Das Verspannsystem bildet im Zusammenwirken mit den Endplatten den Abschluss des Brennstoffzellenstapels und gewährleistet die mechanische Integrität des Gesamtaufbaus. Das Verspannen dient zur Kompression der Zellkomponenten (Membran, Bipolarplatten, Dichtung, Gasdiffusionslage) unter einer definierten Vorspannung. Zum einen wird dadurch die Dichtheit und damit der sichere Betrieb gewährleistet und zum anderen ist der Anpressdruck ein Einflusskriterium für die Zellleistung. Dieser beeinflusst den Kontaktwiderstand zwischen den Zellkomponenten und die Medienversorgung insbesondere durch die Gasdiffusionslage. Während des Betriebs schwankt die Vorspannung aufgrund von thermischen Dehnungen, Quellverhalten, Setzeffekten und äußeren mechanischen Einflüssen (Schwingungen). Diese Effekte müssen durch das Verspannsystem ausgeglichen werden. Bei der Montage des Stapels wird daher auf eine definierte Vorspannung geachtet.
Arten
Die Funktion und der Aufbau des Verspannsystems stehen im direkten Zusammenhang mit der Gestaltung des Endplattensystems. Die Funktionen des Verspannsystems sind die Aufbringung einer definierten Vorspannkraft, resultierenden Druckverteilung und der Ausgleich von Dehnungs- und Setzeffekten. Es wird dabei auf bestehende Lösungsvarianten zurückgegriffen, wobei eine Unterteilung nach Art der Verspann- und der Federelemente erfolgt. Das Aufbringen der Vorspannkraft (Verspannen) wird über Zuganker oder Spannbänder realisiert. Diese verbinden die obere und untere Endplatte und werden im Montageprozess auf eine präzise Vorspannkraft angezogen. Als Federelemente werden vorwiegend Schraubendruckfedern oder Tellerfedern eingesetzt. Teilweise werden federnde Strukturen durch Bleche eingebracht, um die Kraftleitung zu optimieren. Die Auslegung und Gestaltung der Verspann- und Federelemente ist abhängig vom Stapeldesign und muss individuell im Zusammenwirken mit der Endplatte durchgeführt werden.
Anforderungen
Die Hauptanforderung an das Verspannsystem ist, die mechanische Funktionalität des Stapels im gesamten Betriebsbereich zu gewährleisten. Die einzelnen Zellkomponenten weisen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Außerdem tritt bei der Membran ein Quellverhalten auf und es kommt zu Setzeffekten bei der Gasdiffusionslage sowie den Dichtungen. Die resultierende zyklische Beanspruchung muss durch das Verspannsystem kompensiert werden, sodass strukturelle Beschädigungen und Leckagen vermieden werden. Im Bereich der aktiven Fläche ist es zudem erforderlich, eine möglichst homogene Verteilung des Anpressdrucks zu erreichen.
Herausforderungen
Die Herausforderung bei der Auslegung des Verspannsystems ist die Optimierung der Anpressdrücke und eine homogene Druckverteilung. Gleichzeitig gilt es, die Systeme möglichst kompakt zu gestalten. Dies erfordert eine hohe Funktionsintegration und Komplexität. Im Fokus aktueller Betrachtungen sind Schädigungseffekte aufgrund der zyklischen Belastungen und inhomogenen Anpressdrücke. Außerdem werden weitere Faktoren bei der Auslegung, wie beispielsweise externe Schwingungen, auf das mechanische Verhalten untersucht.
Literatur
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Khetabi, El Mahdi; Bouziane, Khadidja; Zamel, Nada; François, Xavier; Meyer, Yann; Candusso, Denis (2019): Effects of mechanical compression on the performance of polymer electrolyte fuel cells and analysis through in-situ characterisation techniques – A review. In: Journal of Power Sources 424, S. 8–26. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.03.071.
