21. Juli 2023 | Für Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb gelten im Vergleich zu Pkw deutlich höhere Anforderungen an Betriebsdauer und Zuverlässigkeit. Das kürzlich gestartete Forschungsprojekt „Bewertung und Gestaltung der Systemzuverlässigkeit von Brennstoffzellen-Stacks bei multiphysikalischchemischer Beanspruchung in Nutzfahrzeugen – multiPEM“ knüpft hier an: Unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt will ein Konsortium Analyse- und Testverfahren entwickeln, die die Entwicklung von Brennstoffzellen-Stacks optimieren.
Im Projekt „multiPEM“ will das Fraunhofer LBF Analyse-, Bewertungs- und Testverfahren erarbeiten, die eine zeit- und kosteneffiziente Entwicklung von BZ-Stacks für Fahrzeuge ermglichen. Zudem sollen die Verfahren eine schnelle Überführung in die Anwendung unterstützen. Im Vordergrund stehe die Zuverlässigkeitsbewertung der Brennstoffzellen-Stacks.
Das Projekt betrachte erstmals die Auswirkungen der überlagerten Beanspruchungen einer Brennstoffzelle im Betrieb, also physikalisch (mechanisch, thermisch und elektrisch) wie chemisch. Von der Stack-Ebene wollen die Forschenden ihre Erkenntnisse auf Methoden transferieren, die für die Zuverlässigkeitsbewerung relevant sind.
Zentrale Herausforderungen seien dabei die Identifikation und Bewertung kritischer Fehlermoden, die Entwicklung beschleunigter und realitätsnaher Testabläufe sowie die Entwicklung schneller und kosteneffizienter Untersuchungsroutinen zur zerstörenden und zerstörungsfreien Charakterisierung.
Untersuchung auf Stack-Ebene
Die Untersuchung auf Stack-Ebene unterscheidet sich von der Untersuchung auf Einzelzell- oder Materialebene: Bei der Betrachtung des Stacks steht der Einfluss seiner Bauweise und Belastung im Vordergrund. Eine Herausforderung für das Projekt sei, die benötigten Informationen an einer sehr kleinen Zahl von Stacks oder sogar nur an einem spezifischen Typ zu erheben.
Zusammengefasst sind die Schwerpunkte des Projekts:
- Entwicklung von Testabläufen und Testbedingungen zur Untersuchung von Schwingungs- und Schadstoffeinflüssen
- Entwicklung von Methoden zur zerstörungsfreien Zustandsbewertung mittels Hochenergie Computer-Tomographie und Magnetfeldsensorik
- Mikrostrukturanalytik und methodische Systemzuverlässigkeitsbewertung
Erkenntnisse für die gesamte Wertschöpfungskette
Ein Vorteil von Brennstoffzellen gegenüber Batterien ist die höhere Energiedichte, welche sie insbesondere für den Schwerlastverkehr interessant macht. In einem Stack sind mehrere Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (NT-PEM-BZ) zusammengefasst.
Der mobile Einsatz dieser BZ-Stacks geht mit physikalischen und chemischen Beanspruchungen einher. Über die überlagerten Einflüsse dieser Beanspruchungen auf die Sicherheit und Systemzuverlässigkeit des BZ-Stacks ist laut Fraunhofer LBF bisher wenig bekannt. Der Grund: Brennstoffzellen-basierte Antriebe sind bei Nutzfahrzeugen überwiegend als Prototypen vorhanden.
Alle Teile der Brennstoffzellen-Wertschöpfungskette sollen daher von den Forschungsergebnissen profitieren: Brennstoffzellen-Hersteller und Entwickler ebenso wie entsprechende Systemausrüster für Teststände. Nicht zuletzt sollen die Ergebnisse die Wertschöpfung in Deutschland und Europa im Technologiefeld Wasserstoff und Brennstoffzellen aufbauen und stärken: Dem Markt für Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge wird ein starkes Wachstum prognostiziert. Laut Fraunhofer LBF belief sich die Schätzung im Jahr 2020 auf 21,7 Mrd. US-Dollar für das Jahr 2028.
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