8.000 A-Netzgeräte versorgen Teststand

Die Energiewende braucht CO₂-freie Energieträger wie Wasserstoff. In Elektrolysezellen wird Wasser mit Strom zu H₂ und O₂ gespalten. Membranen/Katalysatoren werden optimiert und Zellflächen skaliert. Effizienz und Alterung werden per EIS geprüft; kompakte Netzteile liefern hohe Ströme und AC bis 10 kHz zur Analyse.

Was im Labor als Versuchsmuster funktioniert, kann im großen Maßstab neue, noch unbekannte Eigenschaften aufweisen. Das gilt auch für die Komponenten von Elektrolysezellen und ihre Zusammenschaltung zu anwendungstauglichen Stapeln (Stacks). Hier muss das Zusammenspiel der Teile in den einzelnen Zellen ebenso analysiert werden wie die Verbindung der Zellen untereinander und ihr Verhalten im Verbund. Halten die Membranen bei der großen Fläche in Verbindung mit den Stützstrukturen stand? Schwanken die Eigenschaften der einzelnen in Serie geschalteten Zellen? Und falls ja, wie limitierend sind „schlechte“ Zellen im Verbund? Über allem steht die große Frage: Wie lässt sich aus den gewonnenen Daten ein zyklisches Überwachen im Betrieb sicherstellen, um so Informationen zum „State of Health“ des Elektrolysezellen-Stacks zu bekommen?

Die EIS ist ein weit verbreitetes, 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 Stack-Designs, gibt Einblicke in die Spannungsunterschiede zwischen den Zellen und erlaubt eine Beschreibung von Stack-Teilen wie z. B. Bipolarplatten sowie deren Einfluss auf die Leistung des Stacks. Zudem können Daten zum Gesundheitszustand der Zellen und Stacks und deren Alterungsverhalten gewonnen werden. Die Wissenschaftler der HyCentA Research GmbH aus Graz sind bei der Auswertung der Daten großer Stacks führend. Um programmierbare Messreihen für einen Automatikbetrieb des Teststandes und möglichst wenig Messartefakte zu erhalten, arbeiten sie dabei mit der österreichischen Ing. Erhard Fischer GmbH zusammen, die als OEM und Spezialist für anspruchsvolle Stromversorgungen und Netzteile Stromversorgungsmodule des Schweizer Herstellers Regatron zuliefert. Alle drei Unternehmen arbeiten dabei eng zusammen, um das „Neuland“ der nachhaltigen, industriellen Wasserstofferzeugung auch messtechnisch zu erfassen. Denn essenziell für eine aussagekräftige Messung ist eine zuverlässige, dynamische und sehr genau reproduzierbar einstellbare DC-High-Power-Stromversorgung mit überlagerten, exakt einstellbaren Frequenzen.

Hochstromversorgung versus kleine Messwerte 

Für eine wirtschaftliche 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 auch der leistungstechnische Versorgungsaufwand. Die Ströme liegen jedoch noch immer im Bereich von mehreren tausend Ampere Gleichstrom. Dipl.-Ing. Joshua Eder, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Dissertant 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 nicht lineares Verhalten zu vermeiden. Es wird ein kleiner Wechselstrom 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.“ Im Prüfstand können unterschiedliche Stacks untersucht werden, je nach Strombedarf können die modular aufgebauten Netzteile dafür bis zu einer 8.000 Ampere starken Stromversorgung zusammengeschaltet werden. Diese Stromversorgung aus einer Hand erleichtert auch die Programmierung und den Ablauf der Versuchsabläufe enorm.

Skalierbar, programmierbar und modular 

Je nach Versuchsanordnung lässt sich so die Leistung der Stromversorgung anpassen, viele Messungen stellen aber 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. Sie können so exakt nach den Programmiervorgaben die Stacks laden sowie entladen. Anders als beim Einsatz von Widerständen ist man dabei uneingeschränkt 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.“

Interne Abläufe sparen Entwicklungszeit 

Im harten Betriebsalltag müssen die Zellen und Stacks zuverlässig arbeiten. Bedenkt man, dass moderne Elektrolysezellen mit bis zu 40 bar Innendruck betrieben werden, wird schnell klar, dass auch rein mechanische Veränderungen der Zellkomponenten und Dichtungen große Auswirkungen haben können. Das Design muss dann entsprechend angepasst werden. Selbst zu diesen Fehlerquellen können EIS-Messungen Auskunft geben. Momentan arbeiten die Grazer Spezialisten daran, Bewertungskurven zu unterschiedlichen Betriebsszenarien aus den Messwerten zu generieren. Dies erfordert umfangreiches Wissen über die elektrochemischen Auswirkungen von Abweichungen in der Zelle oder dem Gesamtverhalten der Stacks. Ziel ist es, nicht nur einzelne Fehler anhand der Messungen aufzudecken und zu bewerten, sondern auch Referenzkurven zu erstellen, die dann 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 einmal eingerichtetes, absolut stabiles Messsystem unabdingbar. Hier sind Versorgungsmodule, welche alle Anforderungen in einem Gerät integrieren, ideal, da alle Komponenten aufeinander abgestimmt sind. Mit ihrer Forschung leisten die Grazer also einen wichtigen Beitrag für die Skalierung der Wasserstoffwirtschaft mit zuverlässigen Elektrolysemodulen.

Autoren: Ing. Martin Sochor, Projektingenieur & First-Level-Support bei Ing. Erhard Fischer GmbH und Dipl. Chem. Andreas Zeiff, Redaktionsbüro Stutensee

Bilder: Ing. Erhard Fischer GmbH, Regatron AG, HyCentA Research GmbH