Aufbau eines alkalischen Elektrolyseurs mit einer

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1 Aufbau eines alkalischen Elektrolyseurs mit einer Polymer-Elektrolytmembran tmemb Prof. Dr.-Ing. Walter T. Czarnetzki Waldemar Schneider, M.Eng. Aversumergebnisse 2010/2011, Rathaus Stuttgart

2 INEM 5 Fakultäten, 3 Labore INEM Bz-Labor Stadtmittte Esslingen INEM Projektwerkstatt Stadtmittte Esslingen Teststand Hausenergieversorgung On-board Energiemanagemt Maschinen- bau BZ-Labor Es Projekt- Werkstatt Es Klimatis. von Elektrofahrzeugen Umwelt- und Versorgungstechnik Elekto- und Hybridantriebe INEM Fahrzeugtechnik Mechatronik Grundlagen Teststand Brenst. stack Teststand Refomer INEM E-Labor Standort t Göppingen Regenerative Energie systeme INEM E-Labor Gö Regenerative Energie speicher 2

3 INEM Professoren Fahrzeug- technik Grundlagen Maschinenbau Mechatronik und Elektrotechnik Versorgungs- und Umwelttechnik Prof. Dr.-Ing F. Panik Institutsleiter Prof. Dr. rer. nat. H. Käß Prof. Dr.-Ing. W. Czarnetzki Prof. Dr.-Ing. G.Wittler Prof. Dr.-Ing Th. Rohrbach Sellv. Institutsleiter Prof. Dr.-Ing H. Gabele Prof. Dr. rer. nat. R. Hiesgen Prof. Dr.-Ing M. Oberhauser (FZ) Prof. Dr.-Ing. H. Osterwinter 3

4 Übergeordnete Ziele Zwischenziel zur konvertiblen alkalischen Elektrolyse Katalysatorapplizierung Konv. AEM- Elektrolyseur Analyse möglicher Elektrolyte Auswahl geeigneter Beschichtungsverf h Aufbau einer AEM-EZ Analyse möglicher Katalysatoren Betriebsstrategie und Wasserh h lt Aufbau einer AEM-BZ Analyse möglicher Katalysatoren Betriebsstrategie und Wasserh h lt fahren haushalt haushalt Aufbau eines kostengünstigen konvertiblen AEM-Elektrolyseurs 4

5 Grundlagen AEM-FC/AEM-EC Konv. AEM-EC und AEM-FC AEM-EC H 2 OH - O 2 H 2 OH - O 2 H 2 O - + AEM A2 H 2 O 2 - AEM + Quelle: Schneider Kombiniert Vorteile vorhandener Technologien PEM-Zelle: Alk. Zelle - Membran-Elektrolyt - Elektrochemie - Systemtechnik - Ladungsträger - Elektrodenform - Katalysator - Fertigungsverfahren - Betriebsverhalten - Aufbau - Werkstoffe - Betriebsverhalten 5

6 Vorarbeiten Alkalische Elektrolyse-/ Brennstoff-Zelle Flüssiger Elektrolyt Fester Elektrolyt Elektrolytraum Dichtungen Grundplatte Elektroden katalytisch beschichtet Current Collector Grundplatte Elektrode lk Alkalische Membran (5cm²) 6

7 CCM Herstellung: Ziel / Problemstellung» CCMs (Katalysatorbeschichtete Membran) mit verschiedenen Katalysatoren herstellen für MEE (Membran Elektroden Einheit)» Edelmetallfreie Katalysatoren» CCMs möglichst hohe Anzahl an reaktiven Zentren:» Homogene Oberfläche» Ausreichende Porosität» Minimaler Katalysatoreinsatz» Ionische Kanäle» Langzeitstabil 7

8 Komponentenauswahl Komponenten» Katalysatoren» Edelmetallhaltig» Edelmetallfrei» Nexttech Materials, Acta, Alfa Aesar, Quintech» Membranen» Fumatech, Tokuyama, ICVT- Stuttgart» GDLs / Elektroden» Quintech, BASF Fuel Cell, Gaskatell» Testzelle» Electrochem Inc. Quellen: Acta-Group, Tokuyama, Quintech, Gaskatell 8

