Brennstoffzellen- und Wasserstofflabor

Technische Universität Graz (TU Graz)

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Core Facilities (CF)

Kurzbeschreibung

Das Brennstoffzellen- und Wasserstofflabor der TU Graz verfügt über langjährige Erfahrung in der Erforschung und Entwicklung von Brennstoffzellen, der Herstellung und Aufreinigung von Brennstoffen wie zum Beispiel Wasserstoff und der Entwicklung neuer Katalysatoren für alkalische Brennstoffzellen (AFC), Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEFC), Hochtemperatur- Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen (HT-PEMFC) und Direkt-Alkohol-Brennstoffzellen wie zum Beispiel die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DEFC).

Aufgrund der langjährigen Forschungstätigkeiten des Labors auf dem Themengebiet Wasserstoff steht eine umfangreiche Infrastruktur zur Verfügung. Dies beinhaltet ein voll ausgestattetes nasschemisches Labor zur anorganischen und organischen Synthese von Katalysatoren, Teststände und Methoden zur erweiterten Charakterisierung von Niedertemperaturbrennstoffzellen (DEFC, PEM, HT-PEM) mittels Impedanzspektroskopie und Katalysatoren in RDE-Testständen.

Die Forschungsgruppe beschäftigt sich im Besonderen mit neuen Methoden zur Wasserstoffherstellung und zur Wasserstoffspeicherung. Erfolgreich realisiert wurde ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem Wasserstoff durch eine integrierte Fixed-Bed Chemical-Looping Technologie (RESC-Prozess) aus erneuerbaren Ressourcen. Dafür stehen im Labor Versuchsanlagen und Forschungsreaktoren im Bereich der Wasserstoffherstellung, Methan-Dampfreformierung sowie Analyseeinheiten zur Materialcharakterisierung zur Verfügung.

Ansprechperson

Prof. Viktor Hacker

Research Services

Microactivity Reference PID Eng&Tech
Das Microactivity-Reference ist ein vollautomatisierter Teststand zur Charakterisierung von Feststoffkatalysatoren und Feststoff-Gasphasenreaktionen bei Temperaturen bis 900 °C und einem Druck von bis zu 100 bar. Das System ist mit einer Gasdosierung mittels Massflow-Controllern, einer Flüssigdosierung mittels HPLC-Pumpe, einem Verdampfer, einem Vorheizungssystem, einer Reaktorheizung, einer Druckmessung sowie einem Kondensator ausgestattet.

Thermogravimetrische Fixed-Bed Laborteststände
Die zwei thermogravimetrischen Teststände ermöglichen die Untersuchung von Feststoff-Gasphasenreaktionen, insbesondere zur Charakterisierung von Metalloxiden für den Einsatz in Chemical-Looping Anwendungen bei Temperaturen von bis zu 1000 °C und einer Probenmasse von mehreren hundert Gramm. Die Gasversorgung erfolgt mit thermischen Massflow-Controllern, die Flüssigmediumversorgung mittels Zahnradpumpe und einem Verdampfer. Am Reaktorausgang ist ein Doppelrohrkondensator integriert. Das System kann mit Gasströmen von 20 - 50 Nl/min betrieben werden.

Thermogravimetrische Analyse Netzsch STA 449C Jupiter
Das Analyse-System STA von Netzsch ermöglicht die gleichzeitige Durchführung von DSC und thermogravimetrischen Messungen. Dadurch ist es möglich kalorische Effekte und Massenänderungen schnell und hochauflösend zu bestimmen. Die Reaktionen können in reduzierender Atmosphäre (Wasserstoff), oxidierender Atmosphäre (Dampf und Luft) sowie Inert-Atmosphäre (Stickstoff) durchgeführt werden.

Quecksilberporosimeter PASCAL 140/440
Die Quecksilberporosimetrie erlaubt die Bestimmung der Porosität, Porengrößenverteilung, Porenvolumen, innere Oberfläche und Dichte von Festkörperproben. Es können Pulver- sowie Bulkproben vermessen werden. Quecksilber dringt dabei unter hohem Druck in die Poren ein. Das dabei erschlossene Porenvolumen ist direkt proportional zum angelegten Druck, dadurch werden über ein definiertes Modell sowohl die Porengrößenverteilung sowie alle übrigen Parameter errechnet. Der Anwenderschutz wird über eine ventilierte Einhausung sichergestellt.

Battery Thermal Runaway Teststand
Lithium-Ionen-Akkus werden in inerter Atmosphäre im Rohrreaktor bis zum thermischen Durchgehen erhitzt. Über die Messung von Temperatur und Analyse der Abgase werden die Akkus charakterisiert. Die thermische Überwachung der Zellen mit hoher Aufzeichnungsrate (100 Hz) während des gesamten Versuchs (Aufheizphase, exotherme Phase, thermisches Durchgehen und Abkühlphase) erlaubt die Identifizierung und Charakterisierung unterschiedlicher Schädigungsmechanismen.
Ein Mehrwegeventil ermöglicht dabei die sequentielle Gasprobenahme zu charakteristischen Zeitpunkten oder in einem festgelegten Intervall. Die gezogenen Gasproben werden anschließend analysiert und die auftretenden Komponenten quantifiziert.

