Das Brennstoffzellen Testzentrum des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm hat sich seit seiner Einrichtung im Jahr 2001 als eines der führenden Brennstoffzellen-Testzentren weltweit etabliert.
Um auf die zukünftigen Marktentwicklungen vorbereitet zu sein, hat das ZSW sein Brennstoffzellen-Testfeld kontinuierlich ausgebaut. Heute betreibt das Institut mit rund 50 vollautomatischen Prüfständen bis 250 Kilowatt eines der weltweit größten unabhängigen Testfelder für Brennstoffzellenstacks (fuel cell stack testing) von wenigen Watt bis 250 kW elektrischer Leistung
Zunächst einmal ganz allgemein:
Was Sie brauchen, um zuverlässige, robuste und qualitativ hochwertige Testergebnisse zu erhalten
Wo das ZSW diese Aktivitäten unterstützen kann:
Mit der weltweit laufenden Markteinführung von Brennstoffzellen-Systemen für Mobilität oder für stationäre Anwendungen steigt der Bedarf an Tests und Charakterisierungen. Und damit steigt auch die Nachfrage nach unabhängigen Testeinrichtungen.
Prüfstand Brennstoffzelle: Das ZSW verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung und dem Bau von Brennstoffzellen-Prüfständen für Standard- und Sonderanwendungen. Seit 25 Jahren werden die Prüfstände mit einer eigenen, bewährten und bedienerfreundlichen Steuerungssoftware mit integrierter Datenerfassung gesteuert.
Ein Brennstoffzellen Prüfstand am ZSW ermöglicht kostengünstige Dauertests rund um die Uhr, wobei verschiedene KI-Methoden zur Auswertung der Messdaten zum Einsatz kommen.
Durch die umfangreichen Testverfahren und die verschiedenen Prüfstände am ZSW können Unternehmen und Forschungseinrichtungen auf ein breites Dienstleistungsangebot zurückgreifen, um ihre Brennstoffzellenanwendungen zu optimieren und deren Leistungsfähigkeit zu steigern.
Eine gefragte Testeinrichtung für Brennstoffzellen bietet das ZSW für die Automobilbranche. Im Fokus steht die Untersuchung der Brennstoffzellen im Straßenverkehr. Besonderes Augenmerk wird dabei auf des elektrische Verhalten der Brennstoffzelle unter dynamischen Belastungszuständen, wie sie im täglichen Fahrbetrieb auftreten, gelegt.
Darüber hinaus werden am ZSW Brennstoffzellenmodule mit Wasserstoff oder Wasserstoffgemischen im Leistungsbereich von 100 W bis 100 kWel auf ihre Eignung untersucht.
Fuel Cell Stack Testing (Prüfung von Brennstoffzellenstacks) spielt eine entscheidende Rolle bei der Qualitätssicherung und Leistungsoptimierung von Brennstoffzellen. Durch die Prüfung und Charakterisierung von Brennstoffzellenstacks können Hersteller und Forschungseinrichtungen die Zuverlässigkeit, Effizienz und Lebensdauer ihrer Produkte sicherstellen und weiter verbessern.
Umfassende Testverfahren und über 20 Jahre Testerfahrung ermöglichen uns die Identifikation von Schwachstellen und Verbesserungspotenzialen innerhalb des Brennstoffzellenstacks. Dies ist besonders wichtig, da Brennstoffzellen in unterschiedlichen Anwendungen wie Mobilität, zur stationären Energiespeicherung oder zur Notstromversorgung eingesetzt werden können. In all diesen Anwendungsbereichen sind hohe Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit entscheidende Faktoren für den Erfolg und die Akzeptanz der Technologie.
Durch ein unabhängiges und umfassendes Testangebot für die Brennstoffzellenerprobung bietet das ZSW wertvolle Dienstleistungen und Kooperationsmöglichkeiten für Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen.
Durch die Zusammenarbeit mit dem ZSW profitieren Sie von dem umfassenden Know-how des Teams auf dem Gebiet der Brennstoffzellentechnologie:
Das ZSW in Ulm bietet im Bereich Brennstoffzellen Testzentrum umfassende Leistungen. Der Fokus liegt auf der professionellen Dauerertestung von Brennstoffzellenstacks, -Systemen und -Systemkomponenten. Die Tests liefern Daten zur Bewertung von Alterung, Lebensdauer und Robustheit.
Die Testingenieure und Wissenschaftler des ZSW verfügen über jahrzehntelange Erfahrung auf dem Gebiet der Brennstoffzellenprüfung und haben bereits mehrere hundert Stacks getestet. Das Testdatenarchiv umfasst mittlerweile über 600.000 Betriebsstunden (Stand 12/2022). Die Auswertung erfolgt mittels umfangreicher Analytik und komplexer Methoden zur Fehleranalyse – auch KI-basiert.
Die Industrialisierung der Brennstoffzelle führte bereits 2020 zu einem Rekordjahr im Brennstoffzellen-Testfeld des ZSW mit über 100.000 Stunden Stack-Test und einem Wasserstoffumsatz von über 317.000 Kubikmetern, was knapp 27 Tonnen entspricht.
