Die immer weiter fortschreitende Transformation des auf fossilen Brennstoffen basierenden Energiesystems hin zu einer nachhaltigen und auf erneuerbaren Energieträgern basierenden Kreislaufwirtschaft, bedingt eine immer größere Nachfrage an Wasserstoff als Energieträger. Die dafür angestrebte Wasserstoffwirtschaft führt zu einer zunehmenden Anzahl an Forschungsprojekten im Bereich der Wasserstofferzeugung, -speicherung und -nutzung, sodass auch das Thema der Wasserstoffproduktion aus der Wasserelektrolyse stetig an Bedeutung gewinnt. Insbesondere die in dieser Arbeit diskutierte PEM-Elektrolyse hat das Potenzial, die führende Rolle im Bereich der Sektorenkopplung zwischen Strom- und Gasnetz zu übernehmen und bietet darüber hinaus die Möglichkeit zur Wasserstoffversorgung von Brennstoffzellenantrieben oder Wasserstoffmotoren im Mobilitätssektor.
In Zusammenarbeit mit der AVL wurde im Rahmen dieser Arbeit das Monitoring der Wasserstofferzeugung mittels PEM-Elektrolyse untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Erforschung der während des Betriebes auftreten Degradationsmechanismen, um so ein neues Diagnoseinstrument für die Degradationsüberwachung zu entwickeln, das Informationen über den PEM-Elektrolyseur liefert kann. Angesichts der enormen Komplexität eines solchen Monitoringsystems wird in dieser Arbeit eine erste Wissensbasis für die weitere Entwicklung des Diagnoseinstruments geschaffen. Zu diesem Zweck ist diese Arbeit in zwei Teile gegliedert, den Technologie- und den Entwicklungsteil.
Der technische Teil widmet sich zunächst den allgemeinen technologischen Grundlagen der Elektrolyse, gefolgt von der Spezialisierung auf die PEM-Elektrolyse-Technologie und endet mit den dabei auftretenden Degradationsmechanismen. Im anschließenden Entwicklungsteil wird zunächst ein physikalischer Modellierungsansatz vorgestellt, der die Transportmechanismen während des Elektrolysebetriebs erfasst. Nachfolgend werden die wichtigsten Einflussfaktoren für die Degradationsüberwachung ermittelt, indem die so genannten „Stressoren“ identifiziert und in die vier Hauptkategorien Thermisch, Hydratation, Mechanisch und Potenzial eingeteilt werden. Diese Betriebsstressoren stellen dabei jene Ereignisse dar, welche im Betrieb die Stresssituationen auslösen und für die Erstellung der sogenannten „Fehler-Fingerabdruck Bäume“ benötigt werden.
Diese Flussdiagramme geben abschließend einen Überblick zu den Ursache-Wirkungs-Beziehungen der einzelnen Degradationsmechanismen auf Komponentenebene eines PEM-Elektrolyseurs und sind für deren Verfolgung und Vermeidung notwendig. Darüber hinaus werden in den Diagrammen auch jene Ereignisse erfasst, die bei der Stressverfolgung gewöhnlich übersehen werden und zur tatsächlichen Verschlechterung führen. Die Ergebnisse dieser Visualisierungen stellen einen ersten Ausgangspunkt für die weitere Entwicklung des gewünschten Diagnosewerkzeugs zur Degradationsüberwachung dar.