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

Contact Screw

for 2 mm Pin Plug

H2-Cartridge

Gasdiffusion

Electrode

PTFE-Pipe

• Gaskatel vertreibt seit ca. 10

Jahren Wasserstoff-Referenz-

Elektroden

• In konzentrierten Laugen

• In Phosphorsäure 180°C

• In Flußsäure

• .....

• Temperaturbereich –30 to 200°C

(Rohr und

Gasdiffusionselektrode)

• 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

H2 O2

KOH Anode

PTFE

Layer PTFE

Layer

Kathode • Elektrolyt strömt an

Elektroden vorbei

• Elektrolytspalt 0,5 – 2 mm

• Gasüberdruck durch Bubble

Point der Elektroden bestimmt

• Varianten:

• Fallfilm-Zelle

• Perkolator-Zelle

Matrix-Zelle

• 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 PBI-

Membran sind Matrix-Zellen

H2 O2

Matrix

Kathode Anode

Messungen

EloFlux-Zelle

KOH

Anode Kathode

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

Separators

Pair of

Cathodes

Pair of

Cathodes

Pair of

Anodes

Anode Anode

KOH

Messungen

• Alle Elektroden bei Gaskatel hergestellt:

• Reactive Mixing

• Walzprozess (Elektrodenwalze Eigenentwicklung)

• Matrix / Separator AMS FAS 1000

• Alle Messzellen bei Gaskatel entwickelt

Messungen

Matrix-Zelle

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 50 100 150 200

Span

nung [V

]

Stromdichte [mA/cm²]

30°C 50°C

H2 /O2, 10 M KOH, 50 C

Messungen

Konventionelle Zelle

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 50 100 150 200

Span

nung [V

]

Stromdichte [mA/cm²]

80 °C 50 °C 30 °C

H2 / O2, 10 M KOH

EloFlux-Zelle

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 50 100 150 200

Spa

nn

un

g [V

]

Strom [mA/cm²]

80 °C 50 °C 30 °C

H2 /O2, 10 M KOH

Vergleich

Konventionell – Matrix – EloFlux

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 50 100 150 200

Span

nung [V

]

Stromdichte [mA/cm²]

EloFlux Konventionell Matrix

H2 /O2, 10 M KOH, 50 C

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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