Single-Cell Langzeitteststand
Der Langzeitteststand dient der Charakterisierung verschiedener Degradationsmechanismen durch die gezielte Alterung von Brennstoffzellen. Die Gasversorgung mit Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff sowie synthetische Luft können bei einer definierten relativen Feuchte eingestellt werden. Zur elektrochemischen Charakterisierung der Zelle wir dabei ein Zahner IM6ex plus PP240 eingesetzt.

Shortstack-Messtechnikteststand
Der Messtechnikteststand erlaubt die Entwicklung und Validierung neuer Online-Analyseverfahren von Brennstoffzellen. Dabei können Shortstacks unter Druck und bis zu 300 W getestet werden. Zur Gasversorgung können Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und synthetische Luft mit einer regulierbaren relativen Feuchte dosiert werden. Zur elektrochemischen Charakterisierung steht ein Zahner IM6ex, ein PP240 eine EL300 sowie eine PMux-Erweiterung zur Verfügung.

Multikanalteststand Basytec
Bis zu 32 Brennstoffzellen, Batterien oder Akkumulatoren mit einer Leistung bis zu 3 W pro Kanal können in Verbindung mit einem Basytec CTS parallel in Langzeitversuchen getestet werden. Die Gasversorgung mit Wasserstoff sowie synthetischer Luft ist dabei für jede Zelle separat konfigurierbar.

RDE/RRDE Messstände Gamry / Autolab
Drei Rotating-Disc-Elektrode-Teststände stehen zur Charakterisierung von Katalysatorproben zur Verfügung. Zur Charakterisierung werden zwei Gamry Reference 600, ein Gamry Interface 1000 sowie ein Autolab PGSTAT302N inkl. FRA Modul eingesetzt. Die Gasversorgung erfolgt separat an jedem Arbeitsplatz mit Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff.

Heißpresse Fontijne Vlaardingen Holland TP200
Die Heißpresse kann zur Fertigung von Elektroden eingesetzt werden. Die maximale Presskraft beträgt 200 kN bei Temperaturen bis zu 300°C.

Filmaufziehgerät Elcometer 4340; Automatic Film Applicator
Das Filmaufziehgerät wird zur Herstellung von maßgefertigten Dichtungen bis hin zur Darstellung von neuartigen Festelektrolytmembranen für den Laborbetrieb genutzt. Die Arbeitsplatte ist beheizbar, die Vorschubgeschwindigkeit ist einstellbar.

Intensivmischer Eirich EL1
Das flexible Hochleistungs-Mischsystem wird zur Herstellung von homogenen Pulvern und Granulaten verwendet. Das maximale Fassungsvermögen des Mischbehälters beträgt 1 Liter und ermöglicht einen Materialeinsatz der ideal für die Entwicklung und Kleinproduktion ist. Die Drehzahl des Mischwerkzeuges und des Mischbehälters sind zwischen 2 – 30 m/s stufenlos einstellbar. Durch die Verwendung optionaler Mischwerkzeuge kann das Gerät auch zum Kneten, Coaten und Dispergieren verwendet werden.

Planetenmühle Pulverisette 6 Fritsch
Die Hochleistungs-Mühle wir zur kontrollierten Zerkleinerung von Probenmaterial bis in den einstelligen Mikrometerbereich verwendet. Die Drehzahl der Drehscheibe und des Mahlbechers sind zwischen 0 – 650 U min-1 stufenlos einstellbar. Der maximale Nutzinhalt der Mahlbecher beträgt 225 ml. Durch die Speicherung von individuellen Mahlprotokollen ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Mahlergebnisse garantiert.

Shortstack-Brennstoffzellen-Teststand
Der Shortstackteststand ermöglicht den Betrieb und die Charakterisierung von industriellen Shortstacks (10 Zellen). Ein stationärer Langzeitbetrieb ist ebenso möglich wie ein dynamischer Betrieb. Temperatur, Druck und Befeuchtung können je nach Bedarf eingestellt werden. Zur Charakterisierung des Stacks bei verschiedenen Lastwechseln steht eine elektronische Last der Firma Chroma (6 kW) zur Verfügung. Der Teststand verfügt über 12 individuelle Spannungsmessstellen zur Einzelzellspannungserfassung. Die Gase Stickstoff, Wasserstoff und Druckluft können in einem Bereich von 0 – 200 Nl/min. bereitgestellt werden.

RESC-Versuchsanlage zur Wasserstoffproduktion
Die Versuchsanlage ist ein Laborprototyp zur Herstellung von Wasserstoff mit einem Fixed-Bed Chemical Looping Verfahren. Die Anlage mit einem Gesamtfassungsvermögen von 30 kg reaktivem Metalloxid kann bis zu 8m³ Wasserstoff pro Stunde mit einer Reinheit von über 99.999% bereitstellen. Der Reaktor arbeitet in zwei Prozessschritten wobei in einem die Reaktorkontaktmasse beladen und in einem anderen Schritt entladen wird. Für Forschungsanwendungen können verschiedene Gasmischungen aus fossilen (Methan-Steam Reforming) oder synthetische erneuerbare Stoffe (Biogas, Bioethanol, …) getestet werden. Durch den großen Reaktordurchmesser ist auch die Charakterisierung von industriellen Katalysatoren für Steam-Reforming-Anwendungen möglich.

