Numerische Analyse der elektrochemischen - KIT
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Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Adenauerring 20 b 76131 Karlsruhe www.iwe.kit.edu Bachelor- / Studien- / Master- / Diplomarbeit Numerische Analyse der elektrochemischen Übertragungsfunktion von Mischleitern Forschungsbereich Motivation Membranen Materialien mit ionischer und elektronischer Leitfähigkeit, sogenannte Mischleiter, bilden die Basis für elektrische Bauelemente wie Brennstoffzellen (SOFC), Sauerstoffmembranen und Gassensoren. Die damit verbundenen Forschungsarbeiten am IWE zielen auf ein grundlegendes Verständnis der in dieser Materialklasse ablaufenden Transportprozesse des Sauerstoffs, die sich in Prozesse an der Oberfläche und Diffusionsvorgänge im Material selbst zusammensetzen. Wesentlich für den Einsatz als Bauelement sind Untersuchungen unter betriebsnahen Bedingungen (hohe Temperatur und niedriger Sauerstoffpartialdruck). Diese werden am Institut durch Messung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Leitfähigkeit nach dynamischen Änderungen der Umgebungsbedingungen (z. B. Sauerstoffpartialdruck, Temperatur) analysiert und münden in ein Modell (Übertragungsfunktion), womit sich die Performance der Mischleiter für unterschiedliche Anwendungsfälle berechnen lässt. Ausrichtung Experimentell Elektrische Charakterisierung Werkstoffanalytik Entwicklung von Messtechnik Modellierung Simulation Literatur und Recherche Studiengang Elektro- und Informationstechnik Maschinenbau Chemieingenieurwesen Physik Technomathematik Wirtschaftsingenieurwesen Aufgabenstellung Transportprozesse durch die Oberfläche und Diffusionsvorgänge im Material werden durch die Parameter k (surface exchange coefficient) und D (bulk diffusion coefficient) beschrieben. Sehr hohe Transportparameter werden insbesondere in Materialien wie (La,Sr)(Co,Fe)O3 [LSCF] oder (Ba,Sr)(Co,Fe)O3 [BSCF] gefunden. k und D zeigen sich jedoch stark abhängig sowohl von Temperatur als auch Sauerstoffpartialdruck pO2. Einstieg Beide Transportparameter können simultan aus dem Übertragungsverhalten einer dicht gesinterten keramischen Probe mit geeigneter Geometrie bestimmt werden. Hierzu werden die elektrischen Leitwertänderungen der Probe aufgrund einer sprungförmigen pO2-Änderung gemessen und die Transportparameter mittels eines mehrdimensionalen Fits (Lösung der Diffusionsgleichung) ermittelt. Ab sofort Ansprechpartner Dipl.-Phys. Christian Niedrig Raum 330 Tel: 0721 608-48149 E-Mail: [email protected] http://www.iwe.kit.edu Beispielhafter pO2-Sprung mit angefitteter Leitfähigkeitsantwort bei 800 °C (LSCF). Für die anwendungsrelevanten Temperaturbereiche 700 bis 900 °C und Partialdrücke -20 zwischen 10 und 1 bar können derartige Messungen am IWE in einer mehrfach vorhandenen Messapparatur („Sauerstoffpumpe“) durchgeführt werden. Das Ziel der Arbeit ist es, anhand vorhandener Messergebnisse eine numerischer Fitroutine in MatLab auf Basis der der bekannten Diffusionstheorie zu implementieren und zu validieren, die alle wesentlichen Einflussgrößen auf die Bestimmung der Transportparameter berücksichtigt, um eine hohe Genauigkeit der Bestimmung dieser Parameter gewährleisten zu können. Hinweise Wir bieten Ihnen hervorragende Betreuung und die Möglichkeit in einem interdisziplinären Team auf einem zukunftsweisenden Themengebiet mitzuarbeiten. Nähere Auskünfte erhalten Sie jederzeit bei Ihren Ansprechpartner Herrn Niedrig. Prof. Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiffée KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
