PEM Testing: Standardisierter Einzelzell Teststand für PEM-Elektrolyseure

Test und Optimierung Ihrer Zelle

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Einzelzell Teststand

Die nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff als sauberer Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere vor dem Hintergrund der globalen Bemühungen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und der Abkehr von fossilen Brennstoffen. Protonenaustauschmembran (PEM)-Elektrolyseure sind dabei eine Schlüsseltechnologie, da sie durch Elektrolyse von Wasser unter Einsatz erneuerbarer Energien hochreinen Wasserstoff erzeugen können.

Um die Effizienz, Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit dieser Systeme kontinuierlich zu verbessern, sind reproduzierbare Untersuchungen und Optimierungen auf Zellebene unerlässlich. Hier kommt der standardisierte Einzelzellen-Teststand ins Spiel, der es ermöglicht, einzelne Zellen unter kontrollierten Bedingungen systematisch zu charakterisieren und zu bewerten. Ein solcher Teststand ist nicht nur für die Forschung und Entwicklung, sondern auch für die industrielle Qualitätskontrolle von zentraler Bedeutung. Durch standardisierte Testprotokolle und -verfahren können vergleichbare und reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden, die einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung und Optimierung von PEM-Elektrolyseuren leisten.

 

Bedeutung und Ziele beim PEM-Elektrolyseur-Testing

Ein standardisierter Einzelzellen-Teststand ermöglicht die systematische Untersuchung der Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Effizienz einzelner Zellen unter kontrollierten Bedingungen. Ziel ist es, die Materialeigenschaften, Betriebsparameter und Degradationsmechanismen besser zu verstehen, um die Gesamteffizienz und Lebensdauer der PEM-Elektrolyseure zu verbessern. Dabei spielen die Berichterstattung und Analyse der Testergebnisse eine entscheidende Rolle.

Ein standardisierter Einzelzellen-Teststand für PEM-Elektrolyseure bietet zahlreiche Vorteile und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, die maßgeblich zur Weiterentwicklung und Optimierung dieser Technologie beitragen.

Vorteile und Anwendungen eines standardisierten Einzelzell Teststands

Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Teststands ist die Vergleichbarkeit der Ergebnisse. Durch die Nutzung standardisierter Testmethoden und -protokolle können Forschungseinrichtungen und Hersteller ihre Ergebnisse direkt miteinander vergleichen. Dies fördert die Zusammenarbeit und den Austausch von Erkenntnissen und beschleunigt somit die Innovationsprozesse in der Entwicklung von PEM-Elektrolyseuren. Die parallele Ausführung von Testsequenzen ermöglicht eine effiziente und zuverlässige Prüfung der Systeme.

Darüber hinaus spielt der Einzelzellen-Teststand eine wichtige Rolle in der Qualitätskontrolle. Hersteller können die Leistung und Zuverlässigkeit ihrer Produkte vor der Serienfertigung überprüfen. Durch die präzise Charakterisierung einzelner Zellen lassen sich mögliche Schwachstellen frühzeitig identifizieren und beheben, was zu einer höheren Produktqualität und geringeren Ausfallraten führt. Der Einsatz der DILICO Hydrogen Cell Test Systems für das Management von Prüf- und Validierungssystemen unterstützt dabei die Sequenzierung und Parallelisierung von Prüfschritten.

In der Forschung und Entwicklung ermöglicht der Teststand eine gezielte Untersuchung neuer Materialien und Konzepte. Forscher können die Auswirkungen unterschiedlicher Betriebsbedingungen und Materialkombinationen auf die Leistung und Lebensdauer der Zellen untersuchen. Dies ist besonders wichtig für die Entwicklung neuer, effizienterer Katalysatoren und Membranen, die die Effizienz und Langlebigkeit der PEM-Elektrolyseure verbessern können. Die robusten automatisierten Test- und Validation Systems gewährleisten dabei eine zuverlässige Validierung der Testergebnisse.

Validierung der Testergebnisse

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur Durchführung detaillierter Langzeit- und Degradationstests. Durch die Simulation realer Betriebsbedingungen und die Beobachtung der Zellen über längere Zeiträume können Forscher die Degradationsmechanismen besser verstehen und Strategien zur Verlängerung der Lebensdauer entwickeln. Dies ist entscheidend für die wirtschaftliche Rentabilität und Akzeptanz der Technologie.

