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Teil 1

Das Projekt "Teil 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hohenheim, Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie (740) durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem 'dark fermentation reactor' fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert: - Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur - Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden - Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab. Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Ausgehend von Vorarbeiten zur Wasserstoffproduktion mit Edelstahlkathoden in dem für die Methanogenen geeigneten Kulturmedium, wurde iterativ ein auf die Anforderungen der Kathodenentwicklung hin optimiertes Reaktorkonzept entwickelt. Eine Hauptanforderung an den Reaktor ist dabei die integrierte CO2-Versorgung. Hinsichtlich der Entwicklung eines geeigneten Biofilm-Trägermaterials wurden vergleichende Untersuchungen mit Glasfasern und Nanofasern aus Polyacrylnitril (PAN) in einer Kultur von M. barkeri durchgeführt. Die PAN-Nanofasern wurden teilweise zusätzlich mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (ATPES) behandelt, um deren Oberfläche mit positiven Ladungen auszurüsten und so die Biofilmansiedlung zu verbessern. In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren komplett zu oxidieren. Dabei konnten Stromstärken von bis zu 0,5 mA/cm2 Anodenfläche gemessen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Es traten keinerlei Prozessstörungen auf. In HPLC-Untersuchungen konnten keine Alkohole und Zucker im Perkolat nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Perkolats zeigte für pH-6,0 die höchsten Konzentrationen an organischen Säuren, besonders die Gehalte an Essigsäure und Buttersäure lagen im Vergleich deutlich über den Werten bei pH-5,5.

Teil 3

Das Projekt "Teil 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem 'dark fermentation reactor' fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert: - Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur - Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden - Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab. Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Ausgehend von Vorarbeiten zur Wasserstoffproduktion mit Edelstahlkathoden in dem für die Methanogenen geeigneten Kulturmedium, wurde iterativ ein auf die Anforderungen der Kathodenentwicklung hin optimiertes Reaktorkonzept entwickelt. Eine Hauptanforderung an den Reaktor ist dabei die integrierte CO2-Versorgung. Hinsichtlich der Entwicklung eines geeigneten Biofilm-Trägermaterials wurden vergleichende Untersuchungen mit Glasfasern und Nanofasern aus Polyacrylnitril (PAN) in einer Kultur von M. barkeri durchgeführt. Die PAN-Nanofasern wurden teilweise zusätzlich mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (ATPES) behandelt, um deren Oberfläche mit positiven Ladungen auszurüsten und so die Biofilmansiedlung zu verbessern. In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren komplett zu oxidieren. Dabei konnten Stromstärken von bis zu 0,5 mA/cm2 Anodenfläche gemessen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Es traten keinerlei Prozessstörungen auf. In HPLC-Untersuchungen konnten keine Alkohole und Zucker im Perkolat nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Perkolats zeigte für pH-6,0 die höchsten Konzentrationen an organischen Säuren, besonders die Gehalte an Essigsäure und Buttersäure lagen im Vergleich deutlich über den Werten bei pH-5,5.

Teil 2

Das Projekt "Teil 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Biowissenschaften, Abteilung Angewandte Mikrobiologie durchgeführt. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem 'dark fermentation reactor' fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert: - Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur - Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden - Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab. Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Ausgehend von Vorarbeiten zur Wasserstoffproduktion mit Edelstahlkathoden in dem für die Methanogenen geeigneten Kulturmedium, wurde iterativ ein auf die Anforderungen der Kathodenentwicklung hin optimiertes Reaktorkonzept entwickelt. Eine Hauptanforderung an den Reaktor ist dabei die integrierte CO2-Versorgung. Hinsichtlich der Entwicklung eines geeigneten Biofilm-Trägermaterials wurden vergleichende Untersuchungen mit Glasfasern und Nanofasern aus Polyacrylnitril (PAN) in einer Kultur von M. barkeri durchgeführt. Die PAN-Nanofasern wurden teilweise zusätzlich mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (ATPES) behandelt, um deren Oberfläche mit positiven Ladungen auszurüsten und so die Biofilmansiedlung zu verbessern. In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren komplett zu oxidieren. Dabei konnten Stromstärken von bis zu 0,5 mA/cm2 Anodenfläche gemessen werden. Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Es traten keinerlei Prozessstörungen auf. In HPLC-Untersuchungen konnten keine Alkohole und Zucker im Perkolat nachgewiesen werden. Die Untersuchung des Perkolats zeigte für pH-6,0 die höchsten Konzentrationen an organischen Säuren, besonders die Gehalte an Essigsäure und Buttersäure lagen im Vergleich deutlich über den Werten bei pH-5,5.

