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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“, sagt Aleksander Koprivc, Business Development Manager Brennstoffzellen und Elektrolyseure beim Prüfmaschinenhersteller Zwickroell. „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.“
Materialien müssen langlebig und korrosionsbeständig sein
In der Wertschöpfungskette werden Elektrolyseure für die Wasserstoffgewinnung und Brennstoffzellen für die Wasserstoffnutzung eingesetzt. Doch deren Prüfung beinhaltet einige Herausforderungen, welche 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. „Katalysatoren aus Edelmetallen sind aktuell wichtig in der Herstellung von Elektrolyseuren und wir unterstützen unsere Kunden und Partner bei der Entwicklung kostengünstiger Alternativen“, so Koprivc. „Wir arbeiten dabei eng mit Kunden zusammen, um neue Ansätze und Lösungen prüftechnisch abzusichern.“
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. Zwickroell 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 beratend einfließen, in dem sich mehr als 100 Unternehmen und Forschungseinrichtungen entlang der gesamten Wasserstoffwertschöpfungskette organisieren.
Verschiedene Materialkennwerte in einem Prüfdurchgang
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 (MCCA) an, mit dem sich verschiedene mechanische Materialkennwerte in einem Prüfdurchgang bestimmen lassen. Das System ermöglicht es, die Komponenten wie 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 kN). Die Einrichtung, Prüfdurchführung sowie die Auswertung aller Messgrößen der integrierten Sensorik wie etwa Kraft, Verformung, Gasdruck, Spannung, Stromstärke und Druckdifferenz erfolgen über die Prüfsoftware Testxpert III. Dank des einzigartigen 3-in-1-Systems lassen sich die Anschaffungs- und Prüfkosten deutlich reduzieren. „Der modulare Aufbau bietet Planungssicherheit für die Zukunft“, so Koprivc. „Zusätzlich schafft das System eine uneingeschränkte Transparenz und eine lückenlose Nachvollziehbarkeit der hochgenauen und jederzeit wiederholbaren Prüfergebnisse.“
