Die Nutzung von Wasserstoff ist ein Baustein der Dekarbonisierung, doch der langlebige Betrieb von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen ist herausfordernd. Materialalterung und Leistungsabfall sind technische Herausforderungen für Elektrolyseure und Brennstoffzellen. Wechselnde Belastungen im Betrieb, wie sie etwa durch fluktuierende Einspeisung erneuerbarer Energien verursacht werden, können zu stark verkürzten Lebensdauern und hohen Wartungskosten führen. Um dieses Problem nachhaltig zu lösen, haben Forschende des Fraunhofer IFAM das Echtzeit-Diagnosesystem zur dynamischen Impedanzspektroskopie entscheidend weiterentwickelt.
Von der Labormessung zur KI-gestützten industriellen Anwendung
Der aktuelle Stand der Technik sind Messverfahren, die eine Unterbrechung des Betriebs mit entsprechender Stillstandzeit erfordern, um einen stationären Zustand zu erreichen. Ein Beispiel hierfür ist die klassische Impedanzspektroskopie. Diese Messungen sind nicht nur zeitaufwendig, sondern können auch 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 nichtstationären 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, das heißt 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 durch die detaillierte Auflösung in Echtzeit sehen, 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, sei es 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.
Vom Labor in die industrielle Anwendung
Grundlage hierfür ist die Weiterentwicklung der dynamischen Impedanzspektroskopie vom Labormaßstab in reale Anwendungsdimensionen, sodass Betriebsströme bis zu 30 A mit dem Messsignal überlagert werden. Dadurch ist ein entscheidender Schritt in Richtung industrieller Anwendung gelungen. Mithilfe der integrierten 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.
Der Praxisvorteil des erweiterten Systems liegt in der direkten Implementierung in die Anlagensteuerung, beispielsweise in das Energy-Management-System. Betreiber von Wasserstoffsystemen, wie beispielsweise PEM-Brennstoffzellen und alkalischen Elektrolyseuren, erhalten dadurch kontinuierlich präzise Zustandsdaten, die den aktuellen Gesundheitszustand der Anlage (State of Health) widerspiegeln. Auf dieser Basis lassen sich kritische Prozesse wie die Degradation von Katalysatoren 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.
