3D-Röntgenmikroskop am ZBT

Mess- und Prüfverfahren

Material- und Systemprüfung für Brennstoffzellen- und Elektrolysetechnologie

Das ZBT bietet ein umfassendes Portfolio an Mess- und Prüfverfahren für Komponenten und Systeme der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie. Schwerpunkte liegen auf analytischen Verfahren zur Materialcharakterisierung, elektrochemischen Prüfmethoden, entwicklungsbegleitenden Qualitätsprüfungen sowie auf Untersuchungen des Alterungsverhaltens. Die Leistungen unterstützen Forschung, Produktentwicklung und industrielle Qualitätssicherung.

Ex-Situ Materialanalytik

Zur Charakterisierung von Materialien und Bauteilen bietet das ZBT vielfältige ex-situ Analyseverfahren. Mit modernen Methoden wie Röntgenmikroskopie (XRM), Röntgendiffraktometrie (XRD) oder Rasterelektronenmikroskopie (REM) lassen sich strukturelle und chemische Eigenschaften detailliert untersuchen. Ergänzt wird das Portfolio durch spezifische Methoden zur H₂-Stabilität, Materialscreening und zerstörungsfreie Qualitätskontrolle wie z. B. im Projekt BEPPEL. Diese Analysen liefern die Grundlage für gezielte Werkstoffentwicklungen und Fehleranalysen in Brennstoffzellen- und Elektrolysesystemen.

Analytik-Portfolio: Strukturen, Zusammensetzung, Stabilität

Das ZBT bietet ein breites Spektrum an ex-situ Materialanalytik zur Charakterisierung von Werkstoffen und Komponenten entlang der gesamten Wasserstoffwertschöpfungskette.

Typische Methoden:

  • Strukturanalyse: Röntgenmikroskopie (XRM), Rasterelektronenmikroskopie (REM), µ-CT

  • Phasen-/Elementanalyse: XRD, EDX, FTIR

  • Thermische & chemische Stabilität: TGA, DSC, H₂-Beständigkeitstests

Anwendungsbeispiele:

  • Diffusionslagen-Charakterisierung (Porosität, Leitfähigkeit)

  • Korrosionsverhalten von Bipolarplatten

  • Materialscreenings für neue Systeme (z. B. AEM, PEM)

Ziel ist die materialspezifische Optimierung für Performance, Lebensdauer und Verarbeitbarkeit.

REM-Aufnahme einer PTL aus UKP-Laserfertigung in Flüssigkeiten (25 µm Dicke)

Qualitätssicherung &
Prozessanalyse

Für die industrielle Anwendung von Brennstoffzellentechnologie sind reproduzierbare Materialeigenschaften entscheidend. Das ZBT entwickelt Verfahren zur Qualitätssicherung entlang der Fertigungskette.

Kernaspekte:

  • Schichtdicken- und Schichthomogenitätsanalysen

  • Inline-fähige Prüfmethoden

  • Partikelanalytik bei Katalysatorbeschichtungen

  • Beppel: optoelektronisches Prüfverfahren für BPPs

Zielsetzung:

  • Fertigungsprozesse stabilisieren

  • Ausschuss reduzieren

  • Schnittstelle zur industriellen Skalierung

3D-Profilometer-Aufnahme einer Gasdiffusionsschicht (GDL)

In-Situ-Komponentenqualifizierung

Für die Validierung von Brennstoffzellenkomponenten unter realitätsnahen Bedingungen führt das ZBT eine Vielzahl elektrochemischer In-Situ-Verfahren durch. Dazu zählen Einfahrprozeduren, Strom-Spannungs-Kennlinien, elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), Zyklovoltammetrie (CV), Hochfrequenzimpulsmessung (H₂P), beschleunigte Alterungstests (AST) und PFAS-Analytik. Ergänzend ermöglichen Hardware-in-the-Loop-Teststände die Bewertung von Komponenten im Systemkontext. So lassen sich Material- und Prozessentwicklungen direkt auf Betriebseigenschaften zurückführen.

Elektrochemische
Inbetriebnahme &
Charakterisierung

Ziel ist die präzise Bestimmung elektrochemischer Kenngrößen unter realen Betriebsbedingungen. Dabei kommen standardisierte Protokolle sowie individuell angepasste Teststrategien zum Einsatz.

