Entwicklungsunterstützung des ZBT durch thermomechanische Analysen und messtechnische Verifikation
Im Unterauftrag der Scheuermann+Heilig GmbH aus Buchen hat das ZBT unterstützend an der Entwicklung eines innovativen Vorspannsystems für Brennstoffzellenstapel mitgearbeitet. Zu der Hauptfunktion des Vorspannsystems gehört die gleichmäßige Verteilung der Flächenpressungen innerhalb der einzelnen Zellen in allen Betriebszuständen sowie die Sicherstellung der Stackdichtigkeit. Darüber hinaus muss es die mechanische Stabilität des gesamten Stacks gewährleisten und vor allem für die Stack-Montage automatisierbar einzusetzen sein. Im Hinblick auf die Funktionalität des Brennstoffzellenstacks wurde das Vorspannsystem in Zusammenarbeit mit Scheuermann+Heilig am Beispiel des Standard-Stapels des ZBT (50cm2) mit Hilfe der im ZBT durchgeführten Berechnungen zur mechanischen Stapelintegration und letztendlich verifizierenden Messungen am Brennstoffzellenstack entwickelt.
Durch thermomechanische Berechnungen (Comsol Multiphysics) wurde sichergestellt, dass homogene Anpressungen im Stack auch mit dem innovativen Verspannkonzept erreicht werden können.Besondere Herausforderung hierbei war die zu berechnende Kombination aus den Zellstapel (Bipolarplatten, Dichtungen, MEA) und dem Verspannsystem, das aus Blechen, Federelementen und Druckkissen besteht. Hierin besteht ein wesentlicher Unterschied zur Berechnung klassischer Endplatten von Brennstoffzellenstacks.
Der im ZBT mit dem entwickelten Vorspannsystem aufgebaute Brennstoffzellenstack wurde zyklisch untersucht. Neben der Einsetzbarkeit des Konzeptes für den Stackbau wurde in den Zyklenversuchen auch eine langrfristige Stabilität des Brennstoffzellenstapels bei sehr guter Verteilung des Anpressdrucks und guten Leistungswerten auf lange Nutzungsdauer erreicht.
Die Arbeiten wurden in der Arbeitsgruppe Stackentwicklung der Abteilung Brennstoffzellen- und Systemtechnik durchgeführt, die für die Entwicklung von Brennstoffzellenstapeln und der hierin einzusetzenden mechanisch relevanten Komponenten (Bipolarplatte, Dichtung) zuständig ist. Komponenten und Stapel werden konstruktiv unter Nutzung aktueller CAE-Tools entwickelt sowie im prototypischen Maßstab u.a. im Spritzgießen, Fräsen, Dispensen oder Siebdrucken hergestellt. Die Erfahrungen aus dem Bereich der Brennstoffzellenstapeln werden ebenso für Elektrolysestacks und innovative Batterietechniken wie zum Beispiel die Redox-Flow-Batterie angewendet.
Die Entwicklungen werden außerdem von Wieland Bundschuh (Scheuermann+Heilig) im Rahmen der F-Cell 2014 in Stuttgart präsentiert.
