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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.
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.
Brennstoffzellen gelten in der Forschung als eine der saubersten Technologien zur Stromerzeu-gung. In den Zellen, die meist z.B. so groß sind wie ein Taschenbuch, werden Wasserstoff und Sauerstoff in einer kontrollierten chemischen Reaktion in Wasserdampf umgewandelt. Dabei entstehen elektrische Energie und Wasser. Im Gegensatz zu den meisten anderen Formen der Stromproduktion wird kein Kohlendioxid freigesetzt. Das macht den Wandlungsprozess der Brennstoffzelle sehr umweltfreundlich.
Der Elektroingenieur Prof. Dr. Michael Brodmann von der Westfälischen Hochschule sieht in dieser Technologie die Zukunft mobiler wie stationärer Energieversorgung. Autos mit Elektro-motoren könnten mit Wasserstofftechnik angetrieben, portable Elektrogeräte oder auch ganze Gebäude umweltfreundlich mit Strom versorgt werden. Jedoch ist die Herstellung und Wartung der Brennstoffzellen derzeit sehr teuer, weshalb am Markt Energiewandler auf Basis fossiler Rohstoffe weiterhin dominieren. An diesem Problem arbeitet Brodmann gemeinsam mit Dr. Ulrich Rost. Im Labor des Westfälischen Energieinstituts haben die beiden Forscher eine neue Zelle entwickelt, die effektiver und günstiger ist – und dabei auf ein bewährtes Patent und neue Materialien gesetzt.
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.
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.
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.
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.
For this study gas diffusion electrodes (GDE) with low platinum loading are prepared for the application as anode in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) systems based on hydraulic compression. As catalyst support material, carbon nanofibers (CNF) are investigated because of their high specific surface area and high graphitization degree. The electrode preparation is optimized by an economic and environmental friendly pre-treatment process in oxygen plasma. For GDE manufacture an ink containing oxygen plasma activated CNFs as well as hydrophilic polymer is used. After spray coating of this CNF ink on a graphitic substrate, platinum is deposited using the pulse plating technique. Preliminary results showed a considerable improvement of CNF dispersibility as well as an increased amount and an optimized morphology of the deposited platinum. Morphology and microstructure are observed by scanning electron microscopy as well as transmission electron microscopy. Platinum loading is determined by thermogravimetric analysis to be in the range of 0.01 mg cm-2 to 0.017 mg cm-2. Furthermore, MEAs are prepared from these GDEs and testing is performed in a novel modular fuel cell test stack based on hydraulic compression. Technical information about stack design and functions is given in this work.