title: Elektrochemische Charakterisierung von Elektrolyse Stacks mittels Impedanzspektroskopie
Creators: name: Weiskopf, Clemens
Publisher: name: FH CAMPUS 02 (CAMPUS 02 Fachhochschule der Wirtschaft)
Year: 2024
Subjects: subject: 537 Elektrizität, Elektronik

description: Angesichts der Energiekrise wird Power-to-Gas als einzige praktische Lösung für die saisonübergreifende Langzeitspeicherung von Energie und als Antwort auf die schwankende und wachsende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien angesehen. Die Grundlage dieser Technologie ist die Erzeugung von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mittels Elektrolyse Stacks, die aus mehreren Zellen bestehen. Bei der Entwicklung dieser Zellen wird die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) als zerstörungsfreie Methode zur Überwachung des Betriebszustandes eingesetzt. Diese Methode erlaubt es, bestimmte Phänomene von Aktivierungs- und Degradationsprozessen nicht nur einer bestimmten Zelle, sondern auch den Zellkomponenten zuzuordnen. Über ein Ersatzschaltbild können die Veränderungen empirisch über die Komponentenwerte ermittelt und dokumentiert werden. Da EIS-Messungen meist an Einzelzellen beziehungsweise kleinen Stapeln erfolgen, sind bis auf wenige Ausnahmen keine Geräte zur Messung von Stapeln mit einer Stromaufnahme größer als 30 A am Markt erhältlich. Um diese Einschränkung zu umgehen, wurde im Zuge des EU-Projektes Recycalyze (ID: 861960) von der HyCentA Research GmbH ein eigener Aufbau zur Gewinnung der Messdaten entwickelt. Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Datenverarbeitung und Auswertung dieser Messungen. Dazu wird die Frequenzanalyse hinsichtlich der Genauigkeit in Abhängigkeit von der Messdauer und Phänomenen wie spektralen Leckagen untersucht. Außerdem wird der Einfluss verschiedener Fenster verglichen und bewertet. Um die Auswirkungen auf die Membranelektrodenanordnung (MEA) zu zeigen, werden einfache Ersatzschaltbilder simuliert und gezeigt. Die Veränderung der Bauteilwerte kann bestimmte Effekte zeigen, die im Nyquist Plot aufgezeigt und mit gemessenen Impedanzkurven verglichen werden können. Die Frequenzanalyse, sowie die grafische Aufbereitung und Archivierung erfolgt in der Programmiersprache JULIA. Zur Validierung des Messaufbaus und der Datenauswertung wurde eine Messung mit einem marktüblichen Produkt, bei geringer Stromdichte, erfolgreich durchgeführt. Mit diesem Messaufbau und der Datenauswertung kann die HyCentA Research GmbH Messungen in einem Leistungsbereich anbieten, die bisher nicht möglich waren.
description: As the energy crisis evolves, Power-to-Gas is seen as the only practical solution for cross-seasonal longtime storage of energy and the answer to the fluctuating and growing renewable power generation. The foundation of this technology is the production of green hydrogen by electrolysis of water via electrolysis stacks which consist of multiple cells. For the development of these cells, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is used as a nondestructive method to monitor the condition in operation. This method allows to identify and assign certain phenomena of activation and degradation processes not only to cells but to the cell components. By means of fitting an equivalent electric circuit these changes can be determined and documented empirically by the component values. Since this is mostly done on single cells respectively small stacks, there are as of yet no devices on the market to measure stacks with a current consumption bigger than 30 A. Consequently, in order to bypass this restriction, HyCentA Research GmbH developed its own setup for obtaining the measurement data in the course of the EU project Recycalyze. The objective of this master’s thesis is the data processing and analysing of this measurements. Therefore, the frequency analysis is investigated concerning accuracy depending on the measurement duration and phenomena like spectral leakage. Additionally, the influence of different windows is compared and evaluated. To show the effects of change in the membrane electrode assembly (MEA), simple equivalent circuits are shown and simulated. Changing the component values can show certain effects, which can be pointed out in the Nyquist plot and compared to measured impedance curves. The frequency analysis, the graphical preparation and archiving is done in the programming language JULIA. To validate the measurement setup and data analysis, a measurment with a market available product was successfully done, at low current density. With this measurement setup and data evaluation the HyCentA Research GmbH can offer measurements in a power range which has not been possible up to now.