Fraunhofer-Forschende bewerten in multiPEM die Systemzuverlässigkeit von Brennstoffzellen-Stapeln unter multiphysikalisch-chemischer Beanspruchung in Nutzfahrzeugen. (Bild: Fraunhofer LBF)
Nutzfahrzeuge (Nfz) mit elektrifiziertem Antrieb und Brennstoffzellen (BZ) zur Energiebereitstellung sind eine Schlüsseltechnologie für den CO2-neutralen Transport der Zukunft und stellen einen großen Markt mit starkem Wachstum dar. Die Größe des globalen Brennstoffzellen-Markts wurde im Jahr 2020 auf 21,7 Mrd. USD für das Jahr 2028 geschätzt.
Dabei gelten im Gegensatz zu Pkw deutlich höhere Anforderungen an die Betriebsdauer und damit an die Zuverlässigkeit. Im gerade gestarteten Forschungsprojekt »Bewertung und Gestaltung der Systemzuverlässigkeit von Brennstoffzellen-Stapeln bei multiphysikalisch-chemischer Beanspruchung in Nutzfahrzeugen – multiPEM« entwickelt ein Konsortium unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt Analyse-, Bewertungs- und Testverfahren für diese komplexen Sicherheitsanforderungen.
Multiphysikalisch-chemische Beanspruchungen im Fokus
Aufgrund der nicht ausreichenden Energiedichten von Batteriezellen stellen rein batterieelektrische Antriebskonzepte für schwere Nfz keine optimale Lösung hinsichtlich Masse, Kosten und Ladezeit dar. Im Gegensatz dazu bietet die Bereitstellung von elektrischer Energie mit Wasserstoff-Brennstoffzellen einen vielversprechenden Lösungsansatz. Dazu sind sogenannte Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (NT-PEM-BZ) in einem Stapel zusammengefasst. Der mobile Einsatz dieser BZ-Stapel in Nfz geht mit komplexen, multiphysikalischen (mechanisch, thermisch und elektrisch) sowie chemischen Beanspruchungen einher. Über die überlagerten Einflüsse dieser Beanspruchungen auf die Sicherheit und die Systemzuverlässigkeit des BZ-Stapels ist bisher wenig bekannt, da Brennstoffzellen-basierende Antriebe bei Nfz überwiegend nur als Prototypen vorhanden sind.
MultiPEM betrachtet erstmals die Auswirkungen der gleichzeitig überlagerten multiphysikalisch-chemischen Beanspruchungen auf Stapel-Ebene und transferiert sie in für die Anwendung relevante Methoden. Zentrale Aufgaben sind die Identifikation und Bewertung der kritischen Fehlermoden, die Entwicklung beschleunigter und realitätsnaher Testabläufe sowie die Entwicklung schneller und kosteneffizienter Untersuchungsroutinen zur zerstörenden und zerstörungsfreien Charakterisierung. Im Gegensatz zur Untersuchung auf Einzelzell- oder Materialebene steht bei der Untersuchung auf Stapel-Ebene der Einfluss der Stapel-Bauweise und der Stapel-Belastung im Vordergrund. Die Herausforderung besteht darin, die benötigten Informationen an einer sehr kleinen Zahl von BZ-Stapeln oder sogar nur einen spezifischen Typ zu erheben.
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Schwerpunkte im multiPEM-Projekt
- Entwicklung von Testabläufen und Testbedingungen zur Untersuchung von Schwingungs- und Schadstoffeinflüssen
- Entwicklung von Methoden zur zerstörungsfreien Zustandsbewertung mithilfe von Hochenergie-Computer-Tomographie und Magnetfeldsensorik
- Mikrostrukturanalytik und methodische Systemzuverlässigkeitsbewertung
Alle Teile der Brennstoffzellen-Wertschöpfungskette im Kontext Nutzfahrzeug können von den Ergebnissen profitieren: Hersteller und Entwickler von Brennstoffzellen, Brennstoffzellmodulen und Brennstoffzellsystemen, ebenso Entwickler und Systemausrüster für Teststände. Ziel ist, herstellerunabhängig Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen für BZ-elektrische Antriebslösungen in Nutzfahrzeugen zu generieren. Die Ergebnisse sollen dabei helfen, die Wertschöpfung in Deutschland und in Europa im Technologiefeld von Wasserstoff und Brennstoffzellen aufzubauen und zu stärken.