Thermomechanisches Verhalten

Thermomechanisches Verhalten
Thermomechanisches Verhalten
Um aus den Komponenten der
Hochtemperaturbrennstoffzelle einen
leistungsfähigen Stack zu fertigen, ist die
Kenntnis des Werkstoffverhaltens aller
Einzelkomponenten und deren
Reduzierte MEA
Zusammenspiel notwendig. Eine optimale
(Anschliff)
Anpassung der
Wärmeausdehnungskoeffizienten (TAK)
SOFC
wird dabei vorausgesetzt. Für die maximal
zulässigen Fügekräfte und
Werkstoffe
Temperaturgradienten im Betrieb sind die
bruchmechanischen Kennwerte der
Langzeitstabilität
Membran-Elektroden-Einheit, dem
Herzstücks der SOFC, von Interesse. EPhysikalische
Modul und Festigkeit sind in Abhängigkeit
Eigenschaften
von Temperatur bestimmt worden. Von
besonderer Bedeutung ist auch das
Publikationen
thermoelastische Verhalten der MEA.
Sowohl beim Fügen als auch bei
IWV-2
Temperaturwechseln können
Gestaltsänderungen auftreten und innere
Spannungen bewirken. Hinzu kommen eine Verformung der Kontaktierungselemente und der
Abdichtung. Das Verhalten der Komponenten und deren Zusammenspiel beim Fügen läßt sich bis zu
Temperaturen von 1000 °C mit Hilfe eines Teleskopmikroskops, einer Prüfmaschine und Modell-Stacks
im Co-Flow Design sehr genau verfolgen (siehe links und oben).
Auf der Basis der Messergebnisse konnte
am IWV-2 ein Modell zum Fügen
entwickelt werden, mit dem die optimalen
Fügeparameter vorhergesagt werden
können.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/werkstoffe/thermo_verhalten.html [30.10.01 09:25:49]
Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
Bei der SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) denkt man vorrangig an ein System zur
Werkstoffe
Elektrochemische
Versuche
Elektrochemische
Grundlagen
stationären Strom- und Wärme-Erzeugung. Das größte in Betrieb befindliche
SOFC-System wurde von der Siemens Westinghouse Power Corporation
gebaut und ist als erdgasbetriebener 100 kW-Generator ausgelegt. Dieses
System enthält rohrförmige Zellen aus heute üblichen Werkstoffen . Aufgrund
der rohrförmigen Konstruktion beträgt die Betriebstemperatur des Systems
950 °C (1742 °F). Diese Temperatur bedingt erhebliche Beschränkungen
bezüglich der für die Anlagenauslegung verwendeten Werkstoffe und macht
es schwierig, für ein SOFC-System ein Kostenziel von 1000 $/kW installierte
Leistung zu erreichen.
Konstruktion
Modellrechnungen
Ein möglicher Weg zur Kostenreduzierung ist die
Herabsetzung der Betriebstemperatur durch
ThermomechanischesVerwendung dünner Elektrolytschichten. Durch
Verhalten
Stackbau
Verfahrenskonzepte
- stationär
Verwendung der Anode als Substrat wird die
mechanische Stabilität der Zellen vom Elektrolyten
auf die Anode übertragen. Dies ermöglicht eine
Verringerung der Elektrodendicke von ~ 150 µm
auf ~ 5 µm. Dies führt zu einer
Brennstoffzellen in Jülich
Brenngaserzeugung
Widerstandsabnahme um mehr als eine
Systemanalyse
Größenordnung über den Elektrolyten. Bei Verwendung von Elektroden mit
optimiertem Mikrogefüge kann die Betriebstemperatur dieser Zellen unter
800 °C (1472 °F) abgesenkt werden. Elektrochemische Versuche zeigen,
dass bei diesen Temperaturen eine Mindestanforderung von 0,2 W/cm2 bei
einer Betriebsspannung von 0,7 V leicht einzuhalten ist. Darüber hinaus
bemüht man sich, die Betriebstemperatur noch weiter abzusenken. Hierfür ist
jedoch neben der Entwicklung von neuen Werkstoffen auch die Untersuchung
der elektrochemischen Grundlagen erforderlich.
