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Das härteste Wettbewerbsumfeld ist die Natur. Ein hoher Selektionsdruck führt dort zu Organismen, die mit geringem Aufwand besser an die herrschenden Bedingungen angepasst sind, als die Wettbewerber. Die hierzu verwendeten Strategien zum Materialeinsatz sind sehr effizient und als Strukturoptimierung abstrahiert auch in der Technik anwendbar. In diesem Vortrag werden Optimierungsmethoden und Vorgehensweisen für einen effizienten Materialverbrauch vorgestellt und diskutiert.
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.
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.
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.
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.
For this experimental work gas diffusion electrodes (GDE) with low platinum loading are prepared for the application as anodes in polymer electrolyte membrane fuel cells. As catalyst support material, carbon nano fibres (CNF) are investigated due to high specific surface area as well as high graphitisation degree. Optimisation is achieved by an economic and environmental friendly pre-treatment process in oxygen plasma. For electrode preparation an ink is used containing oxygen plasma activated CNFs as well as hydrophilic polymer. After spray coating of this CNF ink on a graphitic substrate, platinum is deposited by pulse plating method. Preliminary results established that the plasma activation improves considerably CNF dispersibility as well as the amount, respectively, the morphology of the deposited platinum. Morphology and microstructure are observed by electron microscopy. Platinum loading is determined by thermogravimetric analysis to be in the range of 0.010 to 0.016 mg cm-2. Furthermore, MEAs are prepared from these GDEs and testing is performed in a novel modular test stack based on hydraulic compression. Technical information about the test stack design and functions are given in this work. In this test environment maximum specific power output of 182 mW cm-2 has been obtained under robust operation conditions.
Jasminduft für das Audimax
(2015)
Die Kommunikationslage
(2015)