View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

4.4 Weiterführende Charakterisierung 79
vorgestellten Druckhaltetests Runddichtringe aus dem Material NBR die Reaktanden sowie das
Kühlwasser gegeneinander und zur Umgebung hin ab. Die Dichtungsnuten der Runddichtringe
sind in die Bipolarplattenelemente integriert. Die verwendeten Dichtringe bauten insbesondere
in den Eckradien der Dichtungsnuten der Bipolarplatten Druck- und Scherspannungen auf, die
zum Ausbrechen großer Materialstücke und damit zu Bauteilversagen führten. In einem modifizierten
Design, das auf den Einsatz von Runddichtringen verzichtet, ist das Kühlflowfield nicht
mehr in die Bipolarplattenelemente eingearbeitet, sondern in Form einer separaten Kühlstruktur
zwischen diesen integriert. Die Kühlstruktur, die aus expandiertem Graphit gefertigt ist, dichtet
die Reaktanden und das Kühlwasser ab und gewährleistet durch ihre elektrische Leitfähigkeit
den Stromfluss durch die Bipolarplatteneinheit. Weitere Vorteile dieser Konstruktion sind, dass
die Übergangswiderstände zwischen den Komponenten verringert werden und dass die
Struktur durch preisgünstige Fertigungsverfahren wie Stanzen hergestellt werden kann. Obwohl
die Dichtwirkung des Designs auf Basis von expandiertem Graphit schlechter ist als die der
Runddichtringe, konnte die geforderte Zelldichtigkeit mit dem neuen Ansatz erreicht werden.
Aufgrund der genannten Vorteile findet diese Kombination in den untersuchten Brennstoffzellen
Verwendung.
4.4.2 Anpressdruckverteilung
Werden Einzelzellen und Short-Stacks unter den gleichen Betriebsbedingungen betrieben, ist
der Flächenwiderstand der Short-Stacks um rund 20 % geringer als der der Einzelzellen. Dies
ist ein Hinweis auf unterschiedliche Übergangswiderstände in den Brennstoffzellen. Aufgrund
der stark von der Anpresskraft abhängigen Übergangswiderstände der einzelnen Zellenkomponenten
wird der Kraftfluss durch die Brennstoffzellen mit Hilfe der in Kapitel 3.4 beschriebenen
Druckmessfolien ermittelt. Die Druckmessung erfolgte zwischen Endplatte und Bipolarplattenelement.
Die Brennstoffzellen sind mit 20 Zugankern (siehe Bild 13.4) bei gleicher
Kraft verspannt. Die acht an den Eckbereichen der Endplatten befindlichen Zuganker sind mit
3 Nm, die zwölf restlichen Zuganker sind mit 4 Nm angezogen. Diese experimentell ermittelten
Anzugsmomente der Zuganker erwiesen sich bezüglich der Zelldichtigkeit als optimal.
In Bild 4.16 ist die Anpressdruckverteilung von Einzelzelle und Short-Stack gegenübergestellt.
Die in dem Short-Stack vorliegende Druckverteilung entspricht ungefähr der Verteilung in einer
Einzelzelle, in die das passive Widerstandsnetzwerk zur Stromdichtemessung integriert ist. Der
elektrochemisch aktive Bereich der Zellen ist mit einer schwarz gestrichelten Linie umrandet. In
diesem Bereich beträgt bei dem aus drei Zellen bestehenden Stapel der mittlere Anpressdruck
rund 7 bar. Damit liegt der Anpressdruck um rund 80 % über dem Wert der Einzelzelle. Neben
einem hohen mittleren Anpressdruck ist eine homogene Druckverteilung in den einzelnen Zellen
Voraussetzung für eine hohe Leistungsdichte. Eine ungleichmäßige Anpressdruckverteilung
führt zu lateralen Stromflüssen in den Zellen und somit zu erhöhten Ohmschen Verlusten. Auch
hier zeigen sich Vorteile des Short-Stacks, in denen der lokale Anpressdruck im Mittelbereich
zwischen 6 - 7,5 bar variiert, während in der Einzelzelle der Druckbereich von rund 2,5 – 5 bar
reicht. Beide beschriebenen Effekte erklären die verringerten Ohmschen Widerstände im Be-