Das Forschungszentrum Jülich arbeitet am Bau von SOFC-Stacks unter
Verwendung der Substratzellentechnik. Die Konstruktion dieser Stacks wird
mit Hilfe von Modellrechnungen der Temperaturverteilung, des Gasstroms
und der mechanischen Belastung optimiert. Die für diese Berechnungen
erforderlichen thermomechanischen Daten werden experimentell ermittelt. Da
ein Stack nicht nur aus Einzelzellen, sondern auch aus anderen
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/index.html (1 von 2) [30.10.01 09:26:05]
Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
Komponenten wie Interkonnektorplatten, Kontaktschichten und
Glaskeramikdichtungen besteht, spielt die Werkstoffforschung eine
wesentliche Rolle. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Stackbau.
Ein mittelfristiges Ziel im Forschungszentrum Jülich ist die Konstruktion und
der Bau eines 25 kW-Systems zur Kraft-Wärme-Kopplung mit Erdgas, um die
Machbarkeit einer SOFC auf Anodensubstratbasis aufzuzeigen. Zu diesem
Zweck werden Untersuchungen zur Anlagenbilanzierung eines SOFCSystems durchgeführt. Diese Untersuchungen erstrecken sich jedoch auf
den gesamten Kraftwerkspark und sind nicht beschränkt auf das
vorgenannte 25 kW-System. Der Einsatz von Erdgas erfordert die
Untersuchung der Brenngasaufbereitung, beispielsweise der
Kohlenwasserstoff-Reformierung. Weitere Untersuchungen im
Forschungszentrum Jülich befassen sich mit den sozio-ökonomischen und
Umwelt-Auswirkungen einer Stromerzeugung mit Brennstoffzellen.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/index.html (2 von 2) [30.10.01 09:26:05]
Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
DMFC und PEFC
In jüngster Zeit wurden beträchtliche Fortschritte bei der Entwicklung von
Polymerelektroytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) erreicht. Diese Zellen
benötigen jedoch zum Betrieb Wasserstoff. Die Speicherung von Wasserstoff
erfordert entweder den Umgang mit komprimierten oder tiefkalten,
Methanolreformierung
verflüssigten Gasen.
Membran-Elekroden- Die Verwendung eines bei Raumtemperatur flüssigen Kraftstoffs, z.B.
Einheit
Methanol, bedeutet hier eine beträchtliche Systemvereinfachung. Die
Stackentwicklung
Wasserstofferzeugung mittels eines Methanol-Reformers vor Ort (Prinzip der
Simulation
Indirekt-Methanol-Brennstoffzelle) macht eine sehr komplexe Systemtechnik
erforderlich. Aus diesem Grunde wurde bereits frühzeitig versucht, Methanol
Verfahrensanalyse
direkt in einer sogenannten Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
umzusetzen. Die DMFC bietet die prinzipiellen Vorteile des geringeren
Systemvolumens und -gewichts, des einfacheren Systemdesigns, der
einfacheren Betriebsweise mit schnellerem Ansprechverhalten und besserer
Dynamik sowie geringeren Investitions- und Betriebskosten.
Die im Vergleich zur PEMFC reduzierte Leistungsdichte der DMFC ist zum
einen auf die mangelhafte Kinetik der Methanoloxidation und zum anderen
auf die Methanolpermeation durch die Membran zurückzuführen. Dieses
Wandern von Methanol von der Anoden- zur Kathodenseite führt zu
Brennstoffverlusten und zu einer reduzierten Spannung aufgrund einer
Mischpotentialbildung an der Kathode.
Zur Lösung dieser Schlüsselprobleme wird intensiv an der Entwicklung neuer
Membram-Elektroden-Einheiten gearbeitet. Im IWV werden sowohl die
Einzelkomponenten als auch unterschiedliche Herstellungsverfahren
untersucht. Diese Arbeiten werden durch Simulationsrechnungen unterstützt.
Weiterhin soll durch eine verfahrenstechnische Optimierung eine
Verbesserung der Leistungsdichten erzielt werden. Im Rahmen der
Stackentwicklung werden unterschiedliche Zell- und Stackaufbauten
untersucht und entsprechende, optimale Betriebsbedingungen ermittelt.
Diese Arbeiten werden ebenfalls durch Simulations-rechnungen begleitet.
Zur Planung und Bewertung von Energieumwandlungsanlagen mit
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/dmfc/index.html (1 von 2) [30.10.01 09:28:15]
Die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
Brennstoffzellen ist es erforderlich, Verfahrenskonzepte zu entwickeln und zu
analysieren. Dieses ist Aufgabe der Verfahrensanalyse.
