Van celonderzoek tot elektrolyse-installaties op MW-schaal: de toekomst van waterstofproductie

Elektrochemische diagnostiek voor de productie van waterstof

Groene waterstof wordt beschouwd als een van de belangrijkste bouwstenen van de energietransitie. Het maakt de decarbonisatie mogelijk van sectoren die moeilijk rechtstreeks kunnen worden geëlektrificeerd, waaronder de staal- en chemische industrie, raffinaderijen, het zware vrachtverkeer en langetermijnenergieopslag. Bovendien kan waterstof helpen om de schommelingen in de toevoer van hernieuwbare energie uit wind- en zonne-energiecentrales op te vangen, doordat overtollige stroom wordt opgeslagen en indien nodig weer beschikbaar wordt gesteld.

Om de waterstofproductie op industriële schaal rendabel te maken, moeten elektrolyse-installaties efficiënter, betrouwbaarder en duurzamer worden. Een voorwaarde voor deze verbeteringen is een gedetailleerd inzicht in de elektrochemische processen die onder reële bedrijfsomstandigheden binnen cellen en stacks plaatsvinden.

Elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) heeft zich hiervoor bewezen als een van de meest effectieve diagnostische methoden. Deze methode levert waardevolle informatie op over interne weerstanden, ladingsoverdrachtsprocessen, beperkingen in het stoftransport, het gedrag van het membraan en verouderingsmechanismen. Hierdoor kunnen ontwikkelaars elektrolyse-installaties doelgericht optimaliseren en ontwikkelingsprocessen versnellen.

De HIOKI ALDAS-productfamilie maakt deze snelle en krachtige EIS-diagnostiek beschikbaar in elke fase van de ontwikkeling van elektrolyse-installaties. Van onderzoek naar afzonderlijke cellen met ALDAS-α, via stackdiagnostiek en validatie voor opschaling met ALDAS-Mini, tot de diagnose van industriële MW-installaties met ALDAS-E: de systemen bieden een schaalbaar platform voor uiterst nauwkeurige impedantiemetingen onder realistische bedrijfsomstandigheden. Zo verkrijgen gebruikers de elektrochemische inzichten die nodig zijn voor een op gegevens gebaseerde opschaling en de succesvolle toepassing van hun waterstoftechnologie.

Wat onderscheidt ALDAS?

Elektrochemische impedantiespectroscopie biedt waardevolle inzichten in elektrochemische systemen. Conventionele EIS-oplossingen zijn echter vaak beperkt tot laboratoriumomgevingen en kleine testcellen. Hierdoor kunnen elektrolyse-installaties onder realistische bedrijfsomstandigheden vaak slechts in beperkte mate worden onderzocht.

De HIOKI ALDAS-productfamilie is ontwikkeld om juist deze beperkingen te overwinnen. In tegenstelling tot klassieke EIS-systemen maakt ALDAS impedantiemetingen mogelijk aan elektrolyse-installaties tijdens het gebruik – van afzonderlijke onderzoekscellen tot industriële MW-installaties. Hierdoor kunnen het vermogen, het rendement en verouderingsmechanismen nauwkeurig onder reële bedrijfsomstandigheden worden onderzocht. Deze resultaten leveren cruciale informatie op voor het latere gebruik.

Een ander belangrijk voordeel is de grote flexibiliteit. ALDAS-systemen kunnen indien nodig probleemloos worden geïntegreerd in bestaande testopstellingen voor elektrolyse-installaties. In plaats van elke testopstelling uit te rusten met eigen EIS-hardware, kan één enkel ALDAS-systeem flexibel worden ingezet in verschillende projecten en testomgevingen. Dit verhoogt het gebruik van de meettechniek en verlaagt tegelijkertijd de investeringskosten. De drie ALDAS-oplossingen bestrijken daarbij alle ontwikkelingsfasen – van materiaalonderzoek en stackvalidatie tot en met de industriële exploitatie.

ALDAS-α: geoptimaliseerd voor cel- en materiaalontwikkeling

ALDAS-α is speciaal ontwikkeld voor de vroege fase van het waterstofonderzoek, waarin het elektrochemische gedrag van materialen, componenten en afzonderlijke cellen centraal staat.

Onderzoekers die katalysatoren, membranen, membraan-elektrode-eenheden (MEA) of elektrodestructuren ontwikkelen, hebben gedetailleerde informatie nodig over reactiekinetiek, ladingsoverdracht en verouderingsprocessen. ALDAS-α levert deze informatie door middel van snelle en uiterst nauwkeurige impedantiemetingen en draagt zo bij aan het verkorten van ontwikkelingstijden en het sneller stimuleren van nieuwe technologieën.