9 Filmzieh-Verfahren» Visuelle Bewertung» Homogene Beschichtung» Keine Fehlstellen» Sehr gute Reproduzierbarkeit, jedoch aufwändig» REM-Analyse» Fehlstellen Bedingt durch Spritzer beim Ziehvorgang» Schichtdicke nach belieben über Päii Präzisionsrakel variierbar 9

10 Airbrush-Verfahren» Visuelle Bewertung» Homogene Beschichtung» Keine Fehlstellen» Sehr gute Reproduzierbarkeit» REM-Analyse» Fehlstellen Bedingt durch Charakteristik der Ersatzmembran» Schichtdicke je nach Einstellung in 1,6µm-Schritten variierbar 10

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12 Siebdruck-Verfahren (manuell)» Ergebnisse positiv nach Identifizierung der Hauptparameter t» Unebenheiten des Rakels im µm beseitigt» Ziehgeschwindigkeit erhöht» Siebabsprung optimiert» Druckvorgang auf 3x Züge beschränkt» REM-Analyse» Keine Fehlstellen Muster des Siebgewebes sichtbar» Schichtdicke durchschnittl. 13µm 12

13 Siebdruck (maschinell) Siebdruckverfahren bis zur automatisierten Beschichtung optimiert Homogene und reproduzierbare Beschichtungsergebnisse über einstellbare Parameter:» Druckgeschwindigkeit k it» Rakelwinkel» Rakelform» Rakelhärte» Rakelstruktur» Rakeldruck» Zyklen pro Druck» Siebabsprung» u.a.m. 13

14 Siebdruck (maschinell) Auszug: Einfluss der Beschichtungsparameter Druckgeschwindigkeit Zyklen pro Druck Zunahme der Ebenheit sowie der Beschichtungsdichte, Reduzierung der Fehlstellen, drastischere Ausbildung von Trocknungsrisse Stärkerer Einfluss auf die Reduzierung von Fehlstellen und Erhöhung der Beschichtungsdichte, starke Reduzierung der Fehlstellen, Aufbrechen der Stegbereiche nimmt zu 14

15 Stromspannungskennlinien: Elektrolysebetrieb Kontinuierliche Verbesserung der Stromspannungskennlinien, allein durch Optimierung des Beschichtungsprozesses» Betrieb ohne Platin in einer 50cm² AEM-Zelle!!!» Betrieb als Brennstoffzelle und Elektrolysezelle nachgewiesen.» Katalysatorbeladung 15-30mal geringer im Vergleich zu herkömmlicher Beladung.» Erste funktionsfähige CCM des Siebdrucks (IrO/CPT10(1/2)-Kurve) zeigt ähnlich gutes Betriebsver- halten, wie die im Nasssprühverfahren hergestellten CCMs nach mehreren Optimierungsdurchläufen.» Siebdruck trotz anfänglicher Schwie- rigkeiten sehr vielverspre-chend (IrO/CPT10(1/2)- und MCOA-Kurve)» Sauerstoffseite ohne Iridium (MCOA-Kurve) zeigt beste Ergebnisse» Weitere Reduzierung der Überspannungen durch Optimierung des maschinellen Siebdrucks 15

16 Fazit und Ausblick Fazit» Funktionsfähigkeit als AEMFC und AEMEC nachgewiesen.» Kombination zu konv. AEMEC realisiert» Betrieb mit edelmetallfreien CCMs realisiert.» Fertigungsverfahren analysiert, Prozessbedingte und Beschichtungsspezifische Einflussfaktoren identifiziert.» Beschichtungsverfahren optimiert, Reduzierung von Überspannungsanteilen ohne Veränderung katalytischer Komponenten erreicht.» Angenommenes Potential der Technologie hat sich mehr als bestätigt. Ausblick» Folge-Forschungsantrag g g eingereicht.» Optimierung der katalytischen Tinte.» Intensivierung der Analyse Fertigungsspezifischen Parameter.» Ehöh Erhöhung der Lebensdauer.» Kombination zu konvertiblem System.» Aufnahme der Fertigung von AEMECs und FCs in die Lehre.» Aufbau von Didaktik-Modellen.» Stapelung zum Stack. 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 17