Aktuelle Entwicklungen
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/dmfc/index.html (2 von 2) [30.10.01 09:28:15]
Brenngaserzeugung für Brennstoffzellen
Brenngaserzeugung für Brennstoffzellen
Reformierung
von Erdgas
Die Verfügbarkeit von Wasserstoff bildet die Grundlage für den Einsatz von
Brennstoffzellen in mobilen und stationären Anwendungen. Zur Zeit existiert
allerdings noch keine Infrastruktur für den zukünftigen Energieträger
Wasserstoff. Deshalb besteht die Notwendigkeit, Wasserstoff aus den gut
verfügbaren Energieträgern Erdgas, Benzin oder Diesel zu gewinnen. Unter
dem Begriff Brenngaserzeugung befassen sich die Mitarbeiter des IWV in
Reformierung von
drei verschiedenen Arbeitsbereichen mit dieser Thematik. Prinzipiell gelingt
flüssigen Kraftstoffen
die Wasserstofferzeugung durch die Reformierung von Kohlenwasserstoffen
Gasnachbehandlung oder Alkoholen. Bei diesem Prozess wird der Einsatzstoff entweder nur mit
Wasser oder mit einem Wasser/Luft-Gemisch an einem festen Katalysator
bei hohen Temperaturen in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt.
●
Die Untersuchung der Reformierung von Erdgas ist ein wichtiger
Bestandteil der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der
stationären Nutzung der Brennstoffzellentechnologie unter Verwendung
●
●
der Solid Oxide Fuel Cell (SOFC).
Im Bereich der mobilen Anwendung für den Betrieb einer Polymer
Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) liegt ein zweiter Schwerpunkt
auf der Reformierung von flüssigen Kraftstoffen. Flüssige Kraftstoffe
können Methanol, Diesel oder Benzin sein.
Da das bei der Reformierung entstehende Brenngas in der Regel einen
zu hohen Kohlenmonoxidgehalt für den dauerhaften Betrieb einer PEMBrennstoffzelle aufweist, muss es einer Gasnachbehandlung unterzogen
werden. Dieses Thema bildet den dritten Kernbereich der Forschung
und Entwicklung im IWV innerhalb des Oberbegriffes
Brenngaserzeugung.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/gas_processing/index.html [30.10.01 09:28:23]
Werkstoffe
Werkstoffe
SOFC
FZJ-Substratkonzept
Metallische
Werkstoffe
Keramische
Werkstoffe
Eine Vielfalt von Werkstoffen
kommen in der HochtemperaturBrennstoffzelle (SOFC) zum
Einsatz. Aufgrund der
Betriebstemperatur von mehr als
700°C werden im FZJSubstratkonzept vorzugsweise
warmfeste Stähle, Keramiken und
Gläser verwendet. Je nach
HerstellungsverfahrenFunktion und Anforderungsprofil unterscheiden sich die Komponenten in der
Glaslotentwicklung
Charakterisierung
DMFC / PEFC
Werkstoffwahl. So besteht die Sauerstoff durchlässige Membran der SOFC,
die sogenannte MEA (membrane electrode assembly), aus Keramik (YSZ
und Perowskit) und einem Cermet (Ni-YSZ). Die Interkonnektoren und das
Gehäuse sind aus Metall (ferritischer Stahl) gefertigt. Die Dichtungen
bestehen dagegen aus Glas bzw. Glaskeramik. Anode und Kathode sind mit
metallischen bzw. keramischen Komponenten (Nickelnetze bzw.
Perowskitschichten) kontaktiert.
Die Werkstoffauswahl wird im Hinblick auf physikalische und
werkstoffspezifische Eigenschaften und in Bezug auf Herstellungsaufwand
und Materialkosten getroffen. Um die Leistung und die Qualität der
Brennstoffzellen weiter zu verbessern und um Kosten einzusparen, werden
neue Werkstoffe und Werkstoffkombinationen synthetisiert und neue
Herstellungsverfahren erprobt. Dies schließt sowohl die Fertigung der MEA,
die Aufbereitung von Kontaktierungspasten und die Assemblierung der
Zellen zu einem Stapel als auch dessen Abdichtung ein. Letztere soll mit der
Glaslotentwicklung verbessert werden, deren Hauptaufgabe das Schmelzen
von Gläsern wechselnder Zusammensetzung bildet. Dies soll die
Haftungseigenschaften verbessern und so das Fügen unterschiedlicher
Materialien (Stahl, Keramik) begünstigen. Eine genaue Charakterisierung der
Komponenten im Hinblick auf ihre chemische Langzeitstabilität, die
physikalischen Eigenschaften und das thermomechanische Verhalten bei
den hohen Temperaturen ist dabei unerläßlich. Die Werkstoffauswahl fällt bei
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/werkstoffe/index.html (1 von 2) [30.10.01 09:28:39]
Werkstoffe
der Niedertemperatur-Brennstoffzelle (DMFC/PEFC) aufgrund andersartiger
Betriebsbedingungen auf eine andere Palette von Werkstoffen. Die
Wasserstoff durchlässige Membran besteht hier aus einem Polymer, die
Interkonnektoren und Elektroden können aus Graphit oder Stahl gefertigt
sein.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/werkstoffe/index.html (2 von 2) [30.10.01 09:28:39]
Systeme
Systeme
In dem Komplex "Systeme" werden verschiedene Entwicklungsthemen
beschrieben, die sich mit Gesamtanlagen zur Energieumwandlung auf der Basis
von Brennstoffzellen befassen.