Een bijzonder voordeel van ALDAS-α is dat het systeem snelle EIS-metingen kan uitvoeren en tegelijkertijd de benodigde gelijkstroom tot 20 A rechtstreeks vanuit het hoofdapparaat levert. Hierdoor wordt de meetopstelling aanzienlijk vereenvoudigd en kunnen onderzoekers zich concentreren op zinvolle elektrochemische analyses, in plaats van complexe meettechniek te moeten configureren.

Voor materiaaltesten, de ontwikkeling van katalysatoren, membraanoptimalisatie en de karakterisering van afzonderlijke cellen levert ALDAS-α de cruciale inzichten om gefundeerde ontwikkelingsbeslissingen te nemen en veelbelovende technologieën marktrijp te maken.

ALDAS-Mini: de schakel tussen celonderzoek en stackontwikkeling

Met de overgang van afzonderlijke cellen naar grotere cellen en korte stacks nemen zowel de bedrijfsstromen als de complexiteit van het systeemgedrag toe. ALDAS-Mini is speciaal ontworpen voor deze ontwikkelingsfase, waarin laboratoriumresultaten moeten worden gevalideerd onder omstandigheden die aanzienlijk dichter bij de latere industriële waterstofproductie liggen.

Het systeem maakt EIS-metingen mogelijk aan cellen met een groot oppervlak en korte stacks bij zeer hoge stromen. Veel effecten – zoals de waterbalans, beperkingen in het gastransport, thermisch gedrag of lokale verliezen – worden pas zichtbaar bij hoge stroomdichtheden.

Met meetmogelijkheden tot 2000 A en snelle, betrouwbare EIS-analyses ondersteunt de ALDAS-Mini ontwikkelaars bij het identificeren van prestatielimieten, het optimaliseren van bedrijfsomstandigheden en het vroegtijdig herkennen van eerste tekenen van veroudering, nog voordat grotere elektrolysesystemen worden opgebouwd.

Daarmee overbrugt ALDAS-Mini de kloof tussen fundamenteel onderzoek aan afzonderlijke cellen en de ontwikkeling van commerciële elektrolysers.

ALDAS-E: diagnostiek voor elektrolysers op industriële schaal

ALDAS-E is ontwikkeld voor EIS-metingen aan grote elektrolysestacks die met hoge spanningen en stromen werken – van kW- tot MW-installaties.

Een belangrijk voordeel van het systeem is dat het eenvoudig kan worden aangesloten op elektrolysers die in bedrijf zijn. Hierdoor kunnen uitgebreide impedantieanalyses worden uitgevoerd zonder dat bestaande testopstellingen hoeven te worden aangepast of lopende ontwikkelingswerkzaamheden hoeven te worden onderbroken. Ingenieurs krijgen zo waardevolle informatie over het gedrag van de stack onder reële bedrijfsomstandigheden.

ALDAS-E maakt de gelijktijdige analyse van meerdere meetpunten binnen een elektrolysestack mogelijk. Hierdoor kunnen onevenwichtigheden, lokale verliezen, verouderingseffecten en andere invloedsfactoren worden opgespoord die het rendement en de levensduur kunnen beïnvloeden.

Voor fabrikanten van industriële elektrolyse-installaties en exploitanten van waterstofproductie-installaties ondersteunt ALDAS-E validatie, levensduurtests, bedrijfsoptimalisatie en foutopsporing. Zo draagt het systeem bij aan een duurzame verbetering van de efficiëntie, de beschikbaarheid van de installaties en de levensduur van de stacks bij industrieel gebruik.

Van celonderzoek tot commerciële waterstofproductie met ALDAS

Voor een succesvolle uitbreiding van de productie van groene waterstof zijn elektrolyse-installaties nodig die efficiënt en duurzaam zijn en geoptimaliseerd voor industrieel gebruik. De HIOKI ALDAS-productfamilie ondersteunt dit ontwikkelingsproces met schaalbare en snelle EIS-diagnostiek – van vroeg materiaalonderzoek tot elektrolysers op MW-schaal.

Door gerichte ondersteuning in elke ontwikkelingsfase biedt ALDAS onderzoekers, fabrikanten en installatiebeheerders precies de elektrochemische inzichten die nodig zijn om de weg van onderzoek naar commerciële waterstofproductie succesvol vorm te geven.