Beschreibung

Herausforderung:

Die Ansprüche an die Zuverlässigkeit der Stapelprüfstände wächst von Jahr zu Jahr. Der technische Reifegrad der BZ-Stapel und die wachsenden Anforderungen hinsichtlich der erforderlichen nachzuweisenden Lebensdauer führen dazu, dass häufig die Stapelprüfstände dem technischen Fortschritt der BZ-Stapel nicht mehr folgen können.

Parallel dazu werden die durchgeführten Prüfroutinen immer komplexer und der Zeitaufwand für die Datenauswertung steigt, da mittlerweile kleine Abweichungen in den Ergebnissen eine immer größere Auswirkung auf die Entwicklungsprozesse haben können. Mit dem Fortschritt der Industrialisierung der Brennstoffzelle muss sich auch der Stand der Prüftechnik weiterentwickeln.

Zudem wird die industrielle Endfunktionsprüfung (End-of-Line) und weitere Prüfprozesse wie bspw. Lecktest der BZ-Stapel derzeit auf für die Forschung konzipierten Prüfständen durchgeführt. Diese eignen sich nicht für die Prüfung von großen Stückzahlen in einer zukünftigen Serienfertigung aufgrund zu langer Prüf- und Prüflingswechselzeiten.

Im Hinblick auf steigende Stückzahlen der BZ-Stapel bis hin zu Großserien werden neue, innovative, modulare und skalierbare Konzepte benötigt.

Projektziel:

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines modularen sowie skalierbaren, d.h. auf unterschiedliche Ausbringungen anpassbaren, Prüfsystems für Brennstoffzellen-Stapel. Dieses modulare Prüfsystem soll verschiedene Prüfprozesse durchführen können, im Automatisierungsgrad variabel und skalierbar auf hohe Stückzahlen und verschiedene Leistungsklassen von BZ-Stapel sein, und damit in einer industriellen Entwicklungsumgebung als auch in einer Serienproduktionsumgebung einsetzbar sein. Im Projekt wird ein Prototyp eines Prüfsystems für die Endfunktionsprüfung aufgebaut und erprobt. Ein weiteres Ziel ist die automatisierte Überwachung von Prüfabläufen und Prüfdaten mithilfe von Methoden der KI.

Vorgehensweise:

Ein Prototyp im Leistungsbereich 10 kWel mit den Kernelementen des Prüfsystems soll bei JWF aufgebaut und am ZSW praktisch im Testzentrum erprobt werden.

Nach einer Analyse von Kundenanfragen sowie der von Technologie- und Serienentwicklern benötigten Prüfstandseigenschaften wird ein geeignetes Prüfsystemkonzept und -layout erarbeitet, als Funktionsmuster umgesetzt und hinsichtlich seiner Funktionalität erprobt. Mit Hilfe des Prüfsystems können somit „klassische Prüfaufgaben“ wie Leistungs- und Lebensdauertests wahrgenommen werden. Darüber hinaus werden weitere Funktionen implementiert, mit deren Hilfe eine Vorbewertung von Prüfabläufen während des Versuchs vorgenommen werden und Prüfergebnisse klassifiziert werden können. Neben klassischen Trendanalysen und statistischen Bewertungen von Versuchsergebnissen werden auch Elemente des maschinellen Lernens in das Prüfsystemkonzept integriert. Hierdurch wird eine Brücke vom Entwicklungsprüfstand zum Serienprüfstand geschlagen. Zur Zielerreichung ergänzen sich ideal die zwei Verbundpartner JW Froehlich als Spezialist für klassischen Maschinenbau mit hohem Automatisierungsgrad und Serienproduktion und das ZSW als Know-How-Träger in der Funktionsweise, Betreiben und Prüfen eines BZ-Stapels.

Verwertung:

Das Resultat des Vorhabens besteht zum einen in einem aufgebauten und erprobten Prototyp, mit dem Brennstoffzellen-Stapel konditioniert, charakterisiert und Langzeitversuchen unterzogen werden können. Eine entsprechende Bewertung & Plausibilisierung der Ergebnisse kann online und nachträglich mit der integrierten Bewertungssoftware und der KI-Software durchgeführt werden.
Zum anderen wird ein innovatives, modulares, skalierbares und damit großserientauglichen Konzept für ein Prüfsystem für Brennstoffzellen-Stapel zur Verfügung gestellt. Daraus können technische Anforderungen an die nächste Generation von Prüfständen im Hinblick auf Dynamik, Einbau bzw. Nachstellen von Systemeigenschaften sowie Bedienphilosophie und Datenhandhabung für eine nächste Generation innovativer Prüfstände abgeleitet werden.