 

Zusätzlich erlaubt der standardisierte Einzelzellen-Teststand die Durchführung dynamischer Tests. Diese sind wichtig, um die Robustheit der Zellen gegenüber Lastwechseln und Start-Stopp-Zyklen zu prüfen, die im realen Betrieb unvermeidlich sind. Die Ergebnisse solcher Tests tragen zur Entwicklung von Steuerungsstrategien bei, die die Effizienz und Stabilität der PEM-Elektrolyseure im praktischen Einsatz maximieren.

Ihre Ansprechpartner

Philipp Kühne

Leiter DILICO CURR TEMP

Maik Heuer

Geschäftsführer

Ali Golmohammadi

Leiter DILICO HCTS-50

Aufbau und Komponenten des Teststandes

Ein standardisierter Einzelzellen-Teststand für PEM-Elektrolyseure ist ein komplexes System, das aus mehreren wesentlichen Komponenten besteht. Jede Komponente spielt eine spezifische Rolle bei der präzisen Charakterisierung und Bewertung der Leistungsfähigkeit von Einzelzellen.

1. Testzelle

Die Testzelle ist das Herzstück des Teststands. DILICO bietet die Testzelle von der baltic FuelCells GmbH zur Anwendung in dem Teststand mit an. Eigene Testzellen sind nach Absprache ebenfalls möglich. Die Testzelle umfasst folgende Elemente:

  • Membran-Elektroden-Einheit (MEA): Besteht aus einer Protonenaustauschmembran, die auf beiden Seiten mit Katalysatorschichten (Anode und Kathode) versehen ist.
  • Bipolarplatten: Verteilen den Strom und sorgen für die Zufuhr von Wasser sowie die Abfuhr von Wasserstoff und Sauerstoff.
  • Dichtungen: Verhindern Leckagen und sorgen für die notwendige Dichtheit des Systems.

 

2. Stromversorgung

Eine präzise und regelbare Stromquelle ist notwendig, um die erforderlichen Betriebsbedingungen zu simulieren:

  • Gleichstromversorgung: Liefert den regelbaren, konstanten Gleichstrom, der für die Elektrolyse von Wasser benötigt wird.

 

3. Gasmanagement-System

Das Gasmanagement-System sorgt für die kontrollierte Zufuhr von Wasser und die Abfuhr der entstehenden Gase:

  • Wasserzufuhrsystem: Stellt das Wasser für die Elektrolyse bereit und reguliert den Wasserfluss.
  • Gasabfuhrsystem: Leitet den erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff ab und misst deren Reinheit und Menge.

4. Temperaturregelung

Die Temperaturregelung ist entscheidend für die Stabilität und Effizienz der Testzelle:

  • Heiz-/Kühlsysteme: Halten die Testzelle auf einer konstanten Betriebstemperatur.
  • Temperatursensoren: Überwachen die Temperatur und sorgen für präzise Regelung.
  • Wasser-Vowärmung: Für Elektrolyse

 

5. Mess- und Überwachungseinrichtungen

Um die Leistung und den Zustand der Testzelle zu überwachen, sind verschiedene Sensoren und Messgeräte notwendig:

  • Spannungsmessung: Überwacht die Zellspannung und identifiziert Leistungsverluste.
  • Strommessung: Misst den Stromfluss durch die Zelle, um die Effizienz zu berechnen.
  • Stromdichtemessplatine (optional): DILICO CURR TEMP für baltic qCF 25 cm² oder 50 cm²
  • Crossover-Sensoren: Bestimmen den Anteil von Sauerstoff im Wasserstoff und umgekehrt.
  • Drucksensoren: Überwachen den Druck in der Testzelle.
  • EIS-Messung (optional): über DILICO CURR TEMP

 

6. Datenaufzeichnung und -analyse

Ein effizientes System zur Datenaufzeichnung und -analyse ist erforderlich, um die während der Tests gesammelten Informationen zu verarbeiten und auszuwerten:

  • Datenerfassungssysteme: Speichern kontinuierlich alle Messdaten.
  • Software zur Datenanalyse: Ermöglicht die Auswertung und Visualisierung der Testergebnisse. Der Teststand kann zudem auf Kundenwunsch erweitert werden, z. B. für die Berichterstellung und Datenbankprotokollierung, um die Anforderungen jeder Umgebung zu erfüllen.

