Hocheffiziente solare Wasserstoffproduktion mittels direkter Verschaltung von III-V-Mehrfachsolarzellen mit PEM-Elektrolysezellen:
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Stuttgart
Fraunhofer Verlag
2014
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| Schriftenreihe: | Solare Energie- und Systemforschung
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INHALTSVERZEICHNIS
ABKUERZUNGSVERZEICHNIS V
ZUSAMMENFASSUNG XI
ABSTRACT XIII
1 EINLEITUNG 1
1.1 MOTIVATION 1
1.2 ZIELSETZUNG 3
1.3 GLIEDERUNG 4
2 GRUNDLAGEN 5
2.1 KLASSIFIZIERUNG DER WASSERELEKTROLYSE 5
2.2 ELEKTROCHEMISCHE BETRACHTUNG 6
2.2.1 THEORETISCHE ZELLSPANNUNG 8
2.2.2 UEBERSPANNUNGSVERLUSTE 9
2.2.3 TEMPERATUREINFLUSS 13
2.2.4 DRUCKEINFLUSS 14
2.3 PEM-ELEKTROLYSE 15
2.3.1 DIE MEMBRAN-ELEKTRODEN-EINHEIT 19
2.3.2 STAND DER TECHNIK 23
2.4 KONZENTRIERENDE PHOTOVOLTAIK (PV) 24
2.4.1 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE VON III-V-MEHRFACHSOLARZELLEN 25
2.4.2 LINSENSYSTEM 28
2.4.3 FLATCON-TECHNOLOGIE 30
2.5 DIREKTE VERSCHALTUNG KONZENTRIERENDER PV MIT PEM-ELEKTROLYSEZELLEN
. 31
2.5.1 ELEMENTARER AUFBAU 31
2.5.2 BISHERIGE FORSCHUNGSAKTIVITAETEN 32
2.6 WIRKUNGSGRADBESTIMMUNG 33
2.6.1 PEM-ELEKTROLYSE 33
2.6.2 KONZENTRIERENDE PHOTOVOLTAIK 37
2.6.3 KOPPLUNG KONZENTRIERENDE PHOTOVOLTAIK MIT PEM-ELEKTROLYSE . 40
I
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INHALTSVERZEICHNIS
3 REFERENZELEKTRODENMESSUNGEN UND CHARAKTERISIERUNG NANOSTRUKTURIERTER
ELEK
TRODEN 45
3.1 REALISIERUNG VON IN-SITU REFERENZELEKTRODENMESSUNGEN 45
3.1.1 AUFBAU DES TESTSTANDES 46
3.1.2 TESTZELLE 48
3.1.3 LASERABLATION ZUR ELEKTRODENSEPARIERUNG 49
3.2 METHODIK 52
3.2.1 DIE U(I)-KENNLINIE 52
3.2.2 ELEKTROCHEMISCHE IMPEDANZSPEKTROSKOPIE 52
3.2.3 RASTERELEKTRONENMIKROSKOP 55
3.3 MESSERGEBNISSE 56
3.3.1 STATIONAERE U(I)-KENNLINIEN 57
3.3.2 IN-SITU REFERENZELEKTRODENMESSUNGEN 61
3.3.3 STATIONAERE LEBENSDAUERMESSUNG 62
3.3.4 INSTATIONAERE LEBENSDAUERMESSUNG 66
3.4 BEWERTUNG DER ERGEBNISSE 68
4 HOCHEFFIZIENTE SOLARE WASSERSTOFFPRODUKTION MITTELS EINES
HYCON-SYSTEMS 73
4.1 KONZEPTIONELLE UMSETZUNG 73
4.2 STROEMUNGSSIMULATION AN PEM-ELEKTROLYSE-EINZELZELLEN 75
4.2.1 VERWENDETE FLOWFIELDGEOMETRIEN 76
4.2.2 FLUIDISCHE STROEMUNGSSIMULATION 77
4.3 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN DER PEM-ELEKTROLYSE AUF
EINZELZELLEBENE . 80
4.3.1 ZELLKONDITIONIERUNG 80
4.3.2 LEISTUNGSVERHALTEN DER ZELLEN 81
4.4 AUFBAU UND REALISIERUNG DES HYCON-SYSTEMS AUF MODULEBENE 85
4.5 SIMULATION DES HYCON-SYSTEMS AUF MODULEBENE 87
4.6 FELDMESSUNGEN 92
4.6.1 NACHFUEHREINHEIT 93
4.6.2 MESSERGEBNISSE 93
4.7 BEWERTUNG UND DISKUSSION DER ERGEBNISSE 97
5 OEKONOMISCHE BETRACHTUNG EINES ZUKUENFTIGEN HYCON-SYSTEMS 103
5.1 ZIELSETZUNG 103
5.2 PARAMETER 104
5.3 WASSERSTOFFGESTEHUNGSKOSTEN 108
5.4 SENSITIVITAETSANALYSE 112
5.5 BEWERTUNG DER ERGEBNISSE GEGENUEBER EINES KLASSISCHEN SYSTEMS 115
6 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE 119
7 AUSBLICK 123
II
INHALTSVERZEICHNIS
LITERATURVERZEICHNIS 126
A ANHANG 145
A.L ZELLKOMPONENTEN 145
A.L.L KUNSTSTOFFPLATTE 145
A.1.2 FLOWFIELDSTRUKTUR 145
A.1.3 DICHTUNGSKONZEPT 147
A.1.4 STROMSTIFT 148
A.1.5 DIMENSIONIERUNG DER SCHRAUBE 151
A.2 TESTPROTOKOLL ZUR MEA-CHARAKTERISIERUNG 153
A.3 ZELLLEISTUNG EINER KOMMERZIELL VERFUEGBAREN MEA 155
A.4 WIDERSTANDSKORRIGIERTE ZELLSPANNUNGEN 156
A.5 STATIONAERE UND INSTATIONAERE LEBENSDAUERMESSUNG EINER KOMMERZIELL
VERFUEG
BAREN MEA 158
A.6 TESTSTAND ZUR CHARAKTERISIERUNG EINZELNER HYCON-ELEKTROLYSEZELLEN
. 159
A.7 WELTKARTE ZUR JAEHRLICH GEMITTELTEN DIREKTSTRAHLUNG 160
A.8 KOSTEN UND SPEZIFIKATIONEN DER PEM-ELEKTROLYSEURE FUER DAS
ENTKOPPELTE
SYSTEM 161
LEBENSLAUF 166
DANKSAGUNG 168
III |
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