Mechanische Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen für Nutzfahrzeuge

Multiphysikalische Belastungen verstehen, bewerten und für robuste Brennstoffzellensysteme beherrschbar machen.

Brennstoffzellensysteme für Nutzfahrzeuge müssen unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen über viele tausend Betriebsstunden zuverlässig funktionieren. Mechanische Schwingungen, Temperaturwechsel und elektrische Lastwechsel wirken gleichzeitig auf den Brennstoffzellenstapel und beeinflussen dessen Leistung, Lebensdauer und Betriebssicherheit.

Im Projekt MultiPEM haben wir Methoden entwickelt, mit denen wir diese multiphysikalischen Belastungen realitätsnah untersuchen und bewerten können. Die Kombination aus experimentellen Untersuchungen, Simulation und digitalem Zwilling ermöglicht es, kritische Belastungen frühzeitig zu erkennen und Brennstoffzellensysteme gezielt für den späteren Einsatz auszulegen.

Ergebnisse

Leistungen und Nutzen

Zusammenarbeit

Multiphysikalische Belastungen realitätsnah analysieren und bewerten

Für den Einsatz von Brennstoffzellen in schweren Nutzfahrzeugen reichen etablierte Entwicklungsansätze aus dem Pkw-Bereich häufig nicht aus. Die geforderte Lebensdauer ist deutlich höher, gleichzeitig wirken im Fahrbetrieb komplexe mechanische, thermische und elektrische Belastungen auf den Brennstoffzellenstapel.

Diese überlagerten Lasten führen zu Schädigungsmechanismen, deren Auswirkungen auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer nur schwer vorherzusagen sind. Ohne geeignete Bewertungs- und Prüfmethoden werden kritische Schwachstellen häufig erst in späten Entwicklungsphasen oder sogar während des Feldeinsatzes sichtbar.

Lösungsansatz: Durchgängige Bewertungsstrategie

Im Projekt wurden Simulation, digitale Zwillinge und experimentelle Prüfverfahren zu einer durchgängigen Bewertungsstrategie kombiniert.

Dazu gehören unter anderem:

strukturmechanische Modelle zur Simulation lokaler Beanspruchungen im Brennstoffzellenstapel,
digitale Zwillinge zur Abbildung des dynamischen Schwingungsverhaltens,
realitätsnahe und beschleunigte Prüfverfahren,
zerstörungsfreie Diagnostik, beispielsweise mittels Computertomographie,
die systematische Analyse multiphysikalischer Lastkollektive vom Material über die Zelle und den Stack bis zum Gesamtsystem.

Die Verknüpfung dieser Methoden ermöglicht eine realitätsnahe Bewertung des Systemverhaltens bereits während der Entwicklung und schafft belastbare Grundlagen für die Auslegung zukünftiger Brennstoffzellensysteme.

Brennstoffzellenauslegung, simulation, digitaler zwilling, diagnostik

Ergebnisse: Schädigungsmechanismen identifizieren

Die entwickelten Methoden ermöglichen erstmals, Zusammenhänge zwischen Betriebsbelastungen und Schädigungsmechanismen systematisch zu analysieren.

Brennstoffzellen-Verformung unter Belastungen, Versuch, Simulation — Verschiebung nach 21 h in z-Richtung, visuell erkennbar, genaue untersuchung mittels CT-Scan

Die Methoden ermöglichen:

die Identifikation kritischer Belastungspfade und mechanischer Schädigungsmechanismen,
die Lokalisierung von Spannungs-Hotspots innerhalb des Brennstoffzellenstapels,
die Nachverfolgung von Belastungs- und Degradationsprozessen unter realitätsnahen Betriebsbedingungen,
belastbare Aussagen zu Lebensdauer, Stabilität und Zuverlässigkeit,
die Entwicklung von Bewertungs- und Auslegungsmethoden für robuste Brennstoffzellensysteme.

Durch die Kombination aus Simulation, digitalem Zwilling und experimenteller Validierung lassen sich Entwicklungsentscheidungen fundierter treffen und potenzielle Schwachstellen bereits frühzeitig erkennen.

Entwicklung beschleunigen und absichern

Unternehmen profitieren von einer fundierten Bewertung der Zuverlässigkeit bereits während der Entwicklung. Dadurch lassen sich Entwicklungsentscheidungen absichern und Validierungsaufwände gezielt reduzieren.

Damit unterstützen wir Unternehmen

Kritische Belastungen bereits in frühen Entwicklungsphasen identifizieren
Material-, Komponenten- und Designvarianten objektiv vergleichen
Prüf- und Validierungsaufwände reduzieren
Lebensdauer und Betriebssicherheit fundiert bewerten
Entwicklungsentscheidungen durch Simulation und Versuch absichern

Von der Entwicklung bis zur Schadensanalyse - unsere Leistungen 👉

Methoden einsetzen

Die im Projekt entwickelten Methoden unterstützen Unternehmen entlang des gesamten Entwicklungsprozesses von Brennstoffzellensystemen.

Sie eignen sich insbesondere für:

die Auslegung und Optimierung von Brennstoffzellenstapeln,
die Analyse mechanischer und multiphysikalischer Belastungen unter realitätsnahen Betriebsbedingungen,
Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsbewertungen,
den Vergleich neuer Materialien, Komponenten und Stack-Designs,
Schadensanalysen und Ursachenbewertungen,
die Entwicklung und Validierung beschleunigter Prüfverfahren,
den Aufbau und die Validierung digitaler Zwillinge.

Gemeinsam Brennstoffzellensysteme robuster entwickeln

Die im Projekt aufgebauten Methoden und Kompetenzen stehen Unternehmen auch nach Projektabschluss zur Verfügung. Gemeinsam mit unseren Industriepartnern entwickeln wir maßgeschneiderte Prüf- und Bewertungsstrategien, analysieren Schädigungsmechanismen und unterstützen die robuste Auslegung von Brennstoffzellensystemen – von der Material- und Komponentenebene bis zum Gesamtsystem.

Wir unterstützen Sie mit simulationsgestützten und experimentellen Methoden entlang des gesamten Entwicklungsprozesses.