Wasserstoff-Technologien werden als vielversprechendes Schlüsselelement für eine erfolgreiche Energiewende gesehen. Eine Technologie zur CO₂-armen Herstellung von Wasserstoff ist die Elektrolyse, bei der Wasserstoff durch Aufspaltung von Wasser durch den Einsatz von elektrischem Strom erzeugt wird. Für diesen Prozess gibt es unterschiedliche Verfahren. Zu den gängigsten zählen neben der alkalischen und Hochtemperaturelektrolyse gegenwärtig auch die membranbasierten »Proton Exchange Membrane«, kurz PEM-Elektrolyse und die »Anion Exchange Membrane«, kurz AEM-Elektrolyse.

Um die effiziente Umwandlung von elektrischer in chemische Energie zu erreichen, muss die Stromdichte in den Elektrolysezellen gleichmäßig verteilt sein. Defekte und Materialveränderungen können Wirkungsgrad und Leistung beeinflussen. Daher werden in der Entwicklung von Materialien, Komponenten und Zellen Leistungs- und Belastungstests durchgeführt. Bisher erfolgte die Charakterisierung häufig mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie und Messungen der Polarisationskurve. Da diese Methoden jedoch von Natur aus nicht bildgebend sind, können laterale Ungleichheiten und lokale Schädigungen oder Defekte nicht abgebildet und damit auch nicht lokalisiert werden.

Am Fraunhofer IMWS wurde jetzt eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, Stromflüsse und elektrische Verluste abzubilden. Dieses neue »Variable-Frequency AC Excitation«, kurz »VACE-LIT«-Verfahren, kombiniert Aspekte der elektrochemischen Impedanzspektroskopie mit der Lock-in-Thermografie (LIT) und wird an einer PEM-Elektrolyse-Membran-Elektrodeneinheit angewendet. Die Lock-in-Thermografie ermöglicht die empfindliche Abbildung von Stromflüssen und elektrischen Verlusten mit hoher Auflösung auf der Zellenfläche und sogar tiefenaufgelöst. Bei herkömmlicher LIT können Defekte mittels kurzweilig unterbrochenen Gleichstroms (gepulster Gleichstrom), durch den periodisch Wärme in dem Untersuchungsobjekt erzeugt wird, und einer im mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich hochempfindlichen Kamera diagnostiziert werden. Das Problem dabei ist jedoch, dass die herkömmliche LIT, bei der gepulster Gleichstrom verwandt wird, nicht ohne gleichzeitige Wasserelektrolyse funktioniert.

Die Innovation bei der »VACE-LIT«-Methode ist die Verwendung von gepulstem Wechselstrom. Dadurch konnte gezeigt werden, dass PEMs stark inhomogene Stromdichten aufweisen können, die vermutlich auf Kontaktwiderstände im Schichtstapel zurückzuführen sind. Darüber hinaus weisen lokale Ströme, die bei niedrigen Frequenzen fließen, auf elektronisch leitende Defekte in der Membran hin.

Mit »VACE-LIT« wurde eine zerstörungsfreie Methode zur Aufklärung von elektrischen Inhomogenitäten und Defekten in Polymerelektrolytmembran-Elektrodeneinheiten, wie sie in Wasserelektrolyseuren und in ähnlicher Weise in Brennstoffzellen verwendet werden, entwickelt. Die neue Methode ermöglicht die Lokalisierung von Fehlern bis in den Mikrometerbereich und ist deshalb geeignet, Defektstellen bereits auf Zellebene zu lokalisieren. »Bisher ist noch nicht allgemein bekannt, welche Arten von mikrostrukturellen Defekten im Langzeitbetrieb von PEM- und AEM-Elektrolyseuren in voller Größe auftreten und welche dieser Defekte die größten negativen Auswirkungen auf Leistung und Effizienz haben. Die von uns entwickelte »VACE-LIT«-Methode ist jedoch prädestiniert für die erste Erkennung und Lokalisierung von Defektstellen auf Zellenebene, die am Anfang einer jeden mikrostrukturellen Defektaufklärung steht«, sagt Volker Naumann, Teamleiter »Defektdiagnostik«, Gruppe »Materialdiagnostik für H2-Technologien« am Fraunhofer IMWS.

Das »VACE-LIT«-Verfahren ist damit ein wesentlicher Baustein für eine schnelle und zielführende mikrostrukturelle Defektaufklärung, durch die wiederum die Gesamteffizienz und Lebensdauer von PEM- und AEM-Elektrolyseuren sowie von Brennstoffzellen mit geringerem Entwicklungsaufwand erhöht werden kann.