Numerical Investigation of Micro-structural Transport Parameters and Corrosion Modelling of Metallic Supported Solid Oxide Fuel Cells

Titel in Übersetzung: Numerische Untersuchung mikrostruktureller Transportparameter und Korrosionsmodellierung von metallgestützten Hochtemperatur Brennstoffzellen

Georg Reiss

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die Entwicklung metallgestützer Hochtemperatur-Brennstoffzellen (solid oxide fuel cells SOFCs) zeigte eine vergleichbare, aber kostengünstigere Alternative zu herkömmlichen keramischen SOFCs. Die Metallstützschicht verbessert durch ihre Duktilität die mechanischen Eigenschaften der SOFC, birgt aber andere Probleme, die vor einer Vermarktung gelöst werden müssen. Die größte Herausforderung in Bezug auf die Metallstützschicht ist die Korrosion. Die wachsende Oxidschicht füllt das Porenvolumen, wodurch die Gasdiffusion und die Versorgung der Anode mit genügend Brennstoff erschwert wird. Dies scheint ein limitierender Faktor in der Lebensdauer von metallgestützten SOFCs zu sein. Um abschätzen zu können, welchen Einfluss die Korrosion auf den Massentransport hat, wurden Simulationsmodelle auf Mikrostrukturebene entwickelt. Die Metallstützschicht wurde mit Röntgentomographie vermessen und in ein Rechengitter umgewandelt. Dabei wurden auch unterschiedliche Oberflächen (stair-step, geglättet) untersucht und deren Einfluss auf das Simulationsergebnis ermittelt. Zudem wurde ein Algorithmus programmiert, mit dessen Hilfe z.B. die Porositätsverteilung, der mittlere Porendurchmesser oder die Anzahl der Poren bestimmt werden können. Das Korrosionsmodell basiert auf Wagners Theorie und wurde in OpenFOAM implementiert. Damit konnte das Wachstum der Oxidschicht in Abhängigkeit der gemessenen Wachstumsraten ermittelt werden. Die Rechnungen wurden auf den komplexen 3-D Mikrostrukturen ausgeführt. Durch das Oxidwachstum kommt es zu einer Schrumpfung des Metalls, da Cr-Ionen aus dem Metall in das Oxid eingebaut werden. Dieses Zurückziehen wurde als Randbedingung berücksichtigt. Die Änderung des Porenvolumens führt zu einer Verringerung des diffusiven Massentransports. Dieser Effekt wurde durch die Bestimmung der Konzentrationsüberspannung ermittelt und bewertet. Außerdem wurde der effektive Diffusionskoeffizient der Mikrostruktur bestimmt, welcher als wichtiger Modellparameter für Simulationen auf Zell- und Stacklevel verwendet wird. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass periodische Randbedingungen die Genauigkeit der Rechenergebnisse im Vergleich zu den herkömmlich verwendeten Randbedingungen erheblich erhöhen und es somit möglich ist, bessere Ergebnisse auf kleineren Geometrien zu bekommen. Der größte Fortschritt konnte aber mit der neuen Korrosionssimulation erzielt werden, da nun die zeitliche Änderung der Mikrostruktur und deren Einfluss auf die Gasdiffusion ermittelt werden kann. Dadurch ist eine Abschätzung der Degradation der SOFC aufgrund von Korrosion der Metallstützschicht möglich.
Titel in ÜbersetzungNumerische Untersuchung mikrostruktureller Transportparameter und Korrosionsmodellierung von metallgestützten Hochtemperatur Brennstoffzellen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Weiß, Christian, Beurteiler B (intern)
  • Brandstätter, Wilhelm, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2015

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Mikrostruktur
  • Diffusion
  • Modellierung
  • Korrosion
  • SOFC
  • Massentransport
  • Simulation
  • Maxwell-Stefan
  • Dusty-Gas-Model
  • Homogenisierung
  • periodische Randbedingung
  • repräsentatives Volumen
  • Porositätsverteilung
  • Tortuosität

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