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Elektrochemische Energiesysteme | Nachwuchsgruppe

Dr. Matthias Breitwieser, Dr. Severin Vierrath

Quicklinks: Stellenangebote | Kompetenz | Anwendungsbeispiele | Projekte und Fördergeber | Team | Wichtigste Publikationen |

 

 EES, Gruppenfoto 2018, angepasst

 

 

Stellenangebote

 

Thema Datum Ansprechpartner Weitere Infos
Masterarbeit im Bereich Elektrochemie mit Schwerpunkt Lithium‐Metall‐Batterien 06/2019 Dr. Witali Beichel PDF der Ausschreibung
Masterarbeit im Bereich Elektrochemie mit Schwerpunkt Lithium‐Ionen‐Batterien 06/2019 Dr. Witali Beichel PDF der Ausschreibung
PostDoc / PhD:
Transport-Prozesse in PEM-Brennstoffzellen
05/2019 Dr. Severin Vierrath PDF der Ausschreibung

 

 

Kompetenz

 

Die Nachwuchsgruppe „Elektrochemische Energiesysteme“ forscht an Brennstoffzellen, Batterien und Elektrolyseuren. Unsere Schwerpunkte liegen hierbei bei innovativen Herstellungsmethoden und Materialien, sowie der Mikrocharakterisierung und 3D bildgebenden Verfahren für diese Technologien.

 

Herstellung und Charakterisierung
EES LOGO 2018-06

Insbesondere für Brennstoffzellen erforschen wir neue Herstellungs-Methoden und alternative Materialien. Durch neue Membransysteme entwickeln wir Brennstoffzellen mit höherer Leistungsdichte und längerer Lebensdauer. Gleichzeitig werden neue Elektroden-Strukturen entwickelt, die höhere Leistungsdichten ermöglichen. Hierfür stehen in der Gruppe Methoden wie Elektrospinning, Sprüh-Beschichtung oder Inkjet-Druck zur Verfügung. Diese Ansätze übertragen wir auf andere Energiewandler wie Redox-Flow-Batterien, sowie Elektrolyseure. Neue Materialien und Herstellungs-Methoden charakterisieren wir elektrochemisch in Brennstoffzellen- und Batterie-Testständen, sowie ex-situ in unserem Mikroanalyse-Labor.

 

Mikro-Charakterisierung und Virtual DesignEES, 2019 Gas-Water

Als Basis für das Verständnis von elektrochemischen Energiewandlern benutzen wir 3D bildgebende Verfahren. Wir verwenden Technologien wie FIB-SEM Tomographie und Röntgen-Tomographie um dreidimensionale Rekonstruktionen von Elektroden und Gastransportschichten zu erzeugen. Anhand dieser Rekonstruktionen berechnen wir leistungsbestimmende Parameter. Mit Virtual Design simulieren wir die Auswirkung auf diese Parameter, die sich durch Änderungen der Morphologie ergeben. Diese Erkenntnisse übertragen wir auf neue Herstellungsmethoden. Hinzu kommen weitere Methoden der Mikro-Charakterisierung wie Raman-Mikroskopie oder Mikro-Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie.

 

 

Anwendungsbeispiele


Herstellung innovativer Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen

Typischerweise werden Membranen für Brennstoffzellen als freistehende Folien hergestellt und später weiterverarbeitet. Wir haben in unserer Arbeitsgruppe einen neuen Ansatz zur direkten Beschichtung der gesamten Membran-Elektroden-Einheit entwickelt. Durch Elektrospinning sind wir zudem in der Lage, neue Komposit-Membran mit Nanopartikeln und Nanofasern zu verstärken, was in einer erhöhten chemischen und mechanischen Stabilität resultiert. Die Technologie haben wir inzwischen auch auf Anionenaustausch-Membran-Brennstoffzellen übertragen.

 

 


Neue Membranen für die Redox-Flow Batterie

Trotz hoher Kosten und mäßiger Performance sind perfluorierte Sulfonsäuren nach wie vor das Standard-Material für den Einsatz in Vanadium-Redox-Flow-Batterien. Wir erforschen und entwickeln neue Membranmaterialien und -strukturen und testen ihre Eignung in der Batterie.


Rekonstruktion von Elektroden zur Simulation von Stoff-Transport

Durch eine von uns entwickelte Infiltrationsmethode für mikroporöse Materialien via Atomic Layer Deposition sind wir erstmals in der Lage verlässliche 3D-Rekonstruktionen der Nanostruktur  von Brennstoffzellen-, Batterie- oder Elektrolyse-Elektroden herzustellen. Mit unserer umfangreichen Software-Ausstattung ist es uns möglich quantitative Aussagen über den Stofftransport in diesen Elektroden zu treffen. Die Methodologie wurde inzwischen auf Brennstoffzellen, Elektrolysezellen oder Li-Ionenbatterien übertragen.

