Scherdel Forschung

Im Forschungsprojekt soll ein neuartiges, adaptiv aktorisches Verspannkonzept für Polymerelektrolyt-(PEM)-Brennstoffzellen auf Basis dieser FGL entwickelt werden.

Diese Komponenten sowie die Dichtungen zwischen den Einzelzellen sind unverzichtbare Bausteine für die Funktionsweise des Gesamtsystems. Durch sie werden in PEM-Brennstoffzellen die notwendigen Vorspannkräfte auf die Stack-Endplatten und weiterführend auf die Bipolarplatten übertragen. Es wird somit eine Anpresskraft zwischen zwei Bipolarplatten erzeugt, welche im Zusammenwirken mit der dazwischenliegenden elastischen Dichtung die Dichtwirkung in einer Einzelzelle gewährleistet. Die exakte Dimensionierung und adaptiv aktorische Einstellung dieses Systems aus Einzelfedern- und steifigkeiten mit einer definierten Vorspannkraft im Rahmen der Montage und des Betriebs ist die wesentliche Problemstellung. Ein hierauf aufbauender Forschungsbedarf ergibt sich durch die prozessdynamische Ausdehnung eines Brennstoffzellenstacks während des Betriebes. Infolge dynamischer Lastprofile und damit einhergehender Temperaturänderungen kommt es zu Längenänderungen in Stackrichtung, wodurch die bestehende Vorspannkraft maßgeblich beeinflusst wird. Diese Veränderung der Vorspannung kann den Funktionsverlust der Brennstoffzelle bedeuten. Des Weiteren können zu hohe Vorspannungen zu einer vorzeitigen Alterung der elastischen Elemente bzw. zur Zerstörung der Membran-Elektroden-Einheit führen.

Eine prozessbegleitende Detektion und aktiv, aktorische Verhinderung solcher Vorspannungsveränderungen ist mit dem heutigen Stand der Technik im anwendungsnahen Umfeld nicht möglich und bildet den Ansatzpunkt des Vorhabens.

Dazu sollen parallel smarte Dichtungen in bestehende Stack-Strukturen integriert werden. Zum einen können so die aufgebrachten Vorspannkräfte und die sich daraus ergebenden ortsveränderlichen Flächenpressungen auf die Dichtungen direkt in Verbindung gebracht werden und zum anderen kann der Betrag der Vorspannkraft an der Dichtung überwacht werden. Senkungen der Flächenpressungen an der Dichtung infolge abfallender Vorspannkräfte können somit kontinuierlich erfasst und durch die adaptive Stackverspannung geregelt werden. Darüber hinaus ist eine Messung der Verteilung der Flächenpressung (z. B. aufgrund von Form- und Lageabweichungen der Stack-Komponenten) über die Dichtungsfläche möglich. Durch individuelle aktiv, aktorische Ansteuerung einzelner FGL-Elemente kann die Flächenpressung lokal angepasst werden. Die Regelung der FGL-Elemente erfolgt dabei unter anderem anhand der Signale der smarten Dichtungen.

Nach erfolgreicher Konzeptentwicklung und Verifizierung wird ein Forschungsfunktionsmuster des Gesamtsystems realisiert, in welchem die smarten Dichtungen in Kombination mit dem aktiven Verspannsystem validiert werden. Die Ergebnisse werden zur Optimierung und Anpassung der Systemstruktur auf marktrelevante Anwendungen genutzt. Im Erfolgsfall ist eine Portierung auf industrielle oder automobile Anwendungen anschließend gegeben. Die weitere Nutzung der Ergebnisse bezüglich der smarten Dichtungen ist zudem auch unabhängig vom Themengebiet Brennstoffzelle in anderen Industriefeldern möglich.