Brennstoffzellen- und Wasserstofflabor

Graz University of Technology

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Short Description

Das Brennstoffzellen- und Wasserstofflabor der TU Graz verfügt über langjährige Erfahrung in der Forschung und Entwicklung von Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Herstellung von Katalysatoren und Charakterisierung von Einzelzellen für alkalische Brennstoffzellen (AFC), Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEFC), Hochtemperatur- Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen (HT-PEMFC) und der Direkt-Alkohol-Brennstoffzellen wie zum Beispiel die Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle (DEFC).

Überdies arbeitet die Forschungsgruppe an neuen Methoden zur Wasserstoffherstellung und zur Wasserstoffspeicherung. Erfolgreich realisiert wurde ein Verfahren zur dezentralen Herstellung von hochreinem Wasserstoff durch eine integrierte Fixed-Bed Chemical-Looping Technologie (RESC-Prozess) aus erneuerbaren Ressourcen. Dafür stehen Versuchsanlagen und Forschungsreaktoren im Bereich der Wasserstoffherstellung, Reformierung von Kohlenwasserstoffen sowie Analyseeinheiten zur Gas- und Materialcharakterisierung zur Verfügung.

Contact Person

Prof. Viktor Hacker

Research Services

Materialherstellung
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Infrastruktur zur Erzeugung von Brennstoffzellenkomponenten und Katalysatoren für chemische und elektrochemische Prozesse. Dies umfasst die Herstellung von Polymerelektrolytmembranen, Elektroden und die notwendigen Dichtungen mittels Filmaufziehgerät und Heißpresse. Damit ist die Herstellung von vollständigen Membran-Elektroden-Einheiten (Membrane Electrode Assembly – MEA) möglich. Ein Spray Coater dient der Applikation von reaktiven Materialien. Mischen und granulieren reaktiven Materialien sowie mahlen bis auf wenige Mikrometer ist besonders für die Prozessentwicklung und Kleinserien relevant.

Heißpresse Fontijne Vlaardingen Holland TP200
Filmaufziehgerät Elcometer 4340; Automatic Film Applicator
Intensivmischer Eirich EL1
Planetenmühle Pulverisette 6 Fritsch
Spray-coater Sonotek ExactaCoat OP3
Electro-spinner Tongli-Tech TL-Pro

Materialcharakterisierung
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RDE (Rotating-Disc-Elektrode) dient der ex-situ-Charakterisierung von Elektrokatalysatoren. Halb- und Einzelzellen werden elektrochemisch untersucht. Das Langzeitverhalten bzw. auftretende Degradationseffekte können in entsprechenden Aufbauten bei unterschiedlichen Betriebspunkten (elektrische Parameter, Temperatur und Gasversorgung) charakterisiert werden.
Zur Bestimmung der Oberfläche sowie der Porengrößenverteilung von Feststoffen und Pulvern dient ein Quecksilberporosimeter. Feststoff-Gasphasenreaktionen werden thermogravimetrisch untersucht. Differenzielle Thermoanalyse (Differential Scanning Calorimetry – DSC) dient hierbei der Bestimmung der Reaktionsenthalpie. Die Charakterisierung von chemischen Katalysatoren und Festbett-Materialien erfolgt in einem flexibel einsetzbaren Mikroreaktorsystem.

RDE/RRDE Messstände Gamry / Autolab
Multikanalteststand BaSyTec
Zahner IM6ex plus PP240
Quecksilberporosimeter PASCAL 140/440
Thermogravimetrische Analyse Netzsch STA 449C Jupiter
Microactivity Reference PID Eng&Tech
Elektrische Lasten: Chroma 63306A (150 V/600 A), Zahner EL300 (12 V/ 100 A)

Gasanalyse
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Die Zusammensetzung von Prozessgasen sowie Abgas-Spurenanalytik erfolgt chromatographisch. Der jeweilige Gaschromatograph wird dabei entweder direkt an die Versuchsanlage gekoppelt oder ex-situ mit Proben beschickt. Besonderer Fokus liegt auf dem Katalysatorgift CO. Die Prozessüberwachung und Charakterisierung größerer Gasströme (>7 l/min) erfolgt über einen Infrarot-Gasanalysator.

