compBiPol – Advanced polymer composites for thin bipolar plates for proton exchange fuel cells

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501531

Key words (English)

Polymer, composites, bipolar-plates, lightweight, industrial production

Short description (English)

In the near future most engines will be powered electrically or by fuel cells. One of the major factors limiting fuel cell commercialization is the development of bipolar plates. Their characteristic requirements are a chal-lenge for any class of materials, and none meets the requirements exactly. This project focuses on the devel-opment of innovative polymer based composites suitable for bipolar plates. The developed composites must fulfill the given requirements and additionally ensure the route towards industrial production.

Short description (French)

Dans un futur proche la plupart des engins motorisés seront alimentés électriquement par des batteries ou des piles à combustible. Un des facteurs essentiels limitant la commercialisation des piles à combustible est le développement des plaques bipolaires. Leurs propriétés requises sont un challenge pour tout type de maté-riaux et aucun ne permet d’obtenir exactement le profil requis. Ce projet porte sur le développement de com-posites innovants à base de polymères adaptés pour plaques bipolaires. Les composites qui seront dévelop-pés doivent remplir les propriétés requises et également assurer la voie vers une production industrielle.

Final report (German)

In naher Zukunft werden die meisten Motoren elektrisch oder mit Brennstoffzellen betrieben werden. Einer der Hauptfaktoren, der die Kommerzialisierung von Brennstoffzellen einschränkt, ist die Entwicklung von Bipolarplatten. Ihre charakteristischen Anforderungen stellen eine Herausforderung für jede Materialklasse dar, und keines erfüllt diese Anforderungen genau. Dieses Projekt konzentrierte sich auf die Entwicklung innovativer polymerbasierter Komposite, die für Bipolarplatten geeignet sind. Die entwickelten Verbundwerkstoffe müssen die gestellten Anforderungen hinsichtlich elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und mechanischer Eigenschaften erfüllen und zusätzlich den Weg zur industriellen Produktion gewährleisten. Verschiedene potentiell geeignete elektrisch leitfähige Füllstoffe, wie Graphit, Ruß, Kohlenstofffasern, Carbon Nanotubes und Graphen, und thermoplastische Polymeren, wie Polypropylen (PP), Polyamid 12 (PA12) und Flüssigkristallpolymer (LCP) sowie Duroplaste, wie Epoxidharz (EP) wurden als Polymermatrix verwendet. Die Proben wurden auf ihre elektrische Leitfähigkeit und ihre Biegeeigenschaften hin untersucht. Die Wirkung von Plattendicke, Matrixmaterial und Füllstoffzusammensetzung wurde systematisch untersucht. Es wurde auch herausgefunden, dass die Oberflächenvorbereitung der Proben und der angewendete Druck während der elektrischen Widerstandsmessungen einen signifikanten Einfluss auf die gemessene elektrische Leitfähigkeit haben. Unter den getesteten Verbindungen zeigten Proben auf Polypropylen (PP) -Basis die beste Verarbeitbarkeit durch Formpressen und resultierten in den besten elektrischen Eigenschaften. Es wurde eine maximale elektrische Leitfähigkeit von 46 S/cm (Zielwert: 50 S/cm) erreicht, wobei ein Multi-Füllstoff-Ansatz mit kohlenstoffbasierten Füllstoffen unterschiedlicher Form und Größe verwendet wurde. Diese Ergebnisse erfüllen oder übertreffen sogar diejenigen, die in der Literatur gefunden wurden, und es wird stark angenommen, dass durch eine Optimierung des Herstellungsverfahrens der Wert der elektrischen Leitfähigkeit von 50 S/cm erreicht werden kann.

Final report (English)

In the near future most engines will be powered electrically by batteries or by fuel cells. One of the major factors limiting fuel cell commercialization is the development of bipolar plates. Their characteristic requirements are a challenge for any class of material, and none meets yet these requirements exactly. This project focused on the development of innovative polymer based composites suitable for bipolar plates. The developed composites needed to fulfil the given requirements concerning electrical and thermal conductivity and mechanical properties and additionally ensure the route towards industrial production. Various potentially suitable electrically conductive fillers, such as graphite, carbon black, carbon fibres, carbon nanotubes, and graphene, and thermoplastic, such as Polypropylene (PP), Polyamide 12 (PA12) and Liquid Crystal Polymer (LCP) as well as thermoset, such as epoxy resin (EP), polymers were used as matrices. The samples were tested with regard of their through-thickness electrical conductivity and flexural properties. The effect of plate thickness, matrix material and filler composition was systematically investigated. It was also found out the surface preparation of the samples and the applied pressure during the electrical resistance measurements have as significant effect on the measured electrical conductivity. Among the compounds tested, polypropylene (PP) based samples showed the best processability via compression moulding and resulted in the best electrical properties. A maximum electrical conductivity of 46 S/cm (target value: 50 S/cm) was achieved, using a multi-filler approach with carbon based fillers of different form and size. These results meet or even exceed those found in the literature and it is strongly believed that optimization of the manufacturing process can push the electrical conductivity value above the target of 50 S/cm.

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• Final report [PDF] 4'640 kB

Final report (French)

Dans un proche avenir, la plupart des moteurs seront alimentés électriquement par des batteries ou par des piles à combustible. Le développement des plaques bipolaires est l’un des principaux facteurs limitant la commercialisation des piles à combustible. Leurs exigences caractéristiques représentent un défi pour toutes les classes de matériaux et aucune ne répond encore à ces exigences avec précision. Ce projet était axé sur le développement de composites innovants à base de polymères adaptés aux plaques bipolaires. Les composites développés devaient répondre aux exigences données en matière de conductivité électrique et thermique et de propriétés mécaniques, tout en garantissant le passage à la production industrielle. Diverses charges électriquement conductrices potentiellement appropriées, telles que le graphite, le noir de carbone, les fibres de carbone, les nanotubes de carbone et le graphène, ainsi que les matériaux thermoplastiques, tels que le polypropylène (PP), le polyamide 12 (PA12) et le polymère à cristaux liquides (LCP) ainsi que les polymers-thermodurcissables, comme la résine époxy (EP), des polymères ont été utilisés comme matrices. Les échantillons ont été testés en ce qui concerne leur conductivité électrique à travers l'épaisseur et leurs propriétés en flexion. L'effet de l'épaisseur de la plaque, du matériau de la matrice et de la composition de la charge a été systématiquement étudié. Il a également été découvert que la préparation de la surface des échantillons et la pression appliquée pendant les mesures de résistance électrique avaient un effet significatif sur la conductivité électrique mesurée. Parmi les composés testés, les échantillons à base de polypropylène (PP) ont montré la meilleure aptitude au traitement par moulage par compression et ont donné les meilleures propriétés électriques. Une conductivité électrique maximale de 46 S/cm (valeur cible: 50 S/cm) a été atteinte en utilisant une approche à charges multiples avec des charges à base de carbone de forme et de taille différentes. Ces résultats atteignent, voire dépassent, ceux que l'on trouve dans la littérature et il est fortement convaincu que l'optimisation du processus de fabrication peut permettre de dépasser l'objectif de la valeur de la conductivité électrique de 50 S/cm.