Biofuel cells (BFCs) that utilize enzymes as catalysts represent a new sustainable and renewable energy technology. Numerous efforts have been directed to improve the performance of the enzymatic BFCs (EBFCs) with respect to power output and operational stability for further applications in portable power sources, self-powered electrochemical sensing, implantable medical devices, etc. This concept article details the latest advances about the EBFCs based on porous nanoarchitectures over the past 5 years. Porous matrices from carbon, noble metal, and polymer promote the development of EBFCs through the electron transfer and mass transport benefits. We will also discuss some key issues on how these nanostructured porous media improve the performance of EBFCs in the end.

Die konstruktive Gestaltung des Flussfeldlayouts und der Kanalquerschnittsparameter einer Bipolarplatte kann maßgeblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle haben. Insbesondere die Intrusionswirkung von Gasdiffusionslagen (GDL) infolge einer mechanischen Vorspannung auf die Aktivfläche führt zu einer Verengung des effektiv durchströmten Kanalquerschnittes. In dieser Arbeit wird angenommen, dass die Intrusionswirkung in direkter Abhängigkeit von Kanalparametern metallischer Kanalplatten steht, dies wird experimentell untersucht. Die hierbei zur Anwendung kommende Prüfmethode sowie der zugehöriger Prüfstandsaufbau wurden bereits in [1] aufgeführt und erste experimentelle Ergebnisse präsentiert. In dieser Arbeit wird der betrachtete Parameterraum erweitert, indem zusätzliche Kanalquerschnittsproben experimentell untersucht werden und das jeweilige Intrusionsverhalten ermittelt wird.

The automotive industry is facing the challenge to realize the turn over to a climate-neutral mobility. The use of fuel cell powertrains are a promising way. Especially the short duration for the refueling of the tank in combination with an acceptable range and the separation of energy production and the refueling process show the advantages of the powertrain technology against the battery electric vehicle for the customer. Current vehicle concepts use PEM based fuel cells, which provide in combination with low battery capacities the power for the electric motor. The efficiency of the entire powertrain is influenced on the one side by the design of the fuel cell and the battery size and on the other side by the dynamic power split. The actual series standard of powertrain topologies are fuel cell vehicles with a big fuel cell system and a small battery size. These powertrains shows advantages regarding maximum speed, efficiency and performance. Due to their size these powertrains show big challenges in terms of complexity, costs and long life durability. IAV used their 0D/1D simulation framework to layout a fuel cell based hybrid powertrain (fuel cell system and battery) with a very long range and high durability for the use in a medium-size passenger car. Beside the long range also very low costs can be achieved by the use of a small stack, less components and a low effort for the calibration of the fuel cell system. This powertrain is simulated by different cycles to show the performance in terms of different target values. Furthermore the innovative fuel cell system powertrain is compared with a battery electric vehicle in terms of long range capability. This publication closes with a cost analysis of the fuel cell based powertrain for the automotive market in 2025.

Jet pumps are among the components of automotive FC systems (FCS) whose design need to be optimally tailored in order to improve the system efficiency. We had concluded that the ejector CFD model needed to optimize the design had to meet the requirements of being both complete enough, so that a realistic simulation of the FC system is attained, and computationally light, so that the CFD computations could be run embeded into real-time dynamic simulations of the FCS anode loop. Whereas we previously employed unstructured tetrahedral meshes, leading to excessive cell counts, our present work involves block-structured grids of purely hexahedral cells, resulting in a cell count an order of magnitude smaller. To ease our block-structure strategy, the previous geometry was slightly simplified. Our results agree with performance data already published. / Strahlpumpen gehören zu den Komponenten von Automotive FC-Systemen (FCS), deren Konstruktion optimal zugeschnitten werden muss, um die Systemeffizienz zu verbessern. Wir hatten zu dem Schluss gekommen, dass das Ejector CFD-Modell, das zur Optimierung des Designs benötigte, die Anforderungen des Seins vollständig genug erfüllen musste, so dass eine realistische Simulation des FC-Systems erreicht wird, und rechenlich leicht, so dass die CFD-Berechnungen eingebettet werden könnten Echtzeit-dynamische Simulationen der FCS-Anodenschleife. Während wir zuvor unstrukturierte Tetraedral-Meshes eingesetzt hatten, was zu übermäßigen Zellzählungen führte, beinhaltet unsere vorliegende Arbeit blockstrukturierte Gitter aus rein hexaedrischen Zellen, was zu einer Zelle führt, die eine größere Größenordnung darstellt. Um unsere Blockstrukturstrategie zu erleichtern, wurde die vorherige Geometrie leicht vereinfacht. Unsere Ergebnisse stimmen mit bereits veröffentlichten Leistungsdaten überein.

