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.

Planare keramische Hochtemperaturbrennstoffzellen liefern aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades sowie einer hohen Variabilität geeigneter Brennstoffe einen wertvollen Beitrag zur ressourcenschonenden Stromproduktion. Für einen sicheren Betrieb dieser Brennstoffzellen sind hermetisch dichte und elektrisch isolierende Dichtungen unabdingbar. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität sowie der Anpassung relevanter Fügeeigenschaften wie Viskosität und thermischem Ausdehnungsverhalten eignen sich insbesondere teilkristalline Glaslote als Dichtungs- und Fügewerkstoffe für diese Aufgabe. Für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb von Brennstoffzellensystemen ist neben der Anpassung der Fügeparameter ein umfassendes Verständnis der Alterungsprozesse von Glasloten im Fügeverbund unter Betriebsbedingungen hinsichtlich Gasdichtheit und elektrischem Iso-lationsvermögen von entscheidender Bedeutung. In grundlegenden Untersuchungen zeigt diese Arbeit auf, welche vielschichtigen Degradationsprozesse in teilkristallinen Glasloten unter simulierten Einsatzbedingungen ablau-fen. Durch geeignete Versuchsabläufe gelang es, diese Einflüsse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Degradationsprozesse zu separieren und zu bewerten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse flossen in eine Glaslotentwicklung ein, mit der die Degradationsstabilität teilkristalliner Glaslote unter den gegebenen Einsatzbedingungen deutlich erhöht werden konnte. Besondere Berücksichtigung fand hierbei der Einfluss der Glaszusammensetzung auf Degradationsprozesse im Verbund mit den metallischen Fügepartnern sowie die Porenbildung in gesinterten glaskeramischen Gefügen unter brennstoffzellentypischen Betriebsbedingungen. Im Gesamtergebnis zeigt die vorliegende Arbeit, dass zur Erfüllung von Fügeaufgaben neben der Anpassung intrinsischer Glasloteigenschaften auch das langfristige Verhalten teilkristalliner Glaslote im Fügeverbund Berücksichtigung finden muss.

In der vorliegenden Arbeit wird, ausgehend von der Darstellung der Grundlagen der Wasserstoffgasaufbereitungs- und CO–Gasreinigungsverfahren, eine Methodik zur energetischen Modularisierung des Gasaufbereitungsprozesses entwickelt. Die Modellierung und Analyse der einzelnen Prozessstufen erfolgt auf der Basis von Masse- und Energiebilanzen. Die theoretische Darstellung der Lösungsmethoden für die Bilanzgleichungen der einzelnen Prozessstufen ist dabei auf das System Dampfreformierung und CO-Gasreinigung eingegrenzt. Parameter zur energetischen Bewertung der Prozessvarianten werden definiert. Die Methodik führt zur Eingrenzung energetisch optimierter Prozessvarianten. Ihr Hauptziel liegt in der optimalen Nutzung prozessinterner Energie- und Stoffströme. Ein zentraler Bestandteil der Methodik ist die graphische Pinch-Methode. Sie wird dem vorliegenden Prozess angepasst.