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Untersuchung nanostrukturierter Elektroden und des Elektrolyts

Das Projekt "Untersuchung nanostrukturierter Elektroden und des Elektrolyts" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hamburg, Institut für Angewandte Physik durchgeführt. Im Teilprojekt TP2 sollen nanostrukturierte Elektroden mit erhöhter spezifischer Oberfläche erzeugt, untersucht und angewendet werden. Im TP3 sollen neue Speicherelektrolyte mit hoher Energie- und Leistungsdichte erforscht, entwickelt und zuletzt für einen Prototyp bereitgestellt werden. In jedem TP wird die Arbeit in drei Arbeitspakete (AP) organisiert: 'definition of concept' (Jahr 1), 'proof of concept' (Jahr 2+3), und 'demonstrator' (Jahr 4+5) sind mit den anderen Projektpartnern abgestimmt. Die AP's sind in Arbeitsschritte weiter unterteilt. AP2.1: Grundsätzliche Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Oberflächenbeschaffenheit der Elektrode und Stromstärke von elektrochemischen Reaktionen. AP2.2: Entwicklung einer Methode zur Präparation von kontrollierten Nanoporen auf technisch anwendbaren Substraten. AP2.3: Kombination der optimierten Materialsysteme und Verfahren aus allen anderen Teilprojekten. AP3.1: Machbarkeit - redoxaktive ionische Flüssigkeiten als Speichermaterialien in RFBs. AP3.2: Suche, Entwicklung und Erprobung neuer anolytischer IL-Speichermaterialien. AP3.3: Kommerzialisierung der neuen Anolyte - Einsatz und Betrieb im Prototyp.

Teil 2

Das Projekt "Teil 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH in der Helmholtz-Gemeinschaft, Institut für Technische Chemie durchgeführt. Das Ziel dieses Projektes war es, den Nachweis zu erbringen, dass hydrothermale Vergasung und SOFC zur Stromerzeugung sinnvoll und effektiv gekoppelt werden können. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Identifikation von Gaszusammensetzungen und Betriebsbedingungen, unter denen ein stabiler Betrieb der SOFC möglich ist. Deshalb wurden SOFC-Einzelzellen mit den am KIT Campus Nord über hydrothermale Vergasung hergestellten Brenngasen (im Nachfolgenden als Biogas bezeichnet) betrieben. Die Leistungsfähigkeit und die Stabilität der SOFC wurden in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung und der Betriebsparameter der Zelle ermittelt. Im Laufe des Projektes hat sich herausgestellt, dass zwar hohe Leistungsdichten (1.26W/cm2 bei T=793 C und S/C=4) erreicht werden können, jedoch ein kohlenstofffreier Betrieb unter typischen SOFC Betriebsbedingungen nicht möglich ist. Versuche, die Gasqualität anlagenseitig zu erhöhen, sprich die Kohlenstoffketten in Richtung C1Komponenten zu verschieben, wurden nicht unternommen weil nicht von technischer Relevanz. Aus diesem Grund wurde der Schwerpunkt der Untersuchungen auf die Kohlenstoffbildung gelegt. Durch systematische Untersuchungen mit unterschiedlichen Modellgasen konnte der Einfluss einzelner Kohlenwasserstoffkomponenten auf die Kohlenstoffbildung ermittelt werden. Parallel zu diesen Untersuchungen wurden SOFC - Einzelzellen mittels Impedanzspektroskopie und Strom/Spannungs-Kennlinien elektrochemisch charakterisiert. Eine hochauflösende Messdatenauswertung ermöglichte eine eindeutige Identifizierung aller zum Gesamtwiderstand der Einzelzelle beitragenden Verlustprozesse. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein eindimensionales stationäres Modell zur Vorhersage des Strom/Spannungsverhaltens von planaren anodengestützten SOFC Einzelzellen entwickelt. Die Simulationsresultate zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten. Durch die gerechtfertigte Annahme, dass die Elektrooxidation der Brenngase ausschließlich über den Wasserstoffpfad abläuft, ist das Modell in der Lage, bei bekannter lokaler Gaszusammensetzung, das Stromspannungsverhalten der Zelle im Biogasbetrieb sehr gut wiederzugeben. Das entwickelte elektrochemische Modell kann zukünftig ohne weiteres in ein Gesamtmodell, welches dann auch die heterogene Katalyse von kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen beinhaltet, integriert werden.

