View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

170 9 Konstruktive Bauteiloptimierung
Bild 9.18 zeigt die ermittelten Kraft-Weg-Verläufe für die beiden Dichtungsprofile. Die Anpresskraft
ist auf eine Dichtungslänge von 1 mm bezogen. Deutlich zu erkennen ist, wie die Wirkung
des Stoppers bei der profilierten Dichtung ab einer Einfederung von circa 0,16 mm einsetzt. Die
bezeichneten Verpressungszustände entsprechen den unterschiedlichen Toleranzlagen der mit
10 bar verpressten GDL. Aufgeführt sind jeweils die drei Fälle maximaler, minimaler und nominaler
GDL-Dicke. Aufgrund der unterschiedlichen Ausgangsdicken der Dichtungen liegen gleiche
Toleranzlagen der GDL bei unterschiedlichen Einfederungslängen der beiden Dichtungen.
Um die gleiche GDL-Verpressung zu erreichen, erfordert die Flachdichtung circa 6- bis12-fach
höhere Anpresskräfte als die profilierte Dichtung. Die Vorspannkraft des gesamten Zellstapels
ergibt sich aus der Summe der Kräfte, die durch die GDL und die Dichtung geleitet werden. Bei
einer GDL-Fläche von 244 cm² und einem Anpressdruck der GDL von 10 bar sowie einer
Dichtungslänge von rund 1100 mm liegt für die untersuchten Fälle in Abhängigkeit der GDL-
Dicke die Gesamtkraft zwischen 25 und 33 kN. Bei nominaler GDL-Dicke wird rund 1 % der
Gesamtkraft in die profilierte Dichtung, beziehungsweise 8 % in die Flachdichtung eingeleitet.
Die größte Kraft wird bei minimaler GDL-Dicke durch die Dichtungen geleitet, so dass hier die
Anteile 3 % beziehungsweise 27 % der Gesamtkraft betragen.
Bei den in Kapitel 4 beschriebenen Experimenten sind Flachdichtungen aus dem Werkstoff
NBR zum Einsatz gekommen. Die Dichtungsgeometrie ist in den Bildern 3.1 und 3.5 zu sehen.
Im unverpressten Zustand sind die Dichtungen 0,3 mm dick. Die Kontaktfläche zwischen Dichtung
und Membran ist um den Faktor 10 größer als die der oben beschriebenen Flachdichtung
aus Silikon-Kautschuk. Den Ergebnissen der experimentell ermittelten Anpressdruckverteilung
sowie den Berechnungen aus Kapitel 9.1.1 zufolge, liegt in den Zellen ein Anpressdruck in der
Diffusionsschicht von ungefähr 6-7 bar vor. Bei nominaler GDL-Dicke entspricht dieser Druck
einer Einfederung der NBR-Dichtung von circa 0,01 mm. Die resultierende längenbezogene
Kraft ist bereits bei dieser geringen Einfederung um mehr als zwei Größenordnungen größer als
bei den beiden untersuchten Dichtungsprofilen aus Silikon-Kautschuk. Trotz der geringen GDL-
Verpressung liegt der Anteil der durch die Dichtung geleiteten Kraft mit 75 % der Gesamtkraft
deutlich über dem Anteil der Kraft, der durch die GDL fließt. Aufgrund der Kombination aus
großer Kontaktfläche und hoher Materialsteifigkeit kann demnach nicht die gewünschte GDL-
Verpressung von 10 bar mit den verwendeten NBR-Dichtungen erreicht werden. Dies bestätigt
die Aussage aus Kapitel 9.1.1.
Bedingt durch den geringeren Bauraum der beiden untersuchten Dichtungsprofile kann die
aktive Fläche beziehungsweise der Flächennutzungsgrad der Bipolarplatten um rund 15 % im
Vergleich zur Konstruktion mit NBR-Flachdichtungen erhöht werden.
9.3 Zusammenfassung
In Kapitel 9.1 erfolgt eine konstruktive Optimierung der Endplatten und Dichtungen des Brennstoffzellenstapels.
Verschiedene Endplattenwerkstoffe und –geometrien werden hinsichtlich
ihres Bauvolumens und Bauteilgewichts sowie der Herstellkosten bewertet. In einem ersten
Schritt wird geklärt, wie sich eine Wölbung der Endplatten auf die Anpressdruckverteilung im