Messzeitreduktion der elektrochemischen Impedanzspektroskopie an PEM-Brennstoffzellen mittels automatisierter Frequenzbandselektion

Abstract

Die elektrochemische Impedanzspektroskopie ist ein etabliertes Verfahren zur Charakterisierung elektrochemischer Energiesysteme. Aufgrund der prinzipbedingten langen Messdauer ist sie bislang jedoch nur eingeschränkt für zeitkritische Diagnosen unter realen Betriebsbedingungen einsetzbar. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Validierung einer Methodik zur signifikanten Reduktion der Messzeit bei gleichzeitigem Erhalt der physikalischen Aussagekraft, insbesondere im Hinblick auf den Einsatz an PEM-Brennstoffzellen. Die entwickelte Methodik kombiniert feste Frequenzbereiche mit einer modellbasierten adaptiven Frequenzselektion und ermöglicht eine vollständig automatisierte Durchführung, Modellierung und Auswertung über ein speziell entwickeltes Softwareframework mit grafischer Benutzeroberfläche. Die experimentelle Validierung an einer Lithium-Ionen-Zelle belegt, dass die unter beschleunigten Bedingungen aufgenommenen Impedanzdaten die methodischen Anforderungen erfüllen und zuverlässig modelliert werden können. Die Übertragung auf einen PEM-Brennstoffzellen-Stack bestätigt die prinzipielle Anwendbarkeit auch an komplexeren Systemen. Eine Ausweitung auf dynamischere Betriebsbereiche konnte jedoch nicht erfolgen, da die Stabilität des untersuchten Brennstoffzellensystems außerhalb des gewählten Arbeitspunkts nicht ausreichend war, um die Methode dort zuverlässig zu verifizieren. Insgesamt demonstriert die Arbeit das Potenzial der beschleunigten Impedanzmessung für die zeitaufgelöste Zustandsdiagnose elektrochemischer Systeme. Gleichzeitig wird deutlich, dass für eine belastbare Validierung unter realitätsnahen Bedingungen insbesondere eine weiterentwickelte Prüfstandstechnik erforderlich ist.