Modellierung, Simulation und Optimierung der Mikrostruktur mischleitender SOFC-Kathoden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Ellen Ivers-Tiffée; Professor Dr. Rolf Rannacher
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 158421405

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die beiden Projektpartner konnten das Verständnis über mischleitende SOFC Kathoden erheblich vorantreiben. Dazu wurden einerseits Methoden entwickelt, um die Mikrostruktur realer Kathoden mit Hilfe einer kombinierten Focussed Ion Beam (FIB) / Rasterelektronenmikroskop (REM) Anlage adäquat zu rekonstruieren, quantifizieren und somit eine Bewertung der Mikrostruktur zu ermöglichen. Des Weiteren wurde ein präzises dreidimensionales FEM (Finite Elemente Methode)-Modell, welches alle relevanten Transportprozesse und Reaktionen in einer porösen, mischleitenden Kathodenstruktur abbildet, entwickelt. Das Modell ermöglicht es, den Polarisationswiderstand für beliebige Mikrostrukturen (auch direkt aus den rekonstruierten Mikrostrukturdaten) zu berechnen, die räumliche Verteilung der Sauerstoffreduktion in der dreidimensionalen Struktur zu analysieren und daraus die Ursachen für die bei der Sauerstoffreduktion auftretenden Verluste abzuleiten. Erstmals wurde damit die Vorhersage der Leistungsfähigkeit und Stabilität von Kathoden mit „beliebiger“ Mikrostruktur möglich. Weiterhin wurde ein stochastischer Mikrostrukturgenerator entwickelt, der es ermöglicht, gezielt realitätsnahe „künstliche“ Mikrostrukturen mit gewünschten mikrostrukturellen Eigenschaften zu erstellen, die ebenfalls mittels 3D-FEM-Modell der Simulation zugänglich gemacht werden können. Damit ist es möglich, „günstige“ mikrostrukturelle Eigenschaften zu identifizieren. Das gewonnene Verständnis der in der Kathode ablaufenden Prozesse und deren Beeinflussung durch die Mikrostruktur ermöglichen den Entwurf optimaler Kathