04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Messung und Modellierung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffschüttungen für vakuumwärmegedämmte Warmwasserspeicher(2022) Lang, Stephan; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit ist es, hinsichtlich Dämmwirkung und Kosten geeignete schüttfähige Wärmedämmstoffe für doppelwandige Warmwasserspeicher mit Vakuumwärmedämmung zu identifizieren und eine Vorhersage über die effektive Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von Luftdruck und Temperatur treffen zu können. Zu diesem Zweck werden expandierte Perlite unterschiedlicher mittlerer Korngrößen und Mischungen aus expandierten Perliten und pyrogener Kieselsäure untersucht. Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Ermittlung der effektiven Wärmeleitfähigkeit bei unterschiedlichen Luftdrücken und Temperaturen. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wird in einer eigens entwickelten Versuchsanlage, nach einem stationären Messprinzip, bei Luftdrücken zwischen 0,001 mbar und Atmosphärendruck von (960 ± 20) mbar sowie bei Probenmitteltemperaturen zwischen -5 °C und 90 °C bestimmt. Die maximale relative Messunsicherheit der Versuchsanlage beträgt < 8 % bei den geringsten und < 3 % bei den höchsten gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Reine feinkörnige expandierte Perlite mit Dichten der Schüttungen ≥ 182 kg/m³ erreichen bei Luftdrücken ≤ 0,1 mbar und allen gemessenen Probenmitteltemperaturen die geringsten effektiven Wärmeleitfähigkeiten. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C liegen diese bei ≤ 4,84 mW/(m·K). Mischungen aus einem vergleichsweise grobkörnigen expandierten Perlit mit einer sehr feinkörnigen und feinporigen pyrogenen Kieselsäure können hingegen, bei technisch einfacher zu handhabenden Luftdrücken von > 1 mbar, z. T. geringere effektive Wärmeleitfähigkeiten erreichen als reine expandierte Perlite. Mischungen dieser Komponenten werden in dieser Arbeit erstmals in Form einer losen Schüttung bzgl. ihrer effektiven Wärmeleitfähigkeit untersucht. Bei einer Probenmitteltemperatur von 48 °C werden in diesem Luftdruckbereich effektive Wärmeleitfähigkeiten dieser Mischungen von > 12,17 mW/(m·K) gemessen. Anhand der gemessenen effektiven Wärmeleitfähigkeiten sowie weiterer Stoffeigenschaften, werden vollständig prädiktive analytische Modelle der effektiven Wärmeleitfähigkeit entwickelt. Das Modell für Mischungen gilt für ein ausgewähltes Stoffpaar, während das Modell für expandierte Perlite für beliebige ungemahlene expandierte Perlite verwendbar ist. Es handelt sich nach Kenntnis des Autors um das erste vollständig prädiktive analytische Modell der effektiven Wärmeleitfähigkeit für expandierte Perlite, welches auch die Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung berücksichtigt und für welches lediglich drei einfach und kostengünstig zu messende Größen bestimmt werden müssen. Diese Größen sind der volumengewichtet gemittelte Korndurchmesser, die mittlere Korndichte sowie die Dichte der Schüttung des expandierten Perlits. Aus den Messwerten der effektiven Wärmeleitfähigkeit wird ein Zusammenhang von volumengewichtet gemitteltem Korndurchmesser zur Kopplung von Gas- und Festkörperwärmeleitung deutlich, der für das Modell für expandierte Perlite verwendet wird. Mit den Modellen ist es nun möglich, ohne entsprechende Messungen, die effektive Wärmeleitfähigkeit von Mischungen aus einem expandierten Perlit und einer pyrogenen Kieselsäure sowie für beliebige ungemahlene expandierte Perlite, mit zufriedenstellender bis hoher Genauigkeit vorherzusagen.Item Open Access Leistungssteigerung einer Diffusions-Absorptionskältemaschine durch Steigerung des Hilfsgasvolumenstroms(2021) Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, KonstantinosDiffusions-Absorptionskältemaschinen (DAKM) werden durch Wärme angetrieben und arbeiten strom- und geräuschlos. Als Hotel- und Campingkühlschränke sind DAKMs mit Kälteleistungen bis ca. 100 W weit verbreitet. Eine DAKM in einem größeren Kälteleistungsbereich hat bei einer Beheizung durch Abwärme, Fern- oder Nahwärme sowie solarer Wärme das Potenzial beispielsweise für die Gebäudekühlung klimafreundlich Kälte bereit zu stellen. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) wird an der Skalierung des Diffusions-Absorptionskälteprozesses zu größeren Kälteleistungen geforscht. Im Gegensatz zu beispielsweise Kompressionskältemaschinen wird das Kältemittel einer DAKM nicht durch Drosselung auf einen niedrigeren Absolutdruck verdampft, sondern durch Partialdruckabsenkung in eine Hilfsgasatmosphäre verdunstet. Um kontinuierlich Kälteleistung zu erzeugen, muss das gasförmige Kältemittel in einem weiteren Prozessschritt wieder aus dem Hilfsgas absorbiert werden. Der Transport des Hilfsgas vom Verdunster zum Absorber im sogenannten Hilfsgaskreislauf beruht auf dem Dichteunterschied zwischen dem mit Kältemittel angereichertem und dem an Kältemittel armen Hilfsgas. Untersuchungen in der Literatur belegen die entscheidende Bedeutung einer Steigerung des Hilfsgasumlaufs für eine Erhöhung der Kälteleistung der DAKM. Es werden experimentelle Untersuchungen an einem Prototyp einer DAKM vorgestellt. Der Hilfsgasvolumenstrom wird kontinuierlich und eingriffsfrei mittels Clamp-On Ultraschallmessverfahren gemessen. Der Hilfsgasvolumenstrom kann sowohl durch Steigerung der Antriebskräfte als auch Reduzierung der Druckverluste im Hilfsgaskreislauf erhöht werden. Es werden Entwicklungsschritte des Prototyps zur Steigerung des Hilfsgasvolumenstroms vorgestellt und evaluiert.Item Open Access Application of ion chromatography for the reliable quantification of ammonium in electrochemical ammonia synthesis experiments : a practical guide(2023) Bragulla, Sebastian C. H.; Lorenz, Julian; Harms, Corinna; Wark, Michael; Friedrich, K. AndreasAssessing novel electrocatalysts for the electrochemical ammonia synthesis (EAS) requires reliable quantitative trace analysis of electrochemically produced ammonia to infer activity and selectivity. This study concerns the development of an ion chromatography (IC) method for quantitative trace analysis of ammonium in 0.1 M sulfuric acid electrolyte, which is applied to EAS gas-diffusion electrode (GDE) experiments with commercial chromium nitride as electrocatalyst. The developed IC method is highly sensitive, versatile, and reliable, achieving a limit of quantification (LOQ) of 6 μg l-1 (6 ppbmol) ammonium. The impacts of the sample matrix, dilution, and neutralization, as well as contamination, on the quantitative analysis by IC are analyzed. Experimental constraints result in an effective LOQ including dilution of 60 μg l-1 for the determination of ammonium in 0.1 M sulfuric acid electrolyte, owing to necessary sample dilution. The practical guide presented herein is intended to be very relevant for the field of EAS as a guideline and applicable to a broad range of catalyst systems and ion chromatography devices.Item Open Access Multistep reactions of molten nitrate salts and gas atmospheres(2024) Steinbrecher, Julian; Thess, André (Prof. Dr.)Dissertation zur Untersuchung der Stabilität von Nitratsalzschmelzen unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen und Temperaturen.Item Open Access Perovskite chromite-based fuel electrode for solid oxide cells (SOCs): towards the understanding of the electrochemical performance(2023) Amaya Dueñas, Diana María; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)The current energy transition is a key driver for the continuous development of fuel cells and electrolyzers due to the rapid growth of the clean energy demand and the need to overcome the intermittency of the power supply of renewable energy sources, such as wind and solar energy. In this regard, solid oxide cells (SOC) are promising systems that allow to overcome such fluctuations: they convert renewable electrical energy into chemical energy in the form of hydrogen and valuable fuels and chemicals, while they can also repower the grid by converting fuels and hydrogen into electrical power. This feature in reversibility has attracted the interest among Power-to-X technologies, which can be exploited by operating SOCs in fuel cell (SOFC), electrolysis (SOEL) and reversible (rSOC) modes. Nevertheless, SOCs are not yet a mature technology due to limitations on the performance of their electrolyte and electrodes. Typical fuel electrodes made of Ni-based cermets are in contact not only with hydrogen, but also with reactants such as natural gas, biogas, steam and carbon dioxide, leading to important operation issues related to high temperatures and poisoning tolerance, which significantly detriment the performance of these systems. Due to the urgent need for the development of sustainable SOC systems in clean energy scenarios, this thesis aims to cover the Ni cermets issues related to SOCs operation, such as nickel agglomeration, nickel migration, structural cell damage and carbon deposition. Therefore, with