IAM - Werkstoffe der Elektrotechnik

Festelektrolyt-Brennstoffzelle: Modellierung und Simulation

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Bild 1: Funktionsprinzip einer SOFC

Eine Brennstoffzelle (BSZ) wandelt chemische Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische Energie um. Dabei entfällt der bei konventionellen Kraftwerken notwendige Umweg über thermische und mechanische Energie, sowie die Beschränkung durch den Carnot-Wirkungsgrad. Der Vorsprung an Effizienz macht die BSZ zu einer Zukunftstechnologie für die ressourcenschonende und wirtschaftliche Erzeugung elektrischer Energie.
Unter den verschiedenen BSZ-Typen gilt die Festelektrolyt-BSZ (SOFC) als die Flexibelste. Anwendungen der SOFC stehen in Konkurrenz zu bereits etablierten Technologien. Um diese auf Dauer zu verdrängen, ist es notwendig, die bisher erreichte Leistungsfähigkeit noch weiter zu steigern

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Bild 2: links: REM Bild einer porösen Kathode, rechts: 3D FEM-Modell
Die Leistungsfähigkeit einer SOFC wird überwiegend durch die Polarisationswiderstän-de der beiden Elektroden bestimmt, wofür die Materialzu-sammensetzung und die Mikrostruktureigenschaften verantwortlich sind. In diesem Projekt sollen die Wechselwirkungen zwischen Mikrostruktur und Polarisations-widerstand in den Elektroden detailliert untersucht werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der modellbasierten Simulation und Optimierung der Mikrostruktur der Elektrode. Am IAM-WET wurde bereits ein drei-dimensionales Finite Elemente Methode (FEM) Mikrostruktur-modell für Elektroden entwickelt und in der Software COMSOL Multiphysics umgesetzt. Das Mo-dell berechnet, basierend auf einer nachgebildeten Mikrostruk-tur und den Materialparametern, die Leistungsfähigkeit der Elek-trode. Im Modell können nur Elek-trodenstrukturen berücksichtigt werden, welche aus gleich großen Partikeln aufgebaut sind.
Ein Bestandteil dieses Projekts ist die Weiterentwicklung dieses Modells. Insbesondere soll die Mikrostruktur der Elektrode im Modell realistischer wiedergegeben werden. Eine Möglichkeit um detaillierte Mikrostrukturen für die Modellierung zu gewinnen, ist die Verwendung einer „cross beam“ FIB/REM-Anlage (Focused Ion Beam kombiniert mit Rasterelektronenmikroskop).
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Bild 3: 3D-Rekonstruktion einer Kathode unter Verwendung einer FIB/REM-Anlage
 Mittels FIB/REM-Technik werden planparallele Bilder einer Elektrode ezeugt, welche in einem softwaregestützten Segmentierungsprozess zu einer hoch aufgelösten 3D-Rekonstruktion einer realen Elektrode verarbeitet werden. Derzeit ist keine kommerzielle Software in der Lage solch eine 3D-Rekonstruktion direkt der Simulation zugänglich zu machen. Deshalb wird in Kooperation mit dem Institut für Angewandte Mathematik der Universität Heidelberg eine eigene Software (ParCell3D) erstellt. Diese auf dem 3D FEM-Modell basierende Software verwendet Techniken des Hochleistungsrechnens, was es ermöglicht komplexe Strukturen parallel und hoch effizient auf einem Hochleistungsrechner zu simulieren. Die detaillierte Berücksichtigung der realen Mikrostruktur ermöglicht neben einer qualitativen auch eine quantitative Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Mikrostruktur und Leistungsfähigkeit. Die gewonnenen Erkenntnisse können verwendet werden um die Mikrostruktur der Elektrode zu optimieren und somit die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu erhöhen.