Systemtechnik
Wissenschaftlich-technische Kernkompetenzfelder der Systemtechnik sind die
Konzeptionierung, die Planung, der Aufbau und der Test von Systemen mit
Brennstoffzellen für stationäre und mobile Anwendungen. Im Zentrum der
VerfahrensanalyseArbeiten steht die Vorsorgeforschung für zukünftige nachhaltige
Energiesysteme, die den Ansprüchen einer modernen Gesellschaft nach
Ressourcenschonung, Umweltverträglichkeit, Komfort und Kosten genügen.
Hierzu werden Anlagen und Systeme zur autarken Versorgung mit regenerativer
Systemanalyse
Energie sowie zur Traktion experimentell untersucht, mit verfahrenstechnischen
Modellen beschrieben und in Demonstratoren umgesetzt.
Für eine Planung und Bewertung von Energieumwandlungsanlagen mit
Brennstoffzellen ist es erforderlich, Verfahrenskonzepte zu entwickeln und zu
analysieren. Diese müssen für die mobile wie auch stationäre Anwendung von
Brennstoffzellen konzipiert und insbesondere bei der mobilen Anwendung für
einen dynamischen Betrieb mit Lastwechseln untersucht werden. Dabei ist es
erforderlich, die brennstoffseitigen Randbedingungen zu berücksichtigen und
auch eine vergleichende Verfahrensbewertung unter Berücksichtigung
konkurrierender Energieumwandlungsanlagen durchzuführen
(Verfahrensanalyse).
Die Bedingungen für die Einbindung von Brennstoffzellen in die
Energieversorgungsstrukturen und die Wirkungen der Nutzung im Hinblick auf
Ökonomie und Ökologie sowie ihr Zusammenwirken und der Vergleich mit
anderen Techniken sind Gegenstand der Systemanalyse. Die Erkenntnisse aus
Detailuntersuchungen über die Nutzung in den verschiedenen
Energienachfragesektoren fließen in ganzheitliche, modellgestützte Analysen
ein, die Entscheidungshilfen bei der Ausarbeitung zukunftsorientierter
Entwicklungen geben können.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/systeme/index.html (1 von 2) [30.10.01 09:28:51]
Systeme
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/systeme/index.html (2 von 2) [30.10.01 09:28:51]
Physikalisch-chemische Grundlagen von SOFC
Physikalisch-chemische Grundlagen von SOFC
Für das bessere Verständnis der Struktur vs. Funktionsrelationen von SOFCElektroden, werden am IWV theoretische Modelle entwickelt.
Hierbei wird die poröse Kompositstruktur des
Gemisches aus Katalysator und Elektrolytmaterial
betrachtet. Die Elektroden-Leistungscharakteristik wird
in Relation zur Kinetik der elektrochemischen Reaktion
und zur Brennstoffversorgung (Transport, Adsorption)
sowie zur Produktabführung (Desorption, Transport)
untersucht. Die Resultate werden benutzt, um Rezepte
für optimierte Elektroden (Struktur,
Leistungscharakteristik, Lebensdauer) zu entwickeln.
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/grundlagen.html [30.10.01 09:29:33]
Physikalisch-chemische
Grundlagen von SOFC
Herstellungsverfahren
Herstellungsverfahren
Ausgangsmaterial für keramische Bauteile sind Pulver, die über eine Reihe von
Verfahren hergestellt werden können, wie
Das in Jülich entwickelte Coat-Mix-Verfahren
dient zur Präparation des Anodenmaterials (Nickel/YSZ-Pulver).