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis der elektrochemischen Prozesse an der Elektrodengrenzfläche und im Festkörper graphitischer Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. Der Zusammenhang zwischen den intrinsischen Eigenschaften des Aktivmaterials und den resultierenden Eigenschaften von Kompositelektroden stand dabei im Fokus der Untersuchungen. Die Temperaturabhängigkeit von Materialeigenschaften (Diffusionskoeffizient, Austauschstromdichte) und Elektrodeneigenschaften (Verhalten unter Strombelastung) wurde in einem Bereich von 40 °C bis -10 °C erfasst. Dazu werden elektrochemische Charakterisierungsmethoden aus der Literatur vorgestellt und hinsichtlich ihrer Gültigkeit für die Anwendung an realen Elektroden evaluiert. Die elektrochemisch aktive Oberfläche wurde bestimmt und stellte sich als ausschlaggebender Parameter für die Bewertung der Elektrodenprozesse heraus. Auf Basis korrigierter Elektrodenoberflächen konnten Austauschstromdichten für die konkurrierenden Prozesse Lithium-Interkalation und -Abscheidung ermittelt werden. Zusammen mit Kennwerten zur Keimbildungsüberspannung für Lithium-Abscheidung flossen die ermittelten Kennwerte in eine theoretische Berechnung des Zellstroms ein. Es konnte gezeigt werden, dass die Lithium-Abscheidung kinetisch deutlich gegenüber der Lithium-Interkalation bevorzugt ist, nicht nur bei niedriger Temperatur. Die Übertragbarkeit wissenschaftlicher Grundlagenexperimente auf kommerzielle Systeme war bei allen Versuchen Gegenstand der Untersuchungen. In einem separaten Beispiel einer Oberflächenmodifikation mit Zinn wurde diese Problematik besonders verdeutlicht. Zusätzlich wurde die parasitäre Abscheidung von Lithium auf graphitischen Anoden hinsichtlich der Nachweisbarkeit und Quantifizierung evaluiert. Hierfür wurde eine neue Untersuchungsmethode im Bereich der Lithium-Ionen-Batterie zur besseren Detektion von Lithium-Abscheidung und Grenzflächen-Morphologie mittels Elektronenmikroskopie entwickelt. Die Osmiumtetroxid (OsO4) Färbung ermöglichte eine deutliche Verbesserung des Materialkontrasts und erlaubte somit eine gezielte Untersuchung von graphitischen Anoden nach erfolgter Lithium-Abscheidung. Darüber hinaus konnte die selektive Reaktion des OsO4 für eine genauere Betrachtung der Solid Electrolyte Interphase genutzt werden. Eine Stabilisierung der Proben an Luft und im Elektronenstrahl konnte erreicht werden. / This work sheds light on the electrochemical processes occurring at commercially processed graphitic anodes. It raises the question whether values published in literature for mostly ideal electrode systems can be readily taken for simulation and design of real electrodes in high-energy cells. A multiple step approach is given, evaluating different methods to determine electrode and material properties independently. The electrochemically active surface area was shown to be a crucial parameter for the calculation of electrode kinetics. Using exchange current densities corrected for the electrode surface area, the overall charging current in a cell could be calculated. The resulting part of lithium deposition in the charging process is strikingly high, not only at low temperatures. To further investigate lithium deposition in terms of morphology and quantity, a method was developed for graphitic anodes. Osmium tetroxide (OsO4) staining serves well as a tool to strongly increase material contrast in electron microscopy. Thus lithium dendrites could be made visible in an unprecedented manner. Furthermore, the selective chemical reaction of osmium tetroxide allows for a better investigation of the multi-layer solid electrolyte interphase as was shown in transmission electron microscopy. Using the staining method, a stabilization of the sample under air and in the electron beam could be achieved.

