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- Westfälisches Energieinstitut (115) (entfernen)
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.
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.
Um grünen Wasserstoff effizient als Energieträger nutzen zu können, ist die Entwicklung von haltbaren und aktiven Katalysatorschichten für Brennstoffzellen und Elektrolyseuren von äußerster Wichtigkeit. Eine große Herausforderung ist, dass konventionelle C/Pt-Katalysatoren eine starke Korrosionsreaktion durchlaufen und mit hohen Kosten verknüpft sind. Weswegen alternative Kohlenstoffträger wie Kohlenstoffnanofaser-Materialien entwickelt wurden, welche eine längere Haltbarkeit aufweisen können. In dieser Arbeit wurde die Aufbringung von Pt- und Ir-Nanopartikeln auf gesponnene Kohlenstoffnanofaser-Vliese untersucht. Es wurden erstmals in einer Flüssigkeit laserablatierte Pt-Nanoartikel mit einem PAN-Vlies versponnen oder in einem zweiten Syntheseverfahren auf ein Vlies aufgesprüht. Diese Methoden wurden mit der gepulsten galvanischen Abscheidung von Pt auf einem PAN-Vlies verglichen. Die Vliese wurden bezüglich ihres Graphitisierungsgrades, ihrer Partikelverteilung und ihrer Beständigkeit untersucht, einschließlich des Einflusses der Karbonisierungstemperatur. Die Raman- und XRF-Messungen ergaben eine Erhöhung des Graphitisierungsgrades und eine Abnahme der PAN-Reste mit dem Anstieg der Karbonisierungstemperatur. Elektrochemische Messungen und REM-Aufnahmen bestätigten die erfolgreiche Synthese von langzeitstabilen CNF-Vliesen mit einer hohen massenspezifischen aktiven Platinoberfläche und einer guten Nanopartikelverteilung. Diese Ergebnisse tragen zur Entwicklung von ökologischen und ökonomischen Katalysatorschichten bei.
RLT-Geräte werden meist auf eine Lebensdauer von 15 Jahren ausgelegt. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass viele Anlagen mehr oder weniger unverändert bis zu 25 Jahren betrieben werden. Damit müssen aktuell projektierte RLT-Anlagen auch bei dem erwarteten Klimawandel die gewünschten Zuluftparameter (Temperatur und Luftfeuchte) einhalten. Der Artikel untersjucht den einfluss des Klimawandels für Deutschland bezogen auf die Klimatisierung einer exemplarischen Krankenhausintensivstation.
Gebäude sind immer auch ein Ausdruck der Zeit, in der sie erbaut wurden. Oft bleiben sie sehr lange erhalten und erfahren über die Jahrzehnte mehrfache Nutzungsänderungen. Betroffen sind alte Produktionshallen ebenso wie Verwaltungsimmobilien. Die Gebäudehülle bleibt bei einer Umnutzung meist unangetastet. Aufgabe der Technischen Gebäudeausrüstung ist es dann, das Raumklima für die Nutzer unter den geänderten Bedingungen behaglich zu gestalten und die Aspekte der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit nicht aus den Augen zu verlieren. Insbesondere die Kühlung der Gebäude im Sommer steht aufgrund der steigenden internen Lasten und der solaren Gewinne durch große Glasfassaden im Vordergrund.
Am Beispiel eines rund 100 Jahre alten Verwaltungsgebäudes wird gezeigt, wie eine dynamischen Kühllastberechnung eine exakte Voraussage der zu erwartenden Spitzenlasten ermöglicht. Darauf basierend kann dann eine individuelle RLT-Anlagentechnik installiert wird. Die Auslegung erfolgt mit zwei Versionen der VDI 2078. Die Ergebnisse werden miteinander verglichen.
Am Beispiel eines rund 100 Jahre alten Verwaltungsgebäudes wird gezeigt, wie eine dynamische Kühllastberechnung eine exakte Voraussage der zu erwartenden Spitzenlasten ermöglicht. Darauf basierend kann dann eine individuelle RLT-Anlagentechnik installiert werden. Die Auslegung erfolgt mit zwei Versionen der VDI 2078. Die Ergebnisse werden miteinander verglichen.