●
Festkörperreaktionen: Oxide der gewünschten Elemente werden durch einen
Mahlprozeß rein mechanisch vermengt, es entsteht ein Pulver der gewünschten
Zusammensetzung;
●
chemische Pulverherstellung in flüssiger Phase: Umsetzen von Lösungen von
●
Metallsalzen mit organischen Bindematerialien mit anschließendem
Ausbrennen der organischen Matrix;
chemische Zündreaktionen: Verbrennung konzentrierter Metallnitratlösungen,
●
die leicht verbrennbare organische Bestandteile enthalten (Harnstoff, Glycin).
Fäll- und Kristallisationsprozesse in wässriger Phase: Über die Beeinflussung
von Fällungsgleichgewichten kann eine Mischung gelöster Metallsalze als
●
Pulver ausgefällt werden.
Gefriertrocknung: Hier wird aus einer gefrorenen Lösung das Lösungsmittel im
●
Vakuum abgedampft. Durch den direkten Übergang von der festen in die
gasförmige Phase kann es zu keinen Entmischungserscheinungen kommen.
Sol-Gel-Verfahren: Nach der Herstellung eines Sols (kolloidale Lösung mit
einem in feinster verteilung vorliegenden Stoff) wird dieses durch Koagulation in
ein Gel verwandelt, das nach Trocknung ein Pulver ergibt.
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/werkstoffe/herstellungsverfahren.html (1 von 2) [30.10.01 09:30:21]
Herstellungsverfahren
●
Sprühtrocknung: Dieses Verfahren wird in Jülich zur Herstellung größerer
Pulvermengen verwendet. Dabei wird eine - meist wässrige - Lösung mit den
gewünschten Elementen durch eine Zerstäuberdüse in einen Kessel gesprüht.
Den fein verteilten Tröpfchen strömt in der Trocknungskammer heiße Luft
●
entgegen, die das Wasser verdampfen läßt. Es entsteht ein feines Pulver, das
weiter verarbeitet werden kann.
CVD/EVD-Prozess: In diesem noch relativ teuren und deshalb bisher nur im
experimentellen Stadium verwendeten Verfahren erfolgt eine elektrochemische
Abscheidung an einer Grenzfläche, an der zwei miteinander reagierende Gase
einen Festkörper abscheiden.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/werkstoffe/herstellungsverfahren.html (2 von 2) [30.10.01 09:30:21]
Die Konstruktion von Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC)
Die Konstruktion von Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC)
Die Konstruktion von Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC) beinhaltet ein
planares Stackdesign mit folgenden Randparametern:
●
Externes Manifold
●
Internes Manifold
●
●
●
●
großflächige, ebene Anodensubstratzellen bis in den Abmessungsbereich
von 250 x 250 mm2
metallischer Interkonnektor
Temperaturbereich von 700 °C bis maximal 900 °C
thermische Zyklierfähigkeit bei einer Lebensdauer von 30000 h
Abdichtung mit Glaskeramik und Alternativen
Leistungsbereich einiger kW
Die Konstruktion von Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC)
Bis jetzt sind verschiedene Varianten des externen Manifolds, wie
Keramikgehäuse für hohe Temperatur, Gehäusemantel aus metallischer Folie
und Blockgehäuse ausprobiert worden. Eine Weiterentwicklung stellt ein internes
Manifold mit Glaskeramik oder Flachdichtung dar, sowie anpassungsfähige
Interkonnektoren aus metallischen Folien.
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/konstruktion.html [30.10.01 09:31:03]
Externes Manifold
Externes Manifold
Konstruktion
Externes Manifold
Internes Manifold
Für den Betrieb einer SOFC muß dem
Anodenraum der Brennstoffzellen Brenngas
zugeführt und das nicht vollständig
verbrauchte restliche Abgas abgeführt
werden. Entsprechendes gilt für den
Kathodenraum, d.h. für die Luftseite. Diese
Anforderungen können durch verschiedene
Konstruktionen erfüllt werden. Bei der
Konstruktion "externes Manifold" wird der
Brennstoffzellenstapel, der aus den
planaren Zellen und den ebenfalls planaren
Verbindungselementen - den
Interkonnektoren - besteht, von außen
(extern) bewerkstelligt. Im Prinzip werden
hierbei um den Brennstoffzellenstapel die
Ver- und Entsorgungs-Gassysteme
angegliedert. Der Vorteil ist, dass um einen fertigen Brennstoffzellenstapel das
Gehäuse herum gebaut werden kann. Das Problem ist jedoch, eine zuverlässige
Abdichtung der vielen und verschiedenartigen Fugen zu erreichen. Zusätzlich ist
eine elektrische Isolierung zwischen Stapel und dem äußeren Gehäuse
erforderlich. Für diese Abdichtungen und Isolierungsschichten wird speziell
entwickelte Glaskeramik eingesetzt.
