Das Projekt "MeLuBatt: Frischer Wind für Metall/Luftsauerstoff-Batterien - Was man von Lithium-Ionen Batterien lernen kann" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Justus-Liebig-Universität Gießen, Physikalisch-Chemisches Institut durchgeführt. Im Verbundprojekt MeLuBatt werden Elektrolyte, Anoden- und Kathoden-Materialien für Li-, Na-, Zn-, Mg-, Ca-basierte Metall-Sauerstoff-Batterien (MLB) systematisch untersucht, um Phänomene der Elektrolyt- und Elektrodendegradation gezielt zu verstehen und zu vermindern. Dabei werden bekannte Ergebnisse zur Degradation von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) (Elektrolyt, Gasentwicklung, Dendritenbildung) einbezogen, wodurch die Erforschung von MLB stark befruchtet werden soll. Die bisher übersehene Querverbindung der Sauerstoff-Redoxchemie von MLB zum Verhalten von Oxidkathoden in LIB soll untersucht werden. Ziele sind das tiefere Verständnis der Dendritenbildung, die Erhöhung der Zyklenstabilität der Zellen, sowie der Einsatz von effizienten und stabilen Gasdiffusionselektroden. Relevante MLB (Li-, Na-, Zn-, Mg- und Ca-basierte Systeme) sollen hinsichtlich der realisierbaren Energie- und Leistungsdichte untersucht werden, um die vielversprechendsten MLB zu identifizieren und zu optimieren
Das Projekt "MeLuBatt: Frischer Wind für Metall/Luftsauerstoff-Batterien - Was man von Lithium-Ionen Batterien lernen kann" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik durchgeführt. Metall-Luft-Batterien (MLB) basieren auf der Umwandlung/ Auflösung einer Metallelektrode, was zu einer Volumenänderung der Elektroden und damit einer Änderungen der Dreiphasengrenze aufgrund des verdrängten Elektrolytvolumens und der Produktabscheidung führt. Hohe Energiedichten verursachen daher starke Änderungen der Elektroden-Struktur und Elektrolytlevel und können zu Limitierungen des Stofftransports führen. In diesem Projekt soll am Beispiel der Li/O2-Batterie der Effekt dieser Änderungen auf die Leistungsfähigkeit der Kathode modellbasiert analysiert und quantifiziert werden. Weiterhin wird der Effekt von Redoxmediatoren auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Physikochemische Simulationen werden begleitet von gezielten Experimenten; zusammen bieten diese einen tiefen Einblick in den Zustand der Zelle und die limitierenden Prozesse. Schließlich werden die Ergebnisse auf weitere MLB extrapoliert. Ziel ist es, Grenzen der Leistungsfähigkeit der betrachteten Zellen systematisch zu erfassen und Wege zum Erreichen der Idealwerte aufzuzeigen
Das Projekt "MeLuBatt: Frischer Wind für Metall/Luftsauerstoff-Batterien - Was man von Lithium-Ionen Batterien lernen kann" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM durchgeführt. Im Hinblick auf die GVB wird im Teilvorhaben 'Design und Herstellung stabiler Gasdiffusions-elektroden' seitens des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) der Einfluss, die Auswahl und Strukturierung der Kathoden auf die Metall/Luft-Systeme untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Evaluierung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden aller im Gesamtprojekt betrachteten Systeme. Ziel ist es, für die unterschiedlichen im Projekt untersuchten Metall/Luft-Systeme ideale Gasdiffusionselektroden (GDE) zu entwickeln und diese unter Betriebsbedingungen zu testen. Dabei ist es wichtig die Anforderungen der jeweiligen Systeme zu berücksichtigen. Die bei der Entladung der Zellen entstehenden Produkte im Elektrolyten können dabei löslich oder unlöslich sein und lagern sich in der GDE ab. Im letzteren Fall muss die GDE so ausgelegt sein, dass sie möglichst große Mengen an Entladeprodukt aufnehmen kann und eine Verstopfung vermieden wird. Entscheidend ist auch die Wechselwirkung zwischen den verwendeten Lösungsmitteln und der Oberfläche der GDE. Letztere muss so funktionalisiert werden, dass sie den gewünschten Benetzungs- bzw. Füllgrad mit dem Elektrolyten ermöglicht. Als Modellmaterial wird hierbei auf die Kohlenstoff-Xerogele zurückgegriffen, die sich durch Variation der Syntheseparameter mit unterschiedlichen Porengrößen herstellen lassen.
