Elektrolyselabor

In unserem Elektrolyselabor forschen wir auf ~ 700 m² an innovativen Technologien zur Entwicklung und Optimierung leistungsfähiger Materialien und Komponenten für die Elektrolyse mit Protonen-Austausch-Membran (Proton Exchange Membrane, PEM) und Anionen-Austausch-Membran (Anion Exchange Membran, AEM). Wir entwickeln neuartige Zell- und Stackdesigns, führen zur Charakterisierung elektrochemische Kurzzeitmessungen mit unseren maßgeschneiderten Testständen durch und analysieren die Material- und Stoffeigenschaften der Komponenten mit verschiedenen Messmethoden. Zum Verständnis der Alterungsmechanismen und zur Ableitung von Schnellalterungstests untersuchen wir die Dauerhaltbarkeit der Prüflinge anhand automatischer Langzeitmessungen.

In der Produktionsforschung konzentrieren wir uns auf Herstellungsverfahren für Membranelektrodeneinheiten (MEA). Wir optimieren die Produktionsprozesse vom Katalysatorpulver bis zur MEA und begleiten unsere Kunden bei der Umsetzung einer industriellen Fertigung.

Mit dem Monitoring der Elektrolyseure unserer Kunden runden wir unser Angebot durch die Entwicklung von Betriebsführungskonzepten inklusive Messungen zur zustandsorientierten Instandhaltung ab.

Unser Service richtet sich an Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die Komponenten und Systeme zur Wasserstofferzeugung entwickeln und herstellen.

Unser interdisziplinär zusammengesetztes Team verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Charakterisierung von Materialien und Komponenten für die Elektrolyse und im Engineering von Elektrolysetestständen und -systemen.

Virtueller Rundgang durch das Elektrolyselabor des Fraunhofer ISE

Material- und Komponentenscreenings

Elektrolyselabor: Along-the-Channel-Testzelle
© Fraunhofer ISE / Foto: Joscha Feuerstein
Segmentierte Along-the-Channel-Testzelle zur ortsaufgelösten Untersuchung von Verlustmechanismen in der Elektrolyse.

Zur elektrochemischen Charakterisierung von Materialien und Komponenten für Elektrolyseure stehen uns verschiedene eigenentwickelte Laborzellen zur Verfügung. 

 

60 cm² Along-the-Channel-Testzelle

  • Für detaillierte ortsaufgelöste Untersuchungen von Stromdichte, Temperatur und elektrochemischer Impedanz bis 80 °C und 15 bar (ü)
  • Mit 10 Segmenten und 3 Referenzelektroden am Eingang, in der Mitte und am Ausgang

 

25 cm2 Testzelle

  • Für Druckmessungen bis 80 °C und 30 bar (ü)
  • Mit Referenzelektroden auf der Anode und Kathode

 

4 cm² Testzelle

  • Für Standardmessungen bis 80 °C und 6 bar (ü)
  • Mit oder ohne elektrische Heizung

Der Anpressdruck ist für die 25 cm² und 4 cm² Zellen über einen weiten Bereich einstellbar, ferner kann die Taschentiefe für unterschiedliche Proben variiert werden. Auf Kundenwunsch passen wir unsere eigenentwickelten Testzellen an unterschiedliche Materialien und Komponenten an.

In-situ-Charakterisierung von Elektrolysezellen und -stacks

In situ Charakterisierung von Elektrolysezellen und -stacks
© Fraunhofer ISE / Foto: Joscha Feuerstein
Zelltester für die AEM (Anionen Austausch Membran) Elektrolyse mit einer Testzelle des Fraunhofer ISE.

Für die Fragestellungen unserer Kunden und Partner setzen wir individuell konfigurierbare und flexible Testsysteme ein, welche vollautomatisch verschiedene Messprotokolle abfahren können.

 

Zelltester für Laborzellen

  • Leistungselektronik: 0 bis 1.000 A / 0 bis 5 V
  • Temperaturbereich: 20 bis 120 °C
  • Druckbereich: 1 bis 50 bar (ü)
  • Für Elektrolysezellen mit gängigen aktiven Flächen (4 cm2 und 25 cm2)
  • Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und Zyklovoltammetrie (CV)

 

Stacktester für Elektrolysestacks bis ca. zehn Zellen

  • Leistungselektronik:  
    • 0 bis 1.500 A / 0 bis 25 V
    • (0 bis 510 A / 0 bis 80 V)
  • Temperaturbereich: 20 bis 80 °C
  • Druckbereich: 1 bis 50 bar (ü)

 

LabView Steuerung

  • Unbeaufsichtigter Dauerbetrieb
  • Programmierung individueller Messprotokolle via Python Script

Unsere Testsysteme arbeiten im Differenz- und Gleichdruckbetrieb. Die interne Wasseraufbereitung sorgt für eine Leitfähigkeit des Elektrolysewassers von weniger als 0,1 µS/cm.