 

7. Steuer- und Kontrollsystem

Die Temperaturregelung ist entscheidend für die Stabilität und Effizienz der Testzelle:

  • Automatisierungssystem: Steuert die Abläufe und stellt sicher, dass alle Komponenten synchron arbeiten.
  • Benutzeroberfläche: Ermöglicht die einfache Bedienung und Überwachung des Teststands durch den Anwender. Darüber hinaus kann der Anwender verschiedene Programmabläufe für Tests einspeichern und automatisiert abspielen lassen.

Mögliche Testprotokolle und Test Sequenzen zur Auswertung der Daten

Testprotokolle und Verfahren ermöglichen eine umfassende Charakterisierung und Bewertung von PEM-Elektrolysezellen. Durch die systematische Anwendung folgender Methoden können die Leistungsfähigkeit, Effizienz und Lebensdauer der Zellen optimiert werden und somit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung der PEM-Elektrolyse-Technologie darstellen. Test Sequences können dabei helfen, verschiedene Code-Module zu integrieren und die Geschwindigkeit sowie parallele Ausführung zu optimieren, bevor die Testsysteme in die Produktion überführt werden.

Leistungskennlinien (Polarisation):
Die Erstellung von Leistungskennlinien ist ein zentrales Verfahren zur Bewertung der Effizienz und Leistungsfähigkeit einer PEM-Elektrolysezelle. Dabei wird die Zellspannung in Abhängigkeit von der Stromdichte gemessen. Dieses Verfahren hilft, die Überpotentiale und damit die Energieverluste in der Zelle zu quantifizieren.

Lebensdauertests:
Langzeituntersuchungen sind entscheidend, um die Degradation und Lebensdauer der Zellen unter realen Betriebsbedingungen zu bestimmen. Diese Tests simulieren den Dauerbetrieb der Zellen und erfassen die Veränderungen in der Leistung über die Zeit.

Impedanzspektroskopie:
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der internen Widerstände und Reaktionsmechanismen innerhalb der Zelle. Diese Methode hilft, die unterschiedlichen Widerstandskomponenten (z.B. Ohmscher Widerstand, Ladungstransferwiderstand) zu identifizieren.

Dynamische Tests:
Dynamische Tests simulieren reale Betriebsbedingungen, bei denen die Zelle Lastwechseln und Start-Stopp-Zyklen ausgesetzt ist. Diese Tests sind wichtig, um die Robustheit und Zuverlässigkeit der Zellen unter variablen Bedingungen zu bewerten.

Gasreinheitsmessungen:
Die Reinheit des erzeugten Wasserstoffs und Sauerstoffs ist ein kritischer Parameter für die Bewertung der Leistungsfähigkeit von PEM-Elektrolyseuren. Die Gasreinheit wird durch Messung der Konzentrationen von Wasserstoff im Sauerstoff und umgekehrt festgestellt.

Effizienztests:
Die Effizienz der Zelle wird durch die Faraday-Effizienz und die Energieeffizienz bestimmt. Diese Tests helfen, die Umwandlungseffizienz von elektrischer Energie in chemische Energie (Wasserstoff) zu bewerten. Testsystems bieten dabei eine umfassende Einsicht in den Testprozess und die Ergebnisse, was die schnelle Entwicklung robuster automatisierter Test- und Validierungssysteme ermöglicht.

Der gesamte Testing Process wird durch die Nutzung von Teststand-Software erleichtert, die eine intuitive Benutzeroberfläche und vollständige Sichtbarkeit in den Testprozess und die Ergebnisse bietet.

DILICO: Ihr Partner für standardisierte Zell Teststände

In einer Zeit, in der die nachhaltige Energieerzeugung und die Optimierung von Wasserstofftechnologien von entscheidender Bedeutung sind, bietet DILICO Ihnen innovative Lösungen für die Entwicklung und Bewertung von PEM-Elektrolyseuren. Mit unserem umfassenden Know-how und unserer langjährigen Erfahrung im Bereich der Elektrochemie sind wir der ideale Partner für Ihre Anforderungen an standardisierte Einzelzell-Teststände.

 

Unsere Teststände sind darauf ausgelegt, präzise und reproduzierbare Daten zu liefern, die essenziell für die Weiterentwicklung und Optimierung Ihrer PEM-Elektrolysezellen sind. Wir bieten Ihnen standartisierte Testlösungen, die alle relevanten Parameter wie Leistungskennlinien, Lebensdauer, Impedanzspektroskopie, dynamische Betriebsbedingungen und Gasreinheit umfassen.