Elektrolyseure und Brennstoffzellen altern durch wechselnde Betriebsbedingungen. Schwankende Einspeisung erneuerbarer Energien führt zu Verschleiß und Leistungsverlusten. Bisherige Messverfahren wie die klassische Impedanzspektroskopie erfordern eine Betriebsunterbrechung, um einen stationären Zustand zu erreichen. Diese Messungen bilden den tatsächlichen, wechselhaften Betriebszustand kaum ab.
Das Fraunhofer IFAM hat die dynamische Impedanzspektroskopie so weiterentwickelt, dass sie Daten direkt aus dem laufenden Prozess liefert. Die neue Methode arbeitet mit deutlich höheren Stromstärken als das bisherige Labor-Setup. Dem System wird während des Betriebs zusätzlich zum normalen Betriebsstrom ein kleines Multifrequenzsignal überlagert. Aus der Reaktion von Strom und Spannung berechnen die Forschenden die komplexe Impedanz, den frequenzabhängigen elektrischen Widerstand des Systems.
Frequenzabhängige Werte trennen einzelne Prozesse
Die Impedanz liefert ein Bild der inneren Vorgänge eines elektrochemischen Systems. Reaktionen an den Elektroden, der Ionentransport durch die Membran, elektrische Kontaktwiderstände und der Stofftransport wirken sich jeweils bei unterschiedlichen Frequenzen aus. Die Methode trennt diese Prozesse voneinander und bewertet sie einzeln. So zeigt sich in Echtzeit der Zustand von Komponenten wie Membran oder Elektroden.
Der zeitliche Verlauf der Spektren gibt Aufschluss über Zustand und Alterung des Systems:
- Ein steigender Widerstandsanteil weist auf verschlechterte Elektrodenreaktionen, Korrosion oder nachlassende elektrische Kontakte hin.
- Verschiebungen im Phasenverhalten deuten auf Membranverschleiß, Probleme im Wasserhaushalt oder eingeschränkten Stofftransport hin.
Die Methode zeigt damit, ob Leistungsverluste durch Materialien, Grenzflächen, Kontakte oder Betriebsbedingungen entstehen.
System sagt Wartungstermine voraus
Ein Echtzeit-Diagnosesystem überwacht den Zustand der Zelle fortlaufend. Es erkennt beginnende Veränderungen, bevor sie zu Leistungseinbußen oder Ausfällen führen. Das System ermöglicht dadurch eine genaue Zustandsbewertung, eine gezielte Fehlerdiagnose und eine vorausschauende Wartung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen.
Die Forschenden haben die Methode vom Labormaßstab auf reale Anwendungsdimensionen übertragen. Das Messsignal überlagert nun Betriebsströme bis zu 30 Ampere. Eine integrierte Online-Datenverarbeitung berechnet die zeitliche Entwicklung der Impedanz und stellt sie direkt dar. In Kombination mit KI-basierten Modellen lassen sich die Resultate auf veränderte Umgebungsbedingungen wie Druck- und Temperaturschwankungen sowie auf neue Materialzusammensetzungen übertragen.
Das System lässt sich direkt in die Anlagensteuerung integrieren, etwa in ein Energy Management System. Betreiber von PEM-Brennstoffzellen und alkalischen Elektrolyseuren erhalten dadurch kontinuierlich Zustandsdaten, die den aktuellen Gesundheitszustand der Anlage widerspiegeln. Auf dieser Basis lassen sich kritische Prozesse wie Katalysatordegradation frühzeitig erkennen, Wartungsintervalle vorausschauend planen und Betriebsstrategien anpassen, um Degradationsprozesse zu minimieren.
