Details
| Originalsprache | Deutsch |
|---|---|
| Qualifikation | Doktor der Ingenieurwissenschaften |
| Gradverleihende Hochschule | |
| Betreut von |
|
| Datum der Verleihung des Grades | 27 Juni 2024 |
| Erscheinungsort | Hannover |
| Publikationsstatus | Veröffentlicht - 1 Juli 2024 |
Abstract
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Hannover, 2024. 104 S.
Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation
}
TY - BOOK
T1 - Investigation of the mechanical stability of membranes in proton exchange membrane water electrolyzers
AU - Julian, Kink
PY - 2024/7/1
Y1 - 2024/7/1
N2 - In der vorliegenden Arbeit werden Membranen, die in der Protonen-Austausch-Membran-Wasserelektrolyse (PEMWE) eingesetzt werden, strukturmechanisch untersucht. Der Fokus liegt auf den mechanischen Belastungen, die auf die Membran wirken, sowie den resultierenden Membrandeformationen. Zu den mechanischen Belastungen zählen die Klemmkraft, die Membranquellung, der Gasdruck und die thermische Ausdehnung. Diese Belastungen können Membrandefekte wie Risse, Löcher und Ausdünnungen verursachen, die zum Versagen der Membran führen. Strukturmechanische Simulationen können das Verhalten der Membranen unter Belastung vorhersagen, sofern die Randbedingungen passend definiert sind und repräsentative Materialmodelle gewählt werden. Diese Dissertationsschrift untersucht das mechanische Verhalten von Membranen anhand experimenteller und modellbasierter Untersuchungen und ist in drei Teile gegliedert: Sie beginnt mit einer allgemeinen Untersuchung des mechanischen Verhaltens der Membran in einer PEMWE-Zelle, gefolgt von zwei potenziellen Konzepten zur Verstärkung der Membran. Im ersten Teil der Arbeit wird die mechanische Belastung von Nafion® 117 Membranen in PEMWE-Zellen analysiert, wobei der Fokus auf dem Spalt zwischen dem Zellrahmen und den porösen Transportschichten (PTL) liegt. Mit einer Finite-Elemente-Analyse werden mechanische Spannungen und Dehnungen in der Membran während der Montage und des Betriebs in einer PEMWE-Zelle quantifiziert. Zu diesem Zweck wurde ein geeignetes Materialmodell implementiert und auf der Grundlage von experimentellen Daten parametrisiert und validiert. Die Ergebnisse der Zellsimulation zeigen, dass in der gewählten Zellkonfiguration bei einer Spaltgröße von 0,15 mm keine kritischen Zustände entstehen, selbst bei einem Differenzdruck von bis zu 10 bar. Das heißt, die Spannungen und Dehnungen, welche berechnet wurden, sind deutlich geringer als die Versagensspannungen und -dehnungen, die in den experimentellen Untersuchungen ermittelt wurden. Eine Erhöhung der Spaltgröße auf über 0,3 mm kann jedoch zu einer Ausbeulung der Membran führen, was zu einer Ausdünnung und möglicherweise zu einem Versagen der Membran führen kann. In einer zweiten Studie wird das Potenzial von Subgasket-Folien zur Verstärkung der Membran untersucht. Subgaskets können als Verstärkungsschicht außerhalb der aktiven Fläche der Membran verwendet werden, indem sie in diesem Bereich auf die Membrane geklebt werden. Die Studie zeigt, dass Subgaskets die Membran an der Spaltstelle stabilisieren können, auch unter Differenzdruck. Die Simulationsergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit, das Subgasket sorgfältig zu positionieren und die Dicke des Subgaskets für eine optimale mechanische Stabilisierung anzupassen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Einsatz von Subgaskets das Ausbeulen der Membran bei erhöhten Spaltgrößen zwischen Zellenrahmen und PTL verhindern kann. In einer dritten Analyse wird der Einsatz von Gewebestrukturen innerhalb der Membran als Verstärkungskonzept zur Vermeidung von Membranfehlern untersucht. Die Ergebnisse legen nahe, dass für die in diesem Fall verwendete Zellkonfiguration während des normalen Betriebs kein Ausfall zu erwarten ist, wenn eine Gewebeverstärkung angewendet wird. Auch bei variierten Temperaturen und Differenzdruck ist kein Membranversagen zu erwarten, es sei denn, die Spaltgröße im Übergangsbereich zwischen Zellrahmen und PTL übersteigt 0,1 mm. Bei Spaltweiten größer als 0,1 mm kommt es zu starken Verformungen und Knicken der Membran, was auf ein mögliches Versagen der Membran hinweist. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Wahl der Spaltgröße in Zelldesigns eine wichtige Rolle spielt, um mechanische Defekte der in PEMWE-Zellen verwendeten Membran zu verhindern. Darüber hinaus kann der Einsatz einer Verstärkungsschicht, wie eines Subgaskets oder einer Gewebeverstärkung, die Membranstabilität, insbesondere an der Spaltstelle, erheblich verbessern. Die Dicke und die Positionierung des Subgaskets müssen jedoch sorgfältig berücksichtigt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
