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- Westfälisches Energieinstitut (106) (entfernen)
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.
Um CO2-frei, mit erneuerbaren Technologien, Energie umzuwandeln, zu speichern und Wasserstoff zu produzieren, bedarf es einer Technologie, welche zu hoher Leistungsdichte, Flexibilität und Effizienz fähig ist. Die Polymerelektrolytmembran-(PEM) Wasser-Elektrolyse besitzt das Potential alle diese Attribute in sich zu vereinen, weswegen sie eine Schlüsseltechnologie bei dem Umstieg auf erneuerbare Energien darstellt. Die aktuellen hohen Beladungen der Elektroden mit Katalysatormaterial für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) wie Iridium und die bisher noch ungenügend erforschten Alterungsmechanismen dieser über eine längere Nutzdauer, sind bisher die größten Herausforderungen für die großflächige industrielle Nutzung dieser Systeme. Mit diesem Hintergrund stellt sich diese Arbeit der Herausforderung die untersuchten PEM-Anoden mit reduzierter Beladung, hinsichtlich ihrer Stabilität und Alterungsmechanismen zu charakterisieren und den ersten Schritt in Richtung eines Degradationsprotokolls zu machen, um solche Elektroden künftig zu untersuchen. In der vorgegangenen Arbeit, aus welcher die hier untersuchten Proben stammen, wurden Elektroden hergestellt, indem auf ein Titansubstrat eine Supportschicht mit unterstöchiometrischem Titanoxid eingesintert wurde, auf welchem wiederum das Iridium galvanisch gepulst abgeschieden wurde. Die Beladung mit Katalysatormaterial war hier geringer als der der Stand der Technik, doch die katalytische Aktivität wurde durch die optimierte Elektrodenarchitektur erhöht. In dieser Arbeit wurden die Elektroden einem elektrochemischen Degradationsprotokoll unterzogen, welches sich aus Cyclovoltametrie (CV) gefolgt von Chronopotentiometrie (CP) und Chronoamperometrie, mit wechselnden Potentialen, zusammensetzt. Der dabei verwendete Elektrolyt wurde ebenfalls durch Filtration und Titration auf Zerfallsprodukte der Elektroden hin untersucht. Nach erfolgter Degradation wurden die Elektroden auf topografische Änderungen, mittels Rasterelektronenmikroskop (REM), Änderungen der Kristallinität, mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und Änderungen der Elementenkonzentration durch Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) hin untersucht.
This report gives a brief overview to the state of the art of PEM fuel cell technology and a description of a newly developed fuel cell stack concept. One main research activity at the Westphalian Energy Institute of the Westphalian University of Applied Sciences is the development of PEM fuel cells, for which a range of different materials have been investigated for fuel cell pole plate construction. Whereas graphite is a material which has suitable properties concerning conductivity as well as manufacturing e.g. for milling, stainless steel foils are suitable for economical hydroforming processes. However, with steel coating is necessary to increase corrosion resistance as well as electrical conductivity. A new fuel cell stack design is currently under development using separated single fuel cells with hydraulic cell compression. The advantages of this stack concept are modularity, effective heat exchanging and constant, uniform cell compression which are further described in this work.
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.