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Membrane electrode assemblies (MEA) developed at the Westphalian Energy Institute for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are high tech systems containing various materials structured in nanoscale, at which electrochemical reactions occur on catalyst nano particle surfaces. For low reactance homogeneous compression of the MEA’s layers is necessary. A novel stack architecture for electrochemical cells, especially PEMFC as well as PEM electrolysers, has been developed according to achieve ideal cell operation conditions. Single cells of such a stack are inserted into flexible slots that are surrounded by hydraulic media. While operation the hydraulic media is pressurised which leads to an even compression and cooling of the stack’s cells. With this stack design it has been possible to construct a test facility for simultaneous characterisation of several MEA samples. As compression and temperature conditions of every single sample are equal, with the novel test system the effect of e.g. different electrode configurations can be investigated. Furthermore, the modular stack design leads to the development of hybrid energy applications combining fuel cells, electrolysers, batteries as well as metal hydride tanks in one system.
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.
Building Information Modeling, kurz BIM, wird als revolutionäre Methode gepriesen, die der Baubranche helfen soll, effizienter und kostengünstiger zu bauen. Gerne wird hierbei der Vergleich mit der Einführung von CAD-Systemen in den 1990er Jahren herangezogen, der jedoch zu kurz greift. BIM ist vielmehr als der Wechsel vom Tuschestift hin zur Computermaus. Dieser Beitrag gibt einen kurzen Einblick in das Thema BIM und den heutigen Stand in Deutschland. Hierbei soll insbesondere die Sicht der Bauherren und Betreiber berücksichtigt werden, da diese in den meisten Betrachtungen nur oberflächlich gesteift werden.
Menschen verbringen einen großen Teil ihrer Zeit in Innenräumen. Um dafür die notwendige thermische Behaglichkeit zu gewährleisten, müssen schon bei der Nutzungsplanung die Temperaturen und Luftbewegungen im Raum vorhergesagt werden können. Bei anderen Anwendungen wiederum sind diese Größen relevant für die Prozesssicherheit (z. B. Labore, Operationssaal). Die Vorhersagen erfolgen zum Beispiel durch Strömungssimulationen oder an sogenannten Mock Up Räumen, die eine 1:1 Nachbildung des relevanten Raums darstellen. Bei größeren Räumen wie z. B. Konzertsälen steigt der Aufwand erheblich an.
Eine auf den ersten Blick vergleichsweise einfache Lösung ergibt sich durch Untersuchungen an skalierten Modellräumen. Allerdings ist hier die Ähnlichkeit zwischen Modell und Realausführung bei nicht-isothermen Strömungen nicht gegeben. Die dimensionslosen Kenngrößen Reynolds Zahl Re und Archimedes Zahl Ar sind nicht identisch, da sie mit unterschiedlichen Exponenten bei der charakteristischen Länge skalieren, so dass sie durch die Wahl eines anderen Mediums oder Anpassung der Temperaturen nicht hinreichend kompensiert werden können.
Im Labor für Klimatechnik an der Westfälischen Hochschule sollen mit Hilfe von experimentellen Modelluntersuchungen und dem Vergleich mit der Realausführung Erkenntnisse gewonnen werden, in wie weit ein Kompromiss aus Ähnlichkeit und Genauigkeit gefunden werden kann, um technisch relevante Fragestellungen am Modell zu beantworten.
Die Leitfragen dabei sind:
- Wie lassen sich Modellergebnisse auf reale Raumluftströmungen übertragen?
- Unter welchen Bedingungen ist die Ähnlichkeit zwischen Modell und Realausführung noch gegeben?
- Wie sehen Leitlinien für die praktische Anwendung der Ähnlichkeitsgesetze aus?
Ein Büroraum mit unterschiedlichen Luftführungsvarianten und thermischen Lasten stellt dabei die Realausführung dar. Das Modell ist im Maßstab 1:5 herunterskaliert.
Alle Maßnahmen der Technischen Gebäudeausrüstung sollten daran gemessen werden, den Primär-energieverbrauch so gering wie möglich zu halten, dabei aber auch die geforderten Raumzustände während der Gebäude- und Anlagennutzung sicherzustellen.
Heute geplante Gebäude und deren RLT-Anlagen werden mit großer Wahrscheinlichkeit auch noch in 15 bis 20 Jahren in Betrieb sein, so dass lokale Klimaänderungen heute bereits mitgedacht und –geplant werden sollten. Die Testreferenzjahre des Deutschen Wetterdienstes bieten diese Möglichkeit mit lokalen Wetterdaten für die Bezugsjahre 2015 und 2045.
Am Beispiel eines Zentralluftgerätes einer Krankenhaus-Intensivstation wurde für die 15 Wetter¬stationen der VDI 4710, Blatt 3 in Deutschland untersucht, wie sich die Leistungsanforderungen von heute zum Jahr 2045 hin ändern werden und welche Konsequenzen sich daraus für die Planung ableiten lassen. Hierbei werden die Leistungen, Energieverbräuche und Betriebszeiten der einzelnen RLT-Komponenten analysiert und verglichen.
Darüber hinaus wurde erstmalig ein „Deutschlandwetter“ auf Basis der Regionen berechnet. Dieser Ansatz liefert die stündlichen Witterungsverhältnisse für das Bundesgebiet. Wenn diese Methode auf die tatsächlichen Wetterdaten der zurückliegenden Jahre angewandt wird, kann damit analog zum Wind- und Solarindex ein Heiz- bzw. Kühlindex beschrieben werden. Damit lassen sich Modellierungsansätze zur Beschreibung der Energiewende im Gebäudesektor deutlich verbessern.
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.
Aufgrund der Energiewende und den steigenden Anforderungen an die technische Gebäudeausrüstung gewinnt der Betrieb von Wärmepumpen in Gebäuden immer mehr an Bedeutung. Inzwischen existiert eine Vielzahl an Wärmepumpen-Systemen, die unterschiedliche Vor- und Nachteile sowie Einsatzmöglichkeiten aufweisen. Sofern die Installation einer Wärmepumpe für den Wohngebäudesektor in Betracht gezogen wird, muss eruiert werden, welches System sowohl ökologisch als auch ökonomisch für das Bauvorhaben am sinnvollsten ist. Hierfür wurde eine Bewertungstool entwickelt, das den Einsatz der unterschiedlichen Wärmepumpensysteme bewertet und auch Nutzern mit wenig Expertise eine Entscheidungshilfe ermöglicht. Für eine möglichst ganzheitliche Betrachtung können verschiedene Szenarien mit Hilfe des Bewertungstools überprüft werden. Hierzu können Indikatoren wie Standortdaten, Gebäudedaten, Parameter für die Trinkwassererwärmung, die Systemtemperaturen der Heizung und die Betriebsweise der Wärmepumpe im Tool variiert werden. Die Ergebnisse des Bewertungstools zeigen, wie die unterschiedlichen Nutzungsanforderungen sich auf die Jahresarbeitszahl und den Energiebedarf auswirken. Zusätzlich werden Investitions- und Verbrauchskosten für die unterschiedlichen Szenarien abgeschätzt und berechnet. Bei der ökologischen Bewertung wird der Fokus der Betrachtung auf den TEWI-Wert gelegt, um den Einfluss von verschiedener Kältemittel im Lebenszyklus der Wärmepumpe zu berücksichtigen.
Hochdruck PEM-Elektrolyse
(2017)
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.
Kurzübersicht der aktuellen Projekte des Westfälischen Energieinstituts.
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.
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.
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.
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.