Brennstoffzelle mit miniaturisierter Membran-Elektroden-Einheit. Shen-Hue Sun Clusterkonferenz 2016
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- Kai Zimmermann
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1 Brennstoffzelle mit miniaturisierter Membran-Elektroden-Einheit Shen-Hue Sun Clusterkonferenz 2016 INSTITUT FÜR MIKROELEKTRONIK STUTTGART
2 Überblick Motivation Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle Brennstoffzelle auf Si-MEMS-Basis MEMS-DMFC (Methanol Brennstoffzelle) NEMEZU (Alkalische Brennstoffzelle) 2 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
3 Motivation Leistung vs. Energieversorgung Bewährt: Batterie Noch besser: Brennstoffzelle + hohe Energiedichte + schnelle Wiederaufladbarkeit + Netzunabhängigkeit 3 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
4 Motivation Kommerzielle mobile Energiesysteme 1 Puk (1400mAh) 4,90 Ladegerät 250 C t-artikel vom : Wenn das iphone mit der Brennstoffzelle... Lösung Brennstoffzelle auf Si-MEMS-Technologie 4 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
5 Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle Wirkungsgrad: <60% Polymerelektrolytmembran (PEM) z.b. Nafion TM sauer 2 H 2 4 H e - O H e - 2 H 2 O Gesamt: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O 5 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
6 Brennstoffzelle auf Si-MEMS-Basis AIF, Partner: Zentrum für BrennstoffTechnik GmbH (ZBT) Entwicklung einer ultradünnen Si- bzw. Si 3 N 4 -basierten Mikro- PEM Brennstoffzelle mit nanostrukturierten protonenleitenden Kanälen Kathodengitter Membran Medienanschluss Integration der Si-MEMS-Technologie, Vorteile: Elektrode Klebefolie Stromabnehmer ZBT kostenfreundlich Endverbraucher-Markt Möglichkeit einer Integration in einem System Einbau im Gerät Herausforderungen: Herstellung von dünnen, mechanisch-stabilen Silizium-Membranen Beschichtung und Befüllung der strukturierten Membran mit Katalysator und protonenleitfähigem Elektrolyt 6 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
7 Brennstoffzelle auf Si-MEMS-Basis 675 µm 5-20 µm SOI-Wafer Katalysator (Pt) Siliziumoxid (SiO 2 ) Silizium (Si) Herstellung der Membran IGF-Projekt 17033N Entwicklung einer ultradünnen Si- bzw. Si 3 N 4 -basierten Mikro-PEM Brennstoffzelle mit nanostrukturierten protonenleitenden Kanälen 7 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
8 Brennstoffzelle auf Si-MEMS-Basis Beschichtung mit PEM Top Querschnitt poröse Katalysatorschicht Polymerelektrolyt Cr-/Pt-Stromableiter und Charakterisierung Polarisation Leerlaufspannung IGF-Projekt 17033N Entwicklung einer ultradünnen Si- bzw. Si 3 N 4 -basierten Mikro-PEM Brennstoffzelle mit nanostrukturierten protonenleitenden Kanälen 8 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
9 Projekt: MEMS-DMFC AIF, Partner: Zentrum für BrennstoffTechnik GmbH (ZBT) Entwicklung einer Crossover-freien Mikro-Direkt-Methanol- Brennstoffzelle (DMFC) auf Basis Mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) Vorteile: - hohe Energiedichte (Methanol 4400 Wh/l vgl. 900 Wh/l Li-Ion Batterie) - kostenfreundlich Massenmarkt - integrierbar Hürde: Methanol Cross-Over <30% Wirkung, <100 mw/cm² Dichte Ziel: Steigerung der Effizienz und der Leistungsdichte 9 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
10 Funktionsprinzip MEMS-DMFC Arbeitstemperatur: C Phosphor-Silikat-Glas Protonenleitfähigkeit! Methanol Anode: Methanol-Oxidation CH 3 OH + H 2 O CO H e - (Methanol) Methanol-Crossover Wirkungsgrad! 6 H + + 3/2 O e - 3 H 2 O 10 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
11 Projekt: MEMS-DMFC Membran aus Phosphor-Silikat-Glas (<2 µm), hergestellt mit - thermischer Oxidation und anschließender Ionenimplantation - Abscheidung CVD (Chemical Vapour Deposition) Herausforderung: Mechanische Stabilität vs. Protonenleitfähigkeit Mechanischer Stress Schichtdicke Therm. Oxidation CVD 0,1 µm -850 MPa --- 0,5 µm -556 MPa -44 MPa 1 µm MPa 3 µm MPa Druckspannung! 11 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
12 Projekt: MEMS-DMFC Protonenleitfähigkeit FTIR EIS und Beschichtung Messaufbau Fortsetzung folgt 12 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
13 Projekt: NEMEZU BMBF Neue edelmetallfreie Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen der Zukunft (NEMEZU) Partner: ZBT, Zentrum für Elektrochemie (Uni Bochum), Werkstoffe der Mikrotechnik (Uni Bochum), Technische Chemie I (Uni Duisburg), NEXT Energy, FuMa-Tech GmbH, Particular GmbH Ziel: Etablierung eines Hochdurchsatzverfahrens zur Erforschung von neuartigen Katalysatorsysteme für alkalische Brennstoffzelle Vorteile einer alkalischen Brennstoffzelle: Katalysator aus edelmetallfreie Legierung (Co, Ni, Mn ) Möglichkeit einer Kostenreduzierung Höherer Wirkungsgrad (<70% gegenüber <60% bei sauren Brennstoffzellen) 13 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
14 Funktionsprinzip alkalischer Zelle Arbeitstemperatur: C Wirkungsgrad: <70% Anionenaustauscher-Membran z.b. Hydrazin, KOH OH - basisch 2 H OH - 4 H 2 O + 4 e - O H 2 O + 4 e - 4 OH - Gesamt: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Edelmetallfreie Legierung schlechte OH - -Leitfähigkeit! Korrosionsbeständigkeit? 14 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
15 Projekt: NEMEZU 675 µm <2 µm Nitrid-Membran Katalysator (Ni, ) Siliziumnitrid (Si x N y ) Silizium (Si) Kombination der Beschichtungsverfahren: Kombinatorisches Sputtern (Ko-Sputtern) Laserablation Prof. Ludwig Besonderheit: Mikrobrennstoffzelle & Kombinatorische Materialforschung Fortsetzung folgt 15 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
16 Vielen Dank An Projektpartnern Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH (ZBT) Zentrum für Elektrochemie (Uni Bochum) Werkstoffe der Mikrotechnik (Uni Bochum) Technische Chemie I (Uni Duisburg) NEXT Energy FuMa-Tech GmbH Particular GmbH Gefördert von AIF N Entwicklung einer ultradünnen Si- bzw. Si 3 N 4 -basierten Mikro-PEM Brennstoffzelle mit nanostrukturierten protonenleitenden Kanälen AIF N - MEMS-DMFC BMBF - 03SF0497D - NEMEZU Fragen? 16 Shen-Hue Sun - Clusterkonferenz Freiburg 2016
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