Untersuchungen zur Realisierung von kombinierten regenerativen Brennstoffzellen (URFC)

Kurzfassung

Für mobile und portable Anwendungen sind aufgrund des zunehmenden Energie- und Funktionsbedarfs die Leistungen aktueller Batterien ein stark limitierender Faktor. Für die Weiterentwicklung sind daher Systeme mit höherer spezifischer Energie und größerer Energiedichte notwendig. Eine Option ist die Verwendung von Brennstoffzellen (BSZ). Beim normalen Aufbau werden die Edukte (H2 und O2) in separaten Tanks gelagert und das Produkt Wasser wird entsorgt. Ein Ladevorgang bedeutet daher das Betanken des Systems mit den Reaktanden. Ein solcher Tankvorgang ist nicht zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort möglich oder nur mit enormem Aufwand zu bewältigen, Beispiele hierfür sind Weltraum- oder Tiefsee-Anwendungen. In diesen Fällen muss auf geschlossene Systeme gesetzt werden, die Brennstoff und Oxidationsmittel unter Zufuhr externer Energie regenerieren können. Im Falle der BSZ ist das die Wasserelektrolyse, die das Produktwasser wieder in seine Bestandteile aufspaltet. Ein solcher Aufbau entspricht dem Prinzip eines Akkumulators und kann folglich auch für die gleichen Einsatzbereiche eingesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit sollte eine reversible Elektroden-Membran-Einheit (EME) entwickelt und getestet werden. Die Herausforderung lag dabei nicht im BSZ-Betrieb sondern in der Beherrschung der Elektrolyse und den daraus resultierenden Bedingungen (hohe Zellspannungen, atomarer Sauerstoff, Korrosion, Kanalstruktur,…). Des Weiteren fordert der Wechsel der Betriebsmodi einen höheren Regelungs- und Steuerungsaufwand, der an dieser Stelle mit untersucht werden sollte. Da die Entwicklung von BSZ-Elektroden aufgrund der vorhandenen Erfahrung des DLR nicht notwendig war, konnte gleich mit den Untersuchungen zur Elektrolyse begonnen werden. Die Beherrschung der Sauerstoffentwicklung und das Verständnis der notwendigen Katalysatoren ist unverzichtbare Voraussetzung für die Entwicklung bifunktionaler Elektroden. Neben der Bestimmung der Leistungsfähigkeit verschiedener Katalysatoren (Ir, IrO2, Ru, RuO2 und Pt) wurden der Einfluss von Gasdiffusionsschicht und Kanalstruktur der Bipolarplatten auf die Leistung untersucht. Neben der Leistung wurden die Stabilität der verwendeten Materialien und die Reinheit der erzeugten Gase beobachtet, womit eine Aussage zur technischen Umsetzbarkeit möglich bzw. weiterer Forschungsbedarf aufgezeigt wird. Da für die Sauerstoffentwicklung ein anderer Katalysator (z.B. IrO2) als für die O2-Reduktion (z. B. Pt) notwendig ist, stellt sich die Frage des Aufbaus der entsprechenden Elektrode. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze verfolgt: Option 1 – eine Mischung beider Katalysatoren, Option 2 – die Schichtung der notwendigen Katalysatoren und Option 3 – die Segmentierung der aktiven Fläche in Bereiche mit den notwendigen Katalysatoren. Bei der Herstellung der EME’s kam das DLR-Trockensprüh-Verfahren zum Einsatz. In einem zweiten Schritt wurden die Optionen variiert (z. B. Aufteilung der Flächen, Schichtdicken und Beladung) um eventuelle Abhängigkeiten besser erkennen zu können. Die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Zellen wurde mit Hilfe von U(j)-Kennlinien und Impedanzspektren untersucht und miteinander verglichen. Des Weiteren wurden verschiedene ex-situ Untersuchungsmethoden (z. B. EDX, REM, CV) angewendet, um das Verständnis der Vorgänge innerhalb einer reversiblen EME zu verbessern. Dabei hat sich gezeigt, dass die Mischung der Katalysatoren die besten Ergebnisse liefert und somit die besten Vorraussetzungen für eine Weiterentwicklung bietet. Allerdings zeigen auch die geschichteten Elektroden ein großes Potential, jedoch sind an dieser Stelle weitere Optimierungen notwendig. Ein Vergleich mit reversiblen EME’s anderer Forschungseinrichtungen bildet den Abschluss der experimentellen Untersuchung. Für eine technische Anwendung ist die Betrachtung eines kompletten reversiblen Systems notwendig, einschließlich aller Komponenten wie Tanks, Leitungen, Verdichter usw. In einer Machbarkeitsstudie wurden alle benötigten Bauteile identifiziert und kommerziell erhältliche Varianten und deren Kenndaten ermittelt. Mit Hilfe der experimentell gewonnenen Daten konnte ein Stack mit definierter Leistung modelliert werden, der in eine entsprechende Infrastruktur eingebetet wurde. Mit diesem Aufbau konnten das Gewicht und das Volumen eines solchen Systems bestimmt werden, woraus sich wiederum die spezifische Energie und die Energiedichte ableiten lassen. Den Abschluss der Arbeit bildet ein Vergleich zwischen aktuellen Akkumulatoren und den Ergebnissen der Modellierung. Dabei zeigt sich, dass der gewählte Aufbau keine Vorteile gegenüber den Batterien aufweist, allerdings konnte durch eine Optimierung eine deutliche Steigerung von spezifischer Energie und Energiedichte auf Seiten der Brennstoffzelle erreicht werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Entwicklung bifunktionaler Elektroden erfolgreich war und dass durch die Arbeit ein besseres Verständnis der Auswirkungen verschiedener Elektrodenkonfigurationen auf die Leistung ermöglicht wird. Die Verwendung multifunktionaler Elektroden ist nicht auf den Einsatz in kombinierten reversiblen Zellen beschränkt und unterliegt in anderen Einsatzbereichen (Abwasserreinigung, Elektrolyse,…) nicht den gleichen Limitierungen (v. a. Gewicht und Volumen) wie das vorgestellte mobile System.