Brennstoffzelle wird zur Schlüsseltechnologie

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Ein Kuratorium unter der Leitung des Darmstädter Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und System­zuverlässigkeit (LBF) untersucht derzeit in dem Forschungsprojekt „Bewertung und Gestaltung der Systemzuverlässigkeit von Brennstoffzellen-Stapeln bei multiphysikalisch-chemischer Beanspruchung in Nutzfahrzeugen – multiPEM“, ob sich Analyse-, Test- und Bewertungsverfahren entwickeln lassen, die eine zeit- und kosteneffiziente sowie sichere Gestaltung von Brennstoffzellen-Stapeln für Nutzfahrzeuge (NFz) zulassen.

Denn nach Ansicht der Forschenden haben elektrifizierte Antriebe und Brennstoffzellen als Energielieferant für Nutzfahrzeuge einen stetig wachenden Markt und stabile Wachstumsprognosen. Experten schätzten den globalen Brennstoffzellen-Markt für das Jahr 2028 auf stolze 21,7 Mrd. USD. Vor diesem Hintergrund erarbeiten die Darmstädter Forschenden im Projekt „multiPEM“ Angebote und Methoden zu Analyse-, Bewertungs- und Testverfahren. Diese sollen einerseits eine kosten- und zeiteffiziente Entwicklung von Brennstoffzellen-Stapeln für Nutzfahrzeuge im Blick haben und auf der anderen Seite eine nachhaltige, schnelle Überführung der innovativen Technologie in die breite Anwendung unterstützen. Bei dieser Betrachtung steht die Bewertung der Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen im Nutzfahrzeugeinsatz im Vordergrund.

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Mmultiphysikalisch-chemische Beanspruchungen von Brennstoffzellen

Aktuell stellen rein batterieelektrische Energiespeichertechnologien aufgrund der nicht ausreichenden Energiedichte als Antriebskonzept für schwere Nutzfahrzeuge nicht die erste Wahl dar. Kosten, Ladezeit und Masse stehen dem entgegen. Anders stellt sich die Situation bei der Bereitstellung der elektrischen Energie durch Brennstoffzellen dar. Diese Technologie betrachten die Forschenden des Fraunhofer LBF als vielversprechenden Lösungsansatz. Konkret werden dafür Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (NT-PEM-BZ)in einem Stapel zusammengefasst. Allerdings führt der Einsatz dieser Brennstoffzellen-Stapel in Nutzfahrzeugen zu multiphysikalischen (mechanisch, thermisch und elektrisch)und hochkomplexen Beanspruchungen. Fatal ist, dass über die Systemzuverlässigkeit dieser Brennstoffzellen-Stapel ebenso wie über die überlagerten Einflüsse dieser multiphysikalischen Beanspruchungen bislang nur sehr wenig bekannt ist. Mit Brennstoffzellen angetriebene Nutzfahrzeuge sind heute quasi nur als Prototyp vorhanden.

Dies soll sich mit dem „multiPAM“-Projekt ändern. Erstmals werden die Auswirkung der überlagerten multiphysikalisch-chemischen Beanspruchungen von Brennstoffzellen auf Stapel-Ebene im realen Nutzfahrzeug-Betrieb betrachtet und anschließend in für die Anwendung relevante Methoden transferiert. Dabei sehenden die Forschenden als zentrale Herausforderungen die Entwicklung von beschleunigten und realitätsnahen Testabläufen, die Identifikation und Bewertung der kritischen Fehlermoden und die Schaffung ebenso kosteneffizienter wie schneller Untersuchungsroutinen zur zerstörungsfreien und zerstörenden Charakterisierung.

Da hier die Stapel-Belastung sowie der Einfluss der Stapel-Bauweise im Vordergrund der Betrachtung stehen, entscheidet sich die Untersuchung auf Stapel-Ebene beträchtlich von Untersuchungen auf Material- oder Einzelzellebene. Oder – anders formuliert: Die neue Herausforderung besteht darin, aus einer sehr kleinen Anzahl an Brennstoffzellen-Stapel oder sogar aus nur einem spezifischen Typ die erforderlichen Informationen zu erheben.

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Wertschöpfung im Technologiefeld Brennstoffzellen aufbauen

Innerhalb des Projekts „multiPEM“ entwickeln die Projektbeteiligten also Analyse-, Bewertungs- und Testverfahren, die zur Beherrschung des komplexen Beanspruchungszustands von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen in Nutzfahrzeugen beitragen und so deren Zuverlässigkeit und Sicherheit verbessern.

Dabei werden folgende Schwerpunkte verfolgt:

• Entwicklung von Testbedingungen und Testabläufen, welche die Schadstoff- und Schwingungseinflüsse näher untersuchen
• Die Schaffung von Methoden zur zerstörungsfreien Zustandsbewertung mittels Magnetfeldsensorik und Hochenergie Computer-Tomographie
• Methodische Bewertung der Systemzuverlässigkeit und Mikrostrukturanalytik

Von diesen Ergebnissen werden nach Ansicht der Forschenden alle Partner, die im Bereich Nutzfahrzeuge an der Brennstoffzellen-Wertschöpfungskette beteiligt sind, profitieren. Dies sind beispielsweise Entwickler und Hersteller von Brennstoffzellen /Brennstoffzellenmodulen, Brennstoffzellensysteme) ebenso, wie Systemausrüster oder Entwickler von Testständen. Ziel muss dabei sein, Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen für elektrische Antriebslösungen in Nutzfahrzeugen auf Basis der Brennstoffzelle zu generieren. Somit helfen die Ergebnisse des Projekts „multiPEM“ dabei, in Deutschland wie auch in Europa die Wertschöpfung im Technologiefeld von Wasserstoff und Brennstoffzellen aufzubauen und zu stärken.