4. Workshop. Mobile Energieversorgung militärische Anwendungen. Elektroden in alkalischen Brennstoffzelle. Gaskatel GmbH, Kassel

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1 4. Workshop Mobile Energieversorgung militärische Anwendungen Elektroden in alkalischen Brennstoffzelle Gaskatel GmbH, Kassel Dr. Hans-Joachim Kohnke Pfinztal

2 Gaskatel Gegründet 1997 in Kassel 3 Gesellschafter: J. Helmke, Dr. H.-J. Kohnke, Prof. Winsel 11 feste Mitarbeiter Finanzierung aus Umsätzen, ¾ des Umsatzes sind F&E Leistungen in der Elektrochemie ¼ des Umsatzes sind Elektroden und Sensoren Ziel: Industrielle Herstellung von Gasdiffusionselektroden auf Kundenwunsch

3 Urteile zur AFC - Wikipedia Vorteile einer AFC sind: Robustes (sicheres) System hoher Wirkungsgrad gutes dynamisches Verhalten preiswerte Katalysatoren (Nickel, Silber) Nachteile sind: sehr empfindlich gegen Verschmutzungen, insbesondere durch CO 2 niedrige Lebensdauer, bedingt durch den korrosiven Elektrolyten

4 Spin Off Technolgies Anmerkungen zu den Nachteilen: Korrosion Zn/Luft Batterie (1980) Nickel-Metallyhdridbatterie (1990) HCl Elektrolyse (2008) Chlor Alkali Elektrolyse (2010) Anmerkungen zu den Nachteilen: CO 2 Empfindlichkeit Umwandlung von KOH zu K 2 CO 3 Leitfähigkeitsänderung Betrieb mit Sauerstoff zu bevorzugen. Wirkungsgrad, System Elektrolyse - Brennstoffzelle

5 Katalysatoren 1 Alkalischer Elektrolyt Saurer Elektrolyt Gas H 2 O 2 H 2 O 2 Katalysatoren Aktiviertes Nickel Silber Platin Platin Tafel Steigung (pro Dekade) 88 mv (Electacta 47) 70 mv (DLR) 45 mv (Electacta 32) 60 mv (Electacta 44) Produktion kg 2* * 10 5 Preis [ /kg] Die Tafelsteigungen sind relativ ähnlich. Daher kann von einem ähnlichen Materialeinsatz ausgegangen werden. Der Preis spricht eindeutig für alkalische Systeme. Silber reagiert nicht mit Wasserstoff - Sicherer Betrieb ohne Knallgasreaktion möglich. Andere Katalysatoren zeigen hohe Werte der Degradation sind daher nicht berücksichtigt.

6 Katalysatoren 2 Ausgangsmaterial Modifikationen Lieferanten Nachbehandlung Silber Ag 2 O ~ 4 Umicore,... Ag ~ 30 Ferro,... - Ag / C? Labormaßstab - Ag / PTFE? - Reduzierung in Zelle Aktiviertes Nickel (AlNi 5 ) Sponge Nickel Nickel mit ca. 15% Aluminium Pyrophor Aufbewahrung unter Wasser ~ 10 (Cr, Mo, Co) Degussa, Gorwara,... Passivierung zur Verarbeitung, Aktivierung in Zelle

7 AG s alkalische GDE s BZ Anwendungen: Apollo Energy Astris Energy Evionycs AFC Energy Iran / Indien Spin Off Anwendungen: Batteriehersteller (Varta, Renata) Chemische Industrie (Bayer, DeNora, Permascand) Zulieferer (Etek(?), Gaskatel)

8 Elektrodenherstellung PTFE gebundene Elektroden Suspension Feststoffgemenge Feststoff Katalysator PTFE Katalysator PTFE Lösungsmittel Wasser, Netzmittel, Verdickungsmittel Mischung Rührer, Ultra Turax Messermühle Auftragung Rakeln, Sprühen, Gravurwalzen - Walzen Nachbehandlung Sintern (340 C) keine Etabliert HCl Elektrolyse Zn/Luft Batterie

9 Gaskatel Herstellung 1 Storage L First Calender Catalyst / PTFE Mixture Distributor Second Calender Electrode Tape Catalyst Tape Net

10 Tests Qualitätssicherung: Dichte Gasdurchlässigkeit Elektrische Leitfähigkeit Benetzbarkeit (thin film / flooded agglomerate model) Messbar Messbar Messbar Nicht messbar Interne Tests Vorhersage zu Zelldaten Halbzellenmessung ( Tafel Steigung) Bubblepoint / Flooding point Betriebspunkt in bar Messbar Messbar

11 Strom [ka/m²] Halbzellenmessung 1 Grenzstromdichte, 32% NaOH, 85 C, O Potential [V] RHE

12 Strom [ma/cm²] Halbzellenmessung 2 Raney Nickel, Trockene Passivierung, Ammoniak Passivierung Potential [V] RHE Ammoniak Trocken

13 Potential [V] Potential [V] Bubblepoint 2927, 10n NaOH, 80 C Bubblepoint 90mbar gas pressure [mbar] 1 ka/m² 3 ka/m²

14 Dankeschön Gasdiffusionselektroden werden im Maßstab von einigen 1000 m²/jahr produziert hauptsächlich alkalische Umgebung. Jeder Anwender hat seine eigene Fertigung (Batteriehersteller, chemische Industrie, BZ Anbieter). Alkalische Systeme beruhen auf kostengünstigen, aber auch aktiven Katalysatoren. Elektrolyt, Stromhöhe, Temperatur und Druck bestimmen den Aufbau von Gasdiffusionselektroden. Spin off Technologien können BZ Entwicklungen finanzieren. Im Sauerstoffbetrieb hat die AFC BZ eindeutig Vorteile.

15 100mm Rolling machine

16 Kosten bei GDE s Active in Reaction product Euro/kg Weight [mg/cm²] Cent [cm²] Platinum/C 20% Acids, lyes Various ~20 total ~ 2 Pt 40 Mangenes Oxides Lyes Hydroxides 10 ~ Silver Lyes Hydroxides 350 ~ Raney Nickel Activated carbon Carbon black Mesh Gold plated PTFE Membrane Lyes Various 60 ~ Lyes Hydroxides 20 ~ Lyes Peroxide 20 ~ Depends on Substrate (Nickel, ) and ordering quantity Depends on suppliers and ordering quantitiy Separator PP, PE material, Not including ion exchange membranes or PESU 0.25

17 Cent / cm² AMS FAS PESU 0.1 Gore PTFE Membrane 0.5

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