Bodner Merit
Dipl.-Ing.
Forum Technik und Gesellschaft Förderpreisträger 2013
Kategorie Master-/Diplomarbeiten
1. Preis ex aequo
Titel
Entwicklung einer alkalischen Direkt Ethanol Brennstoffzelle
Kurzfassung
Diese Arbeit untersucht die Unterschiede zwischen verschiedenen Zelltypen und Strömungsfeldern, sowie die Auswirkungen der Betriebsparameter auf die Leistungsfähigkeit von Direkt Ethanol Brennstoffzellen. Es wurden zwei unterschiedliche Typen alkalischer Direkt Ethanol Brennstoffzellen charakterisiert. Für eine konventionelle Zelle mit 5 cm² aktiver Fläche wurden ein Einfach-Mäander und ein Gitter- Strömungsfeld für die Anodenseite und ein Einfach-Mäander-Strömungsfeld für die Kathodenseite geplant und konstruiert. Als Strömungsfeldplattenmaterial wurde harzverstärktes Graphit eingesetzt. Weiter wurde eine passive Zelle mit 4 cm² aktiver Fläche in unterschiedlichen Betriebsmodi charakterisiert. Anstelle eines Strömungsfeldes verfügte sie über ein 4 cm³ Ethanol-Reservoir. Es wurden unterschiedliche Trägermaterialien, Katalysatoren und Ionomer-Typen in den Zellen eingesetzt. Für die Herstellung der Elektroden wurden die Gasdiffusions- und die Katalysatorschicht auf das Trägermaterial mittels Sprühverfahren aufgebracht. Die fertigen Elektroden wurden dann mit einer Membran zur Membran-Elektroden-Einheit heiß gepresst und in den Zellen experimentell vermessen. Die Zellen wurden galvanostatisch aktiviert und es wurden in gleichbleibender Reihenfolge Messungen durchgeführt. Zur Zellcharakterisierung wurden Stromdichte-Spannungs-Kennlinien und chronoamperometrische und chronopotentiostatische Stromdichte- beziehungsweise Spannungsverlauf-Linien aufgezeichnet. Die offene Zellspannung, beziehungsweise deren Veränderung über den Fortschritt der Messreihen wurde dokumentiert. Die Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf die Stabilität der eingesetzten Materialien, die Katalyse und die elektrische beziehungsweise ionische Leitfähigkeiten des Systems zu.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Es steht außer Frage, dass sich das derzeitige Energiesystem ändern muss und es gibt viele unterschiedliche Ansätze um Energie sauber aus verschiedenen Quellen gewinnen und effizienter speichern zu können. Bei der Auswahl geeigneter Systeme darf jedoch nicht übersehen werden, dass viele dieser Methoden zum derzeitigen Stand der Technik nur formal eine Reduktion der Treibhausgasemissionen darstellen, da oft fossile Rohstoffe als Ausgangsmaterialien dienen. Die Wasserstoffbrennstoffzelle ist in der Lage, die bei der Oxidation von H2 frei werdende Energie in elektrischen Strom umzuwandeln. Als Rohstoff für die Wasserstofferzeugung dient häufig Erdgas, der Einsatz von Biogas ist dabei allerdings ebenfalls möglich und aus ökologischen Gründen vorzuziehen. In beiden Fällen muss das Methan aber noch aufwendig reformiert und gereinigt werden. Sinnvoller ist es daher, einen Energieträger direkt beim Anwender in elektrische Energie umzuwandeln und dabei einen ungefährlichen Brennstoff mit bereits bestehender großer Produktion einzusetzen. Die Direkt Ethanol Brennstoffzelle ist eines jener Systeme die diesem Ansatz gerecht wird. Ethanol ist nicht toxisch, besitzt eine hohe Energiedichte und kann aus einer Vielzahl an erneuerbaren Rohstoffen hergestellt werden. Als Kohlenstoffquelle können beispielsweise die komplexen Kohlenwasserstoffe Cellulose und Hemicellulose eingesetzt werden, die beide Nebenprodukte der Papierherstellung sind. Die alkalische Direkt Ethanol Brennstoffzelle, wie ich sie in meiner Arbeit behandelt habe, ist in der Lage, durch die räumliche Trennung der beiden Redoxreaktionen der formalen Verbrennungsreaktion die dabei umgesetzten