NIP-Vollversammlung und Statusseminar Brennstoffzelle

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1 NIP-Vollversammlung und Statusseminar Brennstoffzelle MatFuel Werkstofftechnik für Brennstoffzellenkomponenten Berlin I Angelika Schubert Robert Bosch GmbH Förderkennzeichen 03ET2051A 1 Vertraulich CR/APM4-Schubert, CR/APM2-Rötting,-Schauer Robert Bosch GmbH Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl.

2 Überblick MatFuel Werkstofftechnik für Brennstoffzellenkomponenten Laufzeit 11/2012 bis 03/2016* (ca. 3,5 Jahre) Projektpartner Robert Bosch GmbH MPA Stuttgart Deutsche Edelstahlwerke (DEW) BMW AG *) Laufzeit des Projekts wurde um 5 Monate wegen des Umzugs der zentralen Forschung der Robert Bosch GmbH nach Renningen verlängert. 2

3 Relevanz/Ziele Relevanz Ziele Mobilität emissionsfrei Energieversorgung Energiespeicherung KWK Verbesserung Marktfähigkeit zukünftiger Systemkomponenten eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs durch werkstofftechnische Maßnahmen Signifikante Reduktion von Kosten von Brennstoffzellensystemkomponenten durch werkstofftechnische Weiterentwicklung Wasserstoff als Energieträger der Zukunft Steigerung der Zuverlässigkeit von Brennstoffzellensystemkomponenten im Fahrzeug 3

4 Vorgehensweise Anforderungsanalyse 1-10 bar Wasserstoffdruck 1000 bar Bosch Dosierventil BMW Tankanbau Ableitung von -Versagensgrößen -Betriebsbelastungen Ermittlung Eigenschafts- Profile verschiedener Werkstoffe in Wasserstoff C-Martensite Ni-Martensite Austenite Werkstoff- Verhalten unter H 2 Weiterentwickelte Werkstoffe für H 2 -Anwendungen Ferrite Alu-Legierungen Modellbildung und Methodenentwicklung Bauteilauslegung Experiment Fraktografie Last H 2 Einfluss Anzahl Zyklen Schädigungsmodelle Auslegungskonzepte zur Zuverlässigkeitsbewertung von Bauteilen in H 2 4

5 Entwicklung Prüfkonzept Herausforderung: Zielkonflikt Prüfdauer vs. Ermittlung realitätsnaher Wasserstoffeinfluss Anlagenkonzept für Prüfung in Wasserstoff Prinzip Realisierung H 2 -Autoklav H 2 -druckbeaufschlagter Innenraum Probenvorbereitung Raffung Wasserstoffaufnahme durch elektrochemische Beladung F Probengeometrie (rund, flach, ) Autoklav -Prüfung Servohydraulische Prüfmaschine mit Autoklav Wasserstoffanalyse mittels Thermal Desorption Spectroscopy Im Gitter gelöster Wasserstoff Getrappter Wasserstoff Wasserstoffdruckbereich 1-10 bar Wasserstoff (Bosch) 5

6 Beispiel: Wöhlerversuch in Wasserstoff Ferrit CC13XP Durchführung zyklische Belastung Prüfung auf unterschiedlichen Lastniveaus Spannung Spannungsamplitude Zeit Nennspannungsamplitude in N/mm² Spannungsamplitude Wasserstoff P A =90% 50% 10% CC13XP entspr. X2CrNi12 (1.4003) Zeitfestigkeit Luft K t =2 R=0,1 in Luft in H 2, unbeladen, 10Hz in H 2, unbeladen, 1Hz in H 2, vorbeladen ( Durchläufer) Dauerfestigkeit E+6 1E+7 1E+8 Lastspielzahl Fazit: hoher Wasserstoffeinfluss auf die Lebensdauer im Zeitfestigkeitsbereich geringer Einfluss auf die Schwingfestigkeit im Übergangsgebiet zur Dauerfestigkeit 6

7 Öffentlichkeitsarbeit Veranstaltungen 39. VDI-Jahrestagung Schadens- Analyse, 2013, Würzburg Vortragstitel: Zum Einfluss von Druckwasserstoff auf die HCF-Beanspruchbarkeit von Bauteilen im Brennstoffzellensystem 40. Tagung DVM-Arbeitskreis Betriebsfestigkeit 2013, Berlin Vortragstitel: Auslegungskonzepte für die betriebsfeste Bemessung von Brennstoffzellenkomponenten in Wasserstoffumgebung 40th MPA Seminar, 2014, Stuttgart Requirements to metallic structural materials for fuel cell components in low-pressure gaseous hydrogen DPG-Frühjahrstagung, 2015, Berlin Fatigue life of steel IA in hydrogen: influence of load ratio and surface residual stress 7

8 Ausblick Werkstofftechnisches Verständnis des Versagensverhaltens Werkstoffprüfkonzepte und Probenprüfung in Druckwasserstoff Werkstoffprofile typischer BZ*- werkstoffe Projektergebnisse Zuverlässigkeitsbewertung von Bauteilen in H 2 Optimierte Fertigungstechnik Zerspanen für Brennstoffzellenkomponenten Vorauslegungskonzepte zum zielgerichteten BZ*- Komponentendesign Verwertung Kostengünstige werkstofftechnische Lösungen sind wichtige Bausteine zur Realisierung marktfähiger und großserientauglicher Brennstoffzellensysteme Neue Einsatzgebiete der Werkstoffgruppen durch Verständnis des H 2 -Einflusses und durch Ermittlung der Belastungsgrenzen hinsichtlich Wasserstoffversprödung 8 *BZ = Brennstoffzelle

9 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 9