In den Testzentren des ZSW werden Brennstoffzellenstacks im Leistungsbereich von wenigen Watt bis 250 kWel getestet, darunter auch Full-Size-Automotive-Stacks und -Systeme & AutoStack-Industrie.
Am ZSW werden
professionell, zuverlässig und belastbar untersucht und charakterisiert, einschließlich qualifizierter Testanalysen und Identifikation von Optimierungsparametern.
Die gesammelten Testdaten fließen zudem anonymisiert in die Entwicklung eigener, fortschrittlicher Systemmodelle ein. Im Rahmen einer wissenschaftlichen Arbeit werden bestehende Implementierungen von Open-Source-Modellen weiterentwickelt, um künftig die Auslegungs- und Betriebsstrategien von Brennstoffzellsystemen für unterschiedlichste Anwendungsbereiche zu optimieren.
Die Prüfstände können vollautomatisch rund um die Uhr (24/7) betrieben werden und sind hochflexibel, so dass nahezu alle Kundenanforderungen erfüllt werden können.
Prüfungen nach vorgegebenen Verfahren wie DIN IEC 62282-2 sind unter Einbeziehung einer Zugelassenen Überwachungsstelle (ZÜS) möglich. Ergänzt werden die Prüfergebnisse durch eine Vielzahl von Analysegeräten und -methoden sowie versuchsbegleitende Simulationen, da die Interpretation der Prüfergebnisse ein tiefes Verständnis des Zusammenspiels der Materialien und Komponenten in den Zellen erfordert.
Alle Prüfstände am ZSW werden vor Versuchsbeginn und bei Bedarf auch während eines Versuches mit eigenen Kalibrierstandards vollständig kalibriert. Die Kalibrierung kann auf Wunsch durch eine ZÜS, z.B. den TÜV, vor Ort überprüft werden. Die hohe Flexibilität des Testzentrums wird durch ein eigenes Steuerungsprogramm und eigene Werkstätten erreicht, die auch kundenspezifische Anforderungen schnell umsetzen können, die mit klassischen kommerziellen Prüfständen nicht realisierbar sind.
Das Testzentrum am ZSW führt alle Prüfungen nach DIN EN 62282-2 für Brennstoffzellen bis 250 kW durch.
Um Alterungsprozesse besser verstehen und bewerten zu können, werden beschleunigte Alterungstests durchgeführt. Diese werden am ZSW nach DoE (U.S. Department of Energy) oder nach eigenen Definitionen angeboten.
Die professionelle Auswertung der Versuchsdaten liefert wichtige Erkenntnisse, um Produkte besser zu verstehen, zu optimieren, weiterzuentwickeln oder deren Sicherheit zu gewährleisten - auf Wunsch auch mit externer Zertifizierung. Bei Bedarf werden die Auswertungen durch begleitende Simulationen oder durch In-situ- oder Post-mortem-Analysen mit einem umfangreichen Gerätepark unterstützt.
Hier nochmal alle Vorteile des Brennstoffzellen Testzentrums am ZSW im Überblick:
Vertraulichkeit wird selbstverständlich am ZSW großgeschrieben, um die Geheimhaltung sensibler Messdaten zuverlässig gewährleistet.
Die KI-ExpertInnen am ZSW haben eine neuartige Überwachung von Brennstoffzellen-Testständen mithilfe von Künstlicher Intelligenz entwickelt. Dabei werden zum einen die am Prüfstand eingestellten Betriebsbedingungen auf ihre Plausibilität geprüft und so sichergestellt, dass die Messungen bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen durchgeführt werden und verwertbar sind. Die Überwachung der Betriebsbedingungen ist dabei ein erster und wichtiger Überwachungsschritt, da damit vom Prüfstand verursachte Fehler frühzeitig und zielsicher erkannt werden können. Aufgrund des zyklischen Betriebs bei Lebensdauertests werden dazu die eingestellten Betriebsbedingungen bei einem Lastpunkt mit den vergangenen Betriebsbedingungen des Lastpunktes verglichen. Aufgrund der Inbetriebnahme eines benachbarten Prüfstandes stand in dem Beispiel (Abb. 1) nicht mehr genügend Kühlleistung zur Verfügung, weshalb die Kühlmitteleintrittstemperatur anstieg. Der Algorithmus klassifiziert diese Ausreißer folgerichtig als Anomalien.
Digitale Zwillinge zur Charakterisierung von Brennstoffzellenstacks
Neben den Betriebsbedingungen muss natürlich auch der Brennstoffzellenstapel überwacht werden. Die Überwachung erfolgt dabei mithilfe eines digitalen Zwillings (Abb. 2). Basierend auf den aktuellen und den vergangenen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels berechnet dieser eine probabilistische Vorhersage der aktuellen Zellspannung des Stapels. Zu starke Abweichungen von Messung und Vorhersage deuten auf ein Problem mit dem Brennstoffzellenstapel hin. Abbildung 3 zeigt einen solchen Fall, bei dem nach 2700 Betriebsstunden aufgrund eines Vorfalls die Zellspannung des Stapels abnormal stark abfiel. Infolgedessen steigt die Abweichung zwischen Vorhersage und Messungen über den Klassifikationsgrenzwert, wodurch weitere Messpunkte als abnormal klassifiziert werden.
