View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

168 9 Konstruktive Bauteiloptimierung
R 0,05
Dichtlippe
Stopper
0,35
ca. 0,5
0,19
0,16
x
0,3
0,15
z
y
Bild 9.15: FE-Modell der profilierten Dichtung mit Dichtlippe und Stopper [mm] [116]
Das Design der profilierten Dichtung ist in Bild 9.15 mit den relevanten Geometriedaten gezeigt.
Die dreiecksförmige Dichtlippe presst sich unter Belastung in den angrenzenden verjüngten Mittelbereich
ein. Um die Dichtlippe vor Überbeanspruchung zu schützen, ist eine Anschlagsfunktion,
ein sogenannter Stopper, in die Dichtung integriert. Der Stopper begrenzt die maximale
Verpressung der Dichtlippe und kann des Weiteren auch in gewissem Maße die Diffusionsschicht
vor übermäßiger Kompression schützen.
Die Geometrie der untersuchten Flachdichtung ist in Bild 9.16 zu sehen.
1,0
x
0,3
z
y
Bild 9.16: FE-Modell der Flachdichtung [mm] [116]
Als Dichtungswerkstoff wird ein Silikon-Kautschuk gewählt. Der Werkstoff ist durch die
Kennwerte Schubmodul 0,7 N/mm² und Kompressibilität 0,001 mm²/N charakterisiert. Den
nicht-linearen Verlauf der Spannungs-Dehnungskurve des Materials beschreibt das hyperelastische
Neo-Hooke Modell. Der Reibkoeffizient zwischen Elastomer und Membran wird mit 0,3
angesetzt. Die Dehnung der Dichtung in Längsrichtung (z-Richtung) wird vernachlässigt. Diese
Annahme stellt bezüglich der maximalen Bauteilbelastung eine konservative Abschätzung dar.
Die Reißdehnung des Materials liegt bezogen auf die Ausgangslänge bei circa 500 %. Zum
Schutz vor übermäßiger Bauteilbeanspruchung soll die zulässige Dehnung der Dichtung im
Auslegungspunkt maximal 130 % betragen.
Die Nominaldicke des verwendeten Gasdiffusionsgewebes beträgt im unverpressten Zustand
0,4 mm. Bei der empfohlenen Flächenpressung von 10 bar verringert sich die Dicke auf
0,24 mm. Laut Herstellerangaben liegen die Toleranzen im unverpressten Zustand bei + 25 µm
und - 75 µm. Unter der Annahme, dass die Toleranzfelder der verpressten GDL prozentual
denen der unverpressten entsprechen, ergibt sich für die verpresste GDL eine Dicke von
0,24 mm + 15 / - 45 µm. Toleranzen der Bipolarplatte, der Membran sowie der Dichtung bleiben
bei den Berechnungen unberücksichtigt.