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In this experimental work we present a novel electrolyzer system for the production of hydrogen and oxygen at high pressure levels without an additional mechanical compressor. Due to its control strategies, the operation conditions for this electrolyzer can be kept optimal for each load situation of the system. Furthermore, the novel system design allows for dynamic long-term operation as well as for easy maintainability. Therefore, the device meets the requirements for prospective power-to-gas applications, especially, in order to store excess energy from renewable sources. A laboratory scale device has been developed and high-pressure operation was validated. We also studied the long-term stability of the system by applying dynamic load cycles with load changes every 30 sec. After 80 h of operation the used membrane electrode assembly (MEA) was investigated by means of SEM, EDX and XRD analysis.
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.
Performance enhancing study for large scale PEM electrolyzer cells based on hydraulic compression
(2017)
A compact and efficient PEM electrolyser stack design based on hydraulic single cell compression
(2019)
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.
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.
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.
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.
In this work, a novel polymer electrolyte membrane water electrolyzer (PEMWE) test cell based on hydraulic single-cell compression is described. In this test cell, the current density distribution is almost homogeneous over the active cell area due to hydraulic cell clamping. As the hydraulic medium entirely surrounds the active cell components, it is also used to control cell temperature resulting in even temperature distribution. The PEMWE single-cell test system based on hydraulic compression offers a 25 cm2 active surface area (5.0 × 5.0 cm) and can be operated up to 80°C and 6.0 A/cm2. Construction details and material selection for the designed test cell are given in this document. Furthermore, findings related to pressure distribution analyzed by utilizing a pressure-sensitive foil, the cell performance indicated by polarization curves, and the reproducibility of results are described. Experimental data indicate the applicability of the presented testing device for relevant PEMWE component testing and material analysis.
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.
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.
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.
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.
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.