Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Elektrolyseure und Brennstoffzellen spielen eine zentrale Rolle für die Energiewende. Mit dem wachsenden Bedarf an grünem Wasserstoff und der zunehmenden Elektrifizierung industrieller Prozesse steigt der Druck, diese Technologien kostengünstig, hochwertig und in großer Stückzahl zu produzieren. Während die Herstellung bereits in den Gigawattmaßstab skaliert, fehlen noch Prüfmethoden, die den Anforderungen moderner Fertigungslinien für elektrochemische Systeme entsprechen. Hier setzt das neue Projekt »MAGIQ« des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) an: Es soll neue Wege eröffnen, um die Qualität von PEM-Elektrolyse- und Brennstoffzellenstapeln effizient und präzise zu bewerten.
»MAGIQ – Magnetfeld-Imaging bei AC-Anregung für die Qualitätsprüfung von PEM-Elektrolyse- und Brennstoffzellen-Stacks« verfolgt das Ziel, ein völlig neuartiges, schnelles und bildgebendes Prüfverfahren für die Qualitätssicherung moderner Zellstapel zu entwickeln. Diese Stacks bilden das Herzstück von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen und machen einen erheblichen Teil der Gesamtkosten aus. Während ihre Herstellung weltweit zunehmend in automatisierte Massenproduktion überführt wird, fehlt bislang ein praktikables, ortsaufgelöstes Prüfverfahren, das unmittelbar nach der Fertigung eingesetzt werden kann. Bisherige Verfahren benötigen immer einen realen Elektrolyse- oder Brennstoffzellenbetrieb, um elektrische Kennwerte zu erfassen – ein zeit- und kostenintensiver Prozess, der eine routinemäßige Qualitätskontrolle verhindert.
Im Gemeinschaftsprojekt der DENKweit GmbH und des Fraunhofer IMWS soll deshalb ein Messverfahren entwickelt werden, das Stromdichte- und Leitfähigkeitsverteilungen innerhalb fertig montierter Stacks sichtbar macht, ohne dass diese in Betrieb genommen werden müssen. Der Schlüssel liegt in der Messung von Magnetfeldern, die durch hochfrequenten Wechselstrom erzeugt werden. Ab Frequenzen im Kilohertzbereich fließen in den Zellen sogenannte Verschiebungsströme, die ohne elektrochemische Reaktionen auskommen und dennoch Informationen liefern, die proportional zu denjenigen sind, die im späteren realen Betrieb vorliegen würden. Dadurch entsteht die Möglichkeit, Defekte und elektrische Inhomogenitäten bereits am Ende der Fertigung zuverlässig zu identifizieren.
Beide Partner bringen ihre technologischen Kompetenzen ein. Die DENKweit GmbH entwickelt hochsensible Magnetfeldsensorik, Verfahren zur Datenvisualisierung sowie Software zur Steuerung und Auswertung. Am Fraunhofer IMWS entsteht der Messstand mit der frequenzvariablen Hochstromquelle, der für die Analysen zum Einsatz kommt. Zudem werden Modelle entwickelt, die es erlauben, aus den Messsignalen belastbare Aussagen zu Stromdichteverteilungen und Defekten abzuleiten – unter besonderer Berücksichtigung frequenzabhängiger Effekte wie dem Skin-Effekt. Dieser beschreibt das Phänomen, dass Wechselstrom (AC) in einem Leiter dazu neigt, sich an der Oberfläche des Leiters zu konzentrieren, anstatt gleichmäßig durch den gesamten Querschnitt zu fließen. In Elektrolyse- und Brennstoffzellen kann das die Messergebnisse beeinflussen, insbesondere bei hohen Frequenzen. Darüber hinaus qualifiziert das Institut das Verfahren für die Integration in bestehende Analysekonzepte und evaluiert dessen Messfähigkeit für reale industrielle Anwendungen.
Der innovative Ansatz, Magnetfeld-Imaging bei Wechselstrom-Anregung anzuwenden, eröffnet gegenüber bisherigen Methoden völlig neue Möglichkeiten. Während segmentierte Stromsensoren oder klassische Magnetfeldmessungen stets den realen Betrieb benötigten, schafft das Projekt erstmals die Grundlage dafür, Stacks außerhalb von elektrochemischen Testständen elektrisch zu charakterisieren. »Damit entsteht eine Lösung, die den technologischen Fortschritt in der Massenproduktion von Elektrolyse- und Brennstoffzellensystemen wesentlich unterstützen kann. Das Verfahren besitzt das Potenzial, weltweit erstmals eine schnelle, berührungslose und ortsaufgelöste Qualitätsprüfung direkt nach der Montage zu ermöglichen und so Kosten zu senken, Ausschuss zu vermeiden und die Zuverlässigkeit der Systeme deutlich zu erhöhen«, sagt Projektleiter Dr. Volker Naumann.
Mit dem geplanten prototypischen Messaufbau wird im Projekt der Grundstein für eine anschließende Produktentwicklung und den möglichen Einsatz in hochautomatisierten Produktionslinien gelegt. Damit positioniert sich das Projekt als ein bedeutender Baustein für den technologischen Fortschritt der Wasserstoffwirtschaft und für die nachhaltige Energieversorgung der Zukunft.
(18.11.2025)