Teil 1

Das Projekt "Teil 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe (TH), Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik durchgeführt. Das Ziel dieses Projektes war es, den Nachweis zu erbringen, dass hydrothermale Vergasung und SOFC zur Stromerzeugung sinnvoll und effektiv gekoppelt werden können. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Identifikation von Gaszusammensetzungen und Betriebsbedingungen, unter denen ein stabiler Betrieb der SOFC möglich ist. Deshalb wurden SOFC-Einzelzellen mit den am KIT Campus Nord über hydrothermale Vergasung hergestellten Brenngasen (im Nachfolgenden als Biogas bezeichnet) betrieben. Die Leistungsfähigkeit und die Stabilität der SOFC wurden in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung und der Betriebsparameter der Zelle ermittelt. Im Laufe des Projektes hat sich herausgestellt, dass zwar hohe Leistungsdichten (1.26W/cm2 bei T=793 C und S/C=4) erreicht werden können, jedoch ein kohlenstofffreier Betrieb unter typischen SOFC Betriebsbedingungen nicht möglich ist. Versuche, die Gasqualität anlagenseitig zu erhöhen, sprich die Kohlenstoffketten in Richtung C1Komponenten zu verschieben, wurden nicht unternommen weil nicht von technischer Relevanz. Aus diesem Grund wurde der Schwerpunkt der Untersuchungen auf die Kohlenstoffbildung gelegt. Durch systematische Untersuchungen mit unterschiedlichen Modellgasen konnte der Einfluss einzelner Kohlenwasserstoffkomponenten auf die Kohlenstoffbildung ermittelt werden. Parallel zu diesen Untersuchungen wurden SOFC - Einzelzellen mittels Impedanzspektroskopie und Strom/Spannungs-Kennlinien elektrochemisch charakterisiert. Eine hochauflösende Messdatenauswertung ermöglichte eine eindeutige Identifizierung aller zum Gesamtwiderstand der Einzelzelle beitragenden Verlustprozesse. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein eindimensionales stationäres Modell zur Vorhersage des Strom/Spannungsverhaltens von planaren anodengestützten SOFC Einzelzellen entwickelt. Die Simulationsresultate zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit den experimentell ermittelten Daten. Durch die gerechtfertigte Annahme, dass die Elektrooxidation der Brenngase ausschließlich über den Wasserstoffpfad abläuft, ist das Modell in der Lage, bei bekannter lokaler Gaszusammensetzung, das Stromspannungsverhalten der Zelle im Biogasbetrieb sehr gut wiederzugeben. Das entwickelte elektrochemische Modell kann zukünftig ohne weiteres in ein Gesamtmodell, welches dann auch die heterogene Katalyse von kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen beinhaltet, integriert werden.

Teilprojekt DLR e.V.