Elektronen als elektrische Energie nutzbar zu machen. Dabei wird Ethanol an der Anode oxidiert und Sauerstoff an der Kathode reduziert. Bei einer vollständigen Oxidation werden dabei pro Molekül Ethanol 12 Elektronen umgesetzt. Als Ladungsträger dienen OH--Ionen, die durch eine Anionen-Austauscher-Membran von der Kathode zur Anode wandern. Ander, als im ansonsten verwendeten sauren System wird es im Alkalischen möglich, auf die Verwendung von hochpreisigen Katalysatormetallen, wie Platin, zu verzichten und den Preis einer Zelle durch den Einsatz von Metallen wie beispielsweise Nickel, zu senken. Seit 2011 beschäftige ich mich mit der alkalischen Direkt Ethanol Brennstoffzelle und habe nun auch meine Masterarbeit zu diesem Thema verfasst. Es handelt sich um ein vollständiges System zur Energieerzeugung, welches ich in seinen essentiellen Facetten betrachtet habe. Dennoch ist auch heute noch viel Arbeit zu tun, bevor das System kommerziell produzierbar ist. Die Forschung auf dem Gebiet der Direkt Ethanol Brennstoffzelle stellt einen vor viele Herausforderungen, die es zu meistern gilt. In meiner Arbeit habe ich nicht nur den bis dato am meisten vertretenen Zelltypen weiter verbessert, ich habe auch eine einfachere, leichtere Zelle konstruiert. Dieser alternative Zelltyp kann entweder vollständig passiv oder semi-passiv betrieben werden und bietet viele Vorteile dem herkömmlichen System gegenüber. Es war mir möglich, eine optimierte Zellauslegung zu bestimmen und durch den Einsatz alternativer Materialien – wie beispielsweise Nickelschaum als Trägermaterial – die Zellleistung und die Lebensdauer der Zellen wesentlich zu verbessern. Des Weiteren habe ich beweisen können, dass auch ein stark vereinfachtes System in der Lage ist, elektrischen Strom zu erzeugen.
Kategorie Master-/Diplomarbeiten
1. Preis ex aequo
Titel
Entwicklung einer alkalischen Direkt Ethanol Brennstoffzelle
Kurzfassung
Diese Arbeit untersucht die Unterschiede zwischen verschiedenen Zelltypen und Strömungsfeldern, sowie die Auswirkungen der Betriebsparameter auf die Leistungsfähigkeit von Direkt Ethanol Brennstoffzellen. Es wurden zwei unterschiedliche Typen alkalischer Direkt Ethanol Brennstoffzellen charakterisiert. Für eine konventionelle Zelle mit 5 cm² aktiver Fläche wurden ein Einfach-Mäander und ein Gitter- Strömungsfeld für die Anodenseite und ein Einfach-Mäander-Strömungsfeld für die Kathodenseite geplant und konstruiert. Als Strömungsfeldplattenmaterial wurde harzverstärktes Graphit eingesetzt. Weiter wurde eine passive Zelle mit 4 cm² aktiver Fläche in unterschiedlichen Betriebsmodi charakterisiert. Anstelle eines Strömungsfeldes verfügte sie über ein 4 cm³ Ethanol-Reservoir. Es wurden unterschiedliche Trägermaterialien, Katalysatoren und Ionomer-Typen in den Zellen eingesetzt. Für die Herstellung der Elektroden wurden die Gasdiffusions- und die Katalysatorschicht auf das Trägermaterial mittels Sprühverfahren aufgebracht. Die fertigen Elektroden wurden dann mit einer Membran zur Membran-Elektroden-Einheit heiß gepresst und in den Zellen experimentell vermessen. Die Zellen wurden galvanostatisch aktiviert und es wurden in gleichbleibender Reihenfolge Messungen durchgeführt. Zur Zellcharakterisierung wurden Stromdichte-Spannungs-Kennlinien und chronoamperometrische und chronopotentiostatische Stromdichte- beziehungsweise Spannungsverlauf-Linien aufgezeichnet. Die offene Zellspannung, beziehungsweise deren Veränderung über den Fortschritt der Messreihen wurde dokumentiert. Die Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf die Stabilität der eingesetzten Materialien, die Katalyse und die elektrische beziehungsweise ionische Leitfähigkeiten des Systems zu.