Ex-situ-Messungen an Komponenten für die Elektrolyse

Ex situ Messungen an Komponenten für die Elektrolyse
© Fraunhofer ISE
Automatische Blasendetektion im Flowfield einer Elektrolysezelle durch Bilderkennung.

Neben unseren Testsystemen zur elektrochemischen Charakterisierung verfügen wir über eine breite Ausstattung an zusätzlicher Ex-situ-Analytik, mit der verschiedene physikalisch-chemische Parameter und Kenngrößen von Komponenten und Zellen für die Wasserelektrolyse bestimmt werden können.

 

Messung der In-plane-Zweiphasenströmung

Zur Bestimmung von:

  • Druckverlust in Abhängigkeit von der Durchflussmenge
  • Wasser-Gas-Verhältnis
  • Permeabilität, Trägheitswiderstand
  • Blasencharakteristik und Strömungsmuster

Der Durchfluss ist einphasig (nur Wasser) und zweiphasig (Wasser mit zusätzlichem Gas durch poröses Material) sowohl temperiert als auch mit Druck beaufschlagt möglich.

 

Hochpräzise Kraft-Weg-Messung

Zur Messung:

  • der druckabhängigen Probenhöhe
  • der druckabhängigen elastischen und plastischen Verformungsrate
  • des druckabhängigen elektrischen Widerstands
  • des flächenspezifischen Widerstands (ASR) und des Grenzflächenkontaktwiderstands (ICR)

Die Messung kann mit Einzelproben und mit mehrschichtigen Proben durchgeführt werden.

 

Drucktester

  • für Dichtigkeits- und Gaspermeationsmessungen bis 70 bar (ü)
  • mit Thermobox und temperierbarem Wasserbad

  

Gasanalyse

  • für die Messung von Fremdgaskonzentrationen H2 in O2 und O2 in H2

 

Thermographiesystem

  • zur Detektion von Membrandefekten
 

ESEM/EDX und HT NAP-XPS 

(Environmental Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive X-ray Spectroscopy und High Temperature and Near Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy)

  • für Oberflächenuntersuchungen 

 

ICP-MS 

(Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy)

  • zur Analyse von Kontaminationen und Korrosionsprodukten aus dem Elektrolysebetrieb

Monitoring von Elektrolysesystemen

Monitoring von Elektrolysesystemen mit integrierter Monitoringbox
© Fraunhofer ISE
Elektrolysesystem mit integrierter IoT-basierter Monitoringbox zur Analyse des Degradationsverhaltens im Stack und der Systemkomponenten.

Wir bieten ein wissenschaftlich basiertes Monitoring in Echtzeit von Elektrolysesystemen inklusive Zustandsüberwachung und Ermittelung von Leistungskennwerten (KPI) an. Unser eigens entwickeltes IoT- (Internet of Things) System ermöglicht es, eine große Anzahl von System-und Stackparametern in hoher zeitlicher Auflösung zu erfassen, im Detail auszuwerten und damit Betriebsführungskonzepte zu optimieren. Dadurch ist es möglich, Degradation von Komponenten oder Probleme im Betrieb frühzeitig zu identifizieren, vorausschauende Maßnahmen zu deren Kompensation zu ergreifen, Folgeschäden zu vermeiden und damit Ausfallzeiten und Kosten des Elektrolyseurs zu reduzieren.

Labortechnische Ausstattung:

  • PEM-Elektrolysesystem als flexible Testplattform
  • IoT-basierte Monitoringbox
  • Gasanalyse

Entwicklung und Bewertung von Wasserstoffinfrastrukturen und Elektrolyseuren

Weitere Informationen zum Forschungsthema Elektrolyse und Wasserstoffinfrastruktur

Geschäftsfeldthema

Elektrolyse und Wasserstoffinfrastruktur

Geschäftsfeld

Wasserstofftechnologien