Das Projekt "Teilprojekt DLR e.V." wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Technische Thermodynamik durchgeführt. Gesamtvorhaben: Im Vordergrund von Go4Hy2 stehen zwei, für die Wettbewerbsfähigkeit eines emissionsfreien, voll-elektrischen BZ-Batt-Hybrid-Antriebsstrangs wesentlichen Kernkriterien: i.G. zu einem Verbrenner-Hybriden vergleichbare Leistungsdichte mit hoher Ausfallsicherheit und ein Scale-Up fähiges System inkl. E-Motor und Leistungselektronik in relevanter Leistungsklasse von 250kW. Das bisherige Niederdruck-Stack- BZ-Hybrid-System (ca. 120kW inGo4H2) soll hierbei zu einem druckaufgeladenen BZ-HybridSystem (ca. 250kW in Go4Hy2), weiterentwickelt werden. Weiterhin wird auf gesteigerte Leistungsdichten und Skalierbarkeit im schuberzeugenden Modul (LE und Motor) Wert gelegt, sowie eine verlässliche Steuerung der Systeme auf Basis luftfahrtzertifizierter Hardware angestrebt. Ergänzt werden die Arbeiten durch Konzepte für Hybrid-Systemarchitekturen zur Auslegung eines BZ-Hybrid-Regionalflugzeugs. Teilvorhaben: Es soll ein 250 kW Antriebssystem auf Basis eines emissionsfreien BZ-Batterie-Hybrid für ein Passagier-Flugzeug mit bis zu 4 Personen entwickelt werden. Es soll aus dem Automotive-Bereich verfügbare druckaufgeladene BZ-Technologie auf die Luftfahrtanwendung übertragen werden. Bisherige Systemlösungen zu Modularität, Kühlung, etc. aus der Niederdruck-BZ-Technologie können teilweise übernommen und ggfs. angepasst werden. So soll eine Antriebslösung mit einer 2-3fach höheren Leistungsdichte wie bisher entstehen die als Ausgangspunkt für die Skalierung auf größere Leistungen geeignet ist und über eine hohe Ausfallsicherheit verfügt. Dadurch wird im Vergleich zu konventionellen Verbrenner-Antrieben, neben der Emissionsfreiheit ein weiterer entscheidender Vorteil erreicht. Die Integration sowie Test und Demonstration der Technologie mit erfolgt in einer fliegenden Testplattform. Bereits während der Entwicklung werden entsprechende Anforderungen und Sicherheitsanalysen des nötigen Permit-to-fly insbesondere betreffend der BZ-Technologie erbracht.

Teilprojekt H2Fly GmbH

Das Projekt "Teilprojekt H2Fly GmbH" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von H2Fly GmbH durchgeführt. Vorhaben: Im Vordergrund von Go4Hy2 stehen zwei, für die Wettbewerbsfähigkeit eines emissionsfreien, voll-elektrischen BZ-Batt-Hybrid-Antriebsstrangs wesentlichen Kernkriterien: i.G. zu einem Verbrenner-Hybriden vergleichbare Leistungsdichte mit hoher Ausfallsicherheit und ein Scale-Up fähiges System inkl. E-Motor und Leistungselektronik in relevanter Leistungsklasse von 250kW. Das bisherige Niederdruck-Stack- BZ-Hybrid-System (ca. 120kW inGo4H2) soll hierbei zu einem druckaufgeladenen BZ-HybridSystem (ca. 250kW in Go4Hy2), weiterentwickelt werden. Weiterhin wird auf gesteigerte Leistungsdichten und Skalierbarkeit im schuberzeugenden Modul (LE und Motor) Wert gelegt, sowie eine verlässliche Steuerung der Systeme auf Basis luftfahrtzertifizierter Hardware angestrebt. Ergänzt werden die Arbeiten durch Konzepte für Hybrid-Systemarchitekturen zur Auslegung eines BZ-Hybrid-Regionalflugzeugs. Teilvorhaben: Die H2Fly wird dabei einschlägige Verfahren anwenden um Sicherheitsrisiken des Antriebsstrangs, der Integration und des Flugbetriebs zu analysieren und durch Entwicklung neuer Anforderungen und neuer Systemlösungen zu mittigeren. Dies wird durch Begleitung der Entwicklungsarbeiten während Planung, Entwurf, Vorentwicklung und Test realisiert. Hierbei werden insbesondere z. T. in der Luftfahrt bisher nicht definierte sicherheitstechnische Anforderungen an Systeme, Funktionen, Architekturen und Integration entwickelt und aufgestellt. Dabei werden Sicherheitskonzepte bzgl. funktionaler Sicherheit und Gefährdung für diese Antriebsstränge und geeignete Systemarchitekturen entwickelt. Weiterhin werden Testprozeduren und Erprobungskampagnen des Antriebsstrangs entwickelt und begleitet, insbesondere werden dabei auch Erprobungsflüge mit der Hy4 begleitet.

Development of an internal Reforming Alcohol High Temperature PEM Fuel Cell Stack

Das Projekt "Development of an internal Reforming Alcohol High Temperature PEM Fuel Cell Stack" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Institut für Mikrotechnik Mainz e.V. & Co. KG durchgeführt. The main objective of the proposal is the development of an internal reforming alcohol high temperature PEM fuel cell. Accomplishment of the project objective will be made through: Design and synthesis of robust polymer electrolyte membranes for HT-PEMFCs, which will be functional within the temperature range of 190-22OoC. Development of alcohol (methanol or ethanol) reforming catalysts for the production of CO-free hydrogen in the temperature range of HT PEMFCs, i.e. at 190-220oC. Integration of reforming catalyst and high temperature MEA in a compact Internal Reforming Alcohol High Temperature PEMFC (IRAFC). Integration may be achieved via different configurations as related to the Position of the reforming catalyst. The proposed compact system does away with conventional fuel processors and allows for efficient heat management. since the 'waste' heat produced by the fuel cell is in-situ utilized to drive the endothermic reforming reaction. The targeted power density of the system is 0.15 W/cm2 at a ceil voltage ofü.7 V. Thus, the concepts of a catalytic reformer and of a fuel cell are combined in a single, simplified direct alcohol (e.g. methanol) High Temperature PEM fuel cell reactor. The heart of the system is the membrane electrode assembly (MEA) comprising a high-temperature proton-conducting electrolyte sandwiched between the anodic (reforming catalyst + PUC) und cathodic Pt/C gas diffusion electrodes. According to the configuration und the operating conditions described above, the IRAFC is expected to be auto thermal, highly efficient and with zero CO emissions. In addition, the direct consumption ofH2 by the MEA (fuel cell) and the electrochemical promotion effect is expected to enhance the kinetics of reforming reactions, thus facilitating the efficient operation of the reforming catalyst at temperatures below 220 C.

New composite DMFC anode with PEDOT as mixed conductor and catalyst support

Das Projekt "New composite DMFC anode with PEDOT as mixed conductor and catalyst support" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von DECHEMA Forschungsinstitut Stiftung bürgerlichen Rechts durchgeführt. Project description: The direct methanol fuel cell (DMFC) as electrochemical power source has attracted attention due to its simple system design, low operating temperature, and convenient fuel storage and supply. Major limitations of the DMFC are related to the low power density, which is a consequence of the poor kinetics of the anode reaction, poisoning of the catalyst by reaction intermediates, and methanol crossover. Research efforts have to address improvements of the anode catalyst structure and the ion-exchanger membrane. This project aims at the development of a new type of membrane anode assembly PEM*/PEDOT/CAT based on the conducting polymer PEDOT (Poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)) as catalyst support and a new type of proton-exchange membrane (PEM*) with reduced methanol permeability. As the catalyst (CAT) Pt and Pt-Ru will be utilised. The new proton exchange membranes are to be made of thermal-stable polymers of arylide, so that they can be used in fuel cells working at higher temperatures (Tianjin University, China). Conventional Pt/C cathodes will be used for manufacturing the membrane electrode assemblies (MEAs) to be tested in single cell experiments. The application of PEDOT as mixed electronic and ionic conductor is expected to improve the charge transfer kinetics and the transport of protons and electrons within the anode structure leading to a better utilisation of the noble metal catalyst.

Teilprojekt LVK TUM

Das Projekt "Teilprojekt LVK TUM" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Institut für Energietechnik, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen - Motorenlabor durchgeführt. Im Arbeitspaket Entwicklung eines BHKW-Wasserstoffmotors' sollen die Potentiale eines innovativen Wasserstoff-Großmotors mit hoher spezifischer Leistungsdichte und geringsten Emissionen untersucht und an einem Einzylindermotor mit äußerer Gemischbildung nachgewiesen werden. Die großmotorische H2-Verbrennung nach dem Otto-Prinzip birgt große Herausforderungen hinsichtlich Verbrennungsanomalien und Bauteileignung. Darüber hinaus werden in einer weiterführenden H2-DI-Studie die Potentiale und Herausforderungen der Wasserstoff Direct Injection bei Großgasmotoren auf Basis der durchgeführten ottomotorischen Verbrennungsuntersuchungen bewertet. Der Fokus liegt dabei auf Leistungs-, Emissions-, und Wirkungsgradpotentialen der unterschiedlichen Brennverfahren (DI Homogen, Schichtung, HPDI) in Kombination mit den notwendigen Abgasnachbehandlungssystemen und Infrastruktur.

PIPV2 - Flexible CIGSe Dünnschichtsolarzellen für die Raumfahrt

Das Projekt "PIPV2 - Flexible CIGSe Dünnschichtsolarzellen für die Raumfahrt" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH durchgeführt. Erstmals ist eine flexible Cu(In,Ga)Se2 Technologie auf Polyimidfolie als Trägermaterial mit einer Leistungsdichte von knapp 2000 W/kg auf Bauteilniveau national verfügbar. Um das einzigartige Potential dieser Technologie weiter zu entwickeln ist es Ziel der hier beschriebenen Aktivitäten, die im Vorläufer entwickelte Technologie weitreichenden, für Anwendungen im Weltraum relevanten Test zu unterziehen und einzelne Komponenten weiter zu entwickeln, um so deren Effizienz und Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen. Die konkreten Ziele sind: größer als 17.5 Prozent im Labor (AM1.5, größer als 0.5cm2, tot. area) ; größer als 12.5 Prozent für standardisierte, für die industrielle Fertigung relevante (AM1.5, größer als 30cm2, tot. area, ohne AR); größer als 10.0 Prozent für ein Modul mit größer als 9 monolith. versch. Zellen (AM1.5, größer als 30cm2, tot. area) ; größer als 8.0 Prozent für ein Modul mit größer als 5 pseudom. versch. Zellen (AM1.5, größer als 30cm2, tot. area); ein testfähiger, flexibler Generator/Demonstrator mit einem spezifischen Gewicht kleiner als 1.0 kg/m2. Das HZB ist Ansprechpartner für das DLR und koordiniert den wissenschaftlichen Bereich des Vorhabens. Eine online Datenbank wird zur Archivierung/Kommunikation der Testdaten zur Verfügung gestellt. Im Bezug auf den CIGSe Herstellungsprozess wird das HZB den mehrstufigen Koverdampfungsprozess bei niedrigen Temperaturen mittels in-situ EDXRD untersuchen und weiter optimieren. Zur Reduzierung optischer Verluste wird die standardmäßig verwendete CdS Pufferschicht durch ein alternatives Material ersetzt.

PIPV2 - Flexible CIGSe Dünnschichtsolarzellen für die Raumfahrt

Das Projekt "PIPV2 - Flexible CIGSe Dünnschichtsolarzellen für die Raumfahrt" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Solarion AG durchgeführt. 1. Vorhabenziel: Erstmals ist eine flexible Cu(In,Ga)Se2 Technologie auf Polyimidfolie als Trägermaterial mit einer Leistungsdichte von knapp 2000 W/kg auf Bauteilniveau national verfügbar. Um das einzigartige Potential dieser Technologie weiter zu entwickeln ist es Ziel der hier beschriebenen Aktivitäten, die im Vorläufer entwickelte Technologie weitreichenden, für Anwendungen im Weltraum relevanten Tests zu unterziehen und einzelne Komponenten weiter zu entwickeln, um so deren Effizienz und Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen. Die konkreten Ziele sind: größer als 17.5 Prozent im Labor (AM1.5, größer als 0.5cm2, tot. area) ; größer als 12.5 Prozent für standardisierte, für die industrielle Fertigung relevante (AM1.5, größer als 30cm2, tot.l area, ohne AR); größer als 10.0 Prozent für ein Modul mit größer als 9 monolith. versch. Zellen (AM1.5, größer als 30cm2, tot. area) ; größer als 8.0 Prozent für ein Modul mit größer als 5 pseudom. versch. Zellen (AM1.5, größer als 30cm2, tot. area); ein testfähiger, flexibler Generator/Demonstrator mit einem spezifischen Gewicht kleiner als 1.0kg/m2. 2. Arbeitsplanung: Solarion übernimmt im Projekt die Bauteil- und Bauteilstackherstellung mit Hilfe seiner Rolle-zu-Rolle Produktion. Ein siebgedrucktes Kontaktgrid wird für Weltraumanwendungen optimiert und evaluiert. In Bezug auf den CIGS Herstellungsprozess wird ein Technologietransfer von den institutionellen Projektpartnern ZSW und HZB zu Solarion vollzogen. Solarzellsimulationen unterstützen das Verständnis der CIGS-Technologie für Weltraumanwendungen.

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