Various aqueous citrate electrolyte compositions for the Ni-Mo electrodeposition are explored in order to deposit Ni-Mo alloys with Mo-content ranging from 40 wt% to 65 wt% to find an alloy composition with superior catalytic activity towards the hydrogen evolution reaction (HER). The depositions were performed on copper substrates mounted onto a rotating disc electrode (RDE) and were investigated via scanning electron microscopy (SEM), X-ray fluorescence (XRF) and X-ray diffraction (XRD) methods as well as linear sweep voltammetry (LSV) and impedance spectroscopy. Kinetic parameters were calculated via Tafel analysis. Partial deposition current densities and current efficiencies were determined by correlating XRF measurements with gravimetric results. The variation of the electrolyte composition and deposition parameters enabled the deposition of alloys with Mo-content over the range of 40-65 wt%. An increase in Mo-content in deposited alloys was recorded with an increase in rotation speed of the RDE. Current efficiency of the deposition was in the magnitude of <1%, which is characteristic for the deposition of alloys with high Mo-content. The calculated kinetic parameters were used to determine the Mo-content with the highest catalytic activity for use in the HER.
Die Klimatisierung von Gebäuden gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dies liegt zum einen an der Bauweise und Nutzung, die höhere Kühllasten mit sich bringt. Zum anderen fordern die Nutzer eine angemessene Behaglichkeit bei hoher Luftqualität.
Diese Forderungen gehen einher mit hoher Energieeffizienz und einwandfreier Hygiene der Raum-lufttechnischen Anlagen. Dieser Beitrag untersucht diese Forderungen für Nichtwohngebäude und prüft, ob Hygiene und Energieeffizienz zu Zielkonflikten führen können.
Der Mensch verbringt einen Großteil seiner Zeit in geschlossenen Räumen und erwartet, dass die Luftqualität mindestens der Außenluft entspricht. Mit Blick auf die aktuelle Feinstaubdebatte, muss die Raumluftqualität noch deutlich darüber hinaus gehen. Weiterhin soll der Aufenthalt am Arbeitsplatz nicht zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen (Reizung der Schleimhäute, trockene Augen oder virale Infektionen).
Die Klimatisierung von Gebäuden benötigt einen nicht unerheblichen Teil der Primärenergie, so dass ein effizienter Anlagenbetrieb ein wichtiger Baustein der Energiewende ist. Dabei spielt die Nutzung von regenerativen Energien (Solarstrom zur Gebäudekühlung) genauso eine wichtige Rolle wie die Optimierung von Komponenten und deren Abstimmung zum „System Gebäudeklimatisierung“.
Zur Einordnung der Themengebiete werden die relevanten Normen und Regelwerke auf europäischer und deutscher Ebene kurz vorgestellt und erläutert.
Am Beispiel eines typischen RLT-Gerätes werden die Komponenten und Funktionen im Betrieb veranschaulicht. Die wichtigsten Komponenten (z. B. Filter, Wärmeübertrager, Befeuchter und Ventilatoren) werden mit Blick auf Hygiene und Energieeffizienz anschließend analysiert und verglichen. Die Vergleiche finden anhand von Fallbeispielen statt, wie sie für Nichtwohngebäude typisch sind. Zusammenfassend wird die Ausgangsfrage aus Sicht des Autors beantwortet.
Deutschlands Stromversorgung soll im Jahr 2045 gemäß aktueller Planung (z.B. EEG 2023) aus-schließlich mit Hilfe sog. erneuerbarer Energien geschehen. Hierzu gehören Wind- und Solar-kraft und in erheblichst geringerem Maße Biomasse- und Laufwasserkraft.
Bekannt ist, dass die Energiezufuhr aus diesen Energiequellen überwiegend volatil und daher inkompatibel mit dem Strombedarf der Verbraucher ist. Ohne weitere Maßnahmen käme es ständig zu Über- oder Unterversorgungssituationen mit der Folge dauerhafter Blackouts.
