Im Rahmen des ZIM-Forschungsprojektes Additive Manufacturing of Lightweigth Fuel Cells – ALF erfolgte in Kooperation mit dem Zentrum für angewandte Luftfahrtforschung GmbH (ZAL) die Entwicklung eines innovativen PEM-Brennstoffzellenstacks für Luftfahrtanwendungen, dessen Fokus auf der Auslegung eines kompakten Leichtbau-Verspannsystems lag.

Seitens des ZBT wurde ein Simulationsmodell zur strukturmechanischen Optimierung kunststoffbasierter Endplatten entwickelt, um eine verbesserte Gewichts- bzw. Materialverteilung der Endplatte mit ausreichender Stabilität zu erreichen. Durch die Kombination der optimierten Endplattenstrukturen mit flächig wirkendenden Spannelementen ließ sich zusätzlich eine Verbesserung der Stackmechanik erzielen, was sich in einer geringeren Materialbelastung der BZ-Komponenten und einer homogeneren Anpressdruckverteilung im Stapelinnern äußerte.

Zur Validierung der Simulationsergebnisse erfolgte am ZAL schwerpunktmäßig die additive Fertigung der Endplattenstrukturen mittels FDM-Verfahren, sodass geometrische Einschränkungen durch den Fertigungsprozess auf ein Minimum reduziert werden konnten. Zusätzlich fanden integrale Bauweisen Berücksichtigung, wodurch sich neben der Systemkomplexität auch der Montageaufwand und die -zeit beim Stackbau reduzieren ließen. Die funktionelle Flexibilität dieses Herstellungsprozesses beschleunigte somit maßgeblich die Endplattenentwicklung bei gleichzeitiger Kosteneinsparung.

Die Qualifizierung der Endplatten hinsichtlich der Brennstoffzelleneignung, insbesondere der Dichtheitseigenschaften und resultierender Anpressdruckverteilung im Stack, wurden wiederum am ZBT durchgeführt. In abschließenden Labortests ließ sich die Funktionalität des neu entwickelten Verspannsystems nachweisen, welches vom Leistungsniveau gleichwertig gegenüber der konventionellen Stackverspannung mittels Aluminiumendplatten und Zugankern ist. Die Substitution der gewichtstreibenden metallischen Endplatten mit strukturmechanisch optimierten Kunststoffendplatten führte zu einer Gewichtseinsparung von 57%.

• Abteilung Brennstoffzellen- und Stapel
• Partner: ZAL.aero