Fraunhofer entwickelt Echtzeit-Diagnosetechnik für Wasserstoffanlagen – Unterstützung dynamischer Impedanztests bei 30 Ampere

de.wedoany.com-Bericht: Am 10. September gab das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (Fraunhofer IFAM) bekannt, dass seine Diagnosetechnik der dynamischen Impedanzspektroskopie von Labormessungen auf Strombereiche nahe der praktischen Anwendung erweitert wurde und nun eine Echtzeit-Zustandsanalyse bei laufendem Betrieb von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen ermöglicht. Das System kann derzeit multifrequente Testsignale auf einen Betriebsstrom von bis zu 30 Ampere aufprägen und Impedanzänderungen in Echtzeit berechnen, um Leistungsverluste an Elektroden, Membranen, Kontaktgrenzflächen und Stofftransportprozessen zu identifizieren und damit eine Datengrundlage für Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung zu liefern.

Herkömmliche Impedanzspektroskopie-Messungen erfordern in der Regel, dass die Anlage in einen stabilen Betriebszustand übergeht oder sogar den normalen Betrieb unterbricht, wodurch sich die dynamischen Veränderungen von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen unter den schwankenden Bedingungen erneuerbarer Energien nur schwer vollständig erfassen lassen. Das neue Verfahren von Fraunhofer IFAM besteht darin, dem normalen Betriebsstrom der Anlage multifrequente Testsignale mit geringer Amplitude zu überlagern, gleichzeitig die Strom- und Spannungsantwort kontinuierlich aufzuzeichnen und daraus die frequenzabhängige komplexe Impedanz zu berechnen. Verschiedene Frequenzbereiche lassen sich jeweils Elektrodenreaktionen, Ionenmembrandurchtritt, elektrischen Kontakten sowie der Reaktandenversorgung zuordnen, sodass sich ein globaler Leistungsabfall der Anlage weiter auf konkrete Komponenten oder Betriebsbereiche lokalisieren lässt.

Ein wesentlicher Fortschritt dieser Technik besteht darin, die dynamische Impedanzspektroskopie von der bisherigen Laborgröße auf höhere Stromklassen zu erweitern. Derzeit können die Testsignale auf einen Betriebsstrom von bis zu 30 Ampere aufgeschaltet werden, während gleichzeitig durch Online-Datenverarbeitung in Echtzeit Impedanzspektrumänderungen erzeugt werden. Das Forschungsteam erklärt, dass dies kontinuierliche Messungen an größeren elektrochemischen Systemen im dynamischen Betrieb ermöglicht und die Messergebnisse mit Druck- und Temperaturänderungen sowie verschiedenen Materialsystemen kombiniert analysiert werden können.

Bei der Fehlererkennung lassen sich anhand der zeitlichen Veränderung der Impedanzspektren verschiedene Arten von Degradation beurteilen. Steigt eine bestimmte Impedanzkomponente kontinuierlich an, kann dies auf eine Verschlechterung der Elektrodenreaktion, Korrosion oder eine nachlassende Qualität des elektrischen Kontakts hindeuten; Änderungen der Phasenmerkmale können weiter mit Membranalterung, Anomalien im Wassermanagement oder eingeschränktem Stofftransport in Verbindung gebracht werden. Durch die kontinuierliche Verfolgung dieser Parameter kann das System anomale Trends erkennen, bevor es zu einem deutlichen Leistungsabfall oder einem störungsbedingten Stillstand der Anlage kommt, und darauf basierend Wartungsmaßnahmen planen.

Fraunhofer IFAM plant, das Diagnosesystem direkt an die Gerätesteuerung oder das Energiemanagementsystem von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen anzuschließen. Zu den derzeitigen Schwerpunktanwendungen gehören PEM-Brennstoffzellen und alkalische Elektrolyseure; Betriebspersonal kann kontinuierlich Daten zum Gesundheitszustand der Anlage abrufen und darauf basierend Laststrategien, Wartungsintervalle sowie Betriebsparameter anpassen. Das Forschungsteam plant zudem, Echtzeit-Impedanzdaten mit KI-Modellen zu kombinieren, damit sich das Diagnosesystem an Änderungen externer Bedingungen wie Temperatur und Druck sowie an neue Elektroden- und Membranmaterialien anpassen kann.

Diese Technik befindet sich derzeit noch in der Phase der Erweiterung von Detektions- und Diagnosetechnik hin zur industriellen Anwendung und ist kein neues Produktionsprojekt für Elektrolyseure oder Brennstoffzellen. Der neu hinzugekommene Meilenstein besteht im Wesentlichen darin, dass die dynamische Impedanzspektroskopie nun Online-Tests unter Betriebsbedingungen von bis zu 30 Ampere ermöglicht und über die technische Grundlage für eine Integration in Gerätesteuerungssysteme verfügt. Das Fraunhofer-System treibt derzeit auch Forschungsarbeiten zu Echtzeitüberwachung von Elektrolyseuren, Materialdegradationsdiagnose und vorausschauender Wartung voran; die Industrialisierungsrichtung konzentriert sich auf die Verringerung ungeplanter Stillstände sowie die Verlängerung der Lebensdauer elektrochemischer Anlagen.