IAM - Werkstoffe der Elektrotechnik

Reaktionskinetische Untersuchung von SOFC-Brennstoffzellen

 

Abb. 1: Interne Reformierung und elektrochemische Umsetzung des Wasserstoffs im Anodensubstrat der SOFC

Die nachhaltige und effiziente Energieerzeugung stellt eine der zentralen  Herausforderungen für unsere Gesellschaft dar. Aufgrund der direkten Energieumwandlung und den damit verbundenen hohen Wirkungsgraden kommt der Brennstoffzellentechnologie dabei eine Schlüsselrolle zu. Für stationäre Anwendungen ist insbesondere die Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle SOFC (engl., Solid Oxide Fuel Cell) von großem Interesse. Wegen des hohen Betriebstemperaturbereichs (650-900°C) zeichnet sich diese durch die beste Effizienz aller Brennstoffzelltypen aus (elektr. Wirkungsgrad von 65%). Die hohen Temperaturen und die katalytische Wirkung der Brenngaselektrode (Anode) ermöglichen den Betrieb der SOFC mit kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen, wie Erdgas, Kerosin oder Dieselreformat. Dabei werden die Kohlenwasserstoffe an den Nickelpartikeln des Anodenmaterials intern reformiert (Abb. 1). Aus technischer Sicht wird somit die Umwandlung der chemischen Energie konventioneller Brenngase in elektrische Energie vollständig innerhalb der SOFC-Brennstoffzelle verwirklicht. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist deren Anwendung dadurch zum einen unabhängig von der ausbaufähigen Wasserstoff-Infrastruktur. Zum anderen kann auf eine energie- und kostenintensive externe Reformierung verzichtet werden. Aus den unterschiedlichen Prozessschritten innerhalb der Brennstoffzelle resultiert ein interdisziplinäres Forschungsfeld, in dem Fragestellungen aus Elektrotechnik, Thermodynamik, Materialwissenschaft und Reaktionstechnik aufeinandertreffen.

Abb. 2: Simulationsergebnisse des Reaktionsmodells

Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Modells zur Simulation der Hochtemperaturbrennstoffzelle im Betrieb mit kohlenstoffhaltigen Brenngasen. Speziell im Reformatbetrieb ist die Kenntnis der lokalen Temperaturverteilung äußerst wichtig, da diese sowohl auf die Kinetik, als auch auf das Gleichgewicht der chemischen Reaktionen Einfluss ausübt. Im ersten Schritt der Arbeit soll daher ein FEM-Thermalmodell einer 2D-Zellgeometrie erstellt werden. Dabei müssen sämtliche Mechanismen des Wärmetransportes (Wärmeleitung, konvektiver Transport und Strahlung) mit geeigneten Ansätzen modelliert werden. Über die Kopplung des Thermalmodells mit einem am Institut bestehenden Reaktionsmodell sollen die Wärmequellen bzw. -senken in Folge der Reformierungsreaktionen, der elektrochemischen Umsetzungen und der Verlusten des Ladungstransportes berücksichtigt werden. 

Abb. 3: experimenteller Aufbau zur Validierung des FEM-Modells

Zur experimentellen Validierung des Modells werden Messungen an Prüfständen für Zellen mit einer aktiven Fläche von 16 cm2 durchgeführt (Abb. 3). Die große Zellfläche ermöglicht Temperaturmessungen an drei und die Entnahme des Brenngases an fünf verschiedenen Stellen des Gaskanals. Die Zusammensetzung des Brenngases kann anschließend mittels Gaschromatographie ermittelt werden. Darüber hinaus können die einzelnen Verlustprozesse über die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) voneinander getrennt quantifiziert werden. Im zweiten Schritt sollen hintereinandergeschaltete Zellen (engl., stack) modelliert werden, wie diese in industriellen Anlagen Anwendung finden. Zur experimentellen Validierung dieser Simulationsergebnisse ist die Konstruktion eines neuen Messstandes geplant, der eine segmentierte Temperaturmessung in einer Stackebene ermöglicht.