Während eine Überversorgung im einfachsten Fall mit dem rechtzeitigen, wenn auch unwirtschaftlichen Abschalten der entsprechenden Energieversorger sehr gut beherrschbar ist – andere Maßnahmen sind die Speicherung der überschüssigen Energie oder deren Export, sofern es das Ausland zulässt –, ist die Darstellung der Versorgungssicherheit im Falle einer Unterversorgung, also die Vermeidung ewiger Blackouts, nur mit Hilfe zusätzlicher aktiv steuerbarer Energiequellen darstellbar. In Frage kommen hierfür nach heutiger Diskussionslage Gas- bzw. H2-Kraftwerke, virtuelle und reale Batterie-Kraftwerke, sowie Pumpspeicher-Kraftwerke und Stromimporte. Für den Import muss das Ausland für Deutschland regelbare Kraftwerke vorhalten, die stets dann mit erster Priorität bereitstehen müssen, wenn Deutschland in eine Unterversorgungslage gerät. Diese Möglichkeit erscheint dem Berichter eher spekulativ als gesichert. Die Verwendung deutscher Kernkraftwerke wird heutzutage aus politischen Gründen negiert, während gleichzeitig und widersinnigerweise der Import ausländischen Kernkraftstroms billigend in Kauf genommen wird.
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Titanträgerlage, die anschließend als Supportstruktur für den Anodenkatalysator eines PEM-Elektrolyseurs genutzt werden soll, sowie mit der Parametrisierung der hierfür genutzten Lasersinteranlage.
Dafür wird 1 mg cm-2 unterstöchiometrisches Titanoxid (TiOx) auf eine poröse Titantransportschicht gesprüht und anschließend mit einem gepulsten Laser in Argonatmosphäre gesintert, um beide Materialien zu verbinden und die Oberfläche gezielt verändern zu können. Da die benötigte Menge des unterstöchiometrischen TiOx-Pulvers nicht abschätzbar war, wurden die Arbeiten mit kommerziell verfügbarem Titandioxid-(TiOx) Pulver durchgeführt.
Im ersten Schritt wurde ein bestehender Sprühprozess optimiert. Der Fokus lag dabei auf einem gleichmäßigen Sprühergebnis und dem reproduzierbaren Erreichen einer vorgegebenen Beladung. Die Optimierung wurde auf Titanblech und auf porösen Titansubstraten durchgeführt.
Anschließend wurde das verwendetet Lasersystem, das einen luftgekühlten Neodymdotierten Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG)-Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 355 nm nutzt, parametrisiert. Das Erreichen der Bearbeitungsschwelle und die maximalen Spotgrößen bei verschiedenen Diodenströmen wurden untersucht. Anschließend wurde die Frequenz erhöht, dies führte zu geringeren Einzelpulsenergien und daher zu neuen Bearbeitungsschwellen bei den unterschiedlichen Diodenströmen. Die Variierung des Vorschubs führt zu einer Änderung der eingebrachten Energie pro Fläche und wirkt sich direkt auf die Sinterdauer aus. Als letztes wurde der Einfluss des Linienabstandes untersucht. Wenn der Linienabstand unterhalb des Wertes gehalten wird, ab dem eine streifenfreie Oberfläche entsteht, wirkt die Verkleinerung des Linienabstandes wie die Verringerung des Vorschubs.
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.
Hochdruck PEM-Elektrolyse
(2017)
The technology of polymer electrolyte membrane (PEM) electrolysis provides an efficient way to produce hydrogen. In combination with renewable energy sources, it promises to be one of the key factors towards a carbon-free energy infrastructure in the future. Today, PEM electrolyzers with a power consumption higher than 1 MW and a gas output pressure of 30 bar (or even higher) are already commercially available. Nevertheless, fundamental research and development for an improved efficiency is far from being finally accomplished, and mostly takes place on a laboratory scale. Upscaling the laboratory prototypes to an industrial size usually cannot be achieved without facing further problems and/or losing efficiency. With our novel system design based on hydraulic cell compression, a lot of the commonly occurring problems like inhomogeneous temperature and current distribution can be avoided. In this study we present first results of an upscaling by a factor of 30 in active cell area.