the motivation to propose alternative fuel electrode materials to the state-of-the-art Ni cermets, formulations of perovskite chromite-based fuel electrodes were investigated in different SOC operating conditions. Firstly, different perovskite compositions were investigated by X-ray diffraction (XRD) to ensure the desired phase. With these crystal structure characterizations, the lanthanum-chromite perovskite with Ni doping (LSCrN) was selected as candidate fuel electrode material with the compositions La0.7Sr0.3Cr0.85Ni0.15O3-δ (L70SCrN) and La0.65Sr0.3Cr0.85Ni0.15O3-δ (L65SCrN). These materials were synthetized by the glycine-nitrate combustion method and ceramic powder morphology was characterized by scanning electron microscopy (SEM). An experimental protocol for the cell manufacturing process was designed and the electrolyte-supported-cells (ESCs) were produced by screen-printing, drying and sintering processes. ESCs were tested in different operating SOC modes: fuel cell (SOFC), steam electrolysis (SOEL), steam and carbon dioxide co-electrolysis (co-SOEL), as well as in reversible mode (rSOC) and even in dry carbon dioxide electrolysis operation. In situ electrochemical characterizations were performed by evaluating the voltage - current response and the electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In parallel, the exsolution of nickel particles from the produced LSCrN ceramic powders was investigated by means of temperature programmed reduction (TPR), X-ray spectroscopy (XPS) and XRD techniques. It was shown that the introduction of A-site deficiency promoted the reduction of metallic nickel particles on the perovskite surface. The particle distribution was found to be dependent on the temperature, the atmosphere and the overpotential. In co-SOEL operation, cells with the developed L65SCrN electrode showed a comparable performance to the ones with state-of-the-art Ni cermets, e.g. - 0.8 A·cm-2 at 1.32 V and 860 °C. The long-term stability (~ 1000 hours) suggested that under strongly reducing atmospheres, such as in SOEL at 860 °C, the L65SCrN electrode suffered from accelerated performance degradation due to an alteration of the transport properties. Nonetheless, it was found that a decrease in operating temperature (below 830 °C) could be a suitable strategy to mitigate this durability issue. These findings are related to a gain in performance of the perovskite electrodes against the state-of-the-art Ni electrodes at temperatures between 770 °C and 830 °C, possibly due to lower reaction energy barriers. These outcomes were used as basis for a scale-up analysis from the cell level up to the system level, i.e. up to the MW scale, by analyzing a real case application of SOEL-based systems for hydrogen production. This analysis suggested that the implementation of perovskite electrodes in SOEL systems, together with a decrease of the system operating temperature, would lead to a significant reduction of the number of cells in the stacks and hence of the system components, simplifying the system layout. Additionally, the required amount of Ni raw material would also be significantly decreased, which would mitigate future supply chain issues that the mineral market may experience in the upcoming years. This study paves the way for future alternative electrode development for SOC applications while suggesting potential benefits at the system scale.Item Open Access Effizienzsteigerung einer NH3/H2O-Absorptionskältemaschine : experimentelle Untersuchung eines Anlagenkonzepts mit Plattendesorber(2021) Haak, Luisa; Mirl, Nico; Brunder, Johannes; Spindler, Klaus; Stergiaropoulos, KonstantinosBeim Absorptionskältemaschinen-Prozess wird die Antriebsenergie weitgehend in Form von Wärme zugeführt. Durch Verwendung von beispielsweise industrieller Abwärme oder von Wärme aus regenerativen Energieträgern zum Antrieb, ist mit Absorptionskältemaschinen (AKM) eine sehr klimaschonende Kälteerzeugung möglich. Am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) werden aktuell experimentelle Untersuchungen zur Effizienzsteigerung von NH3/H2O-Absorptionssystemen durchgeführt. Entwickelt wurde ein Desorber-Konzept mit einem direkt von der reichen Lösung durchströmten Plattenwärmeübertrager. Zur Erhöhung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel wird ein Plattendephlegmator mit nachgeschaltetem Kondensatabscheider verwendet. Verglichen mit den verbreitet eingesetzten Desorbern in Behälterbauweise mit integrierter