ForschungForschungsbereicheBrennstoffzellen und WasserelektrolyseForschungsprojekte
Experimentelle Bestimmung phänomenologischer Koeffizienten zur Modellierung des Wärme- und Stofftransportes in ionenleitenten Oxidkeramiken

Experimentelle Bestimmung phänomenologischer Koeffizienten zur Modellierung des Wärme- und Stofftransportes in ionenleitenten Oxidkeramiken

Für die Zellentwicklung und Optimierung von Betriebsstrategien ist eine quantitative Beschreibung der auftretenden Transportmechanismen (Wärme-, Stoff- und Ladungstransport) in SOFCs relevant. Durch die sehr begrenzte Möglichkeit, lokale Transportvorgänge in situ zu messen, ist eine Simulation dieser molekularen Transportmechanismen von großer Bedeutung. Ein geeigneter Ansatz zur Beschreibung von Transportmechanismen in Nichtgleichgewichtssystemen ist die Thermodynamik der irreversiblen Prozesse (TiP). Dieser Modellansatz berücksichtigt von vornherein die mögliche Kopplung von Transportvorgängen. In dieser Theorie hängt der Fluss einer extensiven thermodynamischen Zustandsgröße von mehreren treibenden ,,thermodynamischen Kräften“, also Gradienten von intensiven Zustandsgrößen ab. Da die zur TiP-Modellierung notwendigen phänomenologischen Koeffizienten nicht ausreichend bekannt sind, dominieren aktuell bei der Modellbildung von elektrochemischen Systemen die empirischen Ansätze, die zur Beschreibung von Flüssen jeweils nur eine thermodynamische Kraft vorsehen. Der Schwerpunkt dieses Projektes ist daher die Bereitstellung dieser phänomenologischen Koeffizienten für den Elektrolyten, in der hier eine Kopplung zwischen der Wärmestromdichte und der elektrischen Stromdichte vermutet wird (siehe Abb. 1). Aus den korrespondierenden Flüssen und Kräften lässt sich die durch den Transportvorgang bedingte lokale Entropieproduktion ermitteln. Lokale Entropieproduktionsraten können als Verlustmechanismen identifiziert und als Exergieverluste quantifiziert werden. Da diese eine lokale Wärmequelle darstellen, haben diese dissipativen Anteile Einfluss auf das Temperaturfeld.

Unter gewissen Annahmen kann zwischen den phänomenologischen Koeffizienten und den klassischen empirischen Koeffizienten ein Zusammenhang hergestellt werden, so dass die Bestimmung der phänomenologischen Koeffizienten über die experimentelle Bestimmung der empirischen Koeffizienten erfolgt. Die Messung dieser jeweiligen Koeffizienten erfordert zunächst das gezielte Ausschließen aller Kräfte bis auf die eine jeweils betrachtete treibende Kraft. Unter Einhaltung der notwendigen Randbedingungen und der Ausstattung des Instituts (siehe Abb. 2) ist es möglich die Wärmeleitfähigkeit, die Ionenleitfähigkeit und den Peltier-Koeffizienten zu ermitteln.

Zur Überprüfung des Versuchsaufbaus und der Validierung der vorgesehenen Messmethoden werden zunächst die empirischen Transportkoeffizienten und für das hinreichend untersuchte Material 8YSZ bestimmt und mit Daten aus der Literatur verglichen. Nach dieser Validierung sollen die genannten empirischen Koeffizienten im System 10Sc1CeSZ gemessen werden und daraus die Phänomenologischen Koeffizienten abgeleitet werden. Bei dem Elektrolytmaterial 10Sc1CeSZ handelt es sich dabei um ein neuartiges, vielversprechendes Elektrolytmaterial für SOFC und SOEC Anwendungen.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer Festoxidzelle mit relevanten Stoffströmen und Flüssen durch den Elektrolyten
Abbildung 2: Hochtemperaturteststand zur Charakterisierung von SOC's

BEARBEITUNG

M. Sc. Aydan Gedik
Adresse
An der Universität 1
30823 Garbsen
Gebäude
Raum
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