Neues Instrument stärkt Wettbewerbsfähigkeit des Brennstoffzellenmarktes
Brennstoffzellen, die mithilfe elektrochemischer Prozesse Strom erzeugen, bilden eine umweltfreundliche Alternative zu Konzepten auf der Basis fossiler Brennstoffe. Obwohl in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte in der Brennstoffzellentechnologie erzielt wurden, konnte sich diese vielversprechende Alternative zur Stromerzeugung noch nicht durchsetzen, da sie noch nicht so erschwinglich, verfügbar und zuverlässig wie konventionelle Lösungen ist. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts RUBY(öffnet in neuem Fenster) wird dazu beigetragen, hier Veränderungen herbeizuführen. Ein spezieller Werkzeugkasten mit einem Überwachungs-, Diagnose-, Prognose- und Steuerungsinstrument (Monitoring, Diagnostic, Prognostic, Control; MDPC) ist mit einem Echtzeitoptimierungsalgorithmus (Real Time Optimisation; RTO) zur Steuerung und elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS)(öffnet in neuem Fenster), einer weithin anerkannte Methode zur Untersuchung von in Brennstoffzellenstapeln auftretenden Phänomenen, ausgestattet, um die Effizienz von Brennstoffzellen zu verbessern und deren Kosten zu senken.
Stationäre Brennstoffzellen im Fokus
Brennstoffzellen, die weitaus umweltfreundlicher als mit fossilen Brennstoffen betriebene Energiesysteme sind, kommen in vielen Bereichen zum Einsatz, darunter im Verkehrssektor, bei der stationären Stromerzeugung und bei mobilen Anwendungen. Beim Einsatz von reinem Wasserstoff als Brennstoff erzeugen Brennstoffzellenstapel, die typischerweise Hunderte Zellen umfassen, als Nebenprodukte der Stromerzeugung lediglich Wasser und Wärme. Zwei der technologisch ausgereiftesten Brennstoffzellentypen sind Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), die hohe Temperaturen zum Funktionieren benötigen, und Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten. Das Team von RUBY hat Instrumente entwickelt, um beide Arten von Brennstoffzellen unter stationären Bedingungen zu bewerten.
MDPC, EIS und die RUBY-Lösung
Die elektrochemischer Impedanzspektroskopie beruht auf dem Konzept der Impedanz(öffnet in neuem Fenster), einem komplexen Maß für die Reaktion eines Materials auf das Fließen von Wechselstrom. Bei ihr wird ein Stromimpuls mit verschiedenen Frequenzen an den Brennstoffzellenstapel angelegt, und die resultierenden Spannungsantworten werden gemessen. Diese Messungen bilden das Spektrum der Impedanzdaten, auf die das MDPC-Instrument angewendet wird. Während die elektrochemische Impedanzspektroskopie den Industriestandard zur Analyse der elektrischen Eigenschaften von Brennstoffzellen bildet, wird dieser Ansatz mithilfe der RUBY-Innovationen wesentlich praktikabler gestaltet. „Elektrochemische Impedanzspektroskopie wird üblicherweise in Laborumgebungen mit teuren Instrumenten durchgeführt, aber das Team von RUBY hat die Möglichkeit aufgezeigt, EIS auf im Einsatz befindlichen Brennstoffzellensystemen zu implementieren. Der vorgeschlagene Ansatz eröffnet die Möglichkeit, eine effektive und kostengünstige Lösung für kommerzielle Brennstoffzellensysteme anzubieten“, erklärt Projektkoordinator Cesare Pianese.
Experimentelle PEMFC- und SOFC-Kampagnen
Das RUBY-Team testete die Wirksamkeit des MDPC-Instruments an 110 elektrochemischen Spektren von PEMFC-Systemen sowie 259 Spektren von SOFC-Systemen. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Pianese berichtet: „Der EIS-basierte Diagnosealgorithmus erkannte 100 % der fehlerhaften Zustände und isolierte 85 % der bei der PEMFC auftretenden Fehler, während bei der SOFC 100 % der fehlerhaften Zustände erkannt und 70 % der Fehler isoliert wurden.“ Zudem führte der im Rahmen des Projekts entwickelte Echtzeitoptimierungs-Steuerungsalgorithmus zu einer Steigerung des Wirkungsgrads des SOFC-basierten Kraft-Wärme-Kopplungssystems um 5 %. „Es ist erwähnenswert, dass diese Verbesserung in einem Bruchteil der Zeit und zu einem Bruchteil der Kosten erreicht wurde, die erforderlich wären, um einen vergleichbaren Leistungszuwachs durch eine größere Innovation bei Materialien oder Design zu erzielen“, erläutert Pianese. Die RUBY-Lösung ist nicht nur kostengünstig, sondern auch vielseitig. Das MDPC-Instrument, das sowohl auf der EIS-Diagnose als auch auf der RTO-Steuerung beruht, kann auf jede elektrochemische Vorrichtung angewendet werden. Viele der projektintern entwickelten Instrumente sind über die Projektwebsite öffentlich zugänglich. Die Fortschritte innerhalb von RUBY haben dazu beigetragen, dass umweltfreundliche Brennstoffzellen einer breitangelegten Markteinführung ein großes Stück nähergekommen sind.
