View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

9.3 Zusammenfassung 171
Zellstapel und damit auf die Stackleistung auswirkt. Die bei den Experimenten in Kapitel 4
verwendeten Endplatten aus Edelstahl werden bei den Betrachtungen als Referenzdesign
definiert.
Aufgrund der Flächenpressung zwischen den Endplatten und den darunter liegenden Zellen
wölben sich die Endplatten nach außen. Die Berechnungen zeigen, dass die Endplattendeformation
in einem Zellstapel mit graphitischen Bipolarplatten größer ist als in einem mit Bipolarplatten
aus Titan. Eine gleichmäßigere Anpressdruckverteilung über die Fläche der Diffusionsschichten
kann allerdings in dem Zellstapel mit graphitischen Bipolarplatten erreicht werden.
Darüber hinaus wird unter der vorliegenden Zellstapelgeometrie eine homogene Anpressdruckverteilung
in einem Zellstapel mit graphitischen Bipolarplatten bei einer geringeren Zellenanzahl
erreicht als in einem Zellstapel mit Bipolarplatten aus Titan. Eine homogene Anpressdruckverteilung
liegt vor, wenn ein Grenzwert für das Verhältnis aus minimalem zu maximalem
Anpressdruck in dem Zellstapel überschritten wird.
In dem aus 50 Zellen bestehenden 5 kW Brennstoffzellenstapel liegt bei Verwendung der
Referenzendplatten eine homogene Anpressdruckverteilung vor. Dieses Design ist somit
bezüglich der auftretenden Wölbung für den Einsatz im Zellstapel geeignet. Die Leistung des
gesamten Zellstapels wird aufgrund der vorliegenden Anpressdruckverteilung voraussichtlich
nur im Promillebereich verringert sein. Da das Anpressdruckverhältnis oberhalb des definierten
Grenzwertes liegt, eröffnet sich die Möglichkeit, die Endplattendicke und damit das Gewicht der
Platten zu verringern.
Ferner zeigen die Berechnungen, dass bei Versuchen an Einzelzellen und Short-Stacks die
Stapelleistung maßgeblich durch die Anpressdruckverteilung beeinflusst werden kann. Zum
Ausgleich der Endplattenwölbung ist hierbei der Einsatz einer elastischen Zwischenschicht
zwischen Endplatte und Bipolarplatte empfehlenswert.
Mit der verwendeten Kombination aus Flachdichtung und Diffusionsschicht wird nicht die vom
Hersteller angegebene optimale Diffusionsschichtverpressung erreicht. Eine dickere Diffusionsschicht
oder eine dünnere Dichtung kann ebenso wie ein angepasstes Dichtungskonzept die
geforderte Verpressung bewirken.
Der Gewichtsanteil der Referenzendplatten in dem betrachteten 5 kW Zellstapel beträgt 43 %.
Die numerischen Berechungen zeigen, dass die Endplatten ein großes Gewichtsreduktionspotential
besitzen. Bei konstanter Bauteilbelastung wird unter Variation der Werkstoffe und Geometrien
die Endplattendicke so bestimmt, dass die resultierende maximale Durchbiegung der
des Referenzdesigns entspricht. Für die untersuchten Varianten eröffnet der kohlefaserverstärkte
Kunststoff (CFK) das größte Potential zur Gewichtsreduktion. Verlaufen die Fasern der
Lagen in einem Winkel von ± 22,5° bezogen auf die kurze Seite der Platte und sind die Zuganker
zur Plattenmitte hin versetzt, beträgt das Gewicht der verrippten CFK-Endplatten nur
22 % von dem des Referenzdesigns. Bei den untersuchten metallischen Werkstoffen erreicht
die Aluminium-Endplatte mit 33 % des Referenzgewichtes die größte Gewichtseinsparung. Der
Kunststoff PEEK scheint für die Anwendung in Brennstoffzellen aufgrund des geringen Elastizitätsmoduls
nicht geeignet. Allein die Vorspannung der Zuganker bewirkt im Bereich der
Krafteinleitung eine Verformung, die größer als die Durchbiegung in der Plattenmitte ist.