Air Handling units (AHU) are designed to guarantee a high indoor air quality for any time and outdoor condition all over the year. To do so, the AHU removes particle matter like dust or pollen and adapts the thermophysical properties of air to the desired, seasonal indoor comfort conditions. AHU have a robust design and thus operate for more than fifteen years, sometimes even for decades. An AHU designed today must consider and anticipate the change of user needs as well as outdoor air conditions for the next twenty years. To anticipate the outdoor air condition of coming decades, scientific models exist, which allow the design of peak performance and capacities of the air treatment components. It is most likely, that the ongoing climate change will lead to higher temperatures as well as higher humidity, while the comfort zone of human beings will remain at today’s values. Next to the impact of global warming with average rise of mean air temperature local effects will influence the operation of AHU. On effect investigated here is the steep temperature increase in city centres called urban heat islands. Heating and cooling capacities as well as water consumption for humidification are investigated for a reference AHU for fifteen regional locations in Germany. These regions represent all climate zones within the country. Additionally, the urban heat island effect was investigated for Berlin Alexanderplatz compared a rural area close by. The AHU was chosen to operate in an intensive care unit of a hospital. The set-up leads to 24/7 operation with 8760 hours per year. The article presents the modelling of current and future weather data as well as the unit set up. The calculated hourly performance and capacity parameters for current (reference year 2012) and future weather data (reference year 2045) yield energy consumption and peak loads of the unit for heating, cooling and humidification. The results are displayed by relative comparisons of each performance value.
This work deals with the preparation and investigation of PEM fuel cell electrodes, which are obtained using graphene related material (GRM) serving as catalyst support for platinum nanoparticles. Applied GRM are used for the preparation of suspensions in four distinct mixing ratios. Two sorts of GRM have been investigated: carbon nanofibers (CNF) and graphene oxide (GO). Utilized CNFs provide a superior graphitization degree of about 100%, which leads to both high corrosion resistance and low ohmic resistance in PEM fuel cells.
For electrode preparation a GRM containing layer serving as catalyst support is applied onto a gas diffusion layer (GDL). Prior to GRM suspension and deposition onto a GDL, the graphene structures are functionalized by plasma treatment. Due to this step, an improved hydrophilic behavior for facilitating suspension preparation is achieved. In addition, a subsequent platinum nanoparticle deposition by pulsed electrodeposition process is optimized.
In this experimental work polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) electrodes are analysed, which are prepared by the use of two sorts of carbon nano fibres (CNF) serving as support material for platinum nano particles. Those CNFs, which are heat treated subsequently to their production, have a higher graphitisation degree than fibres as produced. The improved graphitisation degree leads to higher electrical conductivity, which is favourably for the use in PEMFC electrodes. Samples have been analysed, in order to determine graphitisation degree, electrical conductivity, as well as morphology and loading of the prepared electro catalyst. Membrane electrode assemblies manufactured from prepared electrodes are analysed in-situ in a PEM fuel cell test environment. It has been determined that power output for samples containing CNFs with higher graphitisation degree is increased by about 13.5%.
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.
The energy transition towards renewable energies for the overall energy supply (electricity, heat, mobility, etc.) is already well advanced and the further expansion is planned. The volatility of renewable energies is being addressed by the hydrogen technology. However, there is still a need for optimization of the cost-efficient reconversion of stored energy in the form of hydrogen, e.g. in applications for decarbonization of the power grid or of the mobility sector. For instance, the cost of an automotive low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) must be lowered by reducing the platinum loading and the lifetime must be further improved to achieve the competitiveness of this technology.
The aim of the present thesis was to develop membrane electrode assemblies (MEAs) with ultra-low platinum loading, high performance and increased lifetime for the use in PEMFCs. They are fabricated by an innovative MEA preparation process based on the pulse electrodeposition of platinum (Pt) using carbon nanofibers (CNFs) as a catalyst support with enhanced resistance to carbon oxidation reaction.
The design of the MEA preparation process and the development of ultra-low Pt-loaded anodes and cathodes was the starting point of this thesis. It was found that the Pt/CNF catalyst used on the anode side had better characteristics than a commercial Pt/C catalyst, since the same power output of 0.525 W cm-2 was obtained with 10 .....
Since high costs restrict the wide-range implementation of green hydrogen production capacities based on proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE), efforts on cost reduced components need to be made. Beside the necessary noble metal catalyst, the membrane material is a main cost driver. In this work, a novel glass fibre reinforced PFSA/ssPS composite membrane is investigated as an alternative to widely used Nafion®. These membranes are processed into membrane-electrode-assemblies (MEAs) in conjunction with catalyst-coated substrates, prepared via electrochemical catalyst deposition. This approach is promising to reduce costs due to less expensive raw materials and due to increasing catalyst utilization by graded catalyst layers. Characterisation of the components and entire MEAs was performed ex-situ as well as in-situ via PEMWE operation.
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.
