{"id":10,"date":"2020-03-25T14:48:04","date_gmt":"2020-03-25T14:48:04","guid":{"rendered":"https:\/\/brennstoffzelle.labs.fhv.at\/?page_id=10"},"modified":"2021-01-25T11:09:39","modified_gmt":"2021-01-25T11:09:39","slug":"projekt","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/wordpress.labs.fhv.at\/brennstoffzelle\/projekt\/","title":{"rendered":"unser Projekt"},"content":{"rendered":"\n

Die Vision<\/h2>\n\n\n\n

Zu Beginn des Projektes entstand die Idee, eine mobile Ladebox f\u00fcr Laptops und Notebooks zu entwickeln. Die Box soll an jedem beliebigen Ort, ob drau\u00dfen an der frischen Luft oder drinnen im Sitzsack genutzt werden k\u00f6nnen, ohne sich von eine Steckdose in der N\u00e4he abh\u00e4ngig zu machen. Der sogenannte “Power Cube” soll Strom f\u00fcr eine kleine Lerngruppe liefern und nicht gr\u00f6\u00dfer als ein Sitzw\u00fcrfel sein. Er soll mit einer Brennstoffzelle betrieben werden, welche Wasserstoff aus einem Speichertank und Sauerstoff aus der Umgebungsluft direkt in elektrische Energie umwandelt. Damit der Wasserstoffspeicher nicht extern nachgef\u00fcllt werden muss, wird die Brennstoffzelle den Wasserstoff im Elektrolysebetrieb, unter Zufuhr von Wasser und Strom, selbst produzieren. Der Power Cube stellt somit ein off-grid Energiespeichersystem dar.<\/p>\n\n\n\n

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Projektziel<\/h2>\n\n\n\n

Im Rahmen des Energieprojekts im Studiengang “Energietechnik und Energiewirtschaft” soll die Vision zur Realit\u00e4t werden. Dies ist allerdings nur die halbe Wahrheit. Ein solch komplexes System muss in mehrere Teilschritte unterteilt werden. So haben wir uns das Ziel gesetzt, innerhalb von zwei Semestern eine Einzelzelle selbst herzustellen und diese auf ihr Betriebsverhalten sowohl im Brennstoffzellenbetrieb, als auch im Elektrolysebetrieb zu untersuchen und deren Wirkungsgrade zu optimieren. F\u00fcr den Versuchsaufbau werden im Wesentlichen alle Komponenten ben\u00f6tigt, welche auch in Power Cube System erforderlich sind. Die Erkenntnisse aus den Versuchen bilden die Grundlage, f\u00fcr nachfolgende Studenten, ein Steuerungskonzept f\u00fcr den Power Cube zu entwerfen und die Vision in die Realit\u00e4t umzusetzen. <\/p>\n\n\n\n

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Grundlagen der Brennstoffzellentechnik<\/h2>\n\n\n\n

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle. Der von uns verwendete PEM-Brennstoffzellentyp (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle) wandelt Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser um und erzeugt damit elektrische Strom. Das gelingt dadurch, dass die chemische Reaktion in mehrere einzelne Schritte unterteilt wird.<\/p>\n\n\n\n

Anode<\/td>2 H2<\/sub> \u2192 4 H+<\/sup> + 4 e–<\/sup><\/td><\/tr>
Kathode<\/td>O2<\/sub> + 4 H+<\/sup> + 4 e–<\/sup>  \u2192 2 H2<\/sub>O<\/td><\/tr>
Gesamtreaktion<\/td>2 H2<\/sub> + O2<\/sub>  \u2192 2 H2<\/sub>O<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

Die Elektronen der Anodenseite wandern \u00fcber einen verbraucher und erzeugen den Strom. Die Wasserstoffionen diffundieren durch eine Membran zur Kathodenseite. Dort wird unter zufuhr von Sauerstoff Wasser erzeugt. <\/p>\n\n\n\n

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Aufbau unserer Brennstoffzelle<\/h2>\n\n\n\n

Grunds\u00e4tzlich besteht eine PEM Brennstoffzelle aus Bipolarplatte (BP), Gasdiffussionselektrode (GDL), Katalysatorschicht (CL) und Membran. <\/p>\n\n\n\n

