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In the future, hydrogen (H2) will play a significant role in the sustainable supply of energy and raw materials to various sectors. Therefore, the electrolysis of water required for industrial-scale H2 production represents a key component in the generation of renewable electricity. Within the scope of fundamental research work on cell components for polymer electrolyte membrane (PEM) electrolyzers and application-oriented living labs, an MW electrolysis system was used to further improve industrial-scale electrolysis technology in terms of its basic structure and systems-related integration. The planning of this work, as well as the analytical and technical approaches taken, along with the essential results of research and development are presented herein. The focus of this study is the test facility for a megawatt PEM electrolysis stack with the presentation of the design, processing, and assembly of the main components of the facility and stack.

This report describes the behaviour of a catalytic radiant burner firing methanol in dependence upon the most important system and operating parameters. In the existing burner the methanol is first vaporized and then mixed with the combustion air. This mixture then passes through a fibrous cylindrical support structure. It is burning only at the outer surface which is covered with platinum coated wire meshs. The heat generation in this reaction zone is largely transmitted by means of thermal radiation to a heat exchanger. Thus high thermal efficiencies were reached. Due to the flameless combustion the burner operates noiseless and does not form soot. Furthermore, nitrogen oxides are approximately zero due to the relatively low reaction temperature.

Fuel synthesis was established based on the results of the corresponding process analyses and the resources of the Fuel Processing department, and developed using initial promising approaches and research findings. R&D efforts will continue to focus on resource- and energysavingconversion pathways for e-fuels. In particular, the synthesis of higher alcohols such as isobutanol and octanol using Ni/Pt catalysts fabricated at IEK-14 were the focus of current developments. The reactors developed as part of fuel processing were successfully transferredto projects for the synthesis of alternative energy carriers. Three catalytic burners are used by an industrial partner as residual gas burners in a plant for DME synthesis, and have proven their efficiency by achieving the exhaust gas regulations according to the TechnicalInstructions on Air Quality Control (TA Luft). A newly designed reactor arrangement for the water-gas shift reaction significantly reduces the amount of carbon monoxide in a pyrolysis gas so that a subsequent biological methanation can produce synthetic natural gas. Hydrogensafety is a logical addition to the R&D portfolio at IEK-14, and is developing towards the provision of safety concepts and equipment for any H2 applications. An initial non-nuclear project addresses the safe transport of liquid H2 by coastal vessels. The objectives of both the “Materials and Technologies for the Energy Transition (MTET)” Helmholtz program and the funding programs focusing on the energy transition and structural change in the Rhineland region, to which IEK-14 has made a substantial contribution, have enabled IEK-14 to focus on hydrogen in its technology research and development, and thus on a climate-neutral energy supply.

