Die primäre Funktion von Dichtungen besteht in der Verhinderung des Austretens von Reaktantengasen (insbesondere Wasserstoff) zwischen den einzelnen Zellen und deren Umgebung, wodurch die elektrochemische Reaktion in den Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) optimiert und ein sicherer Betrieb gewährleistet wird. Des Weiteren sind Dichtungen in Polymerelektrolytmembran (PEM) Brennstoffzellen essenzielle Komponenten für die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität und die Gewährleistung eines effizienten Betriebs der Brennstoffzelle. Dichtungen müssen dabei eine Vielzahl von thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen über den gesamten Betriebsbereich hinweg standhalten. Wichtige Funktionen sind die Einhaltung der Leckage im tolerierbaren Bereich sowie der Ausgleich von Toleranzen durch die Dichtung als mechanisches Element.
Arten
Die Zelldichtungen werden über den grundlegenden Aufbau und den dazu eingesetzten Fertigungs- und Montagetechnologien in Festkörper-/Flachdichtungen und Flüssigdichtungen unterteilt. Flachdichtungen zeichnen sich durch eine einfache Fertigung aus und werden während des Stapelprozesses in der Montage zugeführt. Flüssigdichtungen werden je nach Gestaltung auf die Bipolarplatte oder die Membran-Elektroden-Einheit bereits im Fertigungsprozess aufgetragen, wodurch die spätere Montage vereinfacht wird. Beim Auftrag der Flüssigdichtung wird zwischen dem „formed-in-place gasket“ (FIPG) und „cured-in-place gasket“ (CIPG) Verfahren unterschieden. Im Gegensatz zum FIPG-Verfahren erfolgt bei der CIPG die Aushärtung der Dichtung im assemblierten Zustand. Typische Fertigungstechnologien sind das Siedruckverfahren, Dispensieren und Spritzgießen.
Materialanforderungen
Materialtechnisch erfordert die Dichtungsauswahl für PEM-Brennstoffzellen eine hohe thermische Stabilität, chemische Beständigkeit gegenüber der sauren Umgebung sowie geringe Permeabilität für die Reaktionsgase. Die Anforderungen sind dabei, eine Langzeitstabilität der Dichtung zu gewährleisten, um einen Austrag von Bestandteilen und ein Überschreiten einer definierten Leckagerate zu vermeiden. Die Dichtungen müssen zudem in der Lage sein, unter variierenden Betriebsbedingungen (insbesondere Temperatur- und Druckschwankungen) eine kontinuierliche, langlebige Abdichtung zu gewährleisten. Ein weiteres Kriterium ist die Fähigkeit, eine optimale Kompression und Flexibilität aufrechtzuerhalten, um der dynamischen Dehnung und Kontraktion der Brennstoffzellenkomponenten gerecht zu werden, die durch thermische Zyklen und mechanische Spannungen hervorgerufen werden.
Beispielhafte Materialen sind:
- Fluorelastomer-Kautschuk (FKM)
- Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk
- Silikonkautschuk
- Polyurethanwerkstoffe (PUR)
Herausforderungen
Ein wichtiger Bestandteil der Gestaltung von Dichtungen besteht aktuell im recyclinggerechten Design, um am Ende des Lebenszyklus des Brennstoffzellenstapels eine sortenreine Trennung der Komponenten zu ermöglichen. Dazu zählen die Untersuchung von Degradationseffekten und die Erhöhung der Langzeitstabilität der verwendeten Materialien.
Literatur
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