This work deals with the investigation and research on organic solar cells. In the first part of this work we focus on the spectroscopical and electrical characterization of the acceptor molecule and fullerene derivative C70. In combination with the donor molecule zinc-phthalocyanines (ZnPc) we investigate C70 in flat and bulk heterojunction solar cells and compare the results with C60 as acceptor. The stronger and spectral broader thin film absorption of C70 and thus enhanced contribution to photocurrent as well as the similar electrical properties with respect to C60 result in higher power conversion efficiencies. In the second part, modifications of the blend layer morphology of a C60:ZnPc bulk heterojunction solar cell are considered. Using substrate heating during co-deposition of acceptor and donor, the molecular arrangement is influenced. Due to the additional thermal energy at the substrate the blend layer morphology is improved and optimized for a substrate heating temperature of 110°C. With transmission electron microscopy, molecular phase separation of C60 and ZnPc and the formation of polycrystalline ZnPc domains in a lateral dimension on the order of 50 nm are detected. Mobility measurements show an increased ZnPc hole mobility in the heated blend layer. The improved charge carrier percolation and transport are confirmed by the enhanced performance of such bulk heterojunction solar cells. Furthermore, we show a strong influence of the pre-deposited p-doped hole transport layer on the molecular phase separation. In the third part, we study the dependency of the open circuit voltage on the mixing ratio of C60 and ZnPc in bulk heterojunction solar cells. For the different mixing ratios we determine the ionization potentials of C60 and ZnPc. Over the various C60:ZnPc blends from 1:3 - 6:1, the ionization potentials change linearly, but different from each other and exhibit a correlation to the change in open circuit voltage. Depending on the mixing ratio an intrinsic ZnPc layer adjacent to the blend leads to injection barriers which result in reduced open circuit voltage. We hence determine a voltage loss dependent on ZnPc layer thickness and barrier height. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Forschung an organischen Solarzellen und gliedert sich in drei Teile. Im ersten Teil wird auf die spektroskopische und elektrische Charakerisierung des Fullerenderivates C70 eingegangen, welches als Akzeptormolekül in Kombination mit dem Donormolekül Zink-Phthalocyanin (ZnPc) in Flach- und Mischschichtheteroübergänge organischer Solarzellen Anwendung findet. Dabei wird das Molekül mit dem bisherigen Standard Akzeptormolekül C60 verglichen. Die deutlich stärkere und spektral verbreiterte Dünnschichtabsorption von C70, sowie die vergleichbaren elektrischen Eigenschaften zu C60 führen zu einer Effizienzsteigerung in den Flach- und Mischschichtsolarzellen, welche maßgeblich durch die Erhöhung des Kurzschlussstromes erreicht wird. Im zweiten Teil widmet sich diese Arbeit der Morphologiemodifizierung des Mischschichtsystems C60:ZnPc, welche durch Heizen des Substrates während der Mischverdampfung von Akzeptor- und Donormolekülen in organischen Mischschichtsolarzellen erreicht werden kann. Es wird gezeigt, dass mit der zusätzlichen Zufuhr thermischer Energie über das Substrat die Anordnung der Moleküle in der Mischschicht beeinflusst werden kann. Unter Verwendung eines Transmissionselektronmikroskops lässt sich für die Mischschicht mit der optimalen Solarzellensubstrattemperatur von 110°C eine Phasenseparation von C60 und ZnPc unter Ausbildung von polykristallinen ZnPc Domänen in der lateralen Dimension von 50 nm nachweisen. Mit zusätzlichen Messungen der Ladungsträgerbeweglichkeiten des Mischschichtsystems kann die verbesserte Perkolation und Löcherbeweglichkeit von ZnPc für die Steigerung der Performance geheizter Solarzellen bestätigt werden. Desweiteren wird gezeigt, dass die Ausbildung einer Phasenseparation sehr stark von der darunter liegenden Molekülschicht z.B. der p-dotierte Löchertransportschicht abhängig ist. Im letzten und dritten Teil geht die Arbeit auf die Abhängigkeit der Klemmspannung von der Mischschichtkonzentration von C60 und ZnPc ein. Für die unterschiedlichen Volumenkonzentrationen von C60:ZnPc zwishen 6:1 und 1:6 kann gezeigt werden, dass sich die Ionisationspotentiale von C60 und ZnPc über einen großen Bereich linear und voneinander verschieden verändern und mit den absoluten Änderung der offenenen Klemmspannung korrelieren. Desweiteren wird gezeigt, dass sich durch eine zusätzlich an die Mischschicht angrenzende intrinsische ZnPc Schicht, abhängig von der Mischschichtkonzentration, Injektionsbarrieren ausbilden, welche nachweislich einen Spannungsverlust bedingen. Dabei kann gezeigt werden, dass der Spannungsverlust mit der ZnPc Schichtdicke und der Barrierenhöhe korreliert.