Zur Planung und zum Bau von Reinräumen gibt es zwei Normen (VDI 2083 „Reinraumtechnik“ und ISO 14644 „Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche“). Beide Normen fordern einen Qualitätsplan, der aber nicht eindeutig definiert ist. In der Praxis bedeutet dies, dass sich die ausführenden Planer und Gewerke nicht auf eine allgemein gültige Norm für einen Qualitätsplan verlassen können. Genau an dieser Stelle setzt eine Masterarbeit an und definiert einen möglichen Qualitätsplan mit Zwischenzielen und den dafür erforderlichen Maßnahmen. Unter anderem wird zur Sicherstellung der einzelnen Baufortschritte und zur Einhaltung des Reinraumkonzepts die Methodik der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) eingeführt. Diese Methodik wird bereits in der Automobilindustrie angewendet und umfasst unter anderem auch die sogenannte Risikoprioritätszahl (RPZ), die das Gesamtrisiko eines möglichen Fehlers in Planung und Bau beziffert. cci Zeitung hat bei Prof. Christian Fieberg, seit März 2017 Professor für Gebäudetechnik, und M. Sc. Lea Klaßen, Verfasserin der Masterarbeit, beide Westfälische Hochschule Gelsenkirchen, zu diesem Thema nachgefragt.
Nachhaltigkeit von intelligenten Gebäuden - Ein Blick auf die Gesetzgebungen und Praxismöglichkeiten
(2023)
Gebäude sind durch ihre Herstellung und den Betrieb für einen erheblichen Teil der CO2-Emissionen in Europa verantwortlich. Die EU und Deutschland wollen durch milliardenschwere Maßnahmenpakete diese Emissionen bis zum Jahr 2045 (Deutschland) bzw. 2050 (EU) auf null reduzieren. Neben der Gebäudehülle als maßgeblicher Faktor für die Wärmebilanz zum Heizen und Kühlen spielt die Gebäudeautomation eine wichtige Rolle. Wie Gebäude intelligenter und smarter werden und wie sich das auf die Energieeffizienz auswirkt, soll im Folgenden betrachtet werden.
Um die Wasserstofftechnik in Zukunft wirtschaftlich und damit kommerziell am Markt verfügbar werden zu lassen, sind heute noch immer große Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen notwendig. Dabei erfordert die Entwicklung von optimierten Komponenten wie beispielsweise der Membran-Elektroden-Einheit (MEA – engl. Membrane Electrode Assembly) für Brennstoffzellen sowie Elektrolyseure reproduzierbare und homogene Prüfbedingungen. Für diesen Zweck ist ein Prüfsystem auf Basis eines von der Westfälischen Hochschule (WHS) patentierten modularen Stackkonzepts mit hydraulischer Verpressung entworfen und realisiert worden. Mit dem hier vorgestellten System ist es möglich, auf Einzelzellenbasis mehrere Proben zum gleichen Zeitpunkt unter identischen Umgebungsbedingungen auf ihre Charakteristik hin zu untersuchen.
In vielen TGA-Büros werden bereits heute mehr oder weniger unbewusst wichtige Vorteile der BIM-Methode genutzt, als „Little BIM“ oder Büro-intern als „Big BIM“ bzw. „Closed-BIM“.
Große Potenziale von BIM lassen sich aber erst erschließen, wenn alle relevanten Akteure für die Planung, Errichtung und den Betrieb Software übergreifend an und mit einem gemeinsamen Datenmodell arbeiten (Open BIM).
Der TGA kommt beim BIM eine Schlüsselrolle zu, muss dafür aber viel früher als bisher in die Gebäudeplanung einbezogen werden.
Eine große Herausforderung für die Verbreitung von BIM ist die digitale Transformation der kleinteiligen TGA-Branche in den Segmenten Planung und Installation. Ein wichtiger Schritt dafür ist eine zielgerichtete Weiterbildung, um den individuellen Schulungs- und Investitionsbedarf zu ermitteln.
