REM, NMT

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 Komponenten in Brennstoffzellen- und Elektrolysesystemen bietet das ZBT ein breites Spektrum ex-situ-analytischer Verfahren entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette – von der Materialentwicklung bis zur Schadensanalyse. Moderne Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgenmikroskopie (XRM) und Röntgendiffraktometrie (XRD) ermöglichen die präzise Untersuchung struktureller und chemischer Eigenschaften.

Ergänzt wird das Portfolio durch spezialisierte Verfahren zur gezielten Analyse von Degradationsmechanismen in Schlüsselkomponenten wie der Membran-Elektroden-Einheit (MEA/CCM), porösen Transportlagen (PTL), metallischen Bipolarplatten und Dichtungen. Dabei lassen sich auch Fehlstellen, Korrosionsprozesse und betriebsbedingte Materialveränderungen – etwa infolge thermischer oder mechanischer Belastung, Frostexposition oder Kaltstarts – detailliert erfassen. Das ZBT untersucht das Degradationsverhalten sowohl einzelner Komponenten als auch kompletter Brennstoffzellenstapel und Systembauteile. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für Lebensdauerabschätzungen, das Verständnis relevanter Schadensmechanismen sowie die Optimierung von Materialien, Fertigungsprozessen und Betriebsstrategien.

Damit leistet die ex-situ-Analytik des ZBT einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung langlebiger und leistungsfähiger Komponenten. Sie unterstützt Partner aus Forschung und Industrie bei der Auswahl geeigneter Werkstoffe, der Bewertung von Struktur-Eigenschafts-Zusammenhängen und der Qualitätssicherung entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Analytik Materialcharakterisierung und -optimierung

Methoden im Überblick:

  • Strukturanalyse:
    Röntgenmikroskopie (XRM), Rasterelektronenmikroskopie (REM)

  • Phasen- und Elementanalyse:
    Röntgendiffraktometrie (XRD), Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF)

  • Stabilitätsanalysen:
    Thermogravimetrie (TGA), Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)

Beispielhafte Anwendungen:

  • Analyse von Beschichtungen metallischer Bipolarplatten

  • Bewertung von Katalysatorschichten und Membranen

  • Materialscreening zur Entwicklung neuer innovativer Materialsysteme

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

 

Analytik-Dienstleistungen

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: Prüfverfahren für BPPs

Zielsetzung:

  • Fertigungsprozesse stabilisieren

  • Ausschuss reduzieren

  • Schnittstelle zur industriellen Skalierung

 

Qualitätskontrolle von Bipolarplatten mit dem BePPel-Teststand

In-Situ-Komponentenqualifizierung

Für die Validierung von Brennstoffzellen- und Wasserelektrolysekomponenten 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 (H₂Pe)

  • Accelerated Stress Tests (AST)

Einsatzbereiche:

  • MEA-Validierung

  • Komponentenvergleich

  • Performance-Benchmarking

  • Identifikation von Degradationsmechanismen

Greenlight Teststand, Julian Kapp

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

In-situ-Werkstoffqualifizierung

Die In-situ-Werkstoffqualifizierung ist ein Verfahren zur realitätsnahen Bewertung von Materialien unter praxisgerechten Bedingungen. Im Gegensatz zu klassischen Labortests, bei denen Werkstoffe isoliert und oft unter extremen Bedingungen geprüft werden, erfolgt die In-situ-Prüfung direkt im relevanten System oder unter typischen Einsatzbedingungen. So lässt sich das reale Verhalten der Materialien, einschließlich möglicher Emissionen oder Wechselwirkungen mit anderen Komponenten, unmittelbar erfassen und mit der Systemleistung verknüpfen. Schädliche Einflüsse auf die Funktion können frühzeitig erkannt und bewertet werden.

Durch die Kombination mit Ex-situ-Alterungsdaten entsteht eine belastbare Basis für Materialauswahl, -optimierung und Freigabe. Dies verkürzt Entwicklungszyklen, senkt Risiken und erleichtert die Anpassung an die Einsatzumgebung. Die Methode liefert damit eine hohe Aussagekraft und unterstützt standardisierte Bewertungsprozesse, die den Marktzugang neuer Materialien beschleunigen und ihren zuverlässigen Einsatz sichern.