 

 

Projekte und Fördergeber

 

Laufende Projekte
 
  • SmartBelt, Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst BW
  • LIM-MOBIL, Vector Stiftung
  • Inspire, EU Horizon 2020
  • Neurofast, BMBF
  • Dekade, BMBF

 

 Beendete Projekte

  • DirectMEA, Wirtschaftsministerium BW

 

Team

 

Gruppenleiter

 

Wissenschaftliche/r Mitarbeiter/in

 

PostDoc

  • Dr. Chuyen Pham


Doktorand/in

 

Master, Bachelor, Hiwi

  • Luca Bohn (Bachelorand)
  • Melanie Soballa (Hiwi)
  • Miriam von Holst
  • Philipp Veh (Masterand)
  • Hien Nguyen (Masterandin)
  • Edgar Cruz-Ortiz (Hiwi)

 

 

Ehemalige Teammitglieder

  • Arne Götze
  • Zsoltan Danilo
  • Dr. Lukas Zielke
  • Armin Hartmann
  • Kevin Holdcroft
  • Michaela Frase
  • Dr. Matthias Klingele
  • Dr. Lili Liu
  • Peter Holzapfel

 

Wichtigste Publikationen

     

    Manufacturing of hydrogen fuel cells


    Novel membranes for Vanadium Redox-Flow Batteries


    Imaging of fuel cells, electrolysers and batteries

     

     

    Weitere Publikationen

    1. A fully spray-coated fuel cell membrane electrode assembly using Aquivion ionomer with a graphene oxide/cerium oxide interlayer. M. Breitwieser, T. Bayer, A. Büchler, R. Zengerle, S. M. Lyth, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2017, 351, 145–150.
    2. Tailoring the membrane-electrode interface in PEM fuel cells: A review and perspective on novel engineering approaches. M. Breitwieser, M. Klingele, S. Vierrath, R. Zengerle, S. Thiele, Advanced Energy Materials, accepted 2017,
    3. Cerium Oxide Decorated Polymer Nanofibers as Effective Membrane Reinforcement for Durable, High-Performance Fuel Cells. M. Breitwieser, C. Klose, A. Hartmann, A. Büchler, M. Klingele, S. Vierrath, R. Zengerle, S. Thiele, Advanced Energy Materials, 2017, 7, 1602100.
    4. Simple fabrication of 12 μm thin nanocomposite fuel cell membranes by direct electrospinning and printing. M. Breitwieser, C. Klose, M. Klingele, A. Hartmann, J. Erben, H. Cho, J. Kerres, R. Zengerle, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2017, 337, 137–144.
    5. Multiscale Tomography-Based Analysis of Fuel Cells: Towards a Fully Resolved Fuel Cell Reconstruction. M. Klingele, S. Vierrath, R. Moroni, S. Thiele, Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, accepted 2017,
    6. Electrospun sulfonated poly(ether ketone) nanofibers as proton conductive reinforcement for durable Nafion composite membranes. C. Klose, M. Breitwieser, S. Vierrath, M. Klingele, H. Cho, A. Büchler, J. Kerres, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2017, 361, 237–242.
    7. High surface hierarchical carbon nanowalls synthesized by plasma deposition using an aromatic precursor. K. Lehmann, O. Yurchenko, A. Heilemann, S. Vierrath, L. Zielke, S. Thiele, A. Fischer, G. Urban, Carbon, 2017, 118, 578–587.
    8. A completely spray-coated membrane electrode assembly. M. Klingele, B. Britton, M. Breitwieser, S. Vierrath, R. Zengerle, S. Holdcroft, S. Thiele, Electrochemistry Communications, 2016, 70, 65–68.
    9. Water management in novel direct membrane deposition fuel cells under low humidification. M. Breitwieser, R. Moroni, J. Schock, M. Schulz, B. Schillinger, F. Pfeiffer, R. Zengerle, S. Thiele, International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41, 11412–11417.
    10. 3D Analysis of the Porosity in MgB2 Wires Using FIB Nanotomography. M. Hagner, J. Fritz, P. Alknes, C. Scheuerlein, L. Zielke, S. Vierrath, S. Thiele, B. Bordini, A. Ballarino, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 1.
    11. Morphological Evolution of Electrochemically Plated/Stripped Lithium Microstructures Investigated by Synchrotron X-ray Phase Contrast Tomography. F. Sun, L. Zielke, H. Markotter, A. Hilger, D. Zhou, R. Moroni, R. Zengerle, S. Thiele, J. Banhart, I. Manke, ACS nano, 2016, 10, 7990 – 7997
    12. The reasons for the high power density of fuel cells fabricated with directly deposited membranes. S. Vierrath, M. Breitwieser, M. Klingele, B. Britton, S. Holdcroft, R. Zengerle, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2016, 326, 170–175.
    13. Directly deposited Nafion/TiO 2 composite membranes for high power medium temperature fuel cells. N. Wehkamp, M. Breitwieser, A. Büchler, M. Klingele, R. Zengerle, S. Thiele, RSC Adv, 2016, 6, 24261–24266.
    14. Influence of carbon substrate on the electrochemical performance of carbon/manganese oxide hybrids in aqueous and organic electrolytes. M. Zeiger, S. Fleischmann, B. Krüner, A. Tolosa, S. Bechtel, M. Baltes, A. Schreiber, R. Moroni, S. Vierrath, S. Thiele, V. Presser, RSC Adv, 2016, 6, 107163–107179.
    15. Three-dimensional morphology of the interface between micro porous layer and catalyst layer in a polymer electrolyte membrane fuel cell. L. Zielke, S. Vierrath, R. Moroni, A. Mondon, R. Zengerle, S. Thiele, RSC Adv, 2016, 6, 80700–80705.
    16. Improved Pt-utilization efficiency of low Pt-loading PEM fuel cell electrodes using direct membrane deposition. M. Breitwieser, M. Klingele, B. Britton, S. Holdcroft, R. Zengerle, S. Thiele, Electrochemistry Communications, 2015, 60, 168–171.
    17. Direct deposition of proton exchange membranes enabling high performance hydrogen fuel cells. M. Klingele, M. Breitwieser, R. Zengerle, S. Thiele, Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 11239–11245
    18. Enhancing the quality of the tomography of nanoporous materials for better understanding of polymer electrolyte fuel cell materials. S. Vierrath, F. Güder, A. Menzel, M. Hagner, R. Zengerle, M. Zacharias, S. Thiele, Journal of Power Sources, 2015, 285, 413–417.

     

     

     

     

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