CyPhyFuelCell - Zuverlässigkeitsbewertung von Wasserstoff-Brennstoffzellen in der Elektromobilität

Für eine schnelle und nachhaltig erfolgreiche Überführung in die breite Anwendung spielt die zuverlässige und effiziente Gestaltung von Wasserstoff-Brennstoffzellsystemen eine wichtige Rolle. Daher ist es wichtig die Werkstoffe, Komponenten sowie das System frühzeitig möglichst entwicklungsbegleitend und betriebsnah, kosteneffizient und flexibel zu validieren, ohne dass das Gesamtsystem (z. B. Automobil) fertiggestellt oder vorhanden sein muss. Cyber-physikalische Test- und Validierungsmethoden, sowohl im Rahmen der Entwicklung als auch der finalen Absicherung, sind hierfür die Lösung.

Cyber-physikalische Validationsszenarien für Brennstoffzellsysteme

Für den Wandel hin zu einer emissionsfreien und klimaneutralen Mobilität stellt die elektrochemische Energiebereitstellung mit Wasserstoff-Brennstoffzellen eine wichtige Systemlösungen für Nutzfahrzeuge dar. Gleichzeitig bedeutet aber der stark instationäre Einsatz von Brennstoffzellen in diesen Verkehrsträgern auf Grund der dort herrschenden multiphysikalischen (mechanische Vibrationen, thermisch und elektrisch) und chemischen Beanspruchungen besondere Herausforderungen an die zuverlässige Gestaltung.

Mittels cyber-physikalischer Validationsszenarien können Brennstoffzellsysteme und deren Komponenten über eine geschickte Kombination von experimentellen Testumgebungen, modellbasierte Simulationen und moderner Informationstechnik mit betriebsnahen Beanspruchungen kosteneffizient und flexibel analysiert werden. So können perspektivisch mit der aktuell in Darmstadt entstehenden Forschungsinfrastruktur Brennstoffzellenstapel betriebsnah getestet werden, in dem z. B. mittels Brennstoffzellenstapel-Tester und Schwingtisch die elektrischen Leistungen und mechanischen Vibrationen aus einer Fahrzeugsimulation direkt auf den mit Wasserstoff versorgten Brennstoffzellenstapel aufgeprägt werden.

Push für Wasserstoff-Technologieentwicklung

Eine in dieser Form realitätsnahe, durch den Einsatz modellbasierter Ansätze auch hocheffizienten Erprobung ist eine essenzielle Voraussetzung für technologieorientierte Unternehmen, Brennstoffzellenkomponenten und -systeme optimal zu gestalten, Wettbewerbsvorteile in einem großen Zukunftsmarkt zu erreichen oder neu zu erschließen. Geschickt angewendet, führen sie zu erheblichen Beschleunigungen der Technologieentwicklung sowie Kosteneinsparungen, die in der stark kompetitiven Zukunftsmobilität von erfolgskritischer Bedeutung sind.

Zur cyber-physikalischen Validierung von Brennstoffzellsystem erweitert das Fraunhofer LBF gerade seine Forschungsinfrastruktur um eine Wasserstoffinfrastruktur zur Versorgung von Brennstoffzellstapel bis 200 kW elektrisch, Schwingerreger in Kombination mit Klimakammern für Vibrationsuntersuchungen unter Umwelteinflüssen sowie Analyseumgebungen für metallische und polymere wasserstoffbeaufschlagte Werkstoff- und Komponenten.