graphitwerkstoffe für zentrale Funktionskomponenten von Redox-Flow-Batterie-Stacks – insbesondere Bipolarplatten (BPP) und Monopolarplatten (MPP) – zu entwickeln und umfassend zu charakterisieren. Der Schwerpunkt lag auf der Reduktion der spezifischen Investitionskosten durch eine Steigerung der Stromdichte sowie der gezielten Verbesserung der elektrochemischen und mechanischen Eigenschaften dieser Komponenten. Für die BPP wurden hochleitfähige Verbundplatten auf Basis von Graphit-Polymer-Systemen entwickelt, in die Strukturierungen zur optimierten Elektrolytführung integriert wurden. Diese Strukturierung führte zu einer gleichmäßigeren Durchströmung, geringeren Druckverlusten und einer verbesserten Ausnutzung der aktiven Reaktionsfläche. Flow-By-Architekturen wurden erfolgreich entwickelt, simuliert und durch experimentelle Untersuchungen validiert. Parallel dazu wurde eine fluorfreie Graphit-Rezeptur entwickelt, die im Langzeitbetrieb in Vanadium-Redox-Flow-Systemen eine hohe elektrochemische Stabilität bei gleichzeitig vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeit zu etablierten Materialien aufwies. Die mechanische Integrität sowie die Dichtigkeit der Platten im Mehrzeller-Format konnten unter praxisnahen Betriebsbedingungen erfolgreich nachgewiesen werden. Für die MPP wurde ein alternatives Konzept verfolgt: die Verwendung einer vollgraphitischen Platte ohne zusätzliche metallische Stromabnehmer, wodurch das Risiko einer metallinduzierten Elektrolytverunreinigung signifikant minimiert werden konnte. Durch gezielte Material- und Kontaktierungsoptimierungen konnte der elektrische Widerstand minimiert werden. Insgesamt stellt EmboPlate eine skalierbare, technologisch robuste Grundlage für die Entwicklung kosteneffizienter und leistungsfähiger Redox-Flow-Batteriesysteme dar, die eine zentrale Rolle bei der Integration erneuerbarer Energien in zukünftige Energieinfrastrukturen einnehmen können. The EmboPlate joint project aimed to develop and comprehensively characterise innovative graphite materials for central functional components of redox flow battery stacks - in particular bipolar plates (BPP) and monopolar plates (MPP). The focus was on reducing the specific investment costs by increasing the current density and specifically improving the electrochemical and mechanical properties of these components. Highly conductive composite plates based on graphite-polymer systems were developed for the BPP, into which structures were integrated for optimised electrolyte routing. This structuring led to a more even flow, lower pressure losses and improved utilisation of the active reaction surface. Flow-by architectures were successfully developed, simulated and validated through experimental investigations. At the same time, a fluorine-free graphite formulation was developed that demonstrated high electrochemical stability in long-term operation in vanadium redox flow systems, while at the same time exhibiting comparable electrical conductivity to established materials. The mechanical integrity and impermeability of the plates in multi-cell format were successfully demonstrated under realistic operating conditions. An alternative concept was pursued for the MPP: the use of a fully graphitic plate without additional metallic current collectors, which significantly minimised the risk of metal-induced electrolyte contamination. The electrical resistance was minimised through targeted material and contact optimisation. Overall, EmboPlate represents a scalable, technologically robust basis for the development of cost-efficient and powerful redox flow battery systems that can play a central role in the integration of renewable energies into future energy infrastructures.