Alkalische Brennstoffzellensysteme

Seminar
Brennstoffzellen – Materialien und Systeme
Fraunhofer ICT, Pfinztal
Alkalische Brennstoffzellensysteme
Joachim Helmke, Dr. Hans-Joachim Kohnke
Gaskatel GmbH
Kassel
Übersicht
1. Alkalische Systeme: Pro und Contra
2. Unterschiedliche Zelltypen
a. Konventionelle Zelle
b. Matrix-Zelle
c. EloFlux-Zelle
3. Messungen
a. Konventionelle Zelle
b. Matrix-Zelle
c. EloFlux-Zelle
d. Vergleich
4. Zusammenfassung
Gasdiffusionselektroden
• Brennstoffzellen
• Elektrolyseure
• Zink-Luft-Batterien
• Herstellung von Chemikalien, z.B.:
• Chlor
• Wasserstoffperoxid
• Fluor
Elektrodenwalzmaschine
Design
H2-Cartridge
Contact Screw
for 2 mm Pin Plug
• Gaskatel vertreibt seit ca. 10
Jahren Wasserstoff-ReferenzElektroden
• In konzentrierten Laugen
• In Phosphorsäure 180°C
• In Flußsäure
PTFE-Pipe
• .....
• Temperaturbereich –30 to 200°C
(Rohr und
Gasdiffusionselektrode)
Gasdiffusion
Electrode
• Atmosphärischer Druck ( 0.1
bar)
• Beliebige Einbauposition
Alkalische Systeme
Pro und Contra
Pro:
•
•
•
•
•
Kein Pt notwendig
• Anode: Ni, Pd
• Kathode: Ag, Co, Mn, C
Leitfähigkeit KOH: 1 S/cm
Einfaches Wassermanagement
Höhere Kapazität
Geringere Kosten
Contra:
•
•
•
•
•
CO2-Toleranz
Flüssiger Elektrolyt
• Dichtigkeit
• Pumpe
Geringere Gaslöslichkeit
Geringere Dynamik
Geringere Leistungsdichte
Konventionelle Zelle mit
Elektrolytspalt
Anode
H2
PTFE
Layer
KOH
Kathode
O2
PTFE
Layer
• Elektrolyt strömt an
Elektroden vorbei
• Elektrolytspalt 0,5 – 2 mm
• Gasüberdruck durch Bubble
Point der Elektroden bestimmt
• Varianten:
• Fallfilm-Zelle
• Perkolator-Zelle
Matrix-Zelle
Anode
H2
Kathode
O2
• Elektrolyt aufgesogen in
poröser Matrix
• Matrix-Material:
• früher: Asbest
• heute: PP / PE / PSU
gefüllt mit TiO2 oder ZrO2
• Elektroden werden auf Matrix
gepresst
• Gasüberdruck abhängig vom
Separator
• HT-PEM-Zellen mit PBIMembran sind Matrix-Zellen
Matrix
Messungen
EloFlux-Zelle
Anode
Kathode
KOH
Separator
• Elektroden werden auf
Separator gepresst
• Separator-Material wie bei
Matrix-Zelle
• Elektrolyt wird quer durch
das Paket gedrückt
• Gasüberdruck abhängig vom
Separator
EloFlux-Zelle
Pair of
Cathodes
Pair of
Anodes
Pair of
Cathodes
Anode
Anode
KOH
Separators
Messungen
• Alle Elektroden bei Gaskatel hergestellt:
• Reactive Mixing
• Walzprozess (Elektrodenwalze Eigenentwicklung)
• Matrix / Separator AMS FAS 1000
• Alle Messzellen bei Gaskatel entwickelt
Messungen
Matrix-Zelle
1.2
H2 /O2, 10 M KOH, 50 C
1.0
Spannung [V]
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
50
100
Stromdichte [mA/cm²]
30°C
50°C
150
200
Messungen
Konventionelle Zelle
1.2
H2 / O2, 10 M KOH
1.0
Spannung [V]
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
50
100
150
Stromdichte [mA/cm²]
80 °C
50 °C
30 °C
200
EloFlux-Zelle
1.2
H2 /O2, 10 M KOH
1.0
Spannung [V]
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
50
100
150
Strom [mA/cm²]
80 °C
50 °C
30 °C
200
Vergleich
Konventionell – Matrix – EloFlux
1.2
H2 /O2, 10 M KOH, 50 C
Spannung [V]
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
50
100
150
Stromdichte [mA/cm²]
EloFlux
Konventionell
Matrix
200
Zusammenfassung
• Die Matrix-Zelle liefert die besten Leistungsdaten, reagiert
aber sensibel auf Betriebszustandsänderungen (Feuchte)
• Konventionelle Zellen ohne Separater zeigen die
schlechtesten Leistungsdaten. Der Gasüberdruck kann nicht
optimal eingestellt werden.
• EloFlux-Zellen liefern gute Leistungsdaten, verhalten sich im
Betrieb gutmütig, werden aber durch die
Transporteigenschaften des Separators limitiert.
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Brennstoffzellen – Materialien und Systeme
Fraunhofer ICT, Pfinztal
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