Platinum nanoparticles electrodeposition on carbon nanofibers (CNF) support has been performed with the purpose to obtain electrodes that can be further used especially in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). A pretreatment of CNF is required in order to enhance the surface energy, which simultaneously improves handling and wettability as well as interaction with the platinum cations. This step was performed using oxygen plasma functionalization. To produce CNF supported Pt catalysts, an electrochemical method was applied and the deposition parameters were adjusted to obtain nanosized platinum particles with a good distribution onto the graphitic surface. The morphology and structure of the obtained particles were investigated by scanning electron microscopy combined with energy dispersive X-Ray spectroscopy. The amount of deposited platinum was established using thermogravimetrical measurements. Cyclic voltammetry performed in 0.5 M H2SO4 solution was applied for determining the electrochemical surface area (ECSA) of the obtained electrodes.The functionalization degree of the CNF outer surface has a strong influence on the structure, distribution and amount of platinum particles. Moreover, the current densities, which were set for the deposition process influenced not only the particles size but also the platinum amount. Applying an oxygen plasma treatment of 80 W for 1800 s, the necessary degree of surface functionalization is achieved in order to deposit the catalyst particles. The best electrodes were prepared using a current density of 50 mA cm-2 during the deposition process that leads to a homogenous platinum distribution with particles size under 80 nm and ECSA over 6 cm2
To further increase platinum utilisation in PEM fuel cells CNFs are investigated as catalyst support material due to the CNF’s high specific surface area. Furthermore, CNFs provide suitable properties concerning corrosion resistance as well as electrical conductivity in contrast to conventional carbon supports.
This work presents the results of an electrode preparation procedure based on O2 plasma activated CNFs. The plasma treatment leads to CNF dispersibility in alcohol/water for a spray coating process. Furthermore, O2 plasma activation enhances metal deposition on the CNF’s surface. Pulse plating procedure as well as wet chemical metal synthesis have been used for particle deposition. For pulse plating a potentiostat/galvanostat type MMates 510 AC from Materials Mates, Italy has been used. Electrode morphology has been determined in SEM type XL 30 ESEM from Philips, The Netherlands.
Since the 1980’s, against the backdrop of global warming and the decline of conventional energy resources, low emission and renewable energy systems have gotten into the focus of politics as well as research and development. In order to decrease the emission of greenhouse gases Germany intents to generate 80% of its electrical energy from renewable and low emission sources by 2050. For low emission electricity generation hydrogen operated fuel cells are a potential solution. However, although fuel cell technology has been well known since the 19th century cost effective materials are needed to achieve a breakthrough in the market.
Proton Exchange Membrane Fuel Cells with Carbon Nanotubes as Electrode Material
At the Westphalian Energy Institute of the Wesphalian University of Applied Sciences one main focus is on the research of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). PEMFC membrane electrode assemblies (MEA) consist of a polymer membrane with electrolytic properties covered on both sides by a catalyst layer (CL) as well as a porous and electrical conductive gas diffusion layer (GDL).
For PEMFC carbon nanotubes (CNT) have ideal properties as electrode material concerning electrical conductivity, oxidation resistance and media transport. CNTs are suitable for the use as catalyst support material within the CL due to their large surface in comparison to conventional carbon supports. Furthermore, oxygen plasma treated CNTs show electrochemical activity referred to hydrogen adsorption and desorption, which has been shown by cyclic voltammetry in 0.5 M sulfuric acid solution. According to the PEMFCs anode a GDL coated with oxygen plasma activated CNTs has promising properties to significantly reduce catalyst content (e.g. platinum) of the anodic CL.
This experimental work deals with the preparation and investigation of PEM fuel cell electrodes, which are obtained using Graphene Related Material (GRM) serving as catalyst support material for platinum nanoparticles. The applied GRM belong to the group of carbon nanofibers and exhibits a helical-ribbon structure with dimensions of 50 nm in diameter and an average length up to a few µm. Furthermore, utilized GRM provide a superior graphitisation degree of about 100 %, which leads to both high corrosion resistance and low ohmic resistance. Material stability plays one of the main roles for long term fuel cell operation, whereby a great electrical catalyst contact combined with high specific surface area yields in high fuel cell performances.
Prior to GRM dispersion and deposition onto a gas diffusion layer, the graphene structures are functionalized by oxygen plasma treatment. Through this step, functional oxygen groups are generated onto the GRM outer surface providing an improved hydrophilic behaviour and facilitating the GRM suspension preparation. In addition, the oxygen groups act as anchors for platinum nanoparticles which are subsequently deposited onto the GRM surface through a pulse electrodeposition process.
Membrane electrode assemblies produced with the prepared electrodes are investigated in-situ in a PEM fuel cell test bench.
