Investigating degradation effects on electrolysers : how to avoid safety and economic risks of electrolyzers through modeling and monitoring

Abstract

Hydrogen, through electrolysis technologies, is crucial for sectors that cannot be fully electrified. However, aging phenomena in water electrolysers reduce efficiency, service life, reliability, and safety, especially with frequent startups and shutdowns, common with renewable energy sources like solar and wind. This degradation leads to decreased efficiency and higher operating costs over time, and a degraded membrane can create an explosive mixture by allowing hydrogen to transfer to the anode. While overall degradation can be tracked by measuring cell voltage, this does not identify specific causes or suggest preventative actions. Therefore, monitoring and understanding degradation is essential for advancing electrolysis technologies. This paper presents a model-based approach for continuous monitoring, allowing the identification of ageing causes and providing recommendations to prevent and mitigate these effects, thereby improving safety, service life, and efficiency and supporting the global hydrogen strategy.

Wasserstoff durch Elektrolyse-Technologien ist für Sektoren, die nicht vollständig elektrifiziert werden können, von entscheidender Bedeutung. Alterungserscheinungen in Wasserelektrolyseuren verringern jedoch die Effizienz, Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit, insbesondere bei häufigen An- und Abschaltungen, wie sie bei erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie üblich sind. Diese Degradation führt mit der Zeit zu einem geringeren Wirkungsgrad und höheren Betriebskosten, und eine degradierte Membran kann ein explosives Gemisch erzeugen, wenn Wasserstoff auf die Anode übergeht. Die allgemeine Degradation kann zwar durch die Messung der Zellspannung verfolgt werden, doch lassen sich damit keine spezifischen Ursachen ermitteln oder Präventivmaßnahmen vorschlagen. Daher ist die Überwachung und das Verständnis der Degradation von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung von Elektrolyse-Technologien. In diesem Beitrag wird ein modellgestützter Ansatz für die kontinuierliche Überwachung vorgestellt, der es ermöglicht, die Ursachen für die Alterung zu ermitteln und Empfehlungen zur Vermeidung und Abschwächung dieser Auswirkungen zu geben.