Non-noble Catalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cell Anodes

Das Projekt "Non-noble Catalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cell Anodes" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Umicore AG & Co. KG durchgeführt. *Development of electrocatalysts.

Teilprojekt 6

Das Projekt "Teilprojekt 6" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von H-TEC Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH durchgeführt. 1. Vorhabenziel: Die Elektrolyse dient als Verbindungsglied zwischen den erneuerbaren Energien (EE) und den Synthesen. Da aus der elektrischen Energie aus erneuerbaren Quellen in einem elektrochemischen Prozess speicherbares Gas erzeugt wird, eignet sich der Elektrolyseur mit angeschlossenem Puffertank hervorragend zur Versteifung des Energieflusses für die Methanerzeugung. Aufgrund des schnellen Antwortverhaltens und des großen Operationsfensters eignet sich vor allem die PEM-Elektrolyse für die dynamische Betriebsweise durch EE. Ziel dieses Verfahrens ist es deshalb, den Prototypen eines PEM-Druckelektrolyseur PEM-Druckelektrolyseurs an die Erfordernisse einer dynamischen Betriebsweise anzupassen. 2. Arbeitsplanung: In dem Projekt geht es um die konstruktive Integration alternativer Materialien zur Optimierung von Wirkungsgrad (AP1a, Teil 1), Lebensdauer (AP1a, Teil 2), Druck und Kosten. In allen diesen Bereichen besteht noch erheblicher FuE-Bedarf. Es handelt sich vor allem um die Materialien der Bipolarplatte, der Dichtung, die Gasdiffusionsschichten, der Membran und der Katalysatoren (immer mit Blick auf das dynamische Verhalten des Gesamtsystems). Gerade die Degradation ist im hohen Maße von den verwendeten Materialien abhängig. Daher sind eine lange Testphase (AP1a, Teil 3) und eine genaue Analyse der Ergebnisse der Studien (AP1a, Teil 4) zum Langzeitverhalten notwendig. Im Rahmen des Teilprojektes werden mehrere Teststacks aufgebaut und vermessen.

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.

Mikro-Reaktortechnik fuer Wasserstoff und Strom

Das Projekt "Mikro-Reaktortechnik fuer Wasserstoff und Strom" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Institut für Mikrotechnik Mainz e.V. & Co. KG durchgeführt. Objective: The objective of the project is to design, micro-fabricate and test components for a miniaturised, integrated fuel processor for the conversion of methanol to clean, fuel cell-grade hydrogen for low-power (20-100 W(e)) electricity generation. The project will also develop a safe methanol container. For testing purposes, PEM fuel cells will be provided to the project by an EU industry specialised in this field which is however not a partner in the project. Finally, the project will deliver a safety and environmental impact study and (in the final year) a conceptual design plus working plan for the integration of the individual reactors into an integrated fuel processor, intended to be executed in a follow-up project. The project aim is to create (technology for) an innovative alternative to battery packs, and to expand the range of applicability of PEM fuel cells, by providing an alternative to hydrogen storage in metal hydrides. Compared to both these alternatives, the increase in energy to weight ratio is 5-10, making it an environmentally sound alternative with a clear advantage to the future customer. Description of work: In carrying out the project, the technological lead of companies and organisations in EU countries in the areas of microtechnology, microsensors and -actuators and in fuel processing technology will be strengthened. Though the project will focus on one particular application (clean hydrogen generation for fuel cell use), the innovative nature of research carried out in the constituent parts of the project ensures spin-off both to larger-scale fuel processing (and fuel cell systems) as well as to microreactors for small-scale chemicals production and to catalyst coating technology. The project will be co-ordinated by Shell. In the project, industry, research institutions and universities will co-operate intensively, working towards a well-defined end product (the prototypes). Work will be carried out in 4 EU countries: France, Germany, the United Kingdom and the Netherlands. Though the project has just a single industrial partner, it should be stressed that IMM has a proven track record for setting up manufacturing spin-off companies and ECN actively markets its proprietary technology. Expected results and exploitation plans: In order to test the microreactor in combination with a fuel cell, we have established a relationship with a major European industry in the area of fuel cell and electronics. They will provide the consortium with 100 W fuel cells for testing purposes. Though at this stage it is too early for them to join the project as a partner, they have shown sincere interest in combining the technology generated in this project with their fuel cell knowledge in potential follow-up to the project... Prime Contractor: Shell Global Solutions International B.V., Shell Research and Technology Centre Amsterdam; Amsterdam/Netherlands

