Fraunhofer entwickelt Echtzeit-Diagnose für Elektrolyseure

Elektrolyseure und Brennstoffzellen müssen künftig häufiger unter wechselnden Betriebsbedingungen arbeiten. Ursache dafür sind unter anderem schwankende Einspeisungen aus erneuerbaren Energien. Solche Lastwechsel können Materialien und Komponenten belasten, die Leistung verringern und die Lebensdauer der Systeme verkürzen.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) haben deshalb die dynamische Impedanzspektroskopie für den Einsatz während des laufenden Betriebs weiterentwickelt. Das Verfahren soll den inneren Zustand von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen kontinuierlich erfassen und Veränderungen frühzeitig sichtbar machen.

Bisherige Verfahren wie die klassische Impedanzspektroskopie setzen laut Fraunhofer IFAM einen möglichst stationären Betriebszustand voraus. Dafür müssen Anlagen teilweise aus dem regulären Betrieb genommen werden. Die Messungen bilden damit wechselnde Betriebsbedingungen nur eingeschränkt ab und verursachen zusätzlichen Zeitaufwand. Die dynamische Variante arbeitet dagegen während des laufenden Prozesses. 

Frequenzabhängige Messung

Die frequenzabhängige Messung erlaubt Rückschlüsse auf unterschiedliche Vorgänge innerhalb eines elektrochemischen Systems. Dazu zählen etwa die Reaktionen an den Elektroden, der Ionentransport durch die Membran, elektrische Kontaktwiderstände und der Transport der beteiligten Stoffe. Veränderungen in den einzelnen Frequenzbereichen können dadurch auf unterschiedliche Alterungs- oder Störungsmechanismen hinweisen.

„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 Hermann Pleteit, Projektleiter am Fraunhofer IFAM. Das weiterentwickelte System kann Betriebsströme bis 30 Ampere mit dem Messsignal überlagern. Steigt beispielsweise ein bestimmter Widerstandsanteil, kann dies laut Fraunhofer IFAM auf verschlechterte Elektrodenreaktionen, Korrosion oder nachlassende elektrische Kontakte hindeuten. Veränderungen im Phasenverhalten können dagegen auf Membranverschleiß, Probleme im Wasserhaushalt oder einen eingeschränkten Stofftransport hinweisen. Über den zeitlichen Verlauf der Messwerte lässt sich zudem die Alterung eines Systems verfolgen.

KI-basierte Auswertung

Eine integrierte Online-Datenverarbeitung berechnet die zeitliche Entwicklung der Impedanz und stellt die Ergebnisse unmittelbar dar. Nach Angaben des Fraunhofer IFAM lassen sich die Messdaten mit KI-basierten Modellen auswerten. Diese sollen berücksichtigen können, wie sich veränderte Umgebungsbedingungen wie Druck- und Temperaturschwankungen oder unterschiedliche Materialzusammensetzungen auf die Messergebnisse auswirken.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Einbindung des Diagnosesystems in die Anlagensteuerung. Betreiber könnten die Daten beispielsweise in ein Energie-Management-System integrieren und dadurch kontinuierliche Informationen über den aktuellen Zustand der Anlagen erhalten. Der sogenannte State of Health soll dabei unter anderem Hinweise auf beginnende Degradationsprozesse liefern.

Wartungsintervalle anpassen

Auf dieser Grundlage könnten Betreiber Wartungsintervalle vorausschauend planen und Betriebsstrategien anpassen. Das gilt beispielsweise für PEM-Brennstoffzellen und alkalische Elektrolyseure. Früh erkannte Veränderungen sollen dazu beitragen, Komponenten gezielter zu warten und ungeplante Stillstände zu vermeiden.

Als möglichen Anwendungsfall nennt das Fraunhofer IFAM die frühzeitige Erkennung einer Katalysatordegradation. Auch andere Ursachen für Leistungsverluste könnten sich über die Messdaten voneinander unterscheiden lassen. Damit soll die Methode nicht nur eine Zustandsüberwachung, sondern auch eine gezieltere Fehlerdiagnose ermöglichen.

„Anstatt erst zu reagieren, wenn die Anlage bereits steht, können wir Wartungsarbeiten exakt voraussagen und teure Ausfallzeiten vermeiden“, sagt Pleteit. Nach Einschätzung des Forschers kann die Technologie damit dazu beitragen, die Lebensdauerkosten von Wasserstoffsystemen zu senken und deren Betrieb an wechselnde Bedingungen anzupassen.

Die Fraunhofer-Diagnosemethode für Elektrolyseure und Brennstoffzellen steht im Internet bereit. (sh)