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
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