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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)
Bereits im April 2012 wurde im HZwei Magazin ein Stackkonzept für PEM-Brennstoffzellen vorgestellt, bei dem im Gegensatz zu der heute üblichen bipolaren Zellenanordnung mit mechanischer Verpressung Einzelzellen über ein Hydraulikmedium verpresst werden. Die Vorteile der homogenen Verpressung und Temperierung der Zellen wurden hierbei herausgestellt. Zwischenzeitlich ist basierend auf diesem Ansatz das Labormuster eines PEM-Elektrolyseurs entwickelt worden, bei dem der produzierte Wasserstoff oder auch der Sauerstoff mit hohen Ausgangsdrücken, z.B. auf einem für Power-2-Gas-Anlagen günstigem Druckniveau, direkt bereitgestellt werden kann.
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.