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/exmanifold.html [30.10.01 09:31:10]
Internes Manifold
Internes Manifold
Konstruktion
Externes Manifold
Internes Manifold
Beim internen Manifold werden im Falle
des Anodensubstrates zunächst die
Brennstoffzellen in einen rahmenartigen
Interkonnektor eingegliedert und
abgedichtet. Dies stellt das
Grundelement für den SOFC Stapel
dar. Durch Stapelung der
Grundelemente entsteht der
Gesamtstapel. Bei dieser Stapelung
bilden sich durch entsprechende
Aussparungen im
Brennstoffzellenrahmen die Gasverund Entsorgungsräume. Das
elektrische Potential liegt an den
Interkonnektoren an, die wiederum
elektrisch voneinander isoliert sein müssen. Bei dieser Konstruktion wird die
Abdichtungsproblematik vermindert, da lediglich gleichartige Flachdichtungen
erforderlich sind. Bei diesem Konstruktionsprinzip kann die Abdichtung ebenfalls
aus einer elektrisch isolierenden Glaskeramik bestehen; im weiteren ist jedoch
auch eine Abdichtung mit in der Technik üblichen HochtemperaturFlachdichtungen denkbar.
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/inmanifold.html [30.10.01 09:31:22]
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/modellrechnungen.html
Simulation und Modellierung
Simulationsrechnungen unterstützen und begleiten die oft aufwendigen und
kostspieligen Experimente. Dazu werden mathematische Modelle entwickelt, die
eine möglichst genaue Beschreibung der physikalisch-chemische Prozesse in
der Brennstoffzelle bilden. Wie bei jeder Brennstoffzelle fängt die Beschreibung
Stackmodellierung
bei den elektrochemischen Reaktionen (H2-Oxidation und O2-Reduktion) an, die
Zellmodellierung
Ansprechpartner
Diplom/Doktorarbeiten
an den Grenzflächen zwischen Elektrolyt und Elektrode ablaufen. Weil die
SOFC mit Erdgas(Methan) betrieben wird, müssen chemische Reaktionen wie
die Methan/Wasserdampf-Reformierung und die CO/H2O-Shiftreaktion ebenfalls
berücksichtigt werden. Die Reaktanten (H2, CH4, O2) müssen an die
Veröffentlichungen Reaktionsflächen herangeführt und die Produkte (H2O, CO2) abgeführt werden,
d.h. Gasphasen-(Massen-)transportprozesse kommen hier ins Spiel.
Für die bei hohen Temperaturen
betriebenen SOFC ist der
Wärmehaushalt von wesentlichem
Belang. Eine ungleichmäßige
Temperaturverteilung führt zu
thermischen Spannungen, die den
spröden keramischen Werkstoff
zerstören könnten. Die
elektrochemischen Reaktionen
und der elektrische Strom
produzieren Wärme. Die Wärme sollte gleichmäßig entstehen und/oder verteilt
werden (thermische Leitung) und schnellstens über das Kühlmittel (für die
SOFC ist das die Luft) abgeführt werden. Die Luft nimmt die Wärme über
Konvektion oder Strahlung auf.
Durch gezielte Parametervariationen, z.B. für die Geometrie der Zelle und des
Stacks oder die Strömungsführung (Gleich-, Kreuz- oder Gegenstrom) können
die Simulationsrechnungen (ggf. 3-dimensional oder dynamisch)
Entscheidungshilfe leisten für die Auslegung der Brennstoffzelle.
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/modellrechnungen.html [30.10.01 09:31:48]
Stackmodellierung
Stackmodellierung
Eine nicht zu vernachlässigende Aufgabe der Simulationsrechnungen ist die
Entscheidungshilfe für die Auslegung, d.h. Wahl der Designvariante, der
Brennstoffzelle, weil dadurch aufwendige und kostspielige Experimente
vermieden werden können. Die Simulation eines SOFC-Stacks liefert die
Simulation
Zellmodellierung
●
●
Ansprechpartner
●
Diplom/Doktorarbeiten
●
Strömungsverteilung
Konzentrationsverteilung
Temperaturverteilung
Stromdichteverteilung
Veröffentlichungen Die Temperaturverteilung
kann in einem
komplementären Modell
für die
thermomechanischen
Spannungen eingesetzt
werden, um die
Spannungsverteilung im
Stack zu berechnen. Zusammen mit Experimenten liefern die
Simulationsrechnungen ein tieferes Verständnis für die sehr komplexen
Vorgänge innerhalb des Stacks, das nur aufgrund der Experimente nicht
zugänglich ist.
