„multiPEM“: Konsortium erforscht Lebensdauer von Nfz-Brennstoffzellen

Ein Konsortium rund um das Fraunhofer LBF entwickelt im Rahmen eines Forschungsprojekts derzeit Analyse-, Bewertungs- und Testverfahren, die eine kosten- und zeiteffiziente sowie sichere Gestaltung von Brennstoffzellen-Stacks für Nutzfahrzeuge zulassen – vor allen in Hinblick auf die Zuverlässigkeit.

Für Brennstoffzellen-Nutzfahrzeuge gelten im Gegensatz zu Pkw deutlich höhere Anforderungen an die Betriebsdauer und damit an die Zuverlässigkeit, wie das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) mitteilt. Mit dem gerade gestarteten Forschungsprojekt „Bewertung und Gestaltung der Systemzuverlässigkeit von Brennstoffzellen-Stapeln bei multiphysikalisch-chemischer Beanspruchung in Nutzfahrzeugen – multiPEM“ wird ein Konsortium unter Leitung des Fraunhofer LBF für diese komplexen Sicherheitsanforderungen Testverfahren entwickeln, um die BZ-Stapel zu bewerten.

Mit diesen Verfahren will das Konsortium die Entwicklung Nutzfahrzeug-tauglicher Stacks beschleunigen und so „eine schnelle, nachhaltig Überführung in die breite Anwendung unterstützen“. Schließlich wird erwartet, dass sich der globale Brennstoffzellenmarkt mit Fokus auf stationäre Anwendungen und Nutzfahrzeuge innerhalb weniger Jahre zu einem Milliardengeschäft entwickelt.

Als „vielversprechenden Lösungsansatz“ im vergleich zum Batterie-elektrischen Lkw („auf Grund der heute und zukünftig verfügbaren, nicht ausreichenden Energiedichten von Batteriezellen“) sieht das Fraunhofer LBF den Einsatz von Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (NT-PEM-BZ) in Nutzfahrzeugen. „Der mobile Einsatz dieser BZ-Stapel in Nfz geht mit hochkomplexen, 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-basierte Antriebe bei Nfz überwiegend nur als Prototypen vorhanden sind“, heißt es in der Mitteilung.

Daher sollen in „multiPEM“ erstmals die Auswirkungen der gleichzeitig überlagerten multiphysikalisch-chemischen Beanspruchungen von BZ im Nfz-Betrieb auf Stapel-Ebene betrachtet und in für die Anwendung relevante Methoden transferiert werden. Als zentrale Herausforderungen werden die der Identifikation und Bewertung der kritischen Fehlermoden, die Entwicklung von beschleunigten und realitätsnahen Testabläufen sowie die Entwicklung schneller und kosteneffizienter Untersuchungsroutinen zur zerstörenden und zerstörungsfreien Charakterisierung genannt – denn die Untersuchung auf Stapel-Ebene unterscheidet sich „wesentlich“ von der Untersuchung auf Einzelzell- oder Materialebene, so das Fraunhofer-Institut. Der Grund ist, da hier der Einfluss der Stapel-Bauweise und der Stapel-Belastung im Vordergrund stehen.

Die Ergebnisse der Darmstädter Forschenden sollen dazu beitragen, die Wertschöpfung in Deutschland und in Europa im Technologiefeld von Wasserstoff und Brennstoffzellen aufzubauen und zu stärken. Denn von den Erkenntnissen können sowohl Hersteller und Entwickler von Brennstoffzellen, Brennstoffzellmodulen und Brennstoffzellsystemen, als auch Entwickler und Systemausrüster für Testständen profitieren.
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