View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

9.2 Dichtung 167
Kräfte bewirkte Wölbung der Endplatten resultiert in einer inhomogenen Anpressdruckverteilung
in den Einzelzellen und Short-Stacks (siehe Bild 4.16, Kapitel 4.4.2). Neben einer verringerten
Leistung kann dies zur Bauteilschädigung und -zerstörung führen. Trotz der großen Anpresskräfte,
die die Flachdichtungen aufnehmen, werden sie aufgrund der großen Kontaktfläche nur
um rund 5 % ihrer Ausgangsdicke im unverpressten Zustand komprimiert. Die geringe Verpressung
erschwert, Toleranzen der Dichtungspartner auszugleichen.
Fortschrittliche Dichtungstechniken gehen dazu über, die Hauptkraft über die Diffusionsschicht
zu leiten und die Dichtung nahezu „kraftfrei“ zu gestalten. Dies ermöglicht, die Anpresskraft zu
minimieren und dadurch die Bauteilbeanspruchungen zu reduzieren, die Durchbiegung der
Endplatten zu verringern und Bauteiltoleranzen effektiver ausgleichen zu können. Zu diesem
Zweck werden hauptsächlich zwei Entwicklungsansätze verfolgt. Zum einen können durch die
Verwendung eines weicheren Materials Bauteiltoleranzen der Dichtflächen besser ausgeglichen
werden. Zum anderen kann ein geometrischer Lösungsansatz die Kontaktfläche der Dichtung
und damit die benötigte Anpresskraft verringern. Ein solcher geometrischer Ansatz sieht beispielsweise
eine profilierte Dichtung mit Dichtlippe vor. Dichtlippen können große Toleranzen
bei gleichzeitig geringer Anpresskraft ausgleichen, da im Vergleich zu Flachdichtungen bei der
Verpressung deutlich geringere Dehnungen im Elastomer auftreten. Profilierte Dichtungen
können ein- oder beidseitig sowohl auf Bipolarplatten als auch auf MEAs oder Gasdiffusionsschichten
in einem Spritzgießprozess appliziert werden [24, 25, 26]. Die Dichtungsintegration
trägt zusätzlich dem Prinzip der Teilereduktion Rechnung und verringert Montagezeiten sowie
die Anzahl der potentiellen Fehlerquellen.
Im Vergleich zu der in den Experimenten verwendeten NBR-Flachdichtung werden im Folgenden
zwei Dichtungsgeometrien bezüglich der Anpresskraft und Bauteilbeanspruchung unter
unterschiedlichen Lastzuständen bewertet. Bei der ersten Geometrie handelt es sich um eine
profilierte Dichtung mit Dichtlippe, bei der zweiten um eine schmale Flachdichtung. Beide Geometrien
werden im Folgenden näher vorgestellt. Die theoretischen Betrachtungen beschränken
sich auf die mechanische Dichtungsauslegung. Alterung oder Kosten der Dichtungen werden
nicht untersucht. Die vorgestellten Berechnungen entstanden in Zusammenarbeit mit der Firma
Freudenberg Forschungsdienste KG [116].
Die Dichtungsapplikation erfolgt auf der aktiven Seite des Bipolarplattenelements (BPE). Die
Dichtung umfasst die aktive Fläche und die Manifolds auf einer Länge von ungefähr 1100 mm.
Die Höhe der Flachdichtung entspricht im verpressten Zustand der GDL-Dicke. Der im
Randbereich der MEA aufgetragene Schutzfilm besitzt bei einem E-Modul von circa 2-4 MPa
eine hohe Steifigkeit (siehe Kapitel 3.1). Dies erlaubt, auf korrespondierenden Bipolarplatten die
gleiche Lippengeometrie zu verwenden, ohne dass die Dichtungsprofile unter Belastung aufeinander
abgleiten. Die im Spritzgießverfahren aufgebrachten Dichtungen benötigen eine umlaufend
circa 1 mm breite Anlagefläche für das formgebende Werkzeug.