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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.
The membrane electrode assemblies (MEA) for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) developed at the Westphalian Energy Institute are based on oxygen plasma activated carbon nanotubes (CNT) doped with platinum particles. For electrode preparation an ink is used containing the activated CNTs as well as hydrophobic and hydrophilic material in solved form. After this ink is sprayed onto a graphitic substrate platinum particles are deposited by pulse plating method, where the plasma activation enhances CNT dispersibility as well as platinum deposition. This materials mixture is structured in nanoscale with the aim to increase the catalyst particles’ specific surface. For low reactance at operation, homogeneous compression of the MEA’s layers is necessary within a PEMFC. A novel stack architecture for electrochemical cells, especially PEMFC as well as PEM electrolysers, has been developed in order to achieve ideal cell operation conditions. Single cells of such a stack are inserted into flexible slots that are surrounded by a hydraulic medium which is pressurised during operation in order to achieve 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 the same, the effects of e.g. different electrode configurations can be investigated with the novel test system.
In the polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) state of the art, rare and expensive platinum group metals (PGM) or PGM alloys are used as catalyst material. Reduction of PGMs in PEMFC electrodes is strongly required to reach cost targets for this technology. An optimal catalyst utilization is achieved in case of nano-structured particles supported on carbon material with a large specific surface area. In this study, graphitic material, in form of carbon nanofibers (CNF), is decorated with Pt particles, serving as catalyst material for PEMFC electrodes with low Pt loading. As a novelty, the effect of oxygen plasma treatment of CNFs previously to platinum particle deposition has been studied. Electrodes are investigated in respect of the optimal morphology, microstructure as well as electrochemical properties. Therefore, samples are characterized by means of scanning electron microscopy combined with energy dispersive X-ray analysis, transmission electron microscopy, thermogravimetry, X-ray diffraction as well as X-ray fluorescence analysis. In order to determine the electrochemical active surface area of catalyst particles, cyclic voltammetry has been performed in 0.5 M sulphuric acid. Selected samples have been investigated in a PEMFC test bench according to their polarization behavior.
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.
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)