Ortsaufgelöste Charakterisierung von Festelektrolyt-Brennstoffzellen
[article]
Patrick Metzger, Universität Stuttgart, Universität Stuttgart
2010
Die Detailprozesse in Festelektrolytbrennstoffzellen (SOFC= Solid Oxide Fuel Cell) werden bis heute nur unzureichend verstanden und sind ausgesprochen zeit- und ortsabhängig. Zur Bestimmung dieser Prozesse wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Messsystem zur ortsauflösenden Charakterisierung von Festelektrolytbrennstoffzellen entwickelt und für Charakterisierungen entlang des Strömungsweges in Brennstoffzellensystemen eingesetzt. Das Ziel dabei war, eine hohe Integration verschiedener
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... technischer Verfahren in einem einzelnen Aufbau zu erreichen, um damit umfassende und verlässliche Aussagen für die Weiterentwicklung von SOFCs und die Kalibrierung von Simulationsmodellen zu erhalten. Das System liefert ortsaufgelöste und integrale Spannungen, Stromdichten, Temperaturen, Gaskonzentrationen an der Anode und Impedanzen an 16 Segmenten (4x4 Matrix) entlang des Brenngasströmungswegs. Die Entwicklung des Messsystems erforderte die Identifikation und Charakterisierung von hochleistungsfähigen Schichten zur Isolation und Gasdichtigkeit. Als geeignete Schicht wurde MgAl2O4 bestimmt. Das metallische Gehäuse setzte außerdem eine hohe räumliche Integration der Messabgriffe voraus. Das gesamte Messsystem wurde einem umfassenden Qualifikations- und Verifikationsprozess unterzogen. Die Impedanzmessung konnte schließlich eine höhere Güte als bei typischen Einzelzellmessungen erzielen. Durch die Zugrundelegung eines Bilanzmodells konnten die Effekte der stromaufwärtsliegenden Segmente auf die folgenden zuverlässig abgebildet werden. Dabei spielt die Bestimmung des Wassergehalts über die offene Zellspannung (OCV = Open Circuit Voltage) eine wichtige Rolle. Auf Basis der Erkenntnisse des Bilanzmodels können die auftretenden Verlustmechanismen in der Zelle ortsabhängig beschrieben werden. Als prinzipielle Verlustmechanismen sind die Kontaktierung, Leckagen, die ohmschen Verluste des Elektrolyts und die Kinetik der elektrochemischen Reaktionen in den Elektroden anzusehen. Die Verlustmechanismen und der damit verbunden Verlus [...]
doi:10.18419/opus-6749
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