persönliche Begründung der gesellschaftlichen Relevanz
Es steht außer Frage, dass sich das derzeitige Energiesystem ändern muss und es gibt viele unterschiedliche Ansätze um Energie sauber aus verschiedenen Quellen gewinnen und effizienter speichern zu können. Bei der Auswahl geeigneter Systeme darf jedoch nicht übersehen werden, dass viele dieser Methoden zum derzeitigen Stand der Technik nur formal eine Reduktion der Treibhausgasemissionen darstellen, da oft fossile Rohstoffe als Ausgangsmaterialien dienen. Die Wasserstoffbrennstoffzelle ist in der Lage, die bei der Oxidation von H2 frei werdende Energie in elektrischen Strom umzuwandeln. Als Rohstoff für die Wasserstofferzeugung dient häufig Erdgas, der Einsatz von Biogas ist dabei allerdings ebenfalls möglich und aus ökologischen Gründen vorzuziehen. In beiden Fällen muss das Methan aber noch aufwendig reformiert und gereinigt werden. Sinnvoller ist es daher, einen Energieträger direkt beim Anwender in elektrische Energie umzuwandeln und dabei einen ungefährlichen Brennstoff mit bereits bestehender großer Produktion einzusetzen. Die Direkt Ethanol Brennstoffzelle ist eines jener Systeme die diesem Ansatz gerecht wird. Ethanol ist nicht toxisch, besitzt eine hohe Energiedichte und kann aus einer Vielzahl an erneuerbaren Rohstoffen hergestellt werden. Als Kohlenstoffquelle können beispielsweise die komplexen Kohlenwasserstoffe Cellulose und Hemicellulose eingesetzt werden, die beide Nebenprodukte der Papierherstellung sind. Die alkalische Direkt Ethanol Brennstoffzelle, wie ich sie in meiner Arbeit behandelt habe, ist in der Lage, durch die räumliche Trennung der beiden Redoxreaktionen der formalen Verbrennungsreaktion die dabei umgesetzten Elektronen als elektrische Energie nutzbar zu machen. Dabei wird Ethanol an der Anode oxidiert und Sauerstoff an der Kathode reduziert. Bei einer vollständigen Oxidation werden dabei pro Molekül Ethanol 12 Elektronen umgesetzt. Als Ladungsträger dienen OH--Ionen, die durch eine Anionen-Austauscher-Membran von der Kathode zur Anode wandern. Ander, als im ansonsten verwendeten sauren System wird es im Alkalischen möglich, auf die Verwendung von hochpreisigen Katalysatormetallen, wie Platin, zu verzichten und den Preis einer Zelle durch den Einsatz von Metallen wie beispielsweise Nickel, zu senken. Seit 2011 beschäftige ich mich mit der alkalischen Direkt Ethanol Brennstoffzelle und habe nun auch meine Masterarbeit zu diesem Thema verfasst. Es handelt sich um ein vollständiges System zur Energieerzeugung, welches ich in seinen essentiellen Facetten betrachtet habe. Dennoch ist auch heute noch viel Arbeit zu tun, bevor das System kommerziell produzierbar ist. Die Forschung auf dem Gebiet der Direkt Ethanol Brennstoffzelle stellt einen vor viele Herausforderungen, die es zu meistern gilt. In meiner Arbeit habe ich nicht nur den bis dato am meisten vertretenen Zelltypen weiter verbessert, ich habe auch eine einfachere, leichtere Zelle konstruiert. Dieser alternative Zelltyp kann entweder vollständig passiv oder semi-passiv betrieben werden und bietet viele Vorteile dem herkömmlichen System gegenüber. Es war mir möglich, eine optimierte Zellauslegung zu bestimmen und durch den Einsatz alternativer Materialien – wie beispielsweise Nickelschaum als Trägermaterial – die Zellleistung und die Lebensdauer der Zellen wesentlich zu verbessern. Des Weiteren habe ich beweisen können, dass auch ein stark vereinfachtes System in der Lage ist, elektrischen Strom zu erzeugen.