Bipolarplatten stellen eine Schlüsselkomponente hinsichtlich Fertigungskosten eines Brennstoffzellenstacks dar und sind komplexen Anforderungen ausgesetzt. Sie stützt die anderen biegeempfindlichen Stackkomponenten, verteilt die Reaktionsgase über die aktive Zellfläche und sorgt für die flächige elektrische Kontaktierung der in Reihe geschalteten Einzelzellen, Ableitung der Reaktionswärme und sowie Trennung der Einzelzellen. Daher muss sie einen niedrigen Kontaktwiderstand zur benachbarten Gasdiffusionslage, hohe Biegesteifigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Lebensdauer der Zelle gewährleisten. Die Funktion der Gasverteilung über die aktive Zellfläche übernimmt das Flussfeld. Deren Kanalstruktur- und Geometrie beeinflusst entscheidend den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und des Gesamtsystems. Um Fertigungsaufwand und damit verbundene Kosten zu senken, ist es Ziel aktueller Forschungsarbeit, die Geometrie so einfach wie möglich zu gestalten. Dabei wird ein minimal geringerer Wirkungsgrad in Kauf genommen, wenn im Gegenzug die Kosten stark sinken. Mit Hilfe einer CFD-Simulation wird das Flussfeld dahingehend optimiert, die Produktion zu vereinfachen und die Funktionalität weiterhin zu gewährleisten. Im Rahmen dieser Präsentation werden Modellbildung, Randbedingungen und erste Ergebnisse vorgestellt.

Die vorliegende Arbeit entstand im Zeitraum von 05/2014 bis 03/2017 in Kooperation mit Umicore AG & Co. KG und ist thematisch direkt mit dem BMWi-Projekt „NeoKarII“ mit der Suche nach neuartigen, oxidischen Elektrodenmaterialien für Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM-FC) verknüpft. In dieser Arbeit wurden verschiedene oxidische Materialien über Sol-Gel- und Imprägnationsverfahren hergestellt und deren Eignung für eine Brennstoffzellenanwendung geprüft. Neben umfassenden röntgenographischen Untersuchungen zu den Stoffsystemen IrO2-TiO2, IrO2-SnO2 und Cr2O3-TiO2 sind in dieser Arbeit auch zusammensetzungsabhängige Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit gezeigt. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Leitfähigkeitsversuchsstand mit einer 2-Punkt-Durchgangswiderstandsmessmethode entwickelt und in Betrieb genommen. Der halbautomatische Versuchsstand ermöglicht eine temperatur- und druckprogrammierte Vermessung pulverförmiger Werkstoffe. / This thesis was developed between 05/2014 and 03/2017 together with Umicore AG & Co. KG and is related to the BMWi project 'NeoKarII' with the search for novel, oxidic electrode materials for polymer electrolyte fuel cells (PEM-FC). In this work, various oxidic materials were prepared by sol-gel and impregnation processes and their suitability for a fuel cell application was tested. In addition to comprehensive X-ray diffraction examinations of the materials systems IrO2-TiO2, IrO2-SnO2 and Cr2O3-TiO2, the composition dependence of electrical conductivity is also shown. For this purpose, a new measurement setup with a 2-point resistance measurement method was developed and brought into services. The semi-automatic setup allows a temperature- and pressure-programmed measurement of powdered materials.

Eine der Schlüsselkomponenten der Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte (BPP) welche den Kern eines Brennstoffzellensystems bildet und hierbei die mechanische Hauptstruktur des Brennstoffzellenstapels bildet. Die Bipolarplatte sorgt aber nicht nur für die Stabilität des Stacks, sondern übernimmt weitere Aufgaben wie die elektrische Verbindung der Zellen, die Gasverteilung über die Fläche der Platten, Gastrennung zwischen angrenzenden Zellen, Dichtung nach außen und Kühlung. Zentrale Zielstellung ist somit mittels alternativer Anbindungs- bzw. Fügeverfahren, wie der Einsatz leitfähiger Kleber, isolierender Kleber, sowie Laser- und Widerstandsschweißung eine anforderungsgemäße Verbindung der metallischen Bipolarplatten zu schaffen bei möglichst geringer Einschränkung der Korrosionsbeständigkeit. Gleichzeitig im jeweiligen Verfahren soll dabei eine gleichmäßigere Strom- u. Wärmeverteilung auf der Platte erzielt werden. Darüber hinaus beeinflusst die Anzahl der Schweiß- und/oder Klebepunkte, welche auf einer metallischen Bipolarplatte aufgebracht werden, die Alterung der Zellen, bedingt durch Wechselwirkungen zwischen dem Material der Bipolarplatten sowie der eingesetzten Klebematerialien, oder die Beschädigung der Korrosionsschutzbeschichtung der metallischen Bipolarplatten durch verschiedenste Schweißverfahren. Somit müssen die Anbindungspunkte der metallischen Bipolarplatte so ausgeführt werden, dass die Entstehung von Hot Spots und Korrosionsschwerpunkten vermieden wird, wobei eine ausreichende Strom- und Wärmeleitfähigkeit erzielt wird. / One of the key components of the fuel cell is the bipolar plate (BPP), which forms the core of a fuel cell system and is the main mechanical structure of the fuel cell stack. However, the bipolar plate not only ensures the stability of the stack, but also performs other tasks such as the electrical connection of the cells, gas distribution over the surface of the plates, gas separation between adjacent cells, sealing to the outside and cooling. The central objective is thus to create a connection between the metallic bipolar plates that meets the requirements using alternative connection and joining processes, such as the use of conductive adhesives, insulating adhesives, as well as laser and resistance welding, with the least possible restriction of corrosion resistance. At the same time, a more even current and heat distribution on the plate is to be achieved in the respective process. Furthermore, the number of welding and/or bonding points applied to a metallic bipolar plate influences the ageing of the cells due to interactions between the material of the bipolar plates and the bonding materials used, or the damage to the anti-corrosion coating of the metallic bipolar plates caused by various welding processes. Thus, the connection points of the metallic bipolar plate must be designed in such a way that the formation of hot spots and corrosion foci is avoided, while sufficient current and heat conductivity is achieved.