This work deals with the preparation and investigation of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) electrodes, which are obtained using gas diffusion layers coated with graphene related material (GRM) serving as a catalyst support for platinum nanoparticles. PEMFC electrocatalysts have been prepared by pulsed electrochemical deposition of platinum particles from hexachloroplatinic acid. Prior to GRM decoration with platinum, the graphene structures are functionalized by oxygen plasma treatment. This leads to oxygen containing functional groups on the GRM outer surface, providing an improved hydrophilic behavior, thus favoring the Pt deposition process. Membrane electrode assemblies (MEAs) with the so prepared electrodes are investigated in-situ in our fuel cell test system. Polarization plots (in-situ cell performance) using these MEAs have been tested under different operational conditions.
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.
This experimental work deals with the preparation and investigation of PEM fuel cell electrodes, which are obtained using Graphene Related Material (GRM) serving as catalyst support material for platinum nanoparticles. The applied GRM belong to the group of carbon nanofibers and exhibits a helical-ribbon structure with dimensions of 50 nm in diameter and an average length up to a few µm. Furthermore, utilized GRM provide a superior graphitisation degree of about 100 %, which leads to both high corrosion resistance and low ohmic resistance. Material stability plays one of the main roles for long term fuel cell operation, whereby a great electrical catalyst contact combined with high specific surface area yields in high fuel cell performances.
Prior to GRM dispersion and deposition onto a gas diffusion layer, the graphene structures are functionalized by oxygen plasma treatment. Through this step, functional oxygen groups are generated onto the GRM outer surface providing an improved hydrophilic behaviour and facilitating the GRM suspension preparation. In addition, the oxygen groups act as anchors for platinum nanoparticles which are subsequently deposited onto the GRM surface through a pulse electrodeposition process.
Membrane electrode assemblies produced with the prepared electrodes are investigated in-situ in a PEM fuel cell test bench.
Performance enhancing study for large scale PEM electrolyzer cells based on hydraulic compression
(2017)
Die Planung und der Bau von Reinräumen sind komplexe Vorgänge, die ein hohes Maß an logistischer und fachlicher Kompetenz erfordern. Insbesondere ist die stetige Steigerung der Reinheit bis zur Inbetriebnahme eine wesentliche Voraussetzung für den späteren bestimmungsgemäßen Betrieb. Die Regelwerke und hier insbesondere die VDI 2083 liefert klare Vorgaben für den Planungsablauf. Um die Umsetzung der Richtlinie in die Praxis jedoch einfacher und unmissverständlich zu gestalten, sollte ein dezidierter Qualitätsplan vor jedem Projektbeginn ausgearbeitet werden. Dieser soll in Abhängigkeit des Baufortschritts die Bau- und Schutzmaßnahmen koordinieren und klare Regeln für die am Bau Beteiligten festlegen. Um unvorhergesehene Fehler und deren Folgen zu minimieren bietet sich die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) als Bestandteil des Qualitätsplans an. Hierdurch werden mögliche Fehler beschrieben und die Risiken erfasst und vorsorglich minimiert. Die Risikoprioritätszahl (RPZ) ist dabei ein Maß für den möglichen Schaden. Die FMEA sorgt dafür, dass die festgelegten Maßnahmen mit hoher Wirksamkeit umgesetzt werden können.
Die Erstellung der FMEA betrifft alle Gewerke beim Bau des Reinraums, daher sollten die Inhalte in gemeinsamen Besprechungen aller Verantwortlichen für jedes Bauvorhaben individuell erstellt werden. Dadurch ist zusätzlich das Bewusstsein zur Reinhaltung bei allen Gewerken gegeben. Der Bauleitung obliegt die durchgehende und verantwortungsbewusste Umsetzung des Qualitätsplans.
Hydrogen produced via water electrolysis powered by renewable electricity or green H2 offers new decarbonization pathways. Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is a promising technology although the current density, temperature, and H2 pressure of the PEMWE will have to be increased substantially to curtail the cost of green H2. Here, a porous transport layer for PEMWE is reported, that enables operation at up to 6 A cm−2, 90 °C, and 90 bar H2 output pressure. It consists of a Ti porous sintered layer (PSL) on a low‐cost Ti mesh (PSL/mesh‐PTL) by diffusion bonding. This novel approach does not require a flow field in the bipolar plate. When using the mesh‐PTL without PSL, the cell potential increases significantly due to mass transport losses reaching ca. 2.5 V at 2 A cm−2 and 90 °C.
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.