Rektifikationskolonne zeichnet sich das Desorber-Konzept mit Plattenwärmeübertrager durch eine sehr geringe Füllmenge sowie geringe Fertigungskosten aus. Ein Nachweis für die hohe Effizienz des Absorptionssystems mit Plattendesorber ist bereits für den Betrieb als Wärmepumpe im Rahmen des Projekts „Optimierung von Absorptionswärmepumpen zum Einsatz im Wärmenetz 4.0“ erbracht worden. In diesem Beitrag wird das Konzept des direkt durchströmten Plattendesobers auf die AKM übertragen. Es werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen vorgestellt und mit der AKM aus der Dissertation von Zetzsche verglichen. Da beim Anlagenkonzept mit Plattendesorber keine Rektifikation vorgesehen ist, wird eine Erhöhung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel allein durch die Dephlegmation realisiert. Eine Herausforderung bei der Optimierung des verwendeten Plattendephlegmators zur Steigerung des Ammoniakmassenanteils im Kältemittel stellen die unterschiedlich großen Volumenströme der beiden Fluidströme, Kältemitteldampf und reiche Lösung, dar. Anhand von Thermographieaufnahmen wird die Temperaturverteilung über Plattendephlegmator analysiert. Zur Steigerung des übertragenen Wärmestroms wird einerseits ein Konzept für einen asymmetrischen Plattendephlegmator vorgeschlagen, andererseits wird die Orientierung des Plattendephlegmators diskutiert.Item Open Access Experimental analysis of the influence of elevated operating pressures on Solid Oxide Cell stacks during steam, co- and CO2 electrolysis(2022) Riedel, Marc; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)Item Open Access A metal hydride air-conditioning system for fuel cell vehicles(2020) Weckerle, Christoph; Thess, André (Prof. Dr.)High-pressure tanks are the established hydrogen storage technology for automotive systems. However, around 15% of the lower heating value of hydrogen is required for compression up to a pressure of 700 bar. Since this energy is available onboard but has been wasted so far, an “open” cooling system based on metal hydrides (MHs) is a promising way to utilize the potential energy of compressed hydrogen. The thesis presents the systematic investigation of a first-of-its-kind system and a demonstration of the extent to which this energy can be transformed into useful cold. For this purpose, an experimental setup is built that consists of two novel plate reactors coupled to a polymer electrolyte membrane fuel cell (FC). The reactors with an optimized heat transfer characteristic and an average heat transfer distance in the MH bed of 0.44 mm are filled with around 1.5 kg of Hydralloy® C2 (Ti0.98Zr0.02Mn1.46V0.41Cr0.05Fe0.08), which is thermodynamically characterized in the temperature range of 0-50 °C. The functional demonstration at an electrical power of 5 kW shows that the FC operation is not affected by the alternately H2-desorbing reactors with a half-cycle duration of 145 s. Hydrogen is absorbed at a pressure of 35 bar and a continuous flow rate is released at an FC backpressure of 4.1 bar. Under reference conditions for an ambient temperature of 30 °C and a cooling temperature of 20 °C, around 45% of the as-yet-unexploited potential energy of hydrogen at 700 bar can be utilized by generating a cooling effect. A novel operation optimization of time-shifted valve switching increases the performance by more than 50% compared to the case without its implementation. Based on reference conditions, extensive performance investigations are performed while varying the key influencing parameters: the electrical FC power and the operating temperatures. The variation of the electrical FC power between 1.8 and 7.9 kW results in a maximum average cooling power of 807 W at an electrical power of 7 kW, reaching a specific cooling power of 564 W kgMH-1 referred to the MH mass of a single reactor. The performance decreases with rising ambient temperatures (varied in the range of 24.3-42.3 °C) and decreasing cooling temperatures (varied in the range of 13-25.4 °C) due to increased thermal losses and reduced half-cycle times. To further improve the performance, the plate reactor is numerically investigated and optimization recommendations are given. The validated model shows that an increase of the cooling power is obtained by reducing the distance of the hydrogen gas transport, the porosity of the MH bed and the FC backpressure. For this optimized system design, related to the maximum obtainable cooling power of 18.3% of the electrical FC power, cooling efficiencies