View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

148 9 Konstruktive Bauteiloptimierung
Symmetrie
Flächenpressung
(Zuganker)
Endplatte
Zellen
Bipolarplatte
Diffusionsschicht
Flachdichtungen
Kopplung in vertikaler
Richtung
Kontaktelemente
Bild 9.3: FE-Modell einer Endplatte mit zwei Zellen [110]
Die Bipolarplatten sind entsprechend einer konservativen Abschätzung durch ebene Platten
ohne Manifoldkanäle und Strömungsstrukturen (Flowfield) abgebildet. Bei den Endplatten bleiben
die Kanäle zur Reaktandenzufuhr und –abfuhr ebenso wie die Zugankerbohrungen unberücksichtigt.
An den Positionen der Zuganker erfolgt die Krafteinleitung in die Endplatten in
Form einer Flächenpressung über eine Kreisfläche mit dem Durchmesser der Unterlegscheiben.
Bei den acht an den Eckbereichen der Endplatte liegenden Zugankern beträgt die Vorspannkraft
aufgrund des Anzugsmomentes von 3 Nm circa 2,9 kN. Die zwölf restlichen Zuganker
sind mit 4 Nm angezogen. Dies entspricht einer Vorspannung von circa 3,9 kN. Die Vorspannkraft
des gesamten Zellstapels beträgt 70 kN. Die Anzugsmomente entsprechen der Zugankerverspannung
bei den Experimenten aus Kapitel 4.
Die für die Berechnungen relevanten Geometriedaten und Werkstoffkennwerte sind in Tabelle
9.1 aufgeführt. Das den Berechnungen zugrunde liegende FE-Modell sieht für die Werkstoffe
der Endplatten, der Bipolarplatten und der Diffusionsschichten ein isotropes, linear-elastisches
Materialmodell vor. Dem nicht-linearen Verlauf der Spannungs-Dehnungskurve der Flachdichtungen
wird mittels des hyperelastischen Neo-Hooke Modells Rechnung getragen.
Tabelle 9.1: Verwendete Geometriedaten und Werkstoffkennwerte
Endplatte Bipolarplatte Diffusionsschicht Flachdichtung
Werkstoff Stahl Graphit Titan Kohlenstoffgewebe NBR
Länge [mm] 280 240 240 177 240
Breite [mm] 200 160 160 138 160
Höhe [mm] 15 1,8 1,8 0,4 0,3
Elastizitätsmodul [N/mm²] 196000 9000 116000 2,54 9
Querkontraktionszahl [-] 0,3 0,3 0,32 0,01 0,4995
Schubmodul [N/mm²] 75385 3462 44615 1,26 3
Kompressibilität [mm²/N] - - - - 6,7x10 -4