Messung phänomenologischer Koeffizienten zur Modellierung des gekoppelten Wärme- und Stofftransportes in ionenleitenden Oxidkeramiken am Beispiel von 10Sc1CeSZ

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Kabelac
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411083236

Dieser Folgeantrag bezieht sich auf ein Gesamtvorhaben, das die Modellierung von oxidkeramischen Brennstoffzellen und Elektrolyseuren auf Basis der phänomenologischen Theorie der irreversiblen Prozesse (TIP) zum Ziel hat. Diese Modellierung zielt auf örtlich aufgelöste Temperatur-Konzentrations- und Potenzialfelder, die dann mit Resultaten aus den herkömmlichen Modellen mit monokausalen Transportansätzen verglichen werden können. Im derzeit laufenden Vorhaben werden die zur Modellierung der gekoppelten Transportprozesse im Elektrolyten einer SOFC notwendigen phänomenologischen Koeffizienten, i. e., die Ionenleitfähigkeit bei konstanter Temperatur, die Wärmeleitfähigkeit bei konstantem elektrochemischen Potenzial sowie den Kopplungskoeffizienten zwischen Ionenfluss und Temperaturgradienten experimentell bestimmt. Mit diesen Koeffizienten konnten erste Modellrechnungen zu Temperatur- und Potenzialprofilen im Elektrolyten einer SOFC unter verschiedenen Lastzuständen auf Basis des TiP-Ansatzes durchgeführt und mit den herkömmlichen Modellansätzen verglichen werden. Da sich bereits bei diesen ersten Vergleichen deutliche Abweichungen in den berechneten Temperaturprofilen normal zu der Elektrodenfläche ergeben haben, die insbesondere auch die örtliche Temperaturverteilung an Anode und Kathode betreffen, soll im Folgevorhaben die TiP-Modellierung zum einen experimentell für eine ganze Zelle validiert werden, zum anderen auf eine oxidkeramische Elektrolysezelle erweitert werden. Zur Berechnung der Temperaturverläufe sind in dem TiP-Modellansatz zusätzlich der Strahlungsenergietransport sowie die elektrochemischen Reaktionen in den Elektroden kathoden- und anodenseitig zu berücksichtigen, die bisher ausgeklammert waren. Durch ausführliche Experimente soll das Modell validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen