HZwo:SuSyMobil – Stack- und Systemkomponenten von PEM-Brennstoffzellen für Mobilitätsanwendungen; Projektsäule 2 - Großserien-Fertigungstechnologien für Endplattenmodule; Fördermaßnahme: Nationales Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Phase II; Förderbereich: Forschung, Entwicklung und Innovation - Schwerpunkt: Nachhaltige Mobilität

Abstract

Im Rahmen des Projekts wurden biegesteife Endplatten für Brennstoffzellen-Stacks aus Aluminium entwickelt, die im Druckguss und Porendruckguss gefertigt wurden. Begonnen wurde mit der Evaluierung grundlegender Designvarianten mittels eines morphologischen Kastens, gefolgt von der Topologie-Optimierung zur Berechnung lastgünstiger, gewichtsoptimierter Strukturen. Die Optimierung des Entwurfs erfolgte durch Füll- und Erstarrungssimulationen, durchgeführt vom Projektpartner Handtmann. In die Endplattenmodule wurden Bohrungen, Gewinde und Nuten integriert. Handtmann stellte das Druckgusswerkzeug her und modifizierte ein bestehendes Werkzeug für den Porendruckguss. Das IWU unterstützte diesen Prozess beratend. Für die Technologieadaption des Porendruckgussverfahrens wurde der Wissensstand über das Verfahren vertieft. In Zusammenarbeit mit Handtmann wurden relevante Parameter für die Herstellung abgeleitet und in einem D-optimalen Versuchsplan untersucht, wobei eine Gewichtseinsparung von etwa 20 % bei akzeptabler Oberflächenqualität erzielt wurde. Die Poren in den Proben wurden als Sollbruchstellen identifiziert, was die Bruchmechanismen beeinflusste. Weiterhin wurde eine elektrisch isolierende, druck- und medienverteilende Platte (IDM-Platte) entwickelt. Hierbei kamen computergestützte Konstruktions- und Simulationsprogramme zum Einsatz, um alle Funktionen ohne gegenseitige Beeinträchtigung zu integrieren. Die Entwicklung von Skalierungs- und Baukastenkonzepten für die Brennstoffzellen-Stacks berücksichtigte Anpassungen in Höhe, Länge und Breite, wobei die einfachste Umsetzung in y-Richtung möglich ist. Es wurden Funktionsmuster im Druckguss gefertigt und die Porenverteilung analysiert. Die vertikale Orientierung der Platten im Werkzeug führte aufgrund der Schwerkraft zu Gasansammlungen in den oberen Plattenhälften, was auf die Notwendigkeit einer horizontalen Werkzeuganordnung hinweist. Zusammenfassend wurde die Entwicklung und Optimierung von Komponenten für Brennstoffzellen erfolgreich vorangetrieben, wobei signifikante Fortschritte in der Materialtechnologie und den Fertigungsverfahren erzielt wurden.