Experimental and FEM investigation into early gasket failure and its correlation to the clamping load and HT-PEMFC performance
Author
Barbieru, Dmitri
Term
4. term
Education
Publication year
2023
Submitted on
2023-06-02
Pages
45
Abstract
This master’s thesis investigates the causes of early gasket failures in high-temperature PEM fuel cells operating on methanol reformate and how clamping load influences sealing and stack performance. Motivated by an approximately 25% first-pass failure rate at factory acceptance, the study targets low cell voltages and costly rework. The approach combines experiments and numerical analysis: leak testing of bipolar plates to detect damage occurring between production and assembly (with improper handling/transport suspected), pressure mapping on the MEA using pressure-sensitive film (revealing uneven compression near stack ends), microscopy and metrology of gaskets (shape and tolerance deviations and substantial contamination), and finite element analysis (FEA) to assess stiffness, deformation, slippage, stress concentrations, and propose improved gasket designs. FEA indicated the originally specified gaskets should be about 7.7% softer than those manufactured; a second supplier delivered parts with the correct geometry and tolerances, expected to lower early failures pending further validation. Experiments estimated gasket and MEA stiffness to guide an optimal clamping load. A new stack was tested across 9,810–24,525 N (with 19,620 N as standard and 13,734 N initially proposed), and cell voltage increased with clamping load even beyond the standard level. The findings highlight a trade-off between sealing/contact resistance and over-compression that could affect lifetime. The work recommends improved end-plate and bolt layouts for more uniform pressure, stricter cleanliness practices, better handling of bipolar plates, and further testing to define the optimal clamping load and verify the impact of new gaskets on early failure rate and degradation.
Denne masterafhandling undersøger årsagerne til tidlige fejl i pakninger (gaskets) i højtemperatur-PEM-brændselsceller, der drives med reformeret methanol, og hvordan klemkraften påvirker tætning og stakydelse. Udgangspunktet er en ca. 25% fejlrate ved første fabriksaccept, som medfører lavcelle-spændinger og tidskrævende reparationer. Arbejdet kombinerer eksperimenter og numeriske analyser: lækagetest af bipolare plader for at identificere skader mellem produktion og montage (mistanke om transporthåndtering), trykfordelingsmålinger på MEA med trykfølsom film (ujævn kompression nær stackens ender), mikroskopi og måleteknik af pakninger (form- og toleranceafvigelser samt betydelig kontaminering), samt finite element-analyse (FEA) til at vurdere stivhed, deformation, slup og spændingskoncentrationer og til at foreslå forbedrede pakningsdesigns. FEA indikerede, at de oprindeligt specificerede pakninger burde være ca. 7,7% blødere end de fremstillede, og en alternativ leverandør leverede pakninger med korrekt geometri og tolerancer; det forventes at reducere tidlige fejl, men yderligere validering er nødvendig. Eksperimenter estimerede stivheden af pakning og MEA og blev brugt til at foreslå en optimal klemkraft. En ny stak blev testet i intervallet 9.810–24.525 N (standard 19.620 N; foreslået 13.734 N), og spædningsmålinger viste stigende cellevolt med klemkraft også over standardniveauet. Resultaterne peger på en afvejning mellem tætning/kontaktmodstand og overkomprimering, som kan påvirke levetiden. Arbejdet anbefaler forbedret endplade- og boltplacering for mere ensartet tryk, skærpede renhedsrutiner, bedre håndtering af bipolare plader og yderligere forsøg for at fastlægge den optimale klemkraft og dokumentere effekten af nye pakninger på tidlig fejlrate og degradering.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]