Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4119
Ackmann, Thorsten
Mikromodellierung einer keramischen Hochtemperaturbrennstoffzelle
III, 130 S., 2004

Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung des Stoff- und Wärmetransports in einer planaren SOFC-Brennstoffeinzelzelle bei einer Betriebstemperatur von 700°C. Dazu zählt eine detaillierte Betrachtung der einzelnen Komponenten Anode, Kathode, bipolare Platte und Gaskanal. Insbesondere eine Untersuchung der Strukturparameter der porösen Anode und Kathode, sowie die Auswirkung der Strukturparameter auf den Gastransport und auf die Zelleistung soll erfolgen. Um die Vorgänge innerhalb der SOFC zu erfassen, muß ein geeignetes Modell gebildet werden, das eine Simulation des Stoff- und Wärmetransports ermöglicht.
In der SOFC-Zelle laufen verschiedene Reaktions- und Stofftransportmechanismen parallel ab, die alle in das Modell implementiert werden müssen. Stofftransport kommt in den Kanälen und in den porösen Elektroden vor. Die Gase strömen über den Elektroden und die einzelnen Komponenten diffundieren in das poröse Medium. Gleichzeitig beeinflussen die Reformierungreaktion und elektrochemische Reaktionen die Vorgänge in der Zelle. Reaktionswärmen, Wärmeleitung, -strahlung und - konvektion fließen in die allgemeine Wärmebilanz ein.
Neu bei dem in dieser Arbeit aufgestellten Modell ist die Betrachtung des Stofftransports in den Elektroden auf der Basis des MTPM. Der Vorteil des MTPM liegt in der strukturparameterabhängigen Beschreibung der Permeation. Diffusionsexperimente, die in einer modifizierten Wicke-Kallenbach-Zelle stattfinden, liefern zusammen mit den Permeationsexperimenten die Strukturparameter für das MTPM. Eine Kombination der Diffusionsversuche mit den Permeationsversuchen bestimmt eindeutige Werte für ψ, und . Als Proben dienen unter anderem Kathodensubstrate, die an der Universität Karlsruhe hergestellt wurden. Die Strukturparameter der Kathodensubstrate weisen einen sehr geringen ψ-Wert auf, der auf eine niedrige durchströmte Porosität schließen läßt. Verglichen mit dem ψ-Wert der Anodensubstrate liegt der Wert der Kathodensubstrate um den Faktor 4 niedriger. Dieses wirkt sich aufden Gastransport innerhalb der Kathode negativ aus.
Die Reformierungsreaktionkinetik basiert auf einem Hougan-Watson-Ansatz, der sich aus Methanumsatzmessungen ableitet, die in vorherigen Arbeiten an Cermets des Forschungszentrum Jülich durchgeführt wurden. Außerdem befinden sich die beteiligten Gase im Shiftgleichgewicht. Der elektrochemische Umsatz und Polarisationsverluste werden ebenfalls erfaßt. Das Modell ist in dem Simulationsprogramm MATLAB und in dem CFD-Programm FLUENT integriert.
Die Analyse des Stofftransports in der Anode ergibt für Anoden- und Kathodensubstratzelle ausreichend hohe Konzentrationen der elektrochemisch aktiven Gase Wasserstoff und Kohlenmonoxid am Elektrolyten. Dagegen weist der Sauerstofftransport in der Kathode unter dem Steg beim Anodensubstratkonzept zu geringe Konzentrationen auf, die sich negativ auf die Zelleistung auswirken. Die Strukturparameter der Kathode basieren auf den Messungen an Kathodensubstraten. Der im Vergleich zur Anode niedrige ψ-Wert führt in Kombination mit der geringen Durchflußfläche in der Kathode der Anodensubstratzelle zu den geringen Sauerstoffkonzentrationen. Allerdings sind ψ-Wert und Porenradius für eine dünne Kathodenschicht aus dem Kathodensubstrat approximiert. Als Anforderung kann durch die Simulationen für die Kathode ein Mindestwert für ψ von 0,35 oder eine Mindestkathodendicke von etwa 500 gm angegeben werden. Eine Kombination aus höherem ψ und dickerer Kathode erscheint sinnvoll, um gute Sauerstoffkonzentrationen zu erhalten. Das ein- und zweidimensionale Programm in MATLAB kann als Tool genutzt werden, mit dem sich für bestimmte Kathodendicken die erforderlichen Strukturparameter berechnen lassen. Diese müssen durch geeignete Herstellbedingungen zum Beispiel durch die Sintertemperatur oder -dauer eingestellt werden. Alternativ läßt sich auch für vorgegebene Strukturparameter die Mindestdicke der Kathode ermitteln. Dreidimensionale Berechnungen der Konzentrationsverteilungen mit dem FLUENT Modell dienen zur Verifikation. Für eine Optimierung des Stofftransports erweisen sie sich jedoch als zu rechenaufwendig.
Die dreidimensionale Simulation läßt sich ebenfalls zur Ermittlung von Temperaturverteilungen einsetzen. Diese können als Grundlage für die Berechnung von Temperaturspannungen dienen, sobald kritische Materialgrößen bei den Betriebsbedingungen bekannt sind. Auch die Strömungsverteilungen müssen dreidimensional berechnet werden, da das zweidimensionale Modell keine Kanalströmung enthält. Zusätzlich besteht die Möglichkeit ein vereinfachtes Stackmodell an die Ergebnisse des Ausschnitts der Einzelzelle anzugleichen. Zusammenfassend ist zu den Ergebnissen der Temperaturverteilungen zu sagen, daß Gradienten in z-Richtung auf Grund der Reaktionen und des Stofftransports relativ gering ausfallen mit bis zu 2,5 K/mm. In x-Richtung weist das Gegenstromkonzept mit 3,9 K/mm höhere Temperaturgradienten als das Gleichstromkonzept mit 1,67 K/mm. Temperaturgradienten von 8 K/mm entstehen, wenn Gas- und Feststofftemperatur große Temperaturunterschiede besitzen. An der Oberfläche des Feststoffs sind die Temperaturunterschiede zwischen Gas und Feststoff am größten und können durch die Temperaturspannungen Risse in den porösen Elektroden verursachen.
Die einzelnen Bausteine Kinetik, Elektrochemie und Stofftransport des Modells lassen sich ebenso wie die Geometrie aktualisieren. Wenn sich die Kinetik zum Beispiel durch den Einsatz eines neuen Cermets ändert, kann in der dazugehörigen Subroutine die Gleichung angepaßt werden.



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Letzte Änderung: 07.06.2022