Der neue Institutsbereich IEK-14: Elektrochemische Verfahrenstechnik entstand aus der Teilung des alten IEK-3 sowie den Verlegugen der Abteilungsaktivitäten „Festoxid-Wandler“ an das IEK-9 und „Sicherheitsforschung“ an das IEK-14. Neben diesen strukturellen Veränderungen hatte das IEK-14 mit den politischen Initiativen zur Energiewende sowie zum Revierwandel weitere Herausforderungen zu bestehen. Mit neu ausgerichteten Themenschwerpunkten liefert das IEK-14 systematisch die von der Energieforschung erwarteten Lösungen auf technologiebezogene Fragen. Der Themenschwerpunkt „Wasserelektrolyse“ fokussiert sich auf PEM-, AEM- und alkalische Elektrolyseure der nächsten und übernächsten Generation. Die Erforschung von ionischen Flüssigkeiten als neuartige Elektrolyte für die bei über 100 °C betriebene Polymermembran-basierte Brennstoffzelle erschließt sich mit neuenFuE-Vorhaben die nächste Entwicklungsstufe hin zu funktionstüchtigen, technisch relevanten Zellen. Der Themenschwerpunkt „Kraftstoffsynthese“ hat seine auf Verfahrens- und Systemanalysen basierte Orientierungsphase zu vielversprechenden Einsatzstoffen und Prozesspfade geführt und orientiert sich zusätzlich auf die Katalysator- und Reaktor-entwicklung für die Alkohol- und Kerosinsynthese. Der neu ins IEK-14 eingeführte Schwerpunkt der Sicherheitsforschung entwickelt sich zu einem einzigartigen Forschungsbeitrag für Sicherheitsanalysen, -konzepte und -einrichtungen beim Einsatz von H2-basierten Energiesystemen. Die Wasserelektrolyse bei Temperaturen von etwa 70 °C erlaubt einen hochdynamischen Betrieb mit schnellen An- und Abfahrprozeduren. Der Reifegrad bei Elektrolyseuren mit Polymerelektrolytmembran und/oder Kalilauge ermöglicht den Aufbau großer Anlagen im MW-Maßstab. Derzeitige und zukünftige FuE-Arbeiten konzentrieren sich auf die Verbesserung der Leistungsfähigkeit, die Erhöhung der Lebensdauer und die Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten. Durch das Ausrollen großer Anlagen zur elektrochemischen H2-Erzeugung wird die Integration in das Energiesystem erprobt und die Skalierung der Herstelltechnik erprobt und validiert. Der Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle oberhalb von 100 °C ermöglicht eine effektivere Kühlung und macht die Befeuchtung der Gase und eine Wasserrezyklierung überflüssig. Dies erfordert neue, nichtwässrige, protonen-leitende Elektrolyte. Ziel ist die Entwicklung von PEM-Brennstoffzellen auf Basis protischer, ionischer Flüssig-keiten (PIL), geeignet für den Betrieb bei 100 – 120 °C. Um PILs hinsichtlich ihrer Grenzflächen- und Bulkeigenschaften zu optimieren, werden diegrundlegenden Mechanismen der elektrochemischen Reaktionen und des Ionentransports untersucht. Die PILs werden in einem Matrixpolymer immobilisiert und in Einzelzellen getestet. Für die Luft- und Schifffahrt sowie in Teilen für den straßengebundene Schwerlasttransport müssen weiterhin flüssige Kraftstoffe mit hoher Energiedichte zur Verfügung stehen. Um diesen Verkehrsbereich zu defossilisieren können die benötigten Kraftstoffe aus nachhaltig erzeugtem H2 und CO2 aus Biomasse, Luftabtrennung und nicht vermeidbaren Prozessgasen erzeugt werden. Zugehörige FuE-Arbeiten konzentrieren sich auf die Prozessanalyse sowie die Katalysatorund Reaktorentwicklung. Die Skalierung dieser aufwendigen Umwandlungstechnik spielt für die Integration in das Energiesystem eine wichtige Rolle. Neben den technisch-ökonomischen Herausforderungen haben Fragen der technischen Sicherheit für die Akzeptanz neuer Wasserstofftechnologien eine besondere Bedeutung. Die Wasserstoff-Sicherheitsforschung betrachtet modellgestützt unfallbedingte und unvermeidbare H2-Freisetzungen, identifiziert die auftretenden Risiken und untersucht dieWirksamkeit sicherheitsgerichteter Maßnahmen. Auf dieser Basis lassen sich anwendungsspezifische Sicherheitskonzepte bleiten sowie Sicherheitseinrichtungen entwickeln, erproben und charakterisieren, um Schäden und mögliche Akzeptanzprobleme zu vermeiden.

Der Transportsektor hat einen erheblichen Minderungsbedarf bei dem aus der Verbrennung fossiler Kraftstoffeentstehenden Kohlendioxid. Mit der auf die Wasserelektrolyse fokussierten Technologieforschung sowie durchdie technoökonomische Bewertung zukünftiger Verkehrslösungen hat das IEK-3 im Berichtszeitraum den technologischenReifegrad der fortschrittlichen Wasserelektrolyse verbessert sowie bahnbrechende Erkenntnissein der Prozesstechnik für die Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen aus H$_{2}$ und CO$_{2}$ erarbeitet sowie einedetaillierte Analyse zum Infrastrukturvergleich der batterie- und brennstoffzellenbasierten Mobilität erstellt. [...]

