Von der Zellforschung zur skalierbaren Elektrolyse: Die Zukunft der Wasserstoffproduktion
Für den Übergang von der Forschung zur industriellen Wasserstoffproduktion ist ein fundiertes Verständnis elektrochemischer Prozesse entscheidend. Die „Active Line Device Analysis Systems“, kurz ALDAS, von HIOKI unterstützen Entwickler, Hersteller und Anlagenbetreiber dabei, die Leistung von Elektrolyseuren besser zu verstehen, Systeme auf Basis valider Messdaten zu skalieren und Wasserstofftechnologien erfolgreich in die industrielle Anwendung zu überführen.
Elektrochemische Diagnostik für die Wasserstoffentwicklung
Grüner Wasserstoff gilt als einer der wichtigsten Bausteine der Energiewende. Er ermöglicht die Dekarbonisierung von Bereichen, die sich nur schwer direkt elektrifizieren lassen, darunter die Stahl- und chemische Industrie, Raffinerien, der Schwerlastverkehr sowie Langzeitenergiespeicher. Darüber hinaus kann Wasserstoff dazu beitragen, die schwankende Einspeisung erneuerbarer Energien aus Wind- und Solaranlagen auszugleichen, indem überschüssiger Strom gespeichert und bei Bedarf wieder bereitgestellt wird.
Damit die Wasserstoffproduktion im industriellen Maßstab wirtschaftlich wird, müssen Elektrolyseure effizienter, zuverlässiger und langlebiger werden. Voraussetzung für diese Verbesserungen ist ein detailliertes Verständnis der elektrochemischen Prozesse, die unter realen Betriebsbedingungen innerhalb von Zellen und Stacks ablaufen.
Die Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) hat sich hierfür als eine der effektivsten Diagnosemethoden etabliert. Sie liefert wertvolle Informationen über Innenwiderstände, Ladungsübertragungsprozesse, Stofftransportbegrenzungen, das Verhalten der Membran sowie Alterungsmechanismen. Dadurch können Entwickler Elektrolyseure gezielt optimieren und Entwicklungsprozesse beschleunigen.
Die HIOKI ALDAS-Produktfamilie bringt diese schnelle und leistungsfähige EIS-Diagnostik in jede Phase der Elektrolyseurentwicklung. Von der Einzelzellenforschung mit ALDAS-α über Stack-Diagnosen und Validierung zur Skalierung mit ALDAS-Mini bis hin zur Diagnose industrieller MW-Anlagen mit ALDAS-E bieten die Systeme eine skalierbare Plattform für hochpräzise Impedanzmessungen unter realistischen Betriebsbedingungen. So erhalten Anwender die elektrochemischen Erkenntnisse, die für eine datenbasierte Skalierung und den erfolgreichen Einsatz ihrer Wasserstofftechnologie erforderlich sind.
Was unterscheidet ALDAS?
Die Elektrochemische Impedanzspektroskopie liefert wertvolle Einblicke in elektrochemische Systeme. Herkömmliche EIS-Lösungen sind jedoch häufig auf Laborumgebungen und kleine Prüfzellen beschränkt. Dadurch lassen sich Elektrolyseure unter realistischen Betriebsbedingungen oft nur eingeschränkt untersuchen.
Die HIOKI ALDAS-Produktfamilie wurde entwickelt, um genau diese Einschränkungen zu überwinden. Im Gegensatz zu klassischen EIS-Systemen ermöglicht ALDAS Impedanzmessungen an Elektrolyseuren im Betrieb – von einzelnen Forschungszellen bis hin zu industriellen MW-Anlagen. Dadurch können Leistung, Wirkungsgrad und Alterungsmechanismen genau unter realen Betriebsbedingungen untersucht werden. Diese Ergebnisse liefern entscheidende Informationen für den späteren Einsatz.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die hohe Flexibilität. ALDAS-Systeme lassen sich bei Bedarf problemlos in bestehende Elektrolyseur-Prüfstände integrieren. Anstatt jeden Prüfstand mit eigener EIS-Hardware auszustatten, kann ein einzelnes ALDAS-System flexibel in verschiedenen Projekten und Testumgebungen eingesetzt werden. Das erhöht die Auslastung der Messtechnik und reduziert gleichzeitig die Investitionskosten. Die drei ALDAS-Lösungen decken dabei sämtliche Entwicklungsphasen ab – von der Materialforschung über die Stack-Validierung bis hin zum industriellen Betrieb.
ALDAS-α: Optimiert für Zell- und Materialentwicklung
ALDAS-α wurde speziell für die frühe Phase der Wasserstoffforschung entwickelt, in der das elektrochemische Verhalten von Materialien, Komponenten und Einzelzellen im Mittelpunkt steht.
