Projekt SOFC

Thema: Dreidimensionale hochauflösende Modellierung von Hochtemperatur-Brennstoffzellen
Förderung durch: BMBF
Projektlaufzeit: 01.10.1993 - 31.12.1996
Ansprechpartner: Dr. B. Steffen
Partner: Institute for Energy Processing Techniques, Forschungszentrum Jülich
Central Institute for Applied Mathematics, Forschungszentrum Jülich

Zusammenfassung
Die mathematische Modellierung von Hochtemperatur-Brennstoffzellen führt auf ein System partieller Differentialgleichungen mit nichtlinearen Kopplungen. Die einzelnen Gleichungen beschreiben die Temperatur, die Spannung und die Konzentrationen. Aus physikalischen Überlegungen ist klar, das weder Existenz noch Eindeutigkeit der Lösung für beliebige Vorgaben von Betriebsbedingungen und Materialparametern erwartet werden können.

Zur Diskretisierung der auftretenden Feldgleichungen wurde die FIT Methode (Finite Integration Technique) verwandt.
Die diskreten Gleichungen wurden mit einem Full-Multigrid-Verfahren gelöst.

Die auftretenden nichtlinearen Kopplungen wurden überwiegend nur auf dem feinsten Gitter behandelt, nur die Kopplung von Konzentration und Spannung in der elektrochemischen Kinetik wurde teilweise auch in inneren Schleifen berücksichtigt.

Ziel
Ziel des Projektes war es ein Simulationssystem mit benutzerfreundlicher Geometriebeschreibung zu erstellen, welches die effiziente Modellierung von Temperatur, Spannung und Konzentrationen erlaubt.
Das Programm soll der schnellen Prüfung von Konstruktionsideen sowie zur Optimierung der Auslegung dienen.

Status und Ergebnisse
Das Projekt wurde im Zeitplan abgeschlossen.

Zur Diskretisierung der auftretenden Feldgleichungen wurde die FIT Methode (Finite Integration Technique) verwandt. Für die Behandlung der auftretenden Nichtlinearitäten wurden zwei verschiedene Modelle aufgestellt, von denen das eine für den reaktionsdominierten Fall des Normalbetriebs und das andere für den transportbeschränkten Fall geeignet ist.
Um verschiedene Zellgeometrien behandeln zu können, wurde eine interaktive Erzeugung eines unregelmäßigen groben Gitters für die FIT-Diskretisierung vorgesehen.
Die vorliegenden Programme erlauben nun für die SOFC-Brennstoffzelle erstmals die Modellierung des vollen Spektrums der Betriebszustände vom Leerlauf bis zum Kurzschluß für verschiedene Geometrien und Brenngaszusammensetzungen. Zusätzlich sind zwei Varianten entwickelt worden, die für vereinfachte Geometrien die Untersuchung der inneren Reformierung von Methangas erlauben, sowie die Berechnung der Impedanz einer SOFC-Meßzelle mit Referenzelektrode.

Literatur

Hochauflösende Modellierung von SOFC-Brennstoffzellen
Schelthoff, Ch.; Steffen, B. (1995)
Interner Bericht IB-9521, PostScript (1100 kB)
Modellierung und Simulation am Beispiel von Hochtemperatur-Brennstoffzellen
Schelthoff, Ch.; Steffen, B. (1996)
PIK - Praxis der Informationsverarbeitung und Kommunikation 3/96, S.138-141
Hochauflösende Modellierung von SOFC-Brennstoffzellen
Schelthoff, Ch. et al.(1997)
Springer, Sonderband zum Statusseminar der BMBF-Verbundprojekte, S. 105-115 (1997)
Modellierung der SOFC-Brennstoffzelle und die numerische Lösung mit einem adaptiven Full-Multigrid-Verfahren
Schelthoff, Ch. (1997)
Bericht des Forschungszentrums Jülich; Jül-3380, ISSN 0944-2952 (Diss. Universität Gießen 1997)
Hochauflösende Modellierung von SOFC-Brennstoffzellen
Schelthoff, Ch.; Steffen, B.; Weidner, P.; Hoßfeld, F. (1997)
Poster zur BMBF-Statustagung, Oktober 1997

letzte Änderung 14.04.2008 | | Ausdrucken