Elektrochemische Impedanzspektroskopie mit programmierbaren REGATRON G5 Netzgeräten

Ein Anwendungsbericht direkt aus dem Forschungslabor! Mit freundlicher Genehmigung von HyCentA Research GmbH / Austria

Die Impedanzspektroskopie ist eine weit verbreitete Messmethode im Zusammenhang mit Entwicklungsprozessen elektrochemischer Systeme: Batterien, Superkondensatoren, Brennstoffzellen oder in zunehmendem Mass auch Elektrolysegeräte auf Zellen- und Stackebene. Die Elektrochemische Impedanzspektroskopie EIS liefert entscheidende Informationen über die internen elektrochemischen Prozesse in der Zelle und eröffnet Möglichkeiten, um Fehlfunktionen und Verlustmechanismen näher zu beschreiben und zu quantifizieren. Die Hauptmotivation für den Einsatz von EIS mit höherer Leistung für den Stack-Entwicklungsprozess sind:

Verständnis des Stack-Designs
Einblicke in die Spannungsdisparitäten und -unterschiede zwischen den Zellen
Beschreibung von Stackteilen wie den Bipolarplatten und deren Einfluss auf die Leistung
Überwachung von Messwerten, die den Gesundheitszustand von Zellen und Stacks beschreiben

Zusätzlich zum vorliegenden Bericht gibt es die angehängte Application Note mit detaillierten Informationen über die Herausforderungen bei der Implementierung der EIS und wie diese durch den Einsatz der fortschrittlichen REGATRON G5 Netzgeräte gelöst werden können.

Die Testbench

PEM- und AEM-Elektrolyse-Stacks mit einer Leistung von 1 bis 15 kW
Kathodendruck bis zu 160 bar
Möglichkeit des Betriebs unter explosiven Atmosphären auf der Anoden-/Sauerstoffseite (inkl. Konzentration)
Spannungsüberwachung jeder Zelle des Stacks
Mehrkanalige parallele EIS-Messung aller Zellen des Stacks
Bis zu 24 Zellen
EIS-Frequenzbereich: 0,01 Hz – 10 kHz

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Application Note EIS

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REGATRON G5-Netzgeräte ermöglichen dank ihrer extrem hohen Regeldynamik eine Spannungs- und/oder Strommodulation mit Frequenzen bis zu 10 kHz. Der dazu benötigte Funktionsgenerator wäre bereits im Gerät integriert, aber um weitere Möglichkeiten der Modulation zu haben, wird oft ein einfacher WaveGen verwendet. Die in diesem Dokument beschriebene EIS-Methode kann daher mit minimalem Aufwand implementiert werden und ist auf höhere Leistungen skalierbar.

Die HyCentA / REGATRON Testbench Solution

Die Abbildung zeigt die Topologie des verwendeten Messaufbaus. Die Steuersoftware bestimmt den zeitlichen Ablauf des Prüfaufbaus. Obwohl ein Funktionsgenerator bereits im REGATRON G5-Netzgerät vorhanden wäre, wurde hier ein externes Gerät vorgesehen, um noch mehr Modulationsmöglichkeiten zur Verfügung zu haben. Wie in der Grafik deutlich zu sehen ist, speist das G5-Netzgerät sowohl den durch den PEM-Stapel fliessenden Elektrolysestrom als auch den überlagerten Modulationsstrom. Ein zusätzlicher Power Modulator ist nicht erforderlich! Während der Elektrolysestrom ein weitgehend glatter Gleichstrom ist, stellt der sinusförmige Messstrom einen Wechselstrom dar, der sich bestens zur Bestimmung des „Wechselstromwiderstands“ eignet. Nach den Regeln der Elektrotechnik ist dieser Widerstand die gewünschte Impedanz, deren Verlauf nun Punkt für Punkt für einen ganzen Frequenzbereich gemessen und aufgezeichnet wird.

Die Resultate der EIS

Das Diagramm zeigt eine Nyquist-Darstellung der Zellen-Impedanzen eines PEM-Stapels, wobei jeder einzelnen Zelle eine eigene Farbe zugeordnet ist.

Die Zellen weisen vergleichbare Kurven auf, doch gibt es eine gewisse Verschiebung entlang der realen (horizontalen) Achse. Dies kann auf einen ungleichmäßigen Kontaktwiderstand von Zelle zu Zelle zurückgeführt werden und ist ein Indikator für ein möglicherweise nichtideales Stack-Design, für Probleme bei der Montage oder sogar für eine defekte Zelle.

Hier sehen wir das Bode-Diagramm der obigen Messung, das den Vorteil hat, dass die Frequenzabhängigkeit der Impedanz direkt aus der Bode-Darstellung hervorgeht. Der rot gestrichelte Übergang im Phasendiagramm zeigt den Phasen-Nulldurchgang bei der höchsten Frequenz von 5 kHz an. Diese Nulldurchgänge treten bei Frequenzen zwischen 1 kHz und 5 kHz auf, was darauf hindeutet, dass eine Modulationsfrequenz bis zu 10 kHz für eine solche Analyse ausreichend ist.

Beachten Sie, dass der induktive Teil der Messung keine aussagekräftigen Informationen mehr über die Zelle liefert.

Schlussfolgerungen

Die Durchführung von EIS-Messungen mit REGATRON G5-Geräten in Kombination mit entsprechender Datenerfassung funktioniert bei HyCentA gut und zuverlässig. Die Geräte sind einfach zu bedienen und verfügen über alle technischen Funktionen, die für den Anwendungsfall benötigt werden. Ein wesentlicher Vorteil des Gerätes ist die Fähigkeit, sowohl den DC-Arbeitspunkt als auch das modulierte Signal als eine Einheit auszugeben. Es werden keine externen Modulatoren oder andere Leistungsgeräte benötigt. Daher ist die Signalqualität sehr hoch, da es keine Interferenzen mit anderer Leistungselektronik gibt. Sehr wichtig ist die Möglichkeit, das analoge Signal mit einem externen Funktionsgenerator bereitzustellen, was mehr Freiheit bei der Umsetzung des Aufbaus und der Automatisierung der Messung ermöglicht.

Die Trennung der DC-Betriebssollwerte und des modulierenden AC-Signals ist von grosser Bedeutung für die Integration in Prüfstände, die über Feldbus-Kommunikationsschnittstellen verfügen. Darüber hinaus erhöht sich mit dieser Trennung der Signal-Rausch-Abstand der Modulation, da das Analogsignal nicht auch noch den hohen DC- Offset liefern muss.

HyCentA ist Österreichs einzige ausser-universitäre Forschungseinrichtung, die sich ausschliesslich mit Wasserstofftechnologien beschäftigt. Das Unternehmen wurde 2005 gegründet und führt gemeinsam mit Industrie und Universitäten internationale Forschungs- und Entwicklungsprojekte durch. HyCentA deckt alle Aspekte der Wasserstofftechnologien ab, einschließlich Produktion, Verteilung, Speicherung und Anwendung. Das Unternehmen verfügt über ein umfangreiches Fachwissen in den Bereichen Engineering, Simulation, Tests, Messtechniken und Ausbildung und unterhält eine enge Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Graz bei Ausbildungsprogrammen.