Innovative In-Situ-Tests für Materialien in BZ- und ElektrolyseSystemen

Das ZBT bietet maßgeschneiderte, innovative In-Situ-Testverfahren zur präzisen Charakterisierung und Qualifizierung von Materialien aus allen Bereichen moderner Brennstoffzellen- und Elektrolysesysteme.

Dank unserer in-house entwickelten Methoden können wir in enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden sowohl etablierte als auch neu entwickelte Komponenten für PEM-Brennstoffzellen und PEM-Elektrolysesysteme schnell, zuverlässig und praxisnah überprüfen.

Unsere speziell ausgestatteten Prüfkammern ermöglichen die Qualifizierung unterschiedlichster Materialtypen – von Feststoffen (z.B. technische Kunststoffe) über Flüssigkeiten (z.B. Montagehilfsstoffe) bis hin zu pulverförmigen Funktionsadditiven. Ergänzt wird dies gezielt durch:

  • Auslagerungstests von Materialien unter Wasserstoffatmosphäre und anschließende GC-MS-Analysen
  • Auslagerungstests von Materialien in Flüssigkeiten (VE-Wasser, Glykol etc.) und anschließende Leaching-Analysen
  • Infusion von Aerosolen in Zellkreisläufe
  • Entwicklung individueller Prüfmethoden
  • Entwicklung von Brennstoffzellen als Sensorsystem

Egal ob fundierter Einstieg in die Brennstoffzellen- und Elektrolysetechnologie oder Materialtests unter realitätsnahen Einsatzbedingungen – wir sind Ihr kompetenter Partner. Sprechen Sie uns gerne an!

Abgebildet sind Werkstoffproben und eine Emissionskammer.

Prüfverfahren

Neben standardisierten Qualitätsprüfungen entwickelt das ZBT anwendungsspezifische Prüfmethoden für Komponenten und Materialien. Beispiele sind qualitätsgesicherte Testreihen für Gasdiffusionslagen (GDL), poröse Transportlagen (PTL) 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:

  • Bipolarplatten (BPP):
    Standardisierte Prüfprotokolle zur Untersuchung metallischer Bipolarplatten
  • Standardisierte QS-Methode zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit (Beppel-Teststand)

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

  • Dichtungen:
    Prüfungen zur Medienbeständigkeit und Adhäsion

 

  • Besonderheiten:

  • Kombination experimenteller Prüfstände mit numerischer Analyse

  • Rückkopplung mit Herstellungs- und Designentwicklung

Qualitätskontrolle von Bipolarplatten mit dem BePPel-Teststand

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

 

Ansprechperson

Dienstleistungen | Mess- und Prüfverfahren

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

Ansprechperson

Dienstleistungen | Compoundtechnik

Dr. Marco Grundler
+49 203 7598-1175

Ansprechperson

Dienstleistungen | In-situ-Werkstoffqualifizierung

Denis Grün
+49 203 7598-4288
Businessfoto von jungem Mann mit Polohemd

Weitere Dienstleistungen des ZBT

Modellierung & Simulation

Mit physikalisch fundierten Modellen und simulationsgestützten Ansätzen analysieren wir Transport- und Reaktionsprozesse entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette – vom porösen Material über die Zelle bis zur gesamten Anlage. Unsere Modelle helfen, Systeme zu verstehen, Schwachstellen zu identifizieren und neue Lösungen effizient zu entwickeln.

Entwicklung

Die Entwicklungsarbeiten am ZBT umfassen die systematische Auslegung, Materialentwicklung und Betriebsstrategie elektrochemischer Komponenten. Ziel ist die anwendungsnahe Optimierung von Brennstoffzellen- und Elektrolysesystemen entlang ihrer gesamten Wertschöpfungskette – unter Einsatz etablierter CAD-Werkzeuge, laborgestützter Materialforschung und simulationsbasierter Regelungskonzepte.

Beratung und Studien

Ob erste Ideen oder konkrete Projekte – wir beraten entlang der gesamten Innovationskette: von der Auswahl geeigneter Technologien über Infrastrukturplanung und Sicherheitsanforderungen bis hin zu Lebenszyklusanalyse und Genehmigungsfragen. Gemeinsam analysieren wir Potenziale, identifizieren relevante Standards und erarbeiten wissenschaftlich fundierte Entscheidungsgrundlagen.