Adaptive Stackverspannung

Die Komponenten zur Brennstoffzellen-Stackverspannung sowie die Dichtungen zwischen den Einzelzellen sind unverzichtbare Bausteine für ein Brennstoffzellen-Gesamtsystem. Mittels des Verspannsystems werden 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 Einstellung dieser definierten Vorspannkraft im Rahmen der Montage und des Betriebs ist eine wesentliche Problemstellung. Eine hierauf aufbauende Forschungslücke ergibt sich durch die dynamische Ausdehnung eines Brennstoffzellen-Stacks während des Betriebes. Infolge dynamischer Lastprofile und damit einhergehenden Temperaturschwankungen kommt es zu Längenänderungen in Stapelrichtung, wodurch die Vorspannkraft maßgeblich beeinflusst wird. Der Verlust der Vorspannung kann hierbei im ungünstigsten Fall zum Funktionsverlust des Stapels führen. Andererseits können zu hohe Vorspannungen die empfindliche Membran-Elektroden-Einheit zerstören. Eine frühzeitige Detektion solcher Druckverluste bzw. Druckspitzen ist mit dem heutigen Stand der Technik im anwendungsfeldnahen Umfeld nicht möglich.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen Verspannkonzeptes auf Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL). Hierdurch wird es möglich, die Vorspannkraft während der Stack-Montage und vor allem während des Betriebes in Abhängigkeit der Stack-Temperatur individuell und präzise einzustellen. Hierzu können die Temperatur des Brennstoffzellen-Stacks sowie eine externe Energiezuführung genutzt werden.  Bei erhöhten Leistungsanforderungen kann so beispielsweise eine aktive Vorspannkrafterhöhung zwischen den Bipolarplatten realisiert werden, welche den Stapel im optimalen Betriebsbereich hält.

Parallel wird angestrebt, smarte Dichtungen in bestehende Stack-Strukturen zu integrieren. Zum einen können so die aufgebrachten Vorspannkräfte und der sich damit ergebende Druck auf die Dichtungen direkt in Verbindung gebracht und der Betrag der Vorspannung überwacht werden. Vorspannkraft-Senkungen infolge eines Druckabfalls können somit kontinuierlich erfasst und durch die adaptive Stackverspannung ausgeregelt werden. Darüber hinaus ist die Überwachung der Druckverteilung über die Dichtungsfläche möglich. Unterschiedliche Druckverteilungen (z. B. aufgrund von Form- und Lageabweichungen der Stack-Komponenten) können erfasst und durch externe Ansteuerung einzelner FGL-Elemente lokal angepasst werden.

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 eine industrielle oder automobile Anwendung anschließend gegeben. Die weitere Nutzung der Ergebnisse bezüglich der smarten Dichtungen ist zudem auch unabhängig vom Themengebiet Brennstoffzelle in anderen Industriefeldern möglich.