Refine
Year of publication
- 2015 (13) (remove)
Document Type
- Conference Proceeding (7)
- Article (4)
- Book (1)
- Part of a Book (1)
Keywords
Institute
- Westfälisches Energieinstitut (13) (remove)
Due to high power density and superior efficiency, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are believed to play a significant role for carbon dioxide emissions free electrical energy systems in the future. Unlike in Carnot processes, chemical energy in the form of hydrogen and oxygen is converted directly into electrical energy without a further process step. One issue in the development of PEMFCs for mobile or stationary applications is the utilization of rare and expensive catalyst material like platinum within the membrane electrode assembly (MEA) see figure 1. In addition, the objective is to reduce production costs and to increase the lifetime of PEMFC. One approach to improve PEMFCs is the development of intelligent electrode architectures. However, cost effective high performance materials are necessary to reach the development targets.
An energy economy with high share of renewable but volatile energy sources is dependent on storage strategies in order to ensure sufficient energy delivery in periods of e.g. low wind and/or low solar radiation. Hydrogen as environmental friendly energy carrier is thought to be an appropriate solution for large scale energy storage. In 2011 the NOW (national organisation for hydrogen in Germany) calculated the demand for hydrogen energy systems as positive (0.8 GW to 5.25 GW) and negative supply for varying power demand (0.68 to 4.3 GW) for the German energy economy in 2025. Due to its dynamic behaviour on load changes polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) as well as water electrolyser systems (PEMEL) can play a significant role for large scale hydrogen based storage systems. In this work a novel design concept for modular fuel cell and electrolyser stacks is presented with single cells in pockets surrounded by a hydraulic medium. This hydraulic medium introduces necessary compression forces on the membrane electrode assembly (MEA) of each cell within a stack. Furthermore, ideal stack cooling is achieved by this medium. Due to its modularity and scalability the modular stack design with hydraulic compression meets the requirements for large PEMFC as well as PEMEL units. Small scale prototypes presented in this work illustrate the potential of this design concept.
Brennstoffzellen gelten in der Forschung als eine der saubersten Technologien zur Stromerzeu-gung. In den Zellen, die meist z.B. so groß sind wie ein Taschenbuch, werden Wasserstoff und Sauerstoff in einer kontrollierten chemischen Reaktion in Wasserdampf umgewandelt. Dabei entstehen elektrische Energie und Wasser. Im Gegensatz zu den meisten anderen Formen der Stromproduktion wird kein Kohlendioxid freigesetzt. Das macht den Wandlungsprozess der Brennstoffzelle sehr umweltfreundlich.
Der Elektroingenieur Prof. Dr. Michael Brodmann von der Westfälischen Hochschule sieht in dieser Technologie die Zukunft mobiler wie stationärer Energieversorgung. Autos mit Elektro-motoren könnten mit Wasserstofftechnik angetrieben, portable Elektrogeräte oder auch ganze Gebäude umweltfreundlich mit Strom versorgt werden. Jedoch ist die Herstellung und Wartung der Brennstoffzellen derzeit sehr teuer, weshalb am Markt Energiewandler auf Basis fossiler Rohstoffe weiterhin dominieren. An diesem Problem arbeitet Brodmann gemeinsam mit Dr. Ulrich Rost. Im Labor des Westfälischen Energieinstituts haben die beiden Forscher eine neue Zelle entwickelt, die effektiver und günstiger ist – und dabei auf ein bewährtes Patent und neue Materialien gesetzt.
Im Rahmen der Energiewende ist eine Erweiterung der in das Verbund-netz integrierten Energiespeicher notwendig, um zukünftig die heute gewohnte Versorgungssicherheit trotz eines sehr hohen Anteils volatiler regenerativer Energieerzeugungsanlagen zu ermöglichen. Eine geeignete elektrochemische Methode zur umweltfreundlichen Zwischenspeicherung großer Energiemengen stellt die Wasserelektrolyse mit bedarfsorientierter Rückverstromung dar. Dabei können die dynamischen Einspeise- und Laständerungen im elektrischen Verbundnetz im besonderen Maße von Elektrolyseur- und Brennstoffzellen-systemen auf Basis von Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) aufgefangen werden.
Bestehende PEM-Systeme sind vor allem in ihrer konstruktiven Zellgröße und ihrer maximalen Leistung bei der Wasserstoffproduktion bzw. der Stromerzeugung stark begrenzt. Vor allem inhomogene Verpressungen großflächiger planarer Zellen in einem klassischen, mechanisch verspannten Stack führen zu hohen Leistungseinbußen. Zudem ergeben sich bei kleinen Stacks aufgrund der geringen Zellspannung ungünstige Wandlungsverhältnisse zwischen Strom und Spannung für eine vor- bzw. nachgeschaltete Leistungselektronik. Ein neuartiges Stackkonzept mit segmentierten Polplatten bietet eine konstruktive Lösung für das Problem größerer aktiver Zellflächen und leistet einen Beitrag zur Entwicklung industriell einsetzbarer Hochdruckelektrolyseure und Brennstoffzellen.
Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts mit dem Titel „Energieautarke Bohrlochsensorik mittels Brennstoffzellen – GeoFuelCells“ wurde vom Geothermie-Zentrum Bochum und dem Westfälischen Energieinstitut, unterstützt aus dem Förderprogramm Ziel 2 (2007-2013 EFRE) des Landes NRW, ein brennstoffzellenbasiertes Energieversorgungssystem für Bohrloch-Anwendungen entwickelt.