Aircraft design is a major challenge in the age of electro-mobility, which is mainly due to the high demands on weight restrictions. Battery electric airplanes either are designed as gliders or have limited range. The current developments in the area of batteries and of hydrogen fuel cells give a huge potential for future activities extending the operational area of CS-23 airplanes with electric propulsion. The study presented describes the dimensioning of a fuel cell drive train system for CS-23 airplanes including potentials and design optimizations. Different hydrogen fuel cell electrification concepts are analysed and compared, what is followed by an analysis of the system components. Further, different hydrogen storage systems for mobile applications and their operational handling abilities are studied. The system requirements for the CS-23 Airplane are defined, including the optimal configuration for the investigated airplane, including the battery capacity for the take-off phase. The concept closes with a discussion on system requirements by defining command variables and a discussion on trade-off decisions. / Die Konstruktion von Flugzeugen stellt mit dem Wandel zur Elektromobilität eine große Herausforderung dar, was vor allem auf die hohen Anforderungen an die Gewichtsbeschränkung zurückzuführen ist. Batterieelektrische Flugzeuge sind entweder als Segelflugzeuge konzipiert oder haben eine begrenzte Reichweite. Die aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der Batterien und der Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten ein großes Potential für ein zukünftig erweitertes Einsatzgebietes von CS-23 Flugzeugen mit Elektroantrieb. Die vorgestellte Studie beschreibt die Dimensionierung eines Brennstoffzellen-Antriebsstrangs für CS-23-Flugzeuge einschließlich Potentialen und Design-Optimierungen. Es werden verschiedene Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrifizierungskonzepte analysiert und verglichen, worauf eine Analyse der Systemkomponenten folgt. Weiterhin werden verschiedene Wasserstoffspeichersysteme für mobile Anwendungen und deren betriebliche Handhabbarkeit untersucht. Die Systemanforderungen für das CS-23 Flugzeug werden definiert, einschließlich der optimalen Konfiguration für das untersuchte Flugzeug, einschließlich der Batteriekapazität für die Startphase. Das Konzept schließt mit einer Diskussion über die Systemanforderungen.

