Geprüfte Brennstoffzellen-Komponenten als Wegbereiter für klimaneutrale Mobilität

Brennstoffzellen sind wichtig, um umwelt- und ressourcenschonend grünen Wasserstoff herzustellen. Ein bekannter deutscher Prüfmaschinenhersteller unterstützt die Industrie mit Lösungen zur Charakterisierung von Materialien und Komponenten.

Wasserstoff – Schlüsselelement in der Mobilitätswende

Das Ziel der Europäischen Union (EU) ist klar: Im Rahmen des European Green Deal, als Basis der Klima- und Umweltpolitik, plant die EU den Ausstoß von Treibhausgasen bereits bis 2030 um 55 Prozent zu senken, bis 2050 klimaneutral zu werden und will gleichzeitig dadurch das Wirtschaftswachstum fördern. Erreicht werden soll dies, indem die von der EU emittierten Treibhausgase durch Maßnahmen wie der intensiven Nutzung erneuerbarer Energien, der Verbesserung der Energieeffizienz, aber auch durch Aufforstung, reduziert beziehungsweise ausgeglichen werden. Grundvoraussetzung dafür sind die Förderung sauberer Energien und die Steigerung ihrer Energieeffizienz. Wasserstoff gilt als Schlüsselelement in der Mobilitätswende. Er bietet viele Vorteile, insbesondere im öffentlichen Personennahverkehr und beim Schwerlasttransport. Um dem Bereich Elektromobilität den benötigten Schub zu geben, investiert laut des Verbands der Automobilindustrie (VDA) die Branche allein in Deutschland bis 2025 rund 150 Milliarden Euro in das Thema und verpflichtet sich damit dem Pariser Klimaabkommen. Geld aus diesem Topf fließt auch in das Thema Forschung, um Werkstoffe und Materialien für Komponenten in Brennstoffzellen zu optimieren.

Denn: „Die Werkstoffauswahl spielt eine entscheidende Rolle, um den im Vergleich zum reinen Batteriespeicher deutlich niedrigeren Wirkungsgrad zu verbessern. Unsere Prüflösungen zur mechanischen Charakterisierung helfen, die Wirkungsgrade einzelner Komponenten und dadurch des Gesamtsystems zu verbessern. Wir entwickeln dazu mit unseren Kunden und Partnern aus der Wasserstoffindustrie und -forschung neue Technologien“, sagt Aleksander Koprivc, Business Development Manager Brennstoffzellen und Elektrolyseure beim Prüfmaschinenhersteller ZwickRoell – das Ulmer Unternehmen entwickelt und produziert Lösungen und Maschinen für die Material- und Werkstoffprüfung.

Umweltfreundliche und effiziente Art der Energieumwandlung

In der Wasserstoffwertschöpfungskette werden Elektrolyseure für die Wasserstoffgewinnung und Brennstoffzellen für die Wasserstoffnutzung eingesetzt. Durch die elektrochemische Spaltung von Wasser produzieren Elektrolyseure den Energieträger Wasserstoffgas, der in der Folge unter hohem Druck oder verflüssigt gespeichert werden kann. Wird dieser Prozess mit erneuerbaren Energien betrieben, dann dient dieser Wasserstoff als sauberer Treibstoff von Brennstoffzellenfahrzeugen, die im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren beitragen, den CO₂-Ausstoß zu reduzieren. Somit ermöglichen Elektrolyseure die Herstellung von Wasserstoff ohne die Freisetzung von Treibhausgasen.

Brennstoffzellen hingegen wandeln Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff in elektrische Energie um. Da neben Wärme das Wasser das einzige Nebenprodukt ist, sind Brennstoffzellen eine sehr umweltfreundliche und effiziente Art der Energieerzeugung. Als Komplettanbieter bietet ZwickRoell umfassende Prüflösungen für die mechanische Charakterisierung von Komponenten und Materialien von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen.

Kostenreduzierung – eine wesentliche Herausforderung im Entwicklungsprozess

Die Prüfung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren beinhaltet einige Herausforderungen, die die Entwicklung und Implementierung dieser Technologien beeinflussen. Materialien, die in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren verwendet werden, müssen langlebig und korrosionsbeständig sein. Insbesondere bei Elektrolyseuren, die Wasserstoff erzeugen, kann die aggressive Umgebung in der Zelle die Lebensdauer der Elektroden und anderer Komponenten beeinträchtigen.

