View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

172 9 Konstruktive Bauteiloptimierung
Als effektive Maßnahme zur Gewichtsreduktion der Endplatten erweist sich, die Krafteinleitung
in Richtung der Plattenmitte zu verschieben. Mindestens 25 % des Gewichts werden eingespart,
wenn die Zuganker nicht außerhalb, sondern durch den Rand der Bipolarplatten geführt
werden. Werden Spanngurte anstelle der Zuganker verwendet, kann das Gewicht um weitere
18 % reduziert werden. Durch eine verrippte Konstruktion werden im Durchschnitt nur 10 % des
Gewichtes der ebenen Platten eingespart. Ein verringerter Anpressdruck erlaubt keine weitere
Gewichtsreduktion, wenn die Zuganker durch den Rand der Bipolarplatten geführt werden.
Eine Betrachtung der Herstellkosten zeigt, dass bei einer angenommenen Jahresproduktion
von 10.000 Stück verrippte Endplatten am kostengünstigsten durch einen Gießprozess zu
fertigen sind. Aufgrund der notwendigen spanenden Nachbearbeitung dieser Platten, sind sie
teurer als ebene Platten des gleichen Werkstoffs. Während der Einsatz von CFK-Endplatten
aufgrund der hohen Materialkosten fraglich erscheint, zeigen die Aluminiumplatten neben einer
Gewichts- auch eine Kostenreduktion im Vergleich zu den Referenzplatten aus Stahl. Eine
exemplarische Plankostenrechnung auf Vollkostenbasis zeigt, dass der Verkaufspreis einer
ebenen Endplatte aus Aluminium bei ungefähr 50 € pro Bauteil liegt. Der Preis für die verrippte
Aluminium-Endplatte übersteigt diesen Wert nur um circa 5 % bei einem gleichzeitig um 9 %
verringerten Bauteilgewicht.
Für den Einsatz in dem betrachteten 5 kW Brennstoffzellenstapel werden daher bei der angestrebten
Jahresproduktion die im Gießprozess hergestellten verrippten Endplatten aus Aluminium
empfohlen. Im Vergleich zu dem Referenzdesign erhöht sich unter Verwendung dieser
Aluminium-Endplatten die gravimetrische Leistungsdichte um mehr als 35 % auf 0,26 kW/kg.
Eine weitere Steigerung der Leistungsdichte kann erreicht werden, wenn anstelle der Zuganker
und Flachdichtungen Spanngurte und weiche, in die Bipolarplatte eingespritzte Dichtungen
verwendet werden. Da die maximal zulässige Durchbiegung der Endplatte bei der vorliegenden
Bauteilbelastung noch nicht erreicht ist, eröffnet sich hierdurch ein zusätzliches Potential zur
Gewichtsreduktion.
Die bei den Experimenten verwendeten NBR-Flachdichtungen erscheinen trotz ihrer guten
Dichtungseigenschaften alleine aus mechanischer Sicht nicht für den Einsatz in den Zellen
geeignet. Im Vergleich zu Flachdichtungen weisen profilierte Dichtungen mit Dichtlippe aus
Silikon-Kautschuk bezüglich der Bauteilbeanspruchung, der benötigten Anpresskraft und dem
Federweg klare Vorteile auf. Diese Vorteile kommen um so mehr zum Tragen, wenn neben den
Toleranzen der Gasdiffusionsschicht auch die Toleranzen von Bipolarplatte, Membran und
Dichtung bei der Auslegung der Dichtung Berücksichtigung finden.
Im Vergleich zu der NBR-Dichtung erlaubt die Verwendung der untersuchten profilierten
Dichtung eine Steigerung der Verpressung der Diffusionsschicht von 7 bar auf die angestrebten
10 bar bei gleichzeitiger Reduktion der Anpresskraft von derzeit circa 70 kN auf 25 kN. Wie in
Kapitel 9.1.2 gezeigt wurde, kann bei verringerter Anpresskraft eine Gewichtsreduktion der
Endplatte von ungefähr 5 % erzielt werden. Der erhöhte Flächennutzungsgrad bei einer Zellkonstruktion
mit profilierter Dichtung ermöglicht darüber hinaus bei gleichem Bauvolumen eine
Leistungssteigerung von rund 15 %.