Multiphysikalische Modellierung von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion direkt in elektrische Energie um, diese Verfahren sind im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Energieerzeugungseinrichtungen effizienter. Die Technische Universität Dänemark entwickelt SOFC, die aus dünnen Schichten von Hochleistungskeramik (und für bestimmte Arten, auch Metallen) besteht.

Die durchgeführten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten reichen von Grundlagenuntersuchungen von Materialien und deren strukturellen Eigenschaften bis hin zur Herstellung von kompletten Zellen. Das durch die EU geförderte Marie-Curie-Projekt CFDSOFC (Multi-scale computational fluid dynamics modelling and optimisation of the state-of-the-art solid oxide fuel cells) zielte darauf ab, die elektrochemische Leistung im Detail zu untersuchen. Die Bemühungen des Stipendiaten wurden auf die technischen Probleme bei der Kommerzialisierung der Technologie gelenkt.

Ein 3D-Modell wurde formuliert, um ein besseres Verständnis des Betriebs von SOFC auf der Grundlage einer detaillierten Beschreibung ihrer Geometrie zu erlangen. Die elektrochemischen Reaktionen und Transportphänomene wurden unter Verwendung von so genannten "Quell-Begriffen" in den Grundgleichungen für Wärme, Masse, Impuls, Ionen- und Elektronentransport beschrieben.

Durch Anwendung geeigneter Randbedingungen wurden diese Erhaltungsgleichungen mit einer multiphysikalischen Software gelöst. Die multiphysikalischen Modellierungssoftware COMSOL kam insbesondere zum Einsatz, um die Gleichungen mithilfe der rechnergestützten Fluiddynamik für Wärmeübertragung und Elektromodule zu lösen.

Das CFDSOFC-Modell wurde gegen experimentelle Messungen der Gefügeeigenschaften, die für die Lebensdauer der Zellen von Bedeutung sind, validiert. Der nächste Schritt war, die Parameter für die gewählten Benchmarkfälle abzuleiten und die optimale Ausführung für die SOFC zu erhalten.

Die Technische Universität Dänemark besitzt eine lange Tradition einer engen Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten auf der ganzen Welt. Nach Abschluss des CFDSOFC-Projekts, wenn der Marie-Curie-Stipendiat an die Universität Bolu in der Türkei zurückgekehrt sein wird, soll die Zusammenarbeit in künftigen Forschungsprogrammen fortgesetzt werden.