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