Micro Gas-Chromatograph Inficon MicroGC 3000A
Micro Gas-Chromatograph Inficon Fusion
Mehrkanal-Gasanalysator ABB

Methods & Expertise for Research Infrastructure

Aufgrund der mehr als 20-jährigen Forschungstätigkeiten der Arbeitsgruppe auf dem Gebiet der Niedertemperaturbrennstoffzellen und Wasserstofftechnologien ist eine umfangreiche Expertise und Infrastruktur vorhanden.

Für die Herstellung von Brennstoffzellenkomponenten steht ein voll ausgestattetes nasschemisches Labor zur anorganischen und organischen Synthese von Katalysatoren, Infrastruktur zur Membranherstellung und Möglichkeiten zur Membranbeschichtung mit Katalysatoren zur Verfügung. Verschiedene physikalische und chemische Analysemethoden sind zur Charakterisierung der hergestellten Materialien vorhanden.
Für ex-situ Untersuchungen der Aktivität und elektrochemische Charakterisierungen von Katalysatoren stehen Bipotentiostaten der neuesten Generation zur Verfügung, elektrochemische Katalysatoren können in RDE-Testständen charakterisiert werden. Einzelzellen- und Stackprüfstände für Niedertemperaturbrennstoffzellen (DEFC, PEM, HT-PEM) mit den zugehörigen elektrochemischen Messsystemen werden für Langzeituntersuchungen und Fehlerzustandsanalysen mittels Impedanzspektroskopie und THD/A Analysen verwendet. Zur Analyse der Prozessgase der Zellen sind zwei Gaschromatographen und ein Massenspektrometer vorhanden.

Parallel dazu besitzt die Arbeitsgruppe umfangreiche Erfahrung durch Forschung auf dem Gebiet der Wasserstofftechnologien, insbesondere in den Themenbereichen Wasserstoffproduktion, Wasserstoffspeicherung und Hochdruckfreisetzung. Konkret werden Verfahren zur Erzegung von hochreinem Wasserstoff (99.999%) aus fossilen und erneuerbaren Kohlenwasserstoffen mittels Reformierung und Chemical Looping (RESC-Prozess) untersucht.
Zur Materialentwicklung für Katalysatoren und Speichermaterialien, welche ebenfalls innerhalb der Forschungsgruppe betrieben wird, steht ein voll ausgestattetes nasschemisches Labor zur anorganischen und organischen Synthese und Charakterisierung von Materialien zur Verfügung. Mehrere Versuchsanlagen werden zur Systemanalyse, der erweiterten Materialcharakterisierung und zur Durchführung von Lebensdauertests von Katalysatoren von Metalloxiden genutzt.

Equipment

G60 Fuel Cell Test Station

Terms of Use

Kontaktaufnahme:
Prof. Viktor Hacker
E-Mail: viktor.hacker@tugraz.at
Tel: +43 (0)316 873 8780

Reference Projects

Reference Publications

Recent research:

http://orcid.org/0000-0001-5956-7579
https://online.tugraz.at/tug_online/voe_main.PersVoes?pAnzeige=BFZ&pPersonNr=354&pSiteNr=1014220&pPageNr=1

Low temperature fuel cells:

Hacker, V.; Wallnöfer-Ogris, E.; Brandstätter, H.; Perchthaler, M.:
In-situ characterization methods of PEMFC materials degradation. - in: Polymer Electrolyte Fuel Cells: Science, Applications, and Challenges. (2013), S. 487 - 510

Hacker, V.; Wallnöfer-Ogris, E.; Tsotridis, G.; Malkow, T.:
Quality assurance for characterising low temperature fuel cells. - in: Fuel Cell Science and Engineering – Materials, Processes, Systems and Technology. (2012), S. 573 – 595