Das Projekt "Teilvorhaben: MPG" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Kohlenforschung durchgeführt. Das Teilvorhaben des Verbundprojekts PtTM@HGS zielt im Wesentlichen auf die Entwicklung neuartiger Katalysatoren für die PEM-Brennstoffzelle, die auf der Basis von gezielt hergestellten Kohlenstoffen synthetisiert werden. Der Beitrag des MPI KOFO erstreckt sich dabei auf drei Teilaspekte: 1) Die Hauptaktivitäten zielen auf die Entwicklung des Katalysatormaterials selbst, daneben ist MPI KOFO aber auch an 2) Untersuchungen zur Optimierung des Aufbaus der MEAs und an 3) der Entwicklung von Verfahren zur ex-situ Aktivierung der Katalysatoren - falls erforderlich - beteiligt. Bei der Katalysatorentwicklung sind zwei Bereiche von besonderer Bedeutung: zum einen geht es durch Optimierung der Legierungszusammensetzung der Platin-basierten Nanopartikel darum, eine möglichst hohe Aktivität und Stabilität der Katalysatoren zu erreichen, zum anderen ist die Entwicklung einer kostengünstigen und besser skalierbaren Synthesemethode von hoher Bedeutung. Zunächst soll eine optimale Legierungszusammensetzung ermittelt werden, mit der in HGS-Materialien die höchste elektrokatalytische Aktivität erzielt werden kann (MPI KOFO AP1.1). Dann soll die Kern-Schale-Struktur, die sich beim Confined Space Alloying im Falle der Pt-Ni-Katalysatoren ausbildet, für das optimale Legierungssystem ebenfalls optimiert werden (MPI KOFO AP1.2). Schließlich soll untersucht werden, inwieweit die Hohlstruktur tatsächlich erforderlich ist, oder ob Vollkugeln mit dem gleichen Mesoporensystem ebenfalls geeignete Trägersysteme sind (MPI KOFO AP1.3). Parallel zu diesen Optimierungsaufgaben soll die Synthese der HGS oder alternativer Kohlenstoffmaterialien aufskaliert werden, so dass genügend große Mengen an Material für die weitergehenden Tests zur Verfügung stehen (MPI KOFO AP2). Schließlich könnte es erforderlich sein, das Verfahren zur ex-situ Aktivierung weiter zu optimieren, möglicherweise müssen auch weitere, alternative Verfahren zur Ozonbehandlung etabliert werden (MPI KOFO AP3).
Das Projekt "Teilprojekt Umicore: Entwicklung von PtTM@HGS - analogen Katalysatoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Umicore AG & Co. KG durchgeführt. Das Teilvorhaben zielt auf die Entwicklung neuartiger Katalysatoren für die PEM-Brennstoffzelle, die vergleichbare Eigenschaften wie die am MPI KOFO entwickelten neuartigen PtTM@HGS Katalysatoren besitzen. Im Gegensatz zum MPI KOFO sollen bei Umicore diese neuartigen PtTM Katalysatoren unter Verwendung von kommerziell verfügbaren Rußen entwickelt werden. Durch gezielte physikalische und chemische Modifizierungen von kommerziellen Rußen sollen deren Eigenschaften an die am MPI KOFO synthetisierten Ruße angepasst werden. Ziel dieses Teilprojektes ist es, die Voraussetzungen zu schaffen, die neuartigen am MPI KOFO entwickelten PtTM@HGS Katalysatoren in großem Maßstab industriell und damit auch kosteneffizient herzustellen. Umicore ist im Projekt in folgenden Arbeitspaketen aktiv: UC 1: Herstellung von Pt- und PtTM-Ruß Benchmark Katalysatoren, UC 2: Modifizierung kommerzieller Ruße, UC 3: Synthesen von Pt- und PtTM-Rußmod. Katalysatoren, UC 4: MEA Einzelzellentestung.