Typische Methoden:

  • Einfahrprozeduren für MEAs

  • Polarisationskurven (Kennlinien)

  • Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)

  • Cyclovoltammetrie (CV)

  • H₂-Permation (H₂P)

  • Accelerated Stress Tests (AST)

Einsatzbereiche:

  • MEA-Validierung

  • Komponentenvergleich

  • Performance-Benchmarking

  • Identifikation von Degradationsmechanismen

Wissenschaftlerin durch einen Teststand hindurch fotografiert

Systemnahe Tests &
HIL-Validierung

Komponentenprüfungen werden im ZBT auch unter simulationsgestützten Systembedingungen durchgeführt – ein entscheidender Schritt zur Überführung in reale Anwendungen.

Kernansätze:

  • Hardware-in-the-Loop (HiL) Tests für Systemkomponenten

  • Modulare Testzellen für metallische BPPs

  • PFAS-Analytik bei Dichtungen und Wärmetauschern

  • Abgleich von Testdaten mit Modellierungsergebnissen

Nutzen:

  • Bewertung im Systemkontext

  • Parametrierung für Betriebsstrategien

  • Vorbereitung auf Feldbedingungen

Test-Brennstoffzelle

Prüfverfahren

Neben standardisierten Qualitätsprüfungen entwickelt das ZBT anwendungsspezifische Prüfmethoden für Komponenten und Materialien. Beispiele sind qualitätsgesicherte Testreihen für Gasdiffusionslagen (GDL) oder standardisierte Verfahren für metallische und graphitische Bipolarplatten. Die Prüfmethoden werden sowohl im Labor als auch im Produktionsumfeld angewandt und tragen zur Sicherstellung konstanter Produkteigenschaften über den gesamten Herstellungsprozess bei.

Komponentenspezifische Prüfmethoden

Für jede Komponentenklasse existieren gezielte Prüfverfahren, die entweder standardisiert oder forschungsbegleitend weiterentwickelt wurden.

Beispiele:

  • Gasdiffusionslagen (GDL):
    QM-Prüfprotokolle (z. B. Durchlässigkeit, Kompressibilität)

  • Bipolarplatten (BPP):
    Standardisierte QS-Methoden für Geometrie, Beschichtung, Leitfähigkeit

  • Dichtungen:
    Prüfungen zur Medienbeständigkeit und Adhäsion

Besonderheiten:

  • Kombination experimenteller Prüfstände mit numerischer Analyse

  • Rückkopplung mit Herstellungs- und Designentwicklung

Shortstackprüfplatz mit Rezirkulation und integrierter Gasanalytik

Alterungsanalysen

Das ZBT untersucht das Degradationsverhalten von Einzelkomponenten wie MEAs, Bipolarplatten oder Dichtungen ebenso wie von kompletten Brennstoffzellenstapeln und Systemkomponenten. Zum Einsatz kommen chemische, strukturelle und elektrochemische Verfahren zur Alterungsdiagnose. Diese Analysen bilden die Grundlage für Lebensdauerprognosen, Rückschlüsse auf Schadensmechanismen und die Optimierung von Materialien und Betriebsstrategien.

Komponentenbasierte
Alterungsanalysen

Untersuchung der alterungsbedingten Veränderungen auf verschiedenen Ebenen:

Membran-Elektroden-Einheiten (MEA):

  • Chemische & elektrochemische Degradation

  • Analyse durch EIS, CV, Materialquerschnitte

Bipolarplatten (BPP):

  • Korrosion, Beschichtungsabbau

  • Langzeitexposition, In-situ-Charakterisierung

Dichtungen & Subsysteme:

  • Medienbeständigkeit, Materialermüdung

  • Mikroskopie & FTIR-Analysen

Stapel und Systeme:

  • Leistungsabfall unter realen Belastungen

  • Nutzung von HIL, Monitoring & Diagnoseverfahren

eine graphitische Bipolarplatte und eine metallische Bipolarplatte nebeneinander liegend

Ansprechperson

Dienstleistungen | Mess- und Prüfverfahren

Verena Lukassek
+49 203 7598-2343
Verena Lukassek, Mitarbeiterinnenfoto

Ansprechperson

Dienstleistungen | Compoundtechnik

Dr. Marco Grundler
+49 203 7598-1175
Porträt von Marco Grundler.

Weitere Dienstleistungen des ZBT

Modellierung & Simulation

Entwicklung

Beratung und Studien
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