Elektrolysezellen sind dem Labormaßstab entwachsen. Zellen in industriell einsetzbarer Größe sind nun zu vermessen, beispielsweise in Bezug auf Effizienz und Alterung. Dazu eignet sich wie im Labormaßstab die Elektrochemische Impedanz-Spektroskopie, kurz EIS. Dabei wird die Impedanz, also der Wechselstromwiderstand elektrochemischer Systeme, als Funktion der Frequenz eines Wechselstromes bestimmt. Das betrifft beispielsweise Veränderungen im Widerstand eines Elektrolyten, einer Membran oder des Katalysators bzw. des Schichtaufbaus der Zellen im Stack.
Was im Labor als Versuchsmuster funktioniert, kann im großen Maßstab andere Eigenschaften aufweisen. Entscheidend ist daher das Zusammenspiel der Zellen im Verbund – von mechanischer Stabilität bis zu Streuungen einzelner Zellen und deren Einfluss auf den Gesamtstack. Ein Ziel ist ein belastbares Monitoring des State of Health (SoH) bei provozierter Alterung – und perspektivisch eine End-of-Line-Kontrolle direkt in der Fertigung.
Die EIS ist ein zerstörungsfreies Verfahren zum Charakterisieren von elektrochemischen Vorgängen wie Korrosion, Superkondensatoren, Batterien, Brennstoff- und Elektrolysezellen. Sie bietet eine gute Möglichkeit, während des Betriebs die Vorgänge in den Stacks zu beobachten. Damit erschließt sie neue Kenntnisse zum Verständnis des Stackdesigns, gibt Einblicke in die Spannungsunterschiede zwischen den Zellen und erlaubt eine Beschreibung von Stackteilen wie zum Beispiel Bipolarplatten sowie deren Einfluss auf die Leistung des Stacks. Zudem können Daten zum State of Health der Zellen und Stacks und deren Alterungsverhalten gewonnen werden.
Die Wissenschaftler von HyCentA Research aus Graz sind auf die Auswertung der Daten großer Stacks spezialisiert. Die zuverlässige, dynamische und sehr genau reproduzierbar einstellbare DC-High-Power-Stromversorgung mit überlagerten, exakt einstellbaren AC-Frequenzen ist für eine aussagekräftige Messung essenziell. HyCentA Research arbeitet dafür mit der österreichischen Ing. Erhard Fischer zusammen, die als OEM und Spezialist für Stromversorgungen und Netzteile wiederum Stromversorgungsmodule des Schweizer Herstellers Regatron zuliefert.
Hochstromversorgung versus kleine Messwerte
Für eine großskalige Wasserstofferzeugung sind hohe Spannungen und hohe Ströme mit Leistungen bis in den Megawattbereich nötig. Für wissenschaftliche Untersuchungen und Entwicklungen genügen hier aber schon etwa zehn der sonst bis zu 160 in Serie geschalteten Zellen. Damit sinkt die nötige Leistung. Die Ströme liegen jedoch noch immer im Bereich von mehreren tausend Ampere Gleichstrom. Joshua Eder, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand bei HyCentA Research führt dazu weiter aus: „Für eine zuverlässige Messung bei diesen hohen Stromstärken sind neben einem durchdachten Prüfstandsaufbau sehr konstante Wechselstromamplituden unabdingbar, um Fehler durch nichtlineares Verhalten zu vermeiden.“
Für die Messung wird dem starken Gleichstrom ein kleiner Wechselstrom mit einer Frequenz bis zu 10 kHz aufgeprägt, wodurch die Spannung auch an den Zellen oszilliert. Dabei werden der Strom und der Phasenwinkel zu den jeweiligen Spannungen gemessen. Zwischen Spannung und Strom besteht ein linearer Zusammenhang, wenn die Amplitude klein genug gewählt wird. Das können Amplituden in Stromstärken von ein paar Ampere bis zu über hundert Ampere sein, abhängig von der aktiven Zellfläche der Zellen. Kleinere Zellflächen haben größere Widerstände und brauchen somit weniger Anregungsstrom, um eine messbare Spannungsantwort zu liefern. „Dafür kommen die G5-Stromversorgungen mit dem G5-Funktionsgenerator von Regatron zum Einsatz, die ideal aufeinander abgestimmt sowohl die hohen Betriebsströme als auch die überlagerte AC-Modulation liefern. Zeitintensive Einstellungen und Analysen der Interferenzen, wie sie bei separaten Gleich- und Wechselstromquellen auftreten, entfallen dadurch“, sagt Eder.
Im Prüfstand von HyCentA Research können Stacks unterschiedlicher Bauart und Leistung untersucht werden. Je nach Strombedarf können die modular aufgebauten Netzteile dafür bis zu einer 8.000 Ampere starken Stromversorgung zusammengeschaltet werden.
© HyCentA Research GmbH
Lastwechsel präzise programmierbar
Viele Messungen stellen weitere Anforderungen an die Versorgungsmodule. Um beispielsweise Alterungsprozesse in den Zellen zu provozieren, müssen die Stacks für spezielle Untersuchungen in häufigen Zyklen hochgefahren und dann schnell wieder abgeschaltet werden. Zuschaltbare Widerstände sind dafür nicht ideal, da variable Entladungen nur sehr aufwändig umzusetzen sind.
Die in Graz eingesetzten Module arbeiten daher im bidirektionalen Betrieb. Anders als Widerstandslösungen ist man dabei frei bei der Programmierung des Stromanstiegs oder -abfalls. Joshua Eder erklärt: „Die Module sind für uns die Grundlage, um effiziente Messungen durchführen zu können. Sie kosten zwar mehr als Standard-Versorgungsmodule, sparen aber enorme Arbeitskosten für Vorbereitungszeit und Abstimmungsarbeiten ein. Auch erleichtern die vielfältigen Schnittstellen die Einbindung in den Teststand und die Programmierung der gewünschten Abläufe. Nur so lassen sich lange Testreihen zuverlässig ausführen und die gewonnenen Daten für die folgende Auswertung möglichst störungsfrei speichern.“
Gezielter entwickeln
Moderne Elektrolysezellen werden mit bis zu 40 bar Innendruck betrieben. Auch rein mechanische Veränderungen der Zellkomponenten und Dichtungen können daher große Auswirkungen haben. Auch zu diesen Fehlerquellen können EIS-Messungen Auskunft geben. Momentan arbeitet HyCentA Research daran, Bewertungskurven zu unterschiedlichen Betriebsszenarien aus den Messwerten zu generieren, die zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden können.
Für einen industriellen Einsatz als End-of-Line-Kontrolle sind weitere, umfangreiche Testreihen nötig. Während man bei Versuchsständen noch Betriebs- und Regelparameter bei unzureichender Messgenauigkeit anpassen kann, ist für die automatische Kontrolle ein stabiles Messsystem unabdingbar, idealerweise mit einem Versorgungsmodul, das alle Anforderungen integriert. Die Arbeiten von HyCentA Research liefern damit wichtige Voraussetzungen für eine zuverlässige Qualitätsprüfung von Elektrolyse-Stacks im industriellen Maßstab.
