Mikrostrukturmodellierung von Elektroden fur die by Bernd Rüger

By Bernd Rüger

Die in den Elektroden von Brennstoffzellen auftretenden Verluste werden von fabric und Mikrostruktur beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit ?ber SOFC-Kathoden erfolgt deren Bewertung aufgrund von Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode. Transportvorg?nge und elektrochemische Reaktionen werden in einer nachgebildeten Mikrostruktur ortsaufgel?st betrachtet. Die Ergebnisse zeigen das capability dieser Mikrostrukturmodellierung und liefern Hinweise f?r weitere Entwicklungsm?glichkeiten.

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Die Grundlagen der in dieser Arbeit verwendeten Finite-Elemente-Methode werden in Unterkapitel drei dargelegt. Im vierten Unterkapitel werden bereits vorhandene Modelle speziell für gemischtleitende Kathoden vorgestellt. 1 Transportphänomene in Elektroden In den Elektroden werden drei verschiedene Spezies transportiert: Ionen und Elektronen im Feststoff, sowie Gasmoleküle in den Poren. Wird beispielsweise die Porosität erhöht, erleichtert dies die Gasdiffusion. Gleichzeitig sinkt jedoch der Feststoffanteil und die Verluste aufgrund des Transports der Ionen und Elektronen steigen an.

Abbildung 16 [49;50]) vereinfacht deren rechnerische Handhabung erheblich. Der Einfluss der Mikrostruktur wird durch einen Parameter  beschrieben. 1) des porösen Materials berechnet werden [51]. Der Parameter  wird oft als Wegverlängerung interpretiert und als Tortuosität oder Umwegfaktor bezeichnet 12 . Die Tortuosität kann Werte zwischen denen für die beiden Extremfälle (Abbildung 15 a) und b)) annehmen, folglich gilt 1   < . Abbildung 16: Effektives Medium anstelle Medium mit komplexer Mikrostruktur [52] Ein Medium mit komplexer Mikrostruktur (rechts S) kann häufig als homogenes Medium (links) mit effektiven Eigenschaften e betrachtet werden.

13) eingesetzt wird. Im FEM-Mikrostrukturmodell für gemischtleitende Kathoden kommen drei verschiedene Typen an Randbedingungen vor:  Dirichlet: Vorgabe des Potentials an der Gegenelektrode  Neumann: Elektrische Isolation zwischen Elektrolyt und Poren  Robin: Kopplungen zwischen den verschiedenen Transportphänomenen (Gasdiffusion  Festkörperdiffusion  ionische Leitung) Insbesondere die Robin-Randbedingungen sind wichtig, da diese die drei Transportphänomene untereinander koppeln. 17) (bzw.

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