Der Kaltstart von Polymerelektrolytmembran Brennstoffzellen (PEM-BZ) stellt nach wie vor eine wesentliche Herausforderung dar. Passende Betriebsstrategien sind für Start und Shutdown von entscheidender Bedeutung um den BZ-Stack nicht irreversibel zu schädigen. Vor allem das geeignete Wassermanagement muss in den Fokus gerückt werden, da gefrierendes Reaktionswasser sowohl beim Start als auch bei der Lagerung unter Frostbedingungen die Funktionstüchtigkeit der PEMBZ beeinträchtigen können. Im Rahmen des Forschungsprojektes HZwo: InTherm wurde von der Professur Alternative Fahrzeugantriebe ein Teststand für die Untersuchung von Shutdownprozeduren und Froststarts entwickelt. Für die Feuchtemessung wurde ein Taupunkthygrometer verwendet und um die Vorgänge im Stack nachzuvollziehen drei Stromdichte- Temperaturverteilungsmessungen integriert.

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.

Ein wesentlicher Trend in der stationären Energieversorgung ist die Dezentralisierung der Strom- und Wärmebereitstellung. Daneben besteht nach wie vor ein Bedarf an wirkungsgradverbesserten Energieumwandlungstechniken. Diesbezüglich hat die Brennstoffzellen-Technologie ein hohes Innovationspotenzial. Funktionsfähigkeit, Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellen-Systemen werden insbesondere bei der Wasserstofferzeugung durch Erdgas-Dampfreformierung durch diverse Einflussfaktoren bestimmt. In dieser Arbeit werden die Methodik der Auslegung integrierter Erdgas-Dampfreformer für PEM-Brennstoffzellen-Systeme im elektrischen Leistungsbereich von 1 – 10 kW beschrieben und die prozessbestimmenden Einflussfaktoren untersucht und gewichtet. Daraus werden Auslegungsprinzipien abgeleitet, mit denen sich die optimalen Betriebsparameter ermitteln lassen und die zur konstruktiven Gestaltung einer Vielzahl von Anlagenteilen genutzt werden können.

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Auswirkungen ungeregelt und mit konstanter Leistung ins Mittelspannungsnetz einspeisender dezentraler Erzeugungseinheiten, beispielsweise mit Erdgas betriebener Motor-BHKW oder Brennstoffzellen untersucht. Insbesondere werden Lastfluss und Netzverluste in Abhängigkeit von Ort und Höhe der dezentral eingespeisten Leistung ermittelt. Nach Vorstellung anerkannter Bewertungsmethoden und bestehender Versorgungskonzepte werden anhand eines Beispielnetzes verschiedene Szenarien entwickelt und mittels vergleichender Ökobilanz ganzheitlich bewertet. Ziel der Arbeit ist die Ermittlung eines Szenarios mit minimalen Stromwärmeverlusten unter ausschließlichem Einsatz dezentral mit konstanter Leistung einspeisender Erzeugungseinheiten. Dies ist erfüllt, wenn an jedem Knoten im Mittelspannungsnetz exakt die mittlere Jahresleistung eingespeist wird. Die Stromwärmeverluste sind dann um 85 % niedriger als im Ausgangsszenario ohne dezentrale Einspeisung. Nachteilig an diesem Konzept sind die zeitweilige Lastflussumkehr und die verglichen mit konventionellen Großkraftwerken hohen Erzeugungskosten. / This diploma thesis deals with un-controlled mini cogeneration plants in medium voltage grids. The aim of the thesis is to evaluate and to explain the correlation between small decentralized power generation, transportation losses and load-flow inversion. Several scenarios are developed and evaluated via life cycle assessment. In the optimum scenario, transportation losses are 85 % lower compared to the original scenario without decentralized generation. Disadvantages of the optimised scenario are load-flow inversion and relatively high costs.

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.

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2009

Univ., Diss.--Lund, 2008.