Für PEM-Brennstoffzellen-Mikro-BHKW mit integrierter Dampfreformierung ist die Verwendung von LPG (Liquefied Petroleum Gas) bei fehlender Erdgasinfrastruktur interessant. Grundlage der BHKW-Effizienz ist eine optimale wärmetechnische Verschaltung, durch die u.a. das LPG/H2O-Gemisch effektiv auf die Reaktionstemperatur (700 °C) der Dampfreformierung vorgewärmt wird. In Abhängigkeit von der Verweilzeit, der das Gemisch ausgesetzt wird, können signifikante Mengen ungesättigter Kohlenwasserstoffe (C3H6, C2H4, C2H2) pyrolytisch gebildet werden, C3H6 kann des Weiteren bereits im LPG enthalten sein. Bei der katalytisch unterstützten Dampfreformierung fördert dies die Bildung verschiedenartiger kohlenstoffhaltiger Ablagerungen, wodurch eine vorzeitige Deaktivierung eintritt. In der Arbeit wird das Spaltpotenzial numerisch und experimentell untersucht. Durch Anwendung von Temperatur-Programmierter-Methanisierung und Ramanspektroskopie wird ferner der negative Einfluss bereits geringer C3H6-Anteile an einem Katalysator gezeigt. Aus den Ergebnissen werden abschließend Maßnahmen zur Minimierung kohlenstoffhaltiger Ablagerungen abgeleitet. / The use of LPG (Liquefied Petroleum Gas) is an alternative for PEM fuel cell micro-CHP systems with integrated steam reforming in the absence of natural gas infrastructure. An optimized thermo technical interconnection is the basis of the CHP efficiency, whereby, among other things, the LPG/H2O-mixture is preheated to the steam reforming reaction temperature (700 °C). Significant amounts of unsaturated hydrocarbons (C3H6, C2H4, C2H2) can be formed pyrolytically depending on the residence time for preheating the mixture; furthermore, C3H6 can be already a component of LPG. These species promote the formation of different carbon containing deposits on the reforming catalyst whereby a premature deactivation occurs. The thesis deals with the investigation of the pyrolysis potential using numerical as well as experimental methods. Furthermore, the negative effect of already low amounts of unsaturated hydrocarbons on a catalyst is shown by using Temperature-Programmed-Methanation and Raman spectroscopy. Finally, actions for avoiding the production of carbon containing deposits are derived from the results.

Aramide and arylene ether multiblock copolymers of (AB)n-type with various degrees of sulfonation have been prepared for use in direct methanol fuel cells. / Aramid- und Arylethersulfon-Multiblockcopolymere vom Typ (AB)n mit unterschiedlichem Sulfonierungsgrad wurden hergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung als Polymerelektrolyte in der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle getestet.

Eine kompakte und effiziente Wasserstofferzeugung aus verfügbaren Energieträgern ist für die Marktfähigkeit von Brennstoffzellenheizgeräten essentiell. Der Auslegung von Reformern für PEM-Brennstoffzellen kommt eine große Bedeutung zu, da bei diesem Brennstoffzellentyp keine interne Reformierung möglich ist. In dieser Arbeit werden die mathematische Modellierung der Dampfreformierung von Erdgas, die Rolle der eingesetzten Katalysatoren und die Problematik von Wärme- und Stofftransportprozessen untersucht. Für fünf kommerzielle Nickel- und einen Rhodiumkatalysator werden die Kinetik, die effektive Wärmeleitfähigkeit und der Diffusionskoeffizient ermittelt. Unter Verwendung dieser Werte wird in einem Einzelpartikelmodell die Existenz und Signifikanz von intra- und extrapartikulären Stoff- und Temperaturgradienten evaluiert. Daraus werden für ein quasihomogenes Reaktormodell Modellparameter abgeleitet, die eine exakte Simulation unter Berücksichtigung der relevanten Phänomene zulassen. Schließlich wird ein Reaktormodell erstellt, welches mit Messwerten aus einem Versuchsreaktor validiert und für eine Sensitivitätsanalyse verwendet wird.

Die Arbeit befaßt sich mit Modellsystemen zur elektrokatalytischen Reduktion von Sauerstoff in wäßriger saurer Elektrolytlösung. Ziel ist es, zum Verständnis des Reduktionsmechanismus an makrozyklischen Elektrokatalysatoren beizutragen, da diese Stoffklasse ein Potential zum Einsatz in PEM-Brennstoffzellen besitzt. Untersucht wurden meso-arylsubstituierte Fe-, Co- und Ni-Metalloporphyrine auf einem graphitischen Träger. Die Moleküle wurden in systematischer Weise modifiziert, um Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen zu finden. Synthese, spektroskopische Charakterisierung (UV-vis, IR, Raman) und Applikation sind beschrieben. Die Reduktion wurde mit klassischer Elektroanalytik (CV, RDE, RRDE, Impedanzmessung) und in situ-Ramanspektroskopie untersucht. Die Aktivität der Modellkatalysatoren ist abhängig vom Zentralion und den Arylsubstituenten und läßt sich teilweise mit den Hammett-Konstanten von Substituenten korrelieren. Aussagen zum Mechanismus lassen sich aus klassischer Elektroanalytik ableiten, es wurde jedoch ausschließlich 2-Elektronen-Reduktion beobachtet. Mit der in situ-Ramanspektroskopie läßt sich unter Ausnutzung des Resonanzeffekts der elektronische Zustand der Komplexe unter elektrochemischen Bedingungen beobachten. Aussagen zum Elektronentransfer und zur Redoxkatalyse werden gewonnen. Weiterhin lassen sich sowohl die geometrische Orientierung und Koordination der Chelate an die Kohlenstoffunterlage als auch die Art der Koordination des Sauerstoffmoleküls an den Katalysator untersuchen. Die untersuchten Moleküle waren parallel zur Kohlenstoffoberfläche orientiert, mit sauerstoffhaltigen Oberflächengruppen als axialem Ligand am Zentralion. Für Fe-Porphyrine wurde eine gewinkelt lineare Koordination des Sauerstoffmoleküls an das Metallzentrum gefunden.

