Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) hat ein Diagnoseverfahren für Elektrolyseure und Brennstoffzellen weiterentwickelt, das eine Zustandsanalyse im laufenden Betrieb ermöglicht. Die sogenannte dynamische Impedanzspektroskopie soll Überlastungen in Echtzeit erkennen und Schwachstellen frühzeitig aufdecken. Nach Angaben des Instituts lassen sich damit Lebensdauer und Effizienz der Systeme steigern und Betriebskosten senken.
Elektrolyseure und Brennstoffzellen unterliegen im Betrieb wechselnden Belastungen, etwa durch die fluktuierende Einspeisung erneuerbarer Energien. Diese können zu Materialalterung, Leistungsabfall und verkürzten Lebensdauern führen. Die bislang übliche klassische Impedanzspektroskopie erfordert eine Unterbrechung des Betriebs, um einen stationären Zustand zu erreichen. Sie ist zeitaufwendig und bildet den realen Betriebszustand kaum ab.
Multifrequenzsignal überlagert Betriebsstrom
Bei der neuen Methode überlagern die Forschenden dem normalen Betriebsstrom ein kleines Multifrequenzsignal. Gemessen wird, wie sich Strom und Spannung verändern. Aus dem Verhältnis dieser Größen berechnet das System die komplexe Impedanz, die als frequenzabhängiger elektrischer Widerstand 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“, erklärt Hermann Pleteit, Projektleiter am Fraunhofer IFAM. Verschiedene physikalische und chemische Prozesse – etwa 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 lassen sie sich voneinander unterscheiden und einzeln bewerten.
Aus dem zeitlichen Verlauf der Spektren zieht das System Rückschlüsse auf den Zustand und die Alterung. Ein Anstieg bestimmter Widerstandsanteile kann auf verschlechterte Elektrodenreaktionen, Korrosion oder nachlassende elektrische Kontakte hindeuten. Verschiebungen im Phasenverhalten deuten auf Membranverschleiß, Probleme im Wasserhaushalt oder eingeschränkten Stofftransport hin.
Sprung vom Labor in industrielle Dimensionen
Nach Angaben des Instituts liegt der Fortschritt in der Übertragung des Verfahrens aus dem Labormaßstab in reale Anwendungsdimensionen. Betriebsströme bis zu 30 Ampere lassen sich nun mit dem Messsignal überlagern. Eine integrierte Online-Datenverarbeitung berechnet die zeitliche Entwicklung der Impedanz und stellt sie direkt dar.
„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 Pleteit. In Kombination mit KI-basierten Modellen ließen sich die Resultate auf geänderte Umgebungsbedingungen wie Druck- und Temperaturschwankungen sowie auf neue Materialzusammensetzungen übertragen.
Integration in die Anlagensteuerung
Das erweiterte System lässt sich nach Angaben des Fraunhofer IFAM direkt in die Anlagensteuerung integrieren, etwa in das Energy Management System. Betreiber von PEM-Brennstoffzellen und alkalischen Elektrolyseuren erhalten kontinuierlich Zustandsdaten, die den State of Health der Anlage widerspiegeln. Auf dieser Basis lassen sich nach Institutsangaben Prozesse wie Katalysatordegradation frühzeitig erkennen, Wartungsintervalle planen und Betriebsstrategien anpassen.
„Anstatt erst zu reagieren, wenn die Anlage bereits steht, können wir Wartungsarbeiten exakt voraussagen und teure Ausfallzeiten vermeiden“, sagt Pleteit und ergänzt: „Damit senken wir die Lebensdauerkosten spürbar und sichern die Wirtschaftlichkeit grüner Wasserstoffprojekte.“