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Bipolarplatte<\/h4>\n\n\n\n

Die Bipolarplatte hat zur Aufgabe die Gase mittels Str\u00f6mungskan\u00e4le auf der Gasdiffusionselektrode zu verteilen. Bei einem Brennstoffzellenstack dient sie zudem zur Durchkontaktierung zweier Zellen. Sie ist dann der physikalische Minuspol auf der Anodenseite und der physikalische Pluspol auf der Kathodenseite. Daher r\u00fchrt auch ihr Name. Bei unserer Einzelzelle sind die Str\u00f6mungskan\u00e4le allerdings nur einseitig angebracht. Die Bipolarplatte sollte Strom und W\u00e4rme gut leiten und korrosionsbest\u00e4ndig sein. Hier ist unsere fertigen Bipolarplatten gezeigt.<\/p>\n\n\n\n

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Gasdiffussionselektrode<\/h4>\n\n\n\n

Wie im Namen bereits zu erkennen, diffundiert das Gas durch die GDL (Gas-Diffusions-Layer). Sie hat neben der Gasdurchl\u00e4ssigkeit die Aufgabe Strom und W\u00e4rme gut abzuleiten, gleichzeitig soll sie das Reaktionswasser auf der Kathodenseite gut abtransportieren. Wir haben uns bei unserer Brennstoffzelle f\u00fcr eine GDL mit eine mikropor\u00f6sen Schicht (MPL) von der Firma Freudenberg<\/a> entschieden. Diese sorgt aufgrund von Kapilakr\u00e4ften, dass das Reaktionswasser noch besser von der Membran zur Bipolaplatte abgeleitet wird. Die feinen Ru\u00df- und Graphitpartikel sind auf einem makropor\u00f6sen Kohlepapier als Tr\u00e4germaterial aufgetragen.<\/p>\n\n\n\n

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Quelle: Freudenberg GmbH<\/span><\/a><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Katalysatorschicht<\/h4>\n\n\n\n

Der Katalysator beschleunigt die Oxidation der Brennstoffzelle. Er wird selbst nicht verbraucht. Entscheiden ist eine gro\u00dfe spezifische Oberfl\u00e4che des Katalysatoranteils. F\u00fcr unsere Anwendung verwenden wir Platin mit Kohlenstoff als Tr\u00e4germaterial. Es sind prinzipiell auch andere Katalysatoren wie Palladium oder Ruthenium m\u00f6glich.<\/p>\n\n\n\n

Bei der Reaktion k\u00f6nnen nur die Platinpartikel mitwirken, welche sowohl zur Gasdiffussionselektrode als auch zur Membran gleichzeitig Kontakt habe. Dies wird als Dreiphasengrenze bezeichnet (GDL, Katalysatro, Memebran). Alle anderen Platinpartikel sind nutzlos. Um den Anteil aktiver Platinpartikel zu erh\u00f6hen werden die Zellen zusammengebresst.<\/p>\n\n\n\n

Membran<\/h4>\n\n\n\n

Durch die Membran sollen lediglich die positiv geladenen Wasserstoffionen diffundieren. Eintscheidend f\u00fcr die Protonenleitf\u00e4higkeit ist eine ausreichende Feuchtigkeit der Membran. Dies wird durch die Befeuchtng der Gase realisiert. Wir haben uns bei unseren Prototy f\u00fcr eine Nafion<\/span><\/a> Membran entschieden.<\/p>\n\n\n\n

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Quelle: QuinTech<\/span><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

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Unser Versuchstand<\/h2>\n\n\n\n

Realisiert wurde ein Versuchstand bestehend aus einer Einzelzelle einem Gasspeicher, Gasbefeuchter, und einem Netzteil zu Spannungsversorgung. Die Konzepte f\u00fcr die Messtechnik, sowie f\u00fcr die Elektrotechnik liegen vor. Mit dem Versuchsstand konnten wir erfolgreich eine PEM Elektrolyse durchf\u00fchren. Siehe dazu den Beitrag “Die ersten erfolgreichen Versuche”<\/a>. Der Aufbau des Versuchstandes ist hier gezeigt.<\/p>\n\n\n\n

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F\u00fcr mehr Einblicke in unser Projekt besucht gerne unsere Fotogalerie<\/a>. Wir w\u00fcrden uns freuen, wenn nachfolgende Studentengeneration das Projekt neu zum Leben erwecken. Die vollst\u00e4ndige Projektdokumentation stellen wir hierf\u00fcr bereit.<\/p>\n\n\n\n

Doku_Brennstoffzelle__ETW19<\/a>Herunterladen<\/a><\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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