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Ortsaufgelöste Charakterisierung und modellgestützte Optimierung der planaren SOFC

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Schiller, Günter; Bessler, Wolfgang

2009

Projektbericht - Abschlussbericht

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Beschreibung

Für eine optimale Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen und möglichst geringe Degradation ist eine homogene elektrochemische Aktivität und Temperatur über den gesamten Bereich der Elektroden erwünscht, da eine inhomogene Stromdichte- oder Temperaturverteilung zu einer verringerten Nutzung der Reaktanden oder des Katalysators führt, was sich in einem erniedrigten Wirkungsgrad niederschlägt. Auch die Langzeitstabilität von Zellkomponenten kann durch die ungleichmäßige Verteilung der elektrischen und thermischen Eigenschaften über die Zelle negativ beeinflusst werden. Daher besteht bei den Entwicklern von Brennstoffzellen der starke Wunsch, über entsprechende zu entwickelnde analytische Methoden Informationen über die lokale Verteilung der elektrischen, chemischen und thermischen Eigenschaften zu erhalten, die für eine Verbesserung der Zellen und des Designs genutzt werden können. Im Bereich der Niedertemperatur-Polymermembran-Brennstoffzellen wurden hier vor einigen Jahren umfangreiche Entwicklungen hauptsächlich zur Messung der Stromdichteverteilung begonnen, während es im Bereich der oxidkeramischen Hochtemperaturbrennstoffzelle auf Grund der erhöhten Anforderungen bei den hohen Betriebstemperaturen von 700-1000 °C bisher erst relativ wenige Ansätze für eine ortsaufgelöste Messtechnik gab.

Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist das detaillierte Verständnis der grundlegenden Ursachen, insbesondere der Zusammenhänge von örtlichen Inhomogenitäten mit Betriebsbedingungen, Zellgeometrie und Zellleistung. Hierzu wird in einem integrierten Ansatz insbesondere die Kombination von hochentwickelten experimentellen Methoden mit detaillierten physikalisch-chemischen Modellen und Simulationsrechnungen zum Einsatz gebracht. Die Simulationsrechnungen erlauben die Vorhersage der örtlich verteilten Konzentrationen von Gasphasen-Spezies und Temperatur sowohl in den Gaskanälen als auch innerhalb der porösen Elektroden. Durch das Zusammenspiel von Experiment und Modellierung in einem iterativen Prozess soll ein hinreichend detailliertes Modell erhalten werden, das den komplexen Vorgängen innerhalb der SOFC gerecht wird.