Das Bild zeigt z.B. die Temperaturverteilung in der Zellebene eines Stacks für
drei unterschiedliche Strömungsführungen. Aufgrund der homogeneren
Temperaturverteilung hat man sich beim Betrieb der SOFC mit interner
Reformierung für eine parallele Strömungsführung (Gleich- oder Gegenstrom)
entschieden.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/stackmodellierung.html [30.10.01 09:31:57]
Zellmodellierung
Zellmodellierung
Um einen tieferen Einblick in die physikochemischen Vorgänge in der SOFC zu
erhalten, wird eine detaillierte zweidimensionale Modellierung der Einzelzelle
mit Methan als Brennstoff durchgeführt. Im Modell wird sowohl das Jülicher
Substratkonzept mit tragender Anode als auch die Variante mit tragender
Simulation
Kathode, die im Rahmen des DFG-Projekts 'Verbundstruktur
Stackmodellierung Dünnschichtelektrolyt/ Kathode' untersucht wird, berücksichtigt. Von
wesentlichem Belang in diesen Elektroden gestützten Zellen sind die
Ansprechpartner
Stofftransportprozesse in den relativ dicken Substraten. Für die Beschreibung
Diplomdes Stofftransportes in den porösen Elektroden wird das Mean Transport Pore
/Doktorarbeiten
Model (MTPM) benutzt.
Veröffentlichungen
Diffusions- und
Permeationsmessungen werden an
Anoden- und Kathodensubstraten
durchgeführt, um die
Transportparameter in Abhängigkeit
von den Mikrostrukturparametern,
wie Porosität und Porendiameter, zu
bestimmen.
Die Methan/Wasserdampf-Reformierung, die bis zu einer bestimmten
Eindringtiefe in der Anode abläuft, hat einen großen Einfluß auf den
Wärmehaushalt in der Zelle und es ist deshalb wichtig, die
Konzentrationsprofile aller Gase in den porösen Elektroden zu berechnen. Aus
den ermittelten Konzentrationen und der Reaktionskinetik lassen sich
außerdem die Temperaturprofile in dem Verbund ermitteln.
Diese Berechnungen sollen helfen, den Einfluss der Mikrostrukturparameter der
Elektrodensubstrate und die Betriebsparameter der SOFC-Einzelzelle besser
zu verstehen und die Zelle hinsichtlich elektrischer Leistung und mechanischer
Stabilität zu optimieren.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/zellmodellierung.html [30.10.01 09:32:03]
Stackbau
Stackbau
Der Stackbau beschäftigt sich mit den vorbereitenden Schritten für
stoffschlüssige Verbindungen zwischen den metallischen Teilen der SOFC
(Gehäuse, Deckel, Interkonnektoren, Endkonnektoren).
●
Pastentechnologie
Stackmontage
●
Diese stoffschlüssigen Verbindungen sollen gasdicht sein; weiterhin
kommt dem Aspekt der elektrischen Isolation zentrale Bedeutung zu weswegen Glaspulver in Pastentechnologie ein entscheidender
Vorbereitungsschritt für den Bau von Hochtemperaturbrennstoffzellen
bilden (SOFC).
Der eigentliche Zusammenbau der Brennstoffzelle (Stackmontage)
beinhaltet das Stapeln von Endkonnektoren, Interkonnektoren und Zellen
im Gehäuse, wobei die elektrische Isolation durch die zuvor aufgebrachten
Glasschichten erzeugt wird.
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/sofc/stackbau.html [30.10.01 09:32:23]
Verfahrenskonzepte - stationär
Verfahrenskonzepte - stationär
Bei den stationären
BrennstoffzellenSystemen werden
vorrangig
SimulationsProgrammsystem
Verfahrensoptimierung
Verfahrenskonzepte
dezentraler Erdgas
betriebener SOFCAnlagen entwickelt und
Prinzip eines SOFC-Kraftwerkes ohne CO2-Emissionen
bewertet. Im
allgemeinen wird dabei so vorgegangen, dass zunächst Anlagenkonzepte
mit aussichtsreichen Wirkungsgraden mit Hilfe eines leistungsfähigen
Simulations-Programmsystems entwickelt werden. Auf dieser Basis kann
dann eine weitere Verfahrensoptimierung mittels Sensitivitätsanalysen
durchgeführt werden. Das Simulations-Programmsystem umfaßt drei
Subsysteme:
●
●
●
Simulation der SOFC mit im FZJ entwickelten SOFC-Modellen (für
planare oder röhrenförmige SOFC-Konzepte)
Simulation der peripheren Anlagenteile mit dem kommerziellen
Anlagen-Simulationsprogramm PRO-II (SIMSCI) unter Integration des
SOFC-Modells
Kalkulation der Stromgestehungskosten auf Basis der
Investitionskosten von Zellenblock (Schätzwerte) und peripheren
Komponenten (Marktpreise).