Microbial Fuel Cells (MFC) are bioelectrochemical systems (BES) where at least one of the two redox reactions is catalysed by a biological component (i.e. a whole bacterial cell, an enzyme or a metabolite). The involvement of biological catalysis differentiates them from chemical fuel cells (CFC). BES represents a technology capable to produce power, but also to poise an environmental site at a given redox potential. Moreover, valuable chemicals can be harvested such as hydrogen, methane, organic compounds, hydrogen peroxide or sodium hydroxide. Plenty of other application possibilities for BES have been reported at the level of ‘proof of principle’. Hence, the challenge is to upgrade BES from the lab-scale level to full-scale application and to demonstrate appropriate opportunities in terms of overall economics. Therefore, it is important to find niches where BES technology has clear cut advantages in terms of overall Life Cycle Assessment (LCA) relative to its competitors to turn BES into a mature technology. This chapter reviews recent advantages and challenges of BES from principals to applications.

A comprehensive and renowned conference offers the opportunity to extend the scope beyond mere technical issues. It allows for having strategic presentations and discussing aspects of market introduction, industrial and Governmental target setting as well as approaches to and actions for implementation. The 18th World Hydrogen Conference 2010, WHEC2010, succeeded in exploiting this opportunity and satisfied the expectations. Strong political support in Germany and in the State of North Rhine Westphalia in particular made it possible to have high profile decision makers at the conference presenting their strategies first hand. Hence, a full day was dedicated to plenary speeches and overview talks. The WHEC2010 came handy at a time when fuel cells are developed to suit the requirements for vehicles, except for cost and durability. At a time when the competition with batteries and whether or how a hydrogen infrastructure can be established and afforded were hot topics in the public debate, which needed answers on a well informed basis. Considering fuel cells and hydrogen at a time at one conference and supplementing it with the current knowledge on batteries and hybridization clarity on the future role of these technologies was gained. Very likely fuel cells and batteries will coexist in a future of electrified vehicular transport. Their different technical characteristics will open the doors to different market segments. Implementing hydrogen infrastructure, being a requirement for fuel cells in transport, is considered doable and affordable. This book presents the speeches and overview papers from the plenary session of the WHEC2010 on May 17, 2010. Six further books of this issue contain the papers of the oral and poster presentations, except for the introductory talks of the sessions. The latter are published separately by Wiley in a book named Hydrogen and Fuel Cells. In total the 18th WHEC is documented on over 3800 pages in a structured way in order to reach the broad spectrum of potential readers. The editors gratefully acknowledge the strong and sustained support of the State of North Rhine Westphalia and the Energie Agentur NRW.

Der Beitrag stellt die Anforderungen an die Energieversorgung durch den Klimawandel und die Möglichkeiten, die Wasserstoff und Brennstoffzellen bieten, mit starkem Fokus auf den Wasserstoff, in Zusammenhang. Die zukünftige Energieversorgung wird nicht nur hinsichtlich der Effizienz, sondern auch hinsichtlich des CO$_{2}$-Ausstoßes zu verändern sein. Die Klimaanalysen der letzten Jahre zeigen, daß der Wandel nicht mehr verhindert werden kann, aber gelindert werden muß, mit dem Ziel die derzeitigen gewachsenen Siedlungs- und Wirtschaftsstrukturen weitestgehend zu erhalten. Der Stern Review zeigt auf, daß das wirtschaftlich notwendig ist, aber auch finanzierbar und insgesamt sogar kosteneffizient ist. Wasserstoff kann dazu als Energieknoten mit einer speicherbaren und sehr sauberen Sekundärenergie beitragen. Wasserstoff kann aus vielen Primärenergieträgern gewonnen werden und für viele Anwendungen genutzt werden. Diese hohe Flexibilität macht Wasserstoff attraktiv; das beschreibt das Wort Energieknoten. Die wesentlichen Elemente zur Bewirtschaftung von Wasserstoff werden dargestellt. Der Beitrag zeigt die Schwierigkeit für die Nutzung auf, die in der geringen Energiedichte der erneuerbaren Energien liegt und weist exemplarisch auf den besonderen Nutzen von Elektrolyse zur Vergleichmäßigung von Windenergie hin. Zur Nutzung fossiler Energie wird exemplarisch die Erzeugung von Wasserstoff aus Kohle mit Kohlendoxidabscheidung als innovative Methode dargestellt. Die beiden Methoden verdeutlichen die Breite des methodischen und primärenergetischen Portfolios zur Wasserstofferzeugung.