above 60% are feasible even in harsher operating conditions. As an innovative “hydrogen pressure transducer”, the system can be transferred to all applications where a hydrogen pressure difference is available.Item Open Access Temperature reduction as operando performance recovery procedure for polymer electrolyte membrane fuel cells(2024) Zhang, Qian; Schulze, Mathias; Gazdzicki, Pawel; Friedrich, Kaspar AndreasTo efficiently mitigate the reversible performance degradation of polymer electrolyte membrane fuel cells, it is crucial to thoroughly understand recovery effects. In this work, the effect of operando performance recovery by temperature reduction is evaluated. The results reveal that operando reduction in cell temperature from 80 °C to 45 °C yields a performance recovery of 60-70% in the current density range below 1 A cm-2 in a shorter time (1.5 h versus 10.5 h), as opposed to a known and more complex non-operando recovery procedure. Notably, the absolute recovered voltage is directly proportional to the total amount of liquid water produced during the temperature reduction. Thus, the recovery effect is likely attributed to a reorganization/rearrangement of the ionomer due to water condensation. Reduction in the charge transfer and mass transfer resistance is observed after the temperature reduction by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement. During non-operando temperature reduction (i.e., open circuit voltage (OCV) hold during recovery instead of load cycling) an even higher recovery efficiency of >80% was achieved.Item Open Access Physical modelling of DMFC performance heterogeneities and the recovery of reversible cathode degradation(2022) Fischer, Marie-Dominique; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr.)Direct methanol fuel cells (DMFC), which are an alternative power source to batteries and diesel engines, exhibit a great potential for a locally heterogeneous cell performance. The DMFC anode is fed with a liquid methanol-water mixture while the cathode is supplied with air, which results in an even more complex fluid management in comparison with the structurally similar polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) operated with hydrogen as fuel. The transfer of water and methanol from the anode through the polymer electrolyte membrane to the cathode side is an important factor for limits in the cell performance. The crossover of water from the anode to the cathode side, where water is also produced in the electrochemical reaction, increases the risk of liquid accumulation in the porous layers of the cathode and thus mass transport limitations in the cell. Methanol crossover leads to the formation of a mixed potential in the DMFC cathode, and the resulting high overpotential increase the development of oxide species on the platinum catalyst surface. These processes lead to a reduction of the cell performance, which is partially reversible. In this work, a physics-based DMFC model in 2D is developed in order to study the local cell performance along the channel with a focus on the two-phase flow as well as humidity-related properties of the ionomer. The model features a spatial resolution of the catalyst layers, which enables the examination of the local conditions' impact on the electrochemical reactions and on effects at the membrane interface. The model is verified against experimental data from a macro-segmented DMFC single cell for two different humidity levels in the cathode. The validation not only comprises the local cell performance, but also mass transport and the ohmic resistance of the membrane. Simulation results for the cell performance under varying operating conditions are shown in comparison with corresponding experimental data, proving the predictiveness of the model. The transient model is further used to study the processes inside the cell during the recovery of reversible degradation effects in the cathode. The formation of platinum oxide species during DMFC operation and their reduction during a refresh sequence including an OCV phase as well as a phase with air starvation is simulated and explored with respect to the local conditions inside the cathode catalyst layer. Moreover, the simultaneously occurring spontaneous evolution of hydrogen in the DMFC anode is examined. Several variations of the air stop sequence are simulated and evaluated with regard to their effectiveness in recovering the temporary performance losses within the DMFC cathode.