Ausführliche Sensitivitätsanalysen werden für ein dezentrales 200 kW
SOFC-Blockheizkraftwerk durchgeführt. Unterschiedliche
Verfahrensvarianten, z.B. mit Anodengas- oder Kathodengaskreislauf
werden simuliert. Variationen wesentlicher Stack-Betriebsparameter wie
Luftaufheizspanne, interner Methan-Reformierungsgrad, Zellspannung und
Brennstoffnutzungsgrad führen schließlich zu aussichtsreichen
Anlagenkonzepten. Darüber hinaus werden alternative Kühlkonzepte
entwickelt.
Bei größeren SOFC-Anlagen eröffnen sich weitere vorteilhafte
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/systeme/verfahren_stationaer.html (1 von 2) [30.10.01 09:35:07]
Verfahrenskonzepte - stationär
Möglichkeiten. Das Bild zeigt ein Basis-Verfahrenskonzept eines SOFCKraftwerkes mit nachfolgender Untertage-Deponierung des CO2. Um CO2
mit vertretbarem Kompressionsaufwand verflüssigen zu können, darf keine
nennenswerte Beimischung an Luftstickstoff vorhanden sein. Dies würde bei
konventionellen fossil befeuerten Kraftwerken eine aufwendige CO2Abtrennung aus dem Abgas erforderlich machen. Die FestoxidBrennstoffzellen dagegen zeichnen sich durch die bemerkenswerte
Eigenschaft aus, dass gleichzeitig mit der elektrochemischen
Energieumwandlung eine Trennung von Luftstickstoff und Oxidant/CO2
erfolgt. Ein geringer Mehraufwand ist lediglich bei der Nachverbrennung mit
reinem Sauerstoff zu leisten.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/systeme/verfahren_stationaer.html (2 von 2) [30.10.01 09:35:07]
Systemanalyse
Systemanalyse
Ziel der systemanalytischen Arbeiten in der Programmgruppe
Systemforschung und Technologische Entwicklung (STE) zum
Themenkomplex "Brennstoffzelle" ist es herauszufinden, ob Brennstoffzellen
die an neue Energieumwandlungstechniken zu stellenden Anforderungen
Prozesskettenanalyse bezüglich hoher Effizienz, geringer Umweltbelastung und
Ressourceninanspruchnahme sowie guter Wirtschaftlichkeit und
Sekundärenergie trägererzeugung
Haushalte
Kleinverbraucher
Industrie
Verkehr
Nachhaltigkeit erfüllen, um Bestandteil zukünftiger
Energieversorgungssysteme werden zu können.
Die Bilanzierung der mit den Herstellungsprozessen (Prozesskettenanalyse)
und der Nutzung von Brennstoffzellen verbundenen Stoff- und
Energieströme ermöglicht in der Gegenüberstellung mit anderen Techniken
die Einschätzung der mit Brennstoffzellen verbundenen Umweltbelastungen.
Versorgungsstrategien
Internationale Projekte
Die Eignung bestimmter Brennstoffzellentypen für die
Sekundärenergieträgererzeugung oder den Einsatz in den
Energienachfragesektoren Haushalte, Kleinverbraucher, Industrie und
Verkehr wird unter Berücksichtigung typischer Entscheidungskriterien in
objektorientierten Untersuchungen analysiert.
Die gewonnenen Erkenntnisse finden Eingang in die modellgestützte
Entwicklung nationaler Versorgungsstrategien, mit denen Einsatzpotenziale
abgeschätzt und flexible sowie robuste Einsatzstrategien entwickelt werden
können, bei strikter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer
Randbedingungen.
Sie sind zudem Beitrag zu internationalen Projekten, in denen
länderspezifische Besonderheiten/Unterschiede ein zusätzliches
Beurteilungs- und Entscheidungskriterium darstellen.
oben
http://www.fuelcells.de/entwicklungsthemen/systeme/systemanalyse.html [30.10.01 09:35:23]