Zur Herstellung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren werden oft teure Materialien wie Platin für Katalysatoren benötigt. Daher stellt die Kostenreduzierung eine wesentliche Herausforderung dar, um diese Technologien wettbewerbsfähig zu machen. Koprivc: „Katalysatoren aus Edelmetallen sind aktuell wichtig in der Herstellung von Elektrolyseuren und wir unterstützen unsere Kunden und Partner bei der Entwicklung kostengünstiger Alternativen. Wir arbeiten dabei eng mit Kunden zusammen, um neue Ansätze und Lösungen prüftechnisch abzusichern.“

Expertise aus der Mitarbeit im Wasserstoff-Cluster nutzen

Hersteller von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen stehen vor vielfältigen Herausforderungen, um etwa der Komplexität der notwendigen chemischen, elektrischen aber auch mechanischen Prüfungen gerecht zu werden. Dabei sind die Themen Messgenauigkeit, Sicherheit, Standardisierung, Kosteneffizienz oder die Zukunftsfähigkeit von Lösungen zu betrachten, und dafür bietet ZwickRoell ein umfangreiches Maschinenportfolio.

„Im Fokus steht die Gesamtheit des Elektrolyseurs oder der Brennstoffzelle. Also Werkstoffe, Komponenten und Stack“, erklärt Koprivc. Die Kernkomponenten wie Polymer-Elektrolyt-Membranen, Katalysatorbeschichtungen, Gasdiffusionslagen, Bipolarplatten sowie Dichtungssysteme kommen auf den Prüfstand, um etwa Alterung, Abnutzung oder Verformung von Membranen unter realitätsnahen Umgebungsbedingungen in unterschiedlichen Tests zu charakterisieren. Die Notwendigkeit einer absolut verlässlichen Qualitätskontrolle ist beim Thema Wasserstoff unabdingbar. Der Ulmer Spezialist unterstützt seine Kunden bei Prüfungen mit Know-how und lässt dabei auch die Expertise aus der Kooperation mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg oder der Mitarbeit im Wasserstoff Cluster Sachsen HZwo e. V. beratend einfließen, in dem sich mehr als 100 Unternehmen und Forschungseinrichtungen entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette organisieren.

Mechanische Materialkennwerte in einem Prüfdurchgang bestimmen

Als neue und effiziente Entwicklung zur Prüfung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren sowie Charakterisierung ihrer Materialien und Komponenten bietet ZwickRoell jetzt den Multifunctional Cell Component Analyzer (kurz MCCA an), mit dem sich verschiedene mechanische Materialkennwerte in einem Prüfdurchgang bestimmen lassen. Das System ermöglicht es, die Komponenten – zum Beispiel die Gasdiffusionslage – realitätsnah flächig präzise zu verpressen und dabei die Verformungseigenschaften, elektrische Leitfähigkeit sowie die Gaspermeabilität auch bei variablen Drücken und Temperaturen hochgenau zu bestimmen.

Dank des frei konfigurierbaren Prüfablaufs lassen sich im Rahmen eines Versuches alle Parameter gleichzeitig und in Abhängigkeit zueinander ermitteln. Die Vorteile: Neben der Zeitersparnis erhöht sich auch die Sicherheit und die Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse, da Falschmessungen durch standardisierte Prüfabläufe und reproduzierbare Prüfbedingungen ausgeschlossen werden können. Der MCCA basiert auf einer „AllroundLine“-Prüfmaschine (Fmax = 20 Kilo-Newton). Die Einrichtung, Prüfdurchführung sowie die Auswertung aller Messgrößen der integrierten Sensorik – wie etwa Kraft, Verformung, Gasdruck, Spannung, Stromstärke und Druckdifferenz – laufen über die Prüfsoftware „testXpert III“ ab.

Vollständige Transparenz ist sichergestellt

Dank des einzigartigen „3-in-1-Systems“ lassen sich die Anschaffungs- und Prüfkosten deutlich reduzieren. Koprivc: „Der modulare Aufbau bietet Planungssicherheit für die Zukunft. Zusätzlich schafft das System eine uneingeschränkte Transparenz und eine lückenlose Nachvollziehbarkeit der hochgenauen und jederzeit wiederholbaren Prüfergebnisse.“

Das könnte Sie auch interessieren:

Zuverlässig inspizierte Turbolader dank Bildverarbeitung

Perfekte Steckverbinder dank Inline-Prozessüberwachung beim Stanzen

Forschung und Industrie fokussieren gemeinsam die nachhaltige Produktion