Scherdel Forschung

innovatives Verspannkonzept für Brennstoffzellen


Die Dekarbonisierung individueller und kollektiver Mobilitätskonzepte stellt eine der größten technischen sowie wirtschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit dar. Die tiefgreifenden Auswirkungen dieser notwendigen Antriebswende in die traditionell stark am Verbrennungsmotor ausgerichtete sächsische Zuliefererindustrie sind dabei noch nicht absehbar. Umso wichtiger ist es für Akteure auf diesem Feld, sich mit innovativen Technologie- und Komponentenlösungen auf Forschungsebene zu beschäftigen und zu prüfen, inwieweit sich nachhaltige, zukunfts- und arbeitsplatzsichernde Produkte daraus ableiten lassen

Das Teilprojekt 1.3. aus dem HZwo:Frame stellt für die SCHERDEL Marienberg GmbH ein inhaltlich besonders attraktives Gesamtpaket dar, weil es grundlegende Forschungsarbeit auf zwei gleichermaßen neuartigen wie innovativen technischen Bereichen ermöglicht. Zum einen ist es, wie eingangs erwähnt, für einen klassischen Zulieferer der Automobilindustrie für die Zukunft unabdingbar, sich mit sauberen, alternativen Antriebsmöglichkeiten zu beschäftigen. Mittels Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen stellen insbesondere für Langstrecken- & Schwerlastmobilität eine vielversprechende Alternative zu rein batterieelektrisch betriebenen Konzepten dar. Entwicklungsarbeiten auf diesem Gebiet sind jedoch ohne die Unterstützung von Vereinen wie dem HZwo e.V. auf Grund der unsicheren Marktlage und der damit verbunden Verschwiegenheit federführender Akteure de facto nicht möglich.

ZIELE UND DURCHFÜHRUNG


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.

Projektdaten

Das Projekt findet im Rahmen des Innovationsclusters HZwo in der Projektinitiative HZwo-FRAME statt, gefördert von der SAB Sächsichen Aufbaubank im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).

Laufzeit 23.12.2019 – 30.04.2022
Förderung und Projektträger EFRE, SAB Säch­sis­che Aufbaubank
Pro­jek­t­part­ner Tech­nis­che Uni­ver­sität Chem­nitz
Fraun­hofer IWU
ANDAV Elec­tron­ics GmbH
IDT Indus­trie- und Dich­tung­stech­nik GmbH
Koor­di­na­tor Dr. Thomas Keu­tel (TU Chemnitz)
Ansprech­part­ner SCHERDEL Johannes Helm­st­edt