AB - In der vorliegenden Arbeit werden Membranen, die in der Protonen-Austausch-Membran-Wasserelektrolyse (PEMWE) eingesetzt werden, strukturmechanisch untersucht. Der Fokus liegt auf den mechanischen Belastungen, die auf die Membran wirken, sowie den resultierenden Membrandeformationen. Zu den mechanischen Belastungen zählen die Klemmkraft, die Membranquellung, der Gasdruck und die thermische Ausdehnung. Diese Belastungen können Membrandefekte wie Risse, Löcher und Ausdünnungen verursachen, die zum Versagen der Membran führen. Strukturmechanische Simulationen können das Verhalten der Membranen unter Belastung vorhersagen, sofern die Randbedingungen passend definiert sind und repräsentative Materialmodelle gewählt werden. Diese Dissertationsschrift untersucht das mechanische Verhalten von Membranen anhand experimenteller und modellbasierter Untersuchungen und ist in drei Teile gegliedert: Sie beginnt mit einer allgemeinen Untersuchung des mechanischen Verhaltens der Membran in einer PEMWE-Zelle, gefolgt von zwei potenziellen Konzepten zur Verstärkung der Membran. Im ersten Teil der Arbeit wird die mechanische Belastung von Nafion® 117 Membranen in PEMWE-Zellen analysiert, wobei der Fokus auf dem Spalt zwischen dem Zellrahmen und den porösen Transportschichten (PTL) liegt. Mit einer Finite-Elemente-Analyse werden mechanische Spannungen und Dehnungen in der Membran während der Montage und des Betriebs in einer PEMWE-Zelle quantifiziert. Zu diesem Zweck wurde ein geeignetes Materialmodell implementiert und auf der Grundlage von experimentellen Daten parametrisiert und validiert. Die Ergebnisse der Zellsimulation zeigen, dass in der gewählten Zellkonfiguration bei einer Spaltgröße von 0,15 mm keine kritischen Zustände entstehen, selbst bei einem Differenzdruck von bis zu 10 bar. Das heißt, die Spannungen und Dehnungen, welche berechnet wurden, sind deutlich geringer als die Versagensspannungen und -dehnungen, die in den experimentellen Untersuchungen ermittelt wurden. Eine Erhöhung der Spaltgröße auf über 0,3 mm kann jedoch zu einer Ausbeulung der Membran führen, was zu einer Ausdünnung und möglicherweise zu einem Versagen der Membran führen kann. In einer zweiten Studie wird das Potenzial von Subgasket-Folien zur Verstärkung der Membran untersucht. Subgaskets können als Verstärkungsschicht außerhalb der aktiven Fläche der Membran verwendet werden, indem sie in diesem Bereich auf die Membrane geklebt werden. Die Studie zeigt, dass Subgaskets die Membran an der Spaltstelle stabilisieren können, auch unter Differenzdruck. Die Simulationsergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit, das Subgasket sorgfältig zu positionieren und die Dicke des Subgaskets für eine optimale mechanische Stabilisierung anzupassen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der Einsatz von Subgaskets das Ausbeulen der Membran bei erhöhten Spaltgrößen zwischen Zellenrahmen und PTL verhindern kann. In einer dritten Analyse wird der Einsatz von Gewebestrukturen innerhalb der Membran als Verstärkungskonzept zur Vermeidung von Membranfehlern untersucht. Die Ergebnisse legen nahe, dass für die in diesem Fall verwendete Zellkonfiguration während des normalen Betriebs kein Ausfall zu erwarten ist, wenn eine Gewebeverstärkung angewendet wird. Auch bei variierten Temperaturen und Differenzdruck ist kein Membranversagen zu erwarten, es sei denn, die Spaltgröße im Übergangsbereich zwischen Zellrahmen und PTL übersteigt 0,1 mm. Bei Spaltweiten größer als 0,1 mm kommt es zu starken Verformungen und Knicken der Membran, was auf ein mögliches Versagen der Membran hinweist. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Wahl der Spaltgröße in Zelldesigns eine wichtige Rolle spielt, um mechanische Defekte der in PEMWE-Zellen verwendeten Membran zu verhindern. Darüber hinaus kann der Einsatz einer Verstärkungsschicht, wie eines Subgaskets oder einer Gewebeverstärkung, die Membranstabilität, insbesondere an der Spaltstelle, erheblich verbessern. Die Dicke und die Positionierung des Subgaskets müssen jedoch sorgfältig berücksichtigt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
U2 - 10.15488/17616
DO - 10.15488/17616
M3 - Dissertation
CY - Hannover
ER -