Echtzeit-Diagnose für Elektrolyseure und Brennstoffzellen im Betrieb

Materialalterung und Leistungsabfall stellen Elektrolyseure und Brennstoffzellen vor technische Herausforderungen. Wechselnde Belastungen, zum Beispiel durch die fluktuierende Einspeisung erneuerbarer Energien, können die Lebensdauer verkürzen und die Wartungskosten erhöhen.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM haben deshalb ein Diagnosesystem auf Basis der dynamischen Impedanzspektroskopie weiterentwickelt. Es soll Veränderungen in elektrochemischen Systemen während des laufenden Betriebs erfassen und Hinweise auf beginnende Degradationsprozesse liefern.

Impedanzmessung unter wechselnden Betriebsbedingungen

Bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) werden Strom- und Spannungsantwort eines Systems bei unterschiedlichen Frequenzen untersucht. Die klassische EIS setzt für ihre Standardauswertung näherungsweise lineare und zeitinvariante Bedingungen voraus. Bei sich verändernden Betriebszuständen stößt dieser Ansatz daher an Grenzen.

Die dynamische Impedanzspektroskopie erweitert das Verfahren auf zeitveränderliche elektrochemische Systeme. Beim IFAM-Ansatz wird dem normalen Betriebsstrom ein kleines Multifrequenzsignal überlagert. Gleichzeitig misst das System die Reaktion von Strom und Spannung. Daraus lässt sich die komplexe Impedanz bestimmen. „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 Dr. Hermann Pleteit, Projektleiter am Fraunhofer IFAM.

Die frequenzabhängige Impedanz kann Hinweise auf unterschiedliche physikalische und chemische Vorgänge im System geben. Dazu zählen unter anderem Elektrodenreaktionen, der Ionentransport durch die Membran, elektrische Kontaktwiderstände und der Stofftransport. Veränderungen der Spektren können den Forschenden zufolge beispielsweise auf verschlechterte Elektrodenreaktionen, Korrosion, nachlassende Kontakte oder Probleme mit Membran und Stofftransport hindeuten.

Betriebsströme bis 30 Ampere

Das Fraunhofer IFAM hat das Verfahren nach eigenen Angaben vom bisherigen Labormaßstab auf höhere Betriebsströme übertragen. Bis zu 30 A können demnach mit dem Messsignal überlagert werden. Eine integrierte Online-Datenverarbeitung berechnet die zeitliche Entwicklung der Impedanz und stellt sie direkt dar.

Damit sollen Veränderungen erkannt werden, bevor sie zu größeren Leistungseinbußen oder Ausfällen führen. „Anstatt erst zu reagieren, wenn die Anlage bereits steht, können wir Wartungsarbeiten exakt voraussagen und teure Ausfallzeiten vermeiden“, sagt Pleteit. Wie genau sich Wartungszeitpunkte damit unter realen Einsatzbedingungen prognostizieren lassen, beziffert das Institut in seiner Mitteilung allerdings nicht.

Das ist neu und hier liegen die Grenzen

Die dynamische Impedanzspektroskopie selbst ist keine neue Messtechnik. Eine 2019 im Fachjournal Electrochimica Acta veröffentlichte Arbeit von Alberto Battistel und Fabio La Mantia verweist darauf, dass entsprechende Ansätze bereits in den 1970er-Jahren entwickelt wurden. Die jetzt vorgestellte Weiterentwicklung liegt laut IFAM vor allem darin, das Verfahren auf höhere Betriebsströme und größere Systeme zu übertragen und die Impedanz während des laufenden Prozesses online auszuwerten.

Auch die dynamische Messung hat jedoch methodische Grenzen. Eine 2026 im Fachjournal Current Opinion in Electrochemistry erschienene Übersichtsarbeit zur dynamischen Impedanzspektroskopie hält fest, dass sich das untersuchte System auf den von der Messung erfassten Zeitskalen langsam genug verändern muss. Die Autoren nennen zudem ein standardisiertes Validierungsverfahren für nichtstationäre Impedanzspektren als weiterhin offene Herausforderung.

Integration in die Anlagensteuerung

Das Diagnosesystem soll sich nach Angaben des Fraunhofer IFAM direkt in die Anlagensteuerung beziehungsweise ein Energiemanagementsystem integrieren lassen. Als mögliche Anwendungen nennt das Institut PEM-Brennstoffzellen und alkalische Elektrolyseure. Die kontinuierlich ermittelten Zustandsdaten könnten dabei helfen, Degradationsprozesse frühzeitig zu erkennen und Betriebsstrategien anzupassen.

Auch KI-basierte Modelle sollen bei der Auswertung zum Einsatz kommen. Laut Pleteit könnten die Ergebnisse damit auf veränderte Umgebungsbedingungen wie Druck- und Temperaturschwankungen sowie auf neue Materialzusammensetzungen übertragen werden.