Das Projekt "Teilverbund C: Modellierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften, Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion durchgeführt. Mittels Simulationen der atomaren und elektronischen Struktur von Modellsystemen sollen im Rahmen dieser Teilprojekte die wesentlichen Einflüsse auf die Aktivität von Pt-Nanopartikeln als ORR Katalysatoren, die grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Träger und Nanopartikeln und die Triebkräfte hinter der Degradation von geträgerten Nanopartikeln untersucht werden. Hierbei steht stets die Bildung eines tieferen Verständnisses der Zusammenhänge von Struktur und Funktion auf der atomaren Ebene im Vordergrund, welches letztendlich die rationale Entwicklung und Weiterentwicklung von Katalysatorsystemen vorantreiben soll. MPICEC 1.1 - Modellbildung Ausgangspunkt aller Simulationsarbeiten im Bereich der Elektronenstrukturmodelle ist das Erstellen relevanter Modellsysteme, deren Größe und Komplexität die Berechnungen noch zulassen, die aber gleichzeitig alle wichtigen Einflüsse auf das System abbilden. MPICEC 1.2 - Modellierung der elektrokatalytischen Aktivität von Nanopartikeln Zum einen soll der Vergleich von Sauerstoff und Hydroxid Adsorptionsenergien auf unterschiedlichen Clustermodellen und an unterschiedlichen Stellen des Clusters eine Abschätzung der Abhängigkeiten der Aktivität als Katalysator erlauben. Zum anderen soll die Berechnung von Intermediaten eine Abschätzung erlauben, wie Struktur, Größe und Zusammensetzung des Clusters die Oberflächenbedeckung und den Reaktionsmechanismus der ORR beeinflussen. MPICEC 2.1 - Modellierung der Degradation von geträgerten Nanopartikeln Aus den Studien zu ORR Intermediaten auf Pt Clustern in Verbindung mit einem Trägermodell sollen Mechanismen abgeleitet werden, die durch Oxidation des Trägers in Anwesenheit des Nanopartikels die Degradation des Supports bewirken. Dabei soll sowohl die Reaktion von Spezies wie Peroxid mit dem Träger abseits des Nanopartikels, als auch die Reaktion von Sauerstoffspezies an Stellen im Grenzbereich zwischen Nanopartikel und Support untersucht werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: Optimierung der Reaktionsführung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Technische Chemie durchgeführt. Die elektrochemische Verwertung von CO2 zur Herstellung von Ameisensäure und Kohlenwasserstoffe wie CO und CH4 ist ein ausgiebig studiertes Themengebiet. Die meisten Arbeiten beschäftigen sich hauptsächlich mit mechanistischen Studien und dem Katalysatoreinfluss auf die Produktselektivität. In diesem Vorhaben soll basierend auf dem Stand des Wissens die elektrochemische CO2-Reduktion zu Ameisensäure an verschiedenen Katalysatoren und unterschiedlichen elektrochemischen Zelldesigns untersucht werden. Dabei kann der Elektrolyt als Bestandteil des Drei-Phasen-Reaktionssystems sowohl fester als auch flüssiger Natur sein. Die Vorteile von PEM-Brennstoffzellen sollen genutzt werden. Dabei wird das Katalysatorpulver auf die feste Polyelektrolyt-Membran gesprüht und bildet dadurch die Membran-Elektroden-Einheit. Zur Erhöhung der Stromdichten und des damit verbundenen Stoffumsatz sollen Gasdiffusionselektroden eingesetzt werden. Dabei wird ein flüssiger Elektrolyt einsetzt. Unterschiedliche Parameter wie Katalysatorbeschaffenheit, Potential, pH und Temperatur sollen untersucht werden. Die Bewertung der Zelldesigns mit unterschiedlicher Prozessführung soll anhand möglichst hoher Produktbildungsraten an Ameisensäure und Langzeitstabilität des Katalysators erfolgen.