Forscher, die Katalysatoren, Membranen, Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) oder Elektrodenstrukturen entwickeln, benötigen detaillierte Informationen über Reaktionskinetik, Ladungsübertragung und Alterungsprozesse. ALDAS-α liefert diese Informationen durch schnelle und hochpräzise Impedanzmessungen und trägt so dazu bei, Entwicklungszeiten zu verkürzen und neue Technologien schneller voranzutreiben.
Ein besonderer Vorteil von ALDAS-α besteht darin, dass das System schnelle EIS-Messungen durchführen kann und gleichzeitig den erforderlichen Gleichstrom von bis zu 20 A direkt aus dem Hauptgerät bereitstellt. Dadurch wird der Messaufbau erheblich vereinfacht und Forscher können sich auf aussagekräftige elektrochemische Analysen konzentrieren, anstatt komplexe Messtechnik konfigurieren zu müssen.
Für Materialprüfung, Katalysatorentwicklung, Membranoptimierung und die Charakterisierung von Einzelzellen liefert ALDAS-α die entscheidenden Erkenntnisse, um fundierte Entwicklungsentscheidungen zu treffen und vielversprechende Technologien zur Marktreife zu bringen.
ALDAS-Mini: Die Schnittstelle zwischen Zellforschung und Stack-Entwicklung
Mit dem Übergang von Einzelzellen zu größeren Zellen und kurzen Stacks steigen sowohl die Betriebsströme als auch die Komplexität des Systemverhaltens. ALDAS-Mini wurde speziell für diese Entwicklungsphase konzipiert, in der Laborergebnisse unter Bedingungen validiert werden müssen, die der späteren industriellen Wasserstoffproduktion deutlich näherkommen.
Das System ermöglicht EIS-Messungen an großflächigen Zellen und kurzen Stacks bei sehr hohen Strömen. Viele Effekte – etwa Wasserhaushalt, Gastransportbegrenzungen, thermisches Verhalten oder lokale Verluste – werden erst bei hohen Stromdichten sichtbar.
Mit Messmöglichkeiten bis zu 2000 A sowie schnellen und zuverlässigen EIS-Analysen unterstützt ALDAS-Mini Entwickler dabei, Leistungsgrenzen zu identifizieren, Betriebsbedingungen zu optimieren und erste Anzeichen von Alterung frühzeitig zu erkennen, bevor größere Elektrolyseursysteme aufgebaut werden.
Damit schließt ALDAS-Mini die Lücke zwischen der Grundlagenforschung an Einzelzellen und der Entwicklung kommerzieller Elektrolyseure.
ALDAS-E: Diagnostik für Elektrolyseure im industriellen Maßstab
ALDAS-E wurde für EIS-Messungen an großen Elektrolyseur-Stacks entwickelt, die mit hohen Spannungen und Strömen arbeiten – von kW- bis hin zu MW-Anlagen.
Ein wesentlicher Vorteil des Systems besteht darin, dass es sich unkompliziert an Elektrolyseure in Betrieb anschließen lässt. Dadurch können umfassende Impedanzanalysen durchgeführt werden, ohne bestehende Prüfstände umzubauen oder laufende Entwicklungsarbeiten zu unterbrechen. Ingenieure erhalten so wertvolle Informationen über das Verhalten des Stacks unter realen Betriebsbedingungen.
ALDAS-E ermöglicht die gleichzeitige Analyse mehrerer Messpunkte innerhalb eines Elektrolyseur-Stacks. Dadurch lassen sich Ungleichgewichte, lokale Verluste, Alterungseffekte und weitere Einflussgrößen erkennen, die Wirkungsgrad und Lebensdauer beeinträchtigen können.
Für Hersteller industrieller Elektrolyseure sowie Betreiber von Wasserstoffproduktionsanlagen unterstützt ALDAS-E Validierung, Lebensdauertests, Betriebsoptimierung und Fehlersuche. So trägt das System dazu bei, Effizienz, Anlagenverfügbarkeit und Stack-Lebensdauer im industriellen Einsatz nachhaltig zu verbessern.
Von der Zellforschung zur kommerziellen Wasserstoffproduktion mit ALDAS
Der erfolgreiche Ausbau der grünen Wasserstoffproduktion erfordert Elektrolyseure, die effizient und langlebig sowie für den industriellen Einsatz optimiert sind. Die HIOKI ALDAS-Produktfamilie begleitet diesen Entwicklungsprozess mit skalierbarer und schneller EIS-Diagnostik – von der frühen Materialforschung bis hin zu Elektrolyseuren im MW-Maßstab.
Durch gezielte Unterstützung jeder Entwicklungsphase liefert ALDAS Forschern, Herstellern und Anlagenbetreibern genau die elektrochemischen Erkenntnisse, die notwendig sind, um den Weg von der Forschung bis zur wirtschaftlichen Wasserstoffproduktion erfolgreich zu gestalten.
