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,
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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