Micro Gas-Chromatograph Inficon Fusion
Das Inficon Fusion MicroGC besteht aus zwei Modulen mit drei Säulen zur sequentiellen Analyse von gasförmigen Proben. Die Auftrennung erfolgt dabei über eine passende Chromatographiesäule und die Detektion im Gerät über einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor. Das Gerät kann je nach Anforderung mit verschiedenen Heizrampen, zur idealen Auftrennung der Gase in seine Komponenten, programmiert werden um auch langkettige Kohlenwasserstoffe zu detektieren. Sowohl die diskrete Vermessung einzelner Proben als auch permanente Messungen sind mit der derzeitigen Konfiguration möglich. Die Auftrennung und Detektion von Erdgasgemischen, Kohlenwasserstoffen bis C-7 und auch Spurenverunreinigungen von Kohlenmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Methan bis zu einer Detektionsgrenze von 2 ppm erfolgt schnell und präzise.

Micro Gas-Chromatograph Inficon MicroGC 3000A
Der Micro-Gaschromatograph ist ein kompaktes, schnelles und zuverlässiges System zur Analyse von gasförmigen Proben. Die Probenaufgabe kann dabei als online System in einen Gasstrom integriert werden oder durch einfache Probengefäße erfolgen. In der aktuellen Konfiguration können Permanentgase und Kohlenwasserstoffe bis C-3 quantifiziert werden.

Methoden & Expertise zur Forschungsinfrastruktur

Für ex-situ Untersuchungen der Aktivität und elektrochemische Charakterisierungen von Katalysatoren stehen Bipotentiostaten der neuesten Generation zur Verfügung. Vollautomatische Teststände für Einzelzellen und Stacks mit den zugehörigen elektrochemischen Messsystemen stehen zur Charakterisierung und für Langzeittests zur Verfügung. Zur physikalischen Analyse der Brenngase bzw. Abgase der Zellen sind zwei Gaschromatographen und ein Massenspektrometer vorhanden. Des Weiteren kann mittels thermogravimetrischer Analyse die thermische und chemische Stabilität von Katalysatoren in verschiedenen, brennstoffzellenrelevanten Umgebungen untersucht werden. Quecksilberporosimetrie ermöglicht die Analyse der inneren Oberfläche der hergestellten Katalysatoren und Elektroden.

Aufgrund der langjährigen Forschungstätigkeiten des Labors auf dem Themengebiet Wasserstoff steht eine umfangreiche Infrastruktur zur Verfügung. Dies beinhaltet ein voll ausgestattetes nasschemisches Labor zur anorganischen und organischen Synthese von Materialien bzw. Produktaufbereitung. Mehrere Versuchsanlagen werden zur Systemanalyse, der erweiterten Materialcharakterisierung und zur Durchführung von Lebensdauertests von Katalysatoren von Metalloxiden genutzt. Zusätzlich steht eine thermogravimetrische Analyseeinheit (TGA) zur Bestimmung der Reaktionskinetik von Feststoffen sowie mehrere Geräte zur Dosierung und Analyse der projektrelevanten Gase und erweiterten Spurenanalyse zur Sicherung der Produktgasqualität im ppm-Bereich zur Verfügung.

Prof. Viktor Hacker
Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
+43 (316) 873 - 8780
viktor.hacker@tugraz.at
http://www.ceet.tugraz.at/fuelcells
Kontaktaufnahme:
Prof. Viktor Hacker
E-Mail: viktor.hacker@tugraz.at
Tel: +43 (0)316 873 8780
Wasserstoffspeicher - Ionic liquids for hydrogen storage systems
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SECOND ACT - Simulation, Statistics and Experiments Coupled to develop Optimized aNd Durable µCHP systems using ACcelerated Tests
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PEM REX S - PEM Range Extender System
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ISALIB - Intrinsic Safety of Automotive Li-Ion Batteries
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ASYSII - SOFC APU System Development II
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MEA Power - Resource-saving composite materials for stationary PEM fuel cells with increased power density and long-term stability
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MeStRex - Metallic Stack for Range Extender
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LUZIFLOW - Zinc/air redox flow battery with new electrolytes for the storage of regenerative energy and the net stabilisation
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FC Diamond - PEM Fuel Cell DegradatIon Analysis and MinimizatiON MethoDology Based on Joint Experimental and Simulation Techniques
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HyStORM - Hydrogen Storage via Oxidation and Reduction of Metals
https://online.tugraz.at/tug_online/fdb_detail.ansicht?cvfanr=F36751&cvorgnr=37&sprache=2

SoH4PEM - State of Health of fuel cell stack
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KEYTECH4EV - Development and Demonstration of Key Technologies for Low-cost Electric Vehicle Platforms
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http://orcid.org/0000-0001-5956-7579

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