Mikrostrukturmodellierung von Elektroden fu r die Festelektrolytbrennstoffzelle

Die in den Elektroden von Brennstoffzellen auftretenden Verluste werden von Material und Mikrostruktur beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit über SOFC-Kathoden erfolgt deren Bewertung aufgrund von Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode. Transportvorgänge und elektrochemische Reaktionen werden in einer nachgebildeten Mikrostruktur ortsaufgelöst betrachtet. Die Ergebnisse zeigen das Potential dieser Mikrostrukturmodellierung und liefern Hinweise für weitere Entwicklungsmöglichkeiten Danksagung......Page 13 Inhaltsverzeichnis......Page 15 Symbolverzeichnis......Page 17 Abkürzungsverzeichnis......Page 20 1 Einleitung......Page 21 2.1 Festelektrolytbrennstoffzelle (SOFC)......Page 25 2.2 Sauerstoffreduktionsreaktion in Kathoden......Page 28 2.3 Gemischtleitende Materialien......Page 31 2.3.1 Materialparameter......Page 32 2.4 Vergleich unterschiedlicher Kathoden......Page 34 2.5 Messtechnik und Auswertung......Page 36 2.5.1 Zur Validierung verwendete Messdaten......Page 39 3 Mikrostrukturmodellierung von Elektroden......Page 43 3.1 Transportphänomene in Elektroden......Page 44 3.1.1 Perkolationstheorie......Page 46 3.1.2 Perkolation in Kugelschüttungen......Page 48 3.2 Modellierung von Elektroden......Page 50 3.2.1 Random-Resistor-Network......Page 51 3.2.2 Finite-Elemente-Methode......Page 52 3.3.1 Variationelle Formulierung......Page 53 3.3.2 Diskretisierung......Page 54 3.3.2.1 Anschauliche Darstellung......Page 55 3.3.3 Numerische Lösung......Page 56 3.4.1 Dichte Kathodenschicht......Page 57 3.4.2 Rotationssymmetrisches 2D-FEM-Modell......Page 59 3.4.3 Betrachtung als homogenes Medium......Page 60 4.1.1 Abbildung der Mikrostruktur......Page 63 4.1.2 Erweiterung der RRN-Modelle......Page 64 4.1.3 Physikalische Vorgänge......Page 65 4.1.4 Finite-Elemente-Methode......Page 66 4.2 Implementierung......Page 67 4.2.2 Rechengitter, Materialverteilung und Berechnung......Page 68 4.3.2 Effektive Leitfähigkeit......Page 70 4.4.1 Gemischtleitende Kathoden......Page 71 4.4.2 Elektronenleitende Kathoden......Page 75 4.5 Materialparameter......Page 77 4.5.1 Gemischtleitende Materialien......Page 79 4.5.1.1 Sauerstoffionengleichgewichtskonzentration......Page 80 4.5.2 Elektronenleitende Kathoden......Page 82 4.5.2.1 LSM (La0,75Sr0,2MnO3-()......Page 83 4.6 Zusammenfassung FEM-Mikrostrukturmodell......Page 84 5.1 Geometrische Kenngrößen......Page 85 5.1.1 Bewertung und Anwendung der geometrischen Kenngrößen......Page 86 5.2.1 Untersuchung zum Rechengitter......Page 87 5.2.2.1 2D-Modell......Page 92 5.2.2.2 Effektive Kontaktfläche......Page 93 5.2.3 Einfluss der Modellgröße......Page 95 5.2.4 High-Performance-Computing (HPC) – Modell......Page 96 5.3 Transportphänomene in Elektroden......Page 97 5.3.1 Perkolationstheorie......Page 98 5.3.2 FEM-Mikrostrukturmodell......Page 100 5.3.3 Vergleich der Modelle......Page 101 5.4 Vorbetrachtungen zum Modell für gemischtleitende Kathoden......Page 102 5.5.1 Gemischtleitende Kathoden......Page 103 5.5.2 LSM-Kathode......Page 107 5.6 Zusammenfassung Analyse FEM-Mikrostrukturmodell......Page 108 6.1.1 Gemischtleitende Kathoden ohne Porosität......Page 111 6.1.2 Gemischtleitende Kathoden mit Porosität......Page 112 6.1.3 Einfluss der Porosität auf ratenbestimmende Prozesse......Page 116 6.1.4 Vergleich mit Modellen aus der Literatur......Page 118 6.1.4.1 Zusammenfassung......Page 123 6.1.5 Stromdichteverteilung in der Kathodenstruktur......Page 124 6.2.1 Kennflächen und Mikrostrukturparameter......Page 127 6.2.2 Einfluss der Porosität......Page 129 6.2.3 Optimierungsansätze für die Kathodendicke......Page 130 6.2.4 Partikelgröße und Kathodendicke......Page 133 6.2.5 Komposit-Elektroden......Page 138 6.2.5.1 Einfluss der Transportprozesse......Page 142 7 Zusammenfassung und Ausblick......Page 143 Abbildungen......Page 147 Tabellen......Page 148 Glossar......Page 149 Veröffentlichungen......Page 151 Tagungsbeiträge......Page 152 Anhang A Berechnung der Tortuosität......Page 155 Anhang B Modelle für Elektroden......Page 159 Anhang C Bestimmung der Dreiphasengrenzlänge mit SPIP......Page 160 Anhang D 3D-Rekonstruktion der Elektrodenstruktur......Page 162 Anhang E FEM-Mikrostrukturmodell......Page 165 Anhang F Gleichungen......Page 173 Anhang G Parameter......Page 174 Literaturverzeichnis......Page 177 Die in den Elektroden von Brennstoffzellen auftretenden Verluste werden von Material und Mikrostruktur beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit über SOFC-Kathoden erfolgt deren Bewertung aufgrund von Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode. Transportvorgänge und elektrochemische Reaktionen werden in einer nachgebildeten Mikrostruktur ortsaufgelöst betrachtet. Die Ergebnisse zeigen das Potential dieser Mikrostrukturmodellierung und liefern Hinweise für weitere Entwicklungsmöglichkeiten