Grimmer, C.; Zacharias, R.; Grandi, M.; Cermenek, B.; Schenk, A.; Mautner, F.-A.; Bitschnau, B.; Hacker, V.:
Carbon Supported Ruthenium as Anode Catalyst for Alkaline Direct Borohydride Fuel Cells. - in: The journal of physical chemistry (Washington, DC) / C (2015) 119 , S. 23839 - 23844

Bodner, M.; Hochenauer, C.; Hacker, V.:
Effect of pinhole location on degradation in polymer electrolyte fuel cells. - in: Journal of power sources (2015) 295, S. 336 - 348

Heinzl, C.; Hengge, K. A.; Perchthaler, M.; Hacker, V.; Scheu, C.:
Insight into the Degradation of HT-PEMFCs Containing Tungsten Oxide Catalyst Support Material for the Anode. - in: Journal of the Electrochemical Society 162 (2015) 3 , S. F280 - F290

Ranacher, C. .; Resel, R.; Moni, P.; Cermenek, B.; Hacker, V.; Coclite, A. M.:
Layered Nanostructures in Proton Conductive Polymers obtained by initiated Chemical Vapor Deposition. - in: Macromolecules 48 (2015) , S. 6177 - 6183

Karpenko-Jereb, L.; Sternig, C.; Fink, C.; Theiler Andreas, .; Hacker, V.; Tatschl, R.:
Theoretical study of an influence of the materials parameters on the performance of a polymer electrolyte fuel cell. - in: Journal of power sources 297 (2015) , S. 329 - 343

Grimmer, C.; Nestl, S.; Senn, J.; Hacker, V.:
Selective real-time quantification of hydrogen within mixtures of gases via an electrochemical method. - in: International journal of hydrogen energy 40 (2015) 4 , S. 2055 - 2061

Hydrogen production, purification and storage:

R. Zacharias, S. Visentin, S. Bock, V. Hacker, High-pressure hydrogen production with inherent sequestration of a pure carbon dioxide stream via fixed bed chemical looping, Int. J. Hydrogen Energy. (2019) 1–15. doi:10.1016/j.ijhydene.2019.01.257.

S. Bock, R. Zacharias, V. Hacker, High purity hydrogen production with a 10kWth RESC prototype system, Energy Convers. Manag. 172 (2018) 418–427. doi:10.1016/j.enconman.2018.07.020.

S. Nestl, R. Zacharias, G. Voitic, S. Bock, V. Hacker, High-Purity Hydrogen Production with the Reformer Steam Iron Cycle, Energy Technol. 6 (2017) 563–569. doi:10.1002/ente.201700576.

G. Voitic, S. Nestl, K. Malli, J. Wagner, B. Bitschnau, F.A. Mautner, V. Hacker, High purity pressurised hydrogen production from syngas by the steam-iron process, RSC Adv. 6 (2016) 53533–53541. doi:10.1039/c6ra06134f.

Books, Book chapters and reviews:

Fuel Cells and Hydrogen - 1st Edition - From Fundamentals to Applied Research, Editors: Viktor Hacker, Shigenori Mitsushima, Elsevier, 2018, ISBN 9780128114599, doi:10.1016/B978-0-12-811459-9.09988-6.

Hacker, V.; Bodner, M.; Schenk, A.:
Integration of a Membrane Reactor with a Fuel Cell. - in: Integrated Membrane Systems and Processes., 2015, Editors: Angelo Basile, Catherine Charcosset

Bodner, M.; Hofer, A.; Hacker, V.:
H2 generation from alkaline elctrolyzer. - in: Wiley interdisciplinary reviews / Energy and enviroment, 2015, 4, S. 365 - 381

Hacker, V.; Schenk, A.; Fraser, S.; Kordesch, K.: Cells and Stacks. - in: Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering, 2015