Das Projekt "Elektrolytische Erzeugung von Wasserstoffperoxid an horizontalen Gasdiffusionselektroden durch kathodische Reduktion von Sauerstoff" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von TIA Technologie, Innovation, Apparate durchgeführt. Wasserstoff-Peroxid (H2O2) wird konventionell durch Autoxidation von Wasserstoff nach dem Anthrachinon-Verfahren hergestellt. Groesserer Verbraucher fuer H2O2 ist die Zellstoffindustrie, wo es zum Bleichen von Zellstoff an Stelle von Chlor oder Chlorverbindungen eingesetzt wird. Der hohe Preis und die umstaendliche Handhabung haben jedoch eine aus oekologischen Gruenden gewuenschte weitergehende Anwendung von H2O2 verhindert. In Kenntnis dieser Zusammenhaenge bietet sich die elektrolytische Herstellung von H2O2 durch kathodische Reduktion von Sauerstoff in einer Elektrolysezelle mit alkalischen Elektrolyten an, wobei die Elektroden horizontal angeordnet werden. Einziger Grund, dass eine horizontale Anordnung bisher nicht gewaehlt wurde, ist Sauerstoff, der sich im Elektrodenspalt ansammeln und die Elektrolyse unterbrechen koennte. Dies zu verhindern ist Ziel des Vorhabens. Bei positivem Ausgang steht H2O2 zur Verfuegung, das als Bleichchemikalie billiger als Chlor oder Chlordioxid ist und damit diesem nicht nur oekologisch sondern auch oekonomisch ueberlegen waere.
Das Projekt "PEM-Technologie fuer mobile Anwendungen - Systementwicklung und Entwicklung von Kohlenstoffkomponenten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von SGL Technik GmbH durchgeführt. 1. Ziel des Projektes: Am Beispiel eines PEM-Brennstoffzellensystems sollen bei SGL Technik GmbH die Grundlagen fuer eine wirtschaftliche Massenfertigung der notwendigen Kohlenstoffkomponenten entwickelt werden. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Konzipierung kostenguenstiger Materialien und Fertigungstechniken fuer die Herstellung von Gasdiffusionselektroden und Bipolarplatten und auf der Vereinfachung der Stackkonstruktion, u.a. durch den Verzicht auf komplizierte Kuehl- und Befeuchtungssysteme und die Verwendung druckloser Luft. Die Leistungsfaehigkeit der Komponenten soll beim Unterauftragnehmer Magnetmotor GmbH unter Pruefbedingungen bis zur Zielgroesse eines 50 KW Prototypenstacks nachgewiesen werden. 2. Ergebnisse: Das Projekt schliesst sich lueckenlos an das Vorgaengerprojekt 0329567H an. Es konnte bereits gezeigt werden, dass die SGL Technik GmbH sowohl bei den Bipolarplatten, als auch bei den Gasdiffusionselektroden auf der Basis von C-Faserflaechengebilden aussichtsreiche Ansaetze realisiert hat, die prognostizierten Mengen- und Preisanforderungen des Marktes in der Zukunft erfuellen zu koennen. Am Beispiel eines 2.3 KW-Stacks wurde der generelle Funktionsnachweis fuer eine drucklos betriebene, luftgekuehlte Brennstoffzelle einfacher Bauweise mit guten Leistungsdichten gefuehrt. Die hier gewonnenen Erfahrungen fliessen in das Folgeprojekt zur Realisierung der Zielgroesse von 50 kW ein.
Das Projekt "Teilverbund A: Elektrochemische Charakterisierung von PtTM@HGS" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH durchgeführt. Das Teilvorhaben des Verbundprojekts PtTM@HGS am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) beschäftigt sich mit der grundlegenden elektrochemischen Charakterisierung der neuartigen Katalysatormaterialien. Als Kernstück der Arbeiten werden die einzigartigen, am MPIE entwickelten Untersuchungsmethoden dafür eingesetzt, um die entscheidenden Faktoren, die zu einer hohen Aktivität und insbesondere zu einer hohen Stabilität im Betrieb führen zu verstehen. Dabei werden sowohl die Auflösung als auch die strukturellen Veränderungen des aktiven Materials unter verschiedenen relevanten Reaktionsbedingungen untersucht und mit Referenzkatalysatoren verglichen. Dies wird einerseits entscheidende Informationen für die Optimierung des schon jetzt vielversprechenden HGS-Katalysator, und andererseits aber auch wichtige Einblicke in eine effiziente Reaktionsführung in einer Brennstoffzelle liefern. Darüber hinaus beteiligt sich das MPIE an der Entwicklung einer ex-situ Aktivierung der Katalysatoren, sowie der Optimierung der Einbettung des Katalysators in die gesamte Elektrodenstruktur damit auch hier das volle Potential erreicht werden kann. Außerdem dienen die grundlegenden Untersuchungen als Basis zum Aufbau eines tiefergehenden theoretischen Verständnisses der Reaktions- und Degradationsmechanismen.
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