Nach der erfolgreichen Erprobung dieser KI-basierten Überwachung müssen die Algorithmen nun automatisiert werden, sodass die auf den Prüfständen generierten Messungen in Echtzeit plausibilisiert werden können.
Die Dichtheitsprüfung von Brennstoffzellenstacks ist ein entscheidender Schritt, um die Qualität und Leistung von Brennstoffzellen zu gewährleisten. Diese Prüfung hilft, mögliche Lecks und Undichtigkeiten zu erkennen, die den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Brennstoffzelle beeinträchtigen könnten.
Die Dichtheitsprüfung ist aus folgenden Gründen sehr wichtig
Eine gute Dichtheit der Brennstoffzelle ist notwendig, um ein optimales Verhältnis von Brennstoff und Oxidationsmittel im Reaktionsraum zu gewährleisten. Undichtigkeiten können zu einer Verringerung des Wirkungsgrades und zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Reaktionsgase führen.
Eine gute Abdichtung verlängert die Lebensdauer der Brennstoffzelle, indem sie verhindert, dass unerwünschte Gase oder Feuchtigkeit in die Zelle eindringen und Korrosion oder Materialversagen verursachen.
Für die Untersuchung und Weiterentwicklung von Brennstoffzellen und deren Komponenten ist eine zuverlässige und qualifizierte Testumgebung notwendig.
Das ZSW in Ulm setzt spezielle Prüftechniken und Instrumente für den Test von Brennstoffzellen ein, um qualifizierte Testanalysen durchzuführen und Optimierungspotenziale zu identifizieren.
Da die Vorgänge in Brennstoffzellen sehr komplex sind und Ursache und Wirkung nur selten eindeutig zugeordnet werden können, sind belastbare Methoden zur Messwerterfassung und erfahrene WissenschaftlerInnen und IngenieurInnen erforderlich.
Seit der Markteinführung von PEM Brennstoffzellenstacks bietet das ZSW Testverfahren und PEM-Teststände. In dem vom ZSW koordinierten europäischen Verbundprojekt „Stacktest“, an dem elf Partner aus Industrie und Forschung beteiligt sind, werden verschiedene Testprogramme zur Charakterisierung von Brennstoffzellenstacks definiert und validiert.
Dazu werden Testmodule und Testprogramme entwickelt und mit Hardware verschiedener Hersteller praktisch erprobt. Zur Bewertung der Lebensdauer eines Brennstoffzellenstacks wurde ein Stromprofil definiert, das typisch für die Anwendung im Automobil ist.
Im Rahmen des Projektes wurden weitere Testprogramme für spezifische Leistungsdaten und für Sensitivitätsuntersuchungen verschiedener Betriebsparameter, Lebensdauer und Sicherheitsaspekte entwickelt und in den beteiligten Verbundinstituten erfolgreich getestet. Die Validierung der Testverfahren erfolgte im ZSW-Brennstoffzellen-Testzentrum mit modernster und zuverlässiger Testinfrastruktur.
Mit dem Bau der neuen HyFaB bietet das ZSW eines der modernsten Brennstoffzellen-Testzentren weltweit. Die HyfaB wurde für die professionelle Erforschung und Weiterentwicklung von Brennstoffzellen-Stacks, -Systemen und -Systemkomponenten entwickelt.
Hohe Anzahl an Prüfständen: Mit insgesamt 50 vollautomatisierten Testständen bietet die HyFaB-Plattform umfangreiche Testkapazitäten für Brennstoffzellenstacks und -systeme unterschiedlicher Leistungsklassen.
Hohe Leistungsklasse: An den Prüfständen der HyFaB können Brennstoffzellen mit einer Leistung von bis zu 250 Kilowatt getestet werden, was ein breites Spektrum an Anwendungen und Technologien abdeckt.
Vollautomatischer Betrieb: Die Prüfstände in der HyFaB sind vollautomatisiert und können rund um die Uhr betrieben werden, was eine effiziente und kontinuierliche Datenerfassung ermöglicht.
Breites Anwendungsspektrum: Die Plattform HyFaB ermöglicht es Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die PEM-Brennstoffzellentechnologie in verschiedenen Anwendungen zu testen und weiterzuentwickeln, von stationären Anwendungen bis hin zur Elektromobilität.
Durch die Bereitstellung modernster Prüfstände und Infrastruktur unterstützt das ZSW den erfolgreichen Einsatz von Brennstoffzellen in verschiedenen Anwendungen und fördert die Weiterentwicklung der Technologie für eine nachhaltige und emissionsarme Energieversorgung.