Ionsens

ElyKon - Elektrolyse-Systemkomponenten für hochdynamischen/intermittierenden Betrieb

Teilprojekt: IonSens – Ionensensor für Reinstwasser

Wasserelektrolyse ist eine Schlüsseltechnologie zur Herstellung von Wasserstoff durch regenative Energiequellen. Dieser ist ein wichtiger und zukunftsträchtiger chemischer Energieträger für die Speicherung überschüssiger elektrischer Energie. Die aufgrund der fluktuierend anfallenden Energiemengen nötigen dynamischen Betriebsbedingungen der Elektrolyseure beeinflussen Effizienz, Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Ziel des Verbundvorhabens ist daher die Optimierung von Polymer-Elektrolyt-Membran-Wasserstoff-Elektrolyseuren (PEMWEs) unter dynamischer Lastaufnahme aus erneuerbaren Energien zur Steigerung von Effizienz, Lebensdauer und Zuverlässigkeit sowie zur Reduktion der Wasserstoffkosten.

Im Teilvorhaben "IonSens" des Projekts steht die on-line Überwachung des Reinstwassers (Ausgangsmaterial des PEMW-Elektrolyseprozesses) im Mittelpunkt. Während des Betriebs der Elektrolyseure kann es durch die dynamischen Betriebsbedingungen zur elektrochemischen Degradation der Elektroden und vor allem der katalytisch aktiven Komponenten in der Membran kommen. Diese Degradation ist ein mehrstufiger Prozess, an dessen Ende sich Ionen im Reinstwasser lösen. Zusätzlich können weitere Ionen aus dem zugeführten Wasser oder durch Korrosionsreaktionen von Leitungen und Konstruktionskomponenten das Reinstwasser verunreinigen. Diese Verunreinigungen reduzieren die Leistung des PEMW-Elektrolyseurs und sind daher ein ungünstiger Betriebszustand, der im zu entwickelnden Überwachungs- und Kontrollsystem detektiert werden soll.

Das Teilvorhaben des Projektpartners TUBAF hat also das Ziel, eine on-line Überwachung von Kontaminationen des Reinstwassers durch Ionen über Sensoren zu realisieren, dabei die von Ionen induzierten schädigenden Betriebszustände zu identifizieren und mittels einer Regelungsstrategie zu vermeiden.

Projektaufgaben

  • on-line Überwachung von Kontaminationen des Reinstwassers durch Ionen über Sensorik:
    Die Entwicklung ortsaufgelöster Ionen-Sensoren für Positionen innerhalb des Elektrolyse-Stacks und an weiteren relevanten Positionen im System ist von fundamentaler Bedeutung, um ionische Verunreinigungen sowie den State-of-Health (SoH) der Komponenten schnell zu erfassen.
    Die sensorische Umgebung (hochreines Wasser), die Arbeitsbedingungen (bis zu 30 bar und bis zu 80 °C) im PEMWE und die Forderung der Kontaminationsfreiheit des Systems durch Metalle sind eine Herausforderung. Unter diesen Anforderungen sind gewöhnliche kommerzielle Leitfähigkeits- oder elektrochemische Sensoren nicht anwendbar. Daher ist eine Neuentwicklung für den Anwendungsfall im PEMW-Elektrolyseur nötig. Diese wird zweistufig erfolgen. Zuerst wird ein berührungsloser, leckagefreier Leitfähigkeitssensor für den Elektrolyseur entwickelt, der die integrale Ionenmenge im Reinstwasser misst („Kapillarsystem“). Die verwendete Sensortechnik basiert auf dem C4D-Verfahren, bei dem eine Kapillare in Form eines Keramikröhrchens, eines Kunststoffschlauchs oder eines mikrofluidischen Kanals von der Messlösung durchströmt wird. Außen an der Kapillare befinden sich zwei Elektroden.
  • Identifikation schädigender von Ionen induzierter Betriebszustände:
    Zur Untersuchung der Ionen-Sensoren unter dynamischen Betriebsbedingungen erfolgt der ortsaufgelöste Einbau der entwickelten Ionen-Sensoren  in den PEMWE-Stack sowie in andere systemrelevante Komponenten. Hierbei werden verschiedene Einbauorte und -geometrien unter Berücksichtigung der Standorte der weiteren Sensoren (Wasserstoff und Feuchte) und von prozesstechnischen und geometrischen Gegebenheiten des Teststandes erprobt und dadurch demonstriert, dass die C4D-Messtechnik für den Einsatz in PEMWE-Stacks prinzipiell geeignet ist. Während Langzeittests sowie unter beschleunigter Alterung (accelerated stress tests, ASTs) erfolgt dann im Anschluss mittels der Ionen-Sensoren die systematische Untersuchung der Einflüsse der Betriebsbedingungen (z.B. Korrosionspotentiale im Leerlauf) des Elektrolyseurs auf die Kontamination des Systems mit Ionen in Korrelation mit den Schäden an den Elektrolyseur-Komponenten. Hierzu werden gezielt Experimente mit Modellösungen mit solchen im realen Betrieb des Teststandes kombiniert. 
  • Erarbeitung einer Regelungsstrategie in der Systemsteuerung bei Kontaminationen des Reinstwassers:
    Für die Erarbeitung der Überwachungs- und Regelungsstrategie in der Systemsteuerung bzgl. der elektrischen Leitfähigkeit werden regelungsrelevante Sensoreigenschaften im  dynamischen Systembetrieb benötigt. Diese werden aus der Korrelation der Sensor-Ergebnisse mit den ungünstigen Betriebszuständen ermittelt. Aus diesen werden Maßnahmen zur Verhinderung der Degradation des Elektrolyseurs entwickelt und geprüft. Die Maßnahmen sollten bevorzugt rein elektrischer Natur in der Ansteuerung des Elektrolyseurs sein, können aber auch die Entfernung der Kontaminationen durch Filterung oder Ersatz des kontaminierten Wassers oder notfalls auch die Aufforderung zum Austausch einzelner kritischer Komponenten des Elektrolyseurs durch vorausschauende Wartung beinhalten. Diese Maßnahmen werden dann in das Steuersystem des Elektrolyseurs integriert um so einen Regelalgorithmus zu realisieren. Schließlich wird der implementierte Regelalgorithmus bezüglich der ungünstigen von Ionen induzierten Betriebszustände demonstriert und hinsichtlich erhöhter Zuverlässigkeit, Lebensdauer und  Energieeffizienz des Elektrolyseurs validiert.

Verbundpartner

  • DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (Verbundkoordinator)
  • CiS - Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH
  • ISLE Steuerungstechnik und Leistungselektronik GmbH
  • Areva H2 Gen (assoziierter Partner)

Finanzierung

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