Für einen Energiesektor, der zukünftig im hohen Maße auf erneuerbaren Quellen beruht, sind Energiespeicher unverzichtbar, um die heute gewohnte Versorgungssicherheit auch in Zeiten geringer Einspeisung aus Wasser, PV- und/oder Windkraftanlagen garantieren zu können. Da konventionelle Speichertechnologien wie beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke durch fehlende mögliche Standorte in Deutschland nicht weiter ausgebaut werden, sind Alternativen notwendig. Es ist Konsens, hierfür emissionsarme Strategien zu entwickeln, um die gesetzten Ziele zur Reduktion von CO2 Emissionen zu erreichen. Neben Batterien, die vorzugsweise für Kurzzeitspeicher einzusetzen sind, bietet sich Wasserstoff als umweltfreundlicher Sekundärenergieträger an, der in großen Mengen gespeichert und in Brennstoffzellen mit hohem Wirkungsgrad emissionsfrei in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Da elementarer Wasserstoff nicht natürlich vorkommt, ist dieser zuvor zu generieren. Überschüsse aus regenerativen Energiequellen können hierfür ideal genutzt werden. In diesem Beitrag wird ein aussichtsreiches Konzept für einen modularen Hochdruckelektrolyseur vorgestellt, welcher erlaubt, Wasserstoff bei einem hohen Ausgangsdruck bereitzustellen. Durch den prinzipiellen Aufbau, ist ein beliebiges Druckniveau am Ausgang nur von der mechanischen Stabilität der verwendeten Bauteile abhängig. Hierdurch ist es möglich, Wasserstoff direkt in einen Druckgasspeicher oder eine Pipeline zu produzieren, ohne einen zusätzlichen Verdichter nutzen zu müssen. Dies resultiert in signifikanten Kosteneinsparungen und verbessert den Systemwirkungsgrad zukünftiger Anlagen entscheidend.
In polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) noble metal nano particles are deposited on graphitic supports serving as electrocatalysts for devices with high power density. In this study anodes are analysed with low platinum loading of about 0.1 mg cm-2. These electrodes are prepared by carbon nano fibres (CNF) decorated with platinum nano particles. For electrode manufacturing two sorts of fibres, which are produced in an industrial scale, are used with different graphitisation degree and surface area. CNF layers are applied on commercially available graphitic substrate by spray coating which leads to a porous structure with high surface area. Subsequently, platinum deposition is achieved by pulsed electroplating for an improved platinum utilisation in PEMFC electrodes. Spray coating and platinum deposition are assisted by a previous oxygen plasma activation process. Prepared anode material is characterised by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction spectroscopy (XRD), X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) and thermogravimetry (TGA). Electrochemical analyses (cyclic voltammetry and corrosion test) are carried out in 0.5 M sulphuric acid. The effect of graphitisation degree of carbon nano fibres on the performance of prepared electrodes is investigated in-situ in a PEM fuel cell test bench.
Platinum is one of the most effective electro catalysts for PEMFCs (proton exchange membrane fuel cells), but because of its prohibitive price, the use of this metal in industrial purposes is limited. As a consequence, during last years, several materials have been investigated, in order to obtain an efficient catalyst for both ORR (oxygen reduction reaction) and HOR (hydrogen oxidation reaction), which can replace the expensive platinum but preserving the same properties: high electrical conductivity, structural stability and good corrosion resistance. Moreover, one of the most important parameters for catalyst materials is the electrochemical surface area (real surface area), which has a strong influence on the reaction rate and also on the current density.
CNFs (carbon nanofibers) are considered to be a promising catalyst support material due to their unique characteristics, excellent mechanical, electrical and structural properties, high surface area and nevertheless, good interaction with platinum particles.
The possibility of preparing CNFs decorated with platinum by electrochemical methods was tested, using a hexachloroplatinic solution bath. The experiments were carried out with the aid of a Potentiostat/Galvanostat MMate 510, in a three – electrode cell.
The aim of the present work was to determine the electrochemical surface area of the CNFs – Pt catalysts, using an electrochemical method. The obtained results correlate very well with the particles size and distribution of platinum, analyzed by SEM (scanning electron microscopy) respectively with the quantity of deposited platinum determined by TG (thermo gravimetrical analyses). Cyclic voltammetry is a suitable method for estimation of the real surface area for catalyst particles.
In state of the art polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) rare and expensive platinum group metals (PGM) are used as catalyst material. Reduction of PGM in PEMFC electrodes is strongly required to reach cost targets for this technology. An optimal catalyst utilisation is achieved in the case of nano-structured particles supported on carbon material with a large specific surface area. In this study, graphitic material in form of carbon nanofibres (CNFs) is decorated with platinum (Pt) particles serving as catalyst material for PEMFC electrodes with low Pt loading. For electrode preparation CNFs have been previously activated by means of radio frequency induced oxygen plasma. This kind of treatment results in formation of functional groups on the CNF’s surface which directly influences the characteristics of subsequent Pt particle deposition. Different plasma parameters (plasma power, gas flow or exposure time) have to be set in order to achieve formation of oxygen containing functional groups (hydroxylic, carboxylic or carbonylic) on the CNF’s surface. In the frame of this experimental work, electrodes are investigated in respect of optimal morphology, microstructure as well as electrochemical properties. Therefore, samples were characterised by means of scanning electron microscopy combined with energy dispersive X-ray analysis, transmission electron microscopy, thermogravimetry, X-ray diffraction, X-ray fluorescence as well as polarisation measurements.
In this study, a novel design concept for PEMFC (polymer electrolytemembrane fuel cell) stacks is presented with singlecells inserted in pockets surrounded by a hydraulic medium. Thehydraulic pressure introduces necessary compression forces to themembrane electrode assembly of each cell within a stack. Moreover, homogeneous cell cooling is achieved by this medium. First,prototypes presented in this work indicate that, upscaling of cells for the novelstack design is possible without significantperformancelosses. Due to its modularity and scalability, this stackdesign meets the requirements for large PEMFC units.