Kapton-Folien für HT-PEM Brennstoffzellen

Es gibt mehrere Gründe, die für Hochtemperatur(HT)-Brennstoffzellen sprechen. Ein wichtiger ist die hohe Toleranz gegenüber Kohlenmonoxyd. Dieser Bestandteil der natürlichen Luft ist für die leichter konstruierbaren Niedertemperatur(NT)-Brennstoffzellen Gift. Außerdem ist der „Brennstoff“ einer HT-PEM Zelle ein einfacher handhabbarer wie Wasserstoffgas unter bis zu 700 Bar Hochdruck.

Klassischen NT-Brennstoffzelle werden mit Wasserstoff und Luftsauerstoff betrieben. Bei den HT-Brennstoffzellen kommt dagegen z.B. Methanol zum Einsatz. Dieser flüssige Treibstoff hat den Vorteil, dass er leicht gelagert und mit minimalen Änderungen der vorhandene Tankstellen-Infrastruktur genutzt werden kann. Eine Kombination aus einer Batterie für den elektrischen Antrieb und einer HT-PEM Brennstoffzelle als Ladeeeinheit für die Batterie ermöglich mit einer nur dreiminütigen Tankzeit Reichweiten von +1.000 km.

Hochtemperatur-Brennstoffzellen werden bei 160 - 200°C betrieben. Das stellt hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien. Unter anderem ist der heiße Wasserdampf korrosiv und kann Polymer-Kunststoffe recht schnell abbauen. Diesen Vorgang nennt man Hydrolyse (Abbau der Kettenlänge der Polymere), was gleichbedeutend ist mit einem Verlust an mechanischer Stabilität.

Doch schon beim Zusammenbau muss man darauf achten, dass die beiden Reaktionspartner Wasserstoff und Sauerstoff sich niemals direkt begegnen. Dazu wird um die eigentliche PEM-Folie (der Ort der Umwandung von H2 und O2 zu Wasser und elektrischer Energie, z.B. Celtec®-P Membrane von BASF, Nafion™ von Chemours) herum eine Abdichtung eingebracht. Diese als Sub-Gasket bezeichnete Abdichtfolie muss bei den hohen Temperaturen dimensionsstabil sein. Schrumpf oder Verwölbungen würden die Dichtigkeit beeinträchtigen und könnten im schlimmsten Fall zur Bildung von Knallgas führen.

Kapton® FN und Kapton® FWR als Lösung für Hochtemperatur-Brennstoffzellen (HT-PEM)

Wenn es um hohe Temperaturbelastbarkeit geht, kommt man fast nicht an dem Kunststoff Polyimid vorbei. Dieser Polymerwerkstoff widersteht auch langfristig Temperaturen deutlich über 200°C. Selbst unter diesen extremen Belastungen hat die Polyimid-Folie von DuPont (Kapton® FN) keinen nennenswerten Schrumpf. Wegen der aufwändigen Nachbehandlung besitzt die Folie auch keine inneren Spannungen, die sich unter Hitzeeinwirkung als Verwölbungen zeigen würden.

Als Schutz vor dem Hydrolyse-Abbau besitzt Kapton® FN eine FEP-Beschichtung, so dass auch der langfristige Einsatz bei bis zu 200°C nicht zu Schäden an der Sub-Gasket-Folie führt. So ist jederzeit die Betriebssicherheit und Effizienz der HT-PEM-Zelle gewährleistet.

Die Version Kapton® FWR besitzt da, wo notwendig, eine noch höhere Wasserdampf-Undurchlässigkeit und eine höhere Steifigkeit bzw. Druckbelastbarkeit (Stack-Innendruck bei 160-200°C).

Kapton® Folien in Hochtemperatur-Polymermembran Brennstoffzellen haben also folgende Vorteile

• Sind sehr dimensionsstabil

• Verwölben sich nicht (Verzug) unter Wärme

• Hohe Resistenz gegenüber der Chemie der Protonenaustausch-Membrane (Phosphorsäure)

• Sehr gute Hydrolyse-Beständigkeit

• Hohe Druckbelastbarkeit

CMC Klebetechnik bietet Kapton® Folien in Form von Rollen und Stanzteilen an. Die Ausführungen sind immer kundenspezifisch. Durch den umfangreichen Maschinenpark an Beschichtungsanlagen, Schneid- und Stanzmaschinen und Laminatoren sind individuelle Anpassungen jederzeit möglich. Dadurch ist eine optimale Anpassung an die Anforderungen der Brennstoffzellen-Konstruktion möglich.