Teilprojekt 2

Das Projekt "Teilprojekt 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK), Professur für Anwendungsentwicklung durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung eines kombinierten bildgebenden Systems (NeuRoFast), an der Neutronentomographieanlage ANTARES am FRM-II (Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz / TU München), das es ermöglicht Neutronen- und Röntgen- Bildgebung gleichzeitig an einer Probe durchzuführen. Zusätzlich werden in NeuRoFast neue Kontrastverfahren für die Untersuchung dynamischer Prozesse im Bereich neuer Materialien für Energieanwendungen entwickelt und Pilotexperimente durchgeführt. NeuRoFast baut auf dem derzeit laufenden Projekt NeuRoTom auf und basiert auf zwei wesentlichen Erweiterungen des ANTARES durch den Projektpartner TU München: Einerseits soll die Implementierung weiterer fortgeschrittener Kontrastmodalitäten - auf der Basis der derzeitig laufenden Arbeiten - erfolgen. Insbesondere soll der gitter-basierte Neutronen und Röntgen- Phasen- und Dunkelfeldkontrast implementiert werden, da sich in bereits durchgeführten Demonstrationsversuchen ein großes Potential dieser Methoden zur Erforschung neuer Batteriesysteme sowie Brennstoff- und Elektrolysezellen abzeichnet. Andererseits soll ein neues Neutronendetektorsystem mit bislang ungekannten räumlichen (10 Mikrometer) und zeitlichen (10 Herz) Auflösungen entwickelt werden. Der ANTARES Messplatz am FRM-II hat die weltweit höchste Flussrate und Kollimation. Verbunden mit höchstmöglicher zeitlicher und örtlicher Auflösung wird in NeuRoFast dadurch ein weltweit einzigartiges Analysesystem geschaffen. Für die Erschließung neuer Anwendungsfelder für den ANTARES Setup am FRM-II müssen neue Verfahren für die Untersuchung von Energieanwendungen mit Neutronenbildgebung entwickelt werden. Im Fokus von NeuRoFast stehen die vielversprechenden Redox-Flow-Batterien (RFBs) sowie Elektrolyse mit Festelektrolytmembran (PEMELs), denen Schlüsselrollen für die Energiewende zugesprochen werden. Für PEMELs und RFBs werden in NeuRoFast daher dynamische in operando Kontrastverfahren am IMTEK entwickelt, die auf Lithium- und Wasserstoffisotopen beruhen. Dunkelfeld und Phasenkontrast-Bildgebung sollen zudem für die Untersuchung von Blasenbildungsdynamiken verwandt werden.

Teilvorhaben 15

Das Projekt "Teilvorhaben 15" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Siemens AG durchgeführt. Die Hauptzielsetzung des Projektes ist die stoffliche Nutzung von CO2 als Kohlenstoffbaustein für chemische Zwischenprodukte. Im Rahmen von CO2RRECT sollen für kohlestämmiges CO2 Umsetzungstechnologien unter Einsatz von regenerativem H2 und/oder regenerativer Energie entwickelt und bis zur technischen Reife gebracht werden. Der für die chemische Aktivierung von CO2 benötigte Wasserstoff wird über PEM-Elektrolyse erzeugt. Dazu soll Stromüberschuss als Folge der fluktuierenden Einspeisung regenerativer Energie genutzt werden. Herausforderung ist die Entwicklung einer Elektrolyseeinheit, die entsprechend dynamisch fluktuierend betrieben werden kann. Rahmenbedingungen für die Auslegung des Gesamtprozesses und der einzelnen Komponenten werden ermittelt. Erarbeitung Gesamtkonzept (AP 1.1); Konzept optimale Ausnutzung fluktuierender Energie (AP 1.2); Konzept optimale Integration Elektrolyse im Chemieverbund (AP 1.3) Regenerativer H2 via Elektrolyse (AP 2.2) Demonstration Lastmanagement / Elektrolyse (AP 5.1)

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