Innovationsschub für die Wasserstoffwirtschaft: Echtzeit-Diagnose für Elektrolyseure und Brennstoffzellen im Betrieb
Die Wasserstoffnutzung ist ein Baustein der Dekarbonisierung, doch der
langlebige Betrieb von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen ist
herausfordernd. Schwankende Betriebsbedingungen führen zu Verschleiß und
Leistungsverlusten. Dem Fraunhofer IFAM ist mit der dynamischen
Impedanzspektroskopie nun ein entscheidender Fortschritt gelungen: Die
Diagnosemethode ermöglicht eine präzise Analyse im laufenden Betrieb,
erkennt Überlastungen in Echtzeit und deckt Schwachstellen frühzeitig auf.
So lassen sich Belastbarkeit und Effizienz gezielt optimieren, die
Lebensdauer der Systeme verlängern und die Betriebskosten senken – ein
Technologiesprung mit großem Potenzial für die Wasserstoffwirtschaft.
Materialalterung und Leistungsabfall stellen technische Herausforderungen
für Elektrolyseure und Brennstoffzellen dar. Wechselnde Belastungen im
Betrieb, wie etwa durch fluktuierende Einspeisung erneuerbarer Energien,
können zu stark verkürzten Lebensdauern und hohen Wartungskosten führen.
Um dies nachhaltig zu lösen, haben Forschende des Fraunhofer IFAM das
Echtzeit-Diagnosesystem zur dynamischen Impedanzspektroskopie entscheidend
weiterentwickelt.
Echtzeitanalyse: Von der Labormessung zur KI-gestützten industriellen
Anwendung
Stand der Technik sind Messverfahren, die eine Unterbrechung des Betriebs
mit entsprechender Stillstandzeit erfordern, um einen stationären Zustand
zu erreichen – wie beispielsweise die klassische Impedanzspektroskopie.
Die Messungen sind zeitaufwendig und können den realen, wechselhaften
Betriebszustand kaum abbilden. »Mit unserer neuen dynamischen Messmethode
erhalten wir erstmals aussagekräftige Daten direkt aus dem real laufenden
Prozess mit deutlich höheren Stromstärken als im bisherigen Labor-Setup«,
sagt Dr. Hermann Pleteit, Projektleiter am Fraunhofer IFAM.
Die dynamische Impedanzspektroskopie ist ein neues Verfahren, mit dem sich
der innere Zustand eines Elektrolyseurs oder einer Brennstoffzelle unter
nicht-stationären Bedingungen während des laufenden Betriebs untersuchen
lässt. Dazu wird dem System zusätzlich zum normalen Betriebsstrom ein
kleines Multifrequenzsignal überlagert. Gleichzeitig wird gemessen, wie
das System darauf reagiert – also wie sich Strom und Spannung verändern.
Aus dem Verhältnis dieser Größen wird die sogenannte komplexe Impedanz
berechnet, die als frequenzabhängiger »elektrischer Widerstand« des
Systems verstanden werden kann. »Gerade dieser frequenzabhängige Charakter
macht die Impedanz für die genannten Anwendungen so wertvoll und für uns
interessant. Anders als ein einfacher Widerstandswert liefert sie ein
umfassendes Bild der Vorgänge im Inneren eines elektrochemischen Systems.
Denn die verschiedenen physikalischen und chemischen Prozesse – etwa die
Reaktionen an den Elektroden, der Transport von Ionen durch die Membran,
elektrische Kontaktwiderstände oder der Nachschub der beteiligten Stoffe –
wirken sich jeweils bei unterschiedlichen Frequenzen aus. Dadurch können
wir diese Vorgänge voneinander unterscheiden, einzeln bewerten und sehen
durch die detaillierte Auflösung in Echtzeit, in welchem Zustand sich die
einzelnen Komponenten wie Membran oder Elektroden befinden«, erklärt
Pleteit das Verfahren.
Aus dem zeitlichen Verlauf dieser Spektren lassen sich konkrete
Rückschlüsse auf den Zustand und die Alterung des Systems ziehen. Steigt
beispielsweise ein bestimmter Widerstandsanteil an, kann dies auf
verschlechterte Elektrodenreaktionen, Korrosion oder nachlassende
elektrische Kontakte hindeuten. Verschiebungen im Phasenverhalten können
dagegen auf Membranverschleiß, Probleme im Wasserhaushalt oder einen
eingeschränkten Stofftransport hinweisen. So wird erkennbar, wodurch
Leistungsverluste tatsächlich verursacht werden – ob durch Materialien,
Grenzflächen, Kontakte oder die Betriebsbedingungen.
Ein Echtzeit-Diagnosesystem nutzt diese Informationen, um den Zustand der
Zelle fortlaufend zu überwachen. Beginnende Veränderungen können dadurch
erkannt werden, lange bevor sie zu spürbaren Leistungseinbußen oder gar zu
einem Ausfall führen. »Anstatt erst zu reagieren, wenn die Anlage bereits
steht, können wir Wartungsarbeiten exakt voraussagen und teure
Ausfallzeiten vermeiden«, so Pleteit weiter. Die dynamische
Impedanzspektroskopie ermöglicht somit eine genaue Zustandsbewertung, eine
gezielte Fehlerdiagnose und eine vorausschauende Wartung von
Elektrolyseuren und Brennstoffzellen.
Grundlage für diese Fortschritte ist die Weiterentwicklung der dynamischen
Impedanzspektroskopie vom Labormaßstab in reale Anwendungsdimensionen,
sodass nun Betriebsströme bis zu 30 Ampere mit dem Messsignal überlagert
werden können. Dadurch ist ein entscheidender Schritt in Richtung
industrieller Anwendung gelungen. Durch die integrierte Online-
Datenverarbeitung wird die zeitliche Entwicklung der Impedanz berechnet
und direkt dargestellt. »Damit können wir unsere mathematischen Parameter
nun erstmals auch für größere Systeme im laufenden Prozess messen. In
Kombination mit KI-basierten Modellen lassen sich die Resultate auf
geänderte Umgebungsbedingungen wie Druck- und Temperaturschwankungen sowie
auf neue Materialzusammensetzungen übertragen«, fasst Pleteit zusammen.
Integration in die Anlagensteuerung und Praxisnutzen
Der Praxisvorteil des erweiterten Systems liegt in der direkten
Implementierung in die Anlagensteuerung, etwa in das Energy Management
System. Betreiber von Wasserstoffsystemen wie PEM-Brennstoffzellen und
alkalischen Elektrolyseuren erhalten dadurch kontinuierlich präzise
Zustandsdaten, die den aktuellen Gesundheitszustand (State of Health) der
Anlage widerspiegeln. Auf dieser Basis lassen sich kritische Prozesse wie
Katalysatordegradation frühzeitig erkennen, vorausschauende
Wartungsintervalle planen und Betriebsstrategien dynamisch anpassen, um
Degradationsprozesse zu minimieren. »Damit senken wir die
Lebensdauerkosten spürbar und sichern die Wirtschaftlichkeit grüner
Wasserstoffprojekte – ein wichtiger Baustein für die Wettbewerbsfähigkeit
der Wasserstoffwirtschaft«, so Pleteit.