Die Dissertation beschreibt ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren für Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsysteme. Den Ausgangspunkt bildet die Analyse der Schwankungseigenschaften spezifischer Energiezeitreihen: des Photovoltaik-Energieangebots und des elektrischen Verbrauchs von Haushalten. Konzepte zur zeitgestaffelten Zerlegung, Modellierung und Prognose werden vorgestellt. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit den Grundlagen von Aufbau und Funktion eines Brennstoffzelle-Direktspeicher-Hybridsystems und präsentiert Ergebnisse experimenteller und theoretischer Untersuchungen einer PEM-Brennstoffzelle, einer Supercap-Einheit, einer Lithium-Ionen Batterie sowie eines speziell entwickelten DC/DC-Wandlers. Praxistaugliche Modelle zur Beschreibung des Klemmenverhaltens, des Ladezustands und der auftretenden Wandlungsverluste werden vorgestellt. Der dritte Teil der Dissertation präsentiert ein neues optimierendes Energiemanagement-Verfahren. Optimierungsziele sind die Minimierung des Wasserstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Reduzierung der dynamischen Brennstoffzellen-Beanspruchung. Das Verfahren basiert auf den drei Steuerungsebenen: Primärregelung, Sekundärregelung und Systembetriebsführung. Schwerpunkt bildet die Sekundärregelung auf der Basis einer speziellen Struktur aus Laderegler und Lastfolgeregler sowie zwei Blöcken zur aktiven Begrenzung des Leistungsgradienten und des Arbeitsbereichs der Brennstoffzelle. Die Funktion und Leistungsfähigkeit des Energiemanagement-Verfahrens werden an einem Simulations- und an einem Experimentiersystem nachgewiesen. Anwendungsbeispiele werden gegeben. / The dissertation presents a new optimizing energy management concept for fuel cell-direct storage-hybrid systems. Initially, the characteristics of specific energy time series are investigated on the basis of real measurement data. A new concept for the multi-scale analysis, modelling and prediction of fluctuating photovoltaic supply and electric load demand profiles is developed. The second part of the dissertation starts with a discussion of the benefits of and the basic coupling and control principles for fuel cell-direct storage-hybrid systems. The typical characteristics of a PEM-fuel cell, a metal hydride hydrogen storage, a lithium-ion battery and a supercap unit are presented. A new modular DC/DC-converter is described. Results from experimental and theoretical investigations of the individual components and the overall hybrid system are discussed. New practicable models for the voltage-current-curve, the state of charge behaviour and the conversion losses are presented. The third part of the dissertation explains the new energy management concept. The optimization of power flows is achieved by a control-oriented approach, employing a) the primary control of bus voltage and fuel cell current, b) the secondary control to limit fuel cell current gradient and operating range and to perform direct storage charge control, and c) the system control to optimally adjust secondary control parameters aiming for a reduction of dynamic fuel cell stress and hydrogen consumption. Results from simulations and experimental investigations demonstrate the benefits and high capabilities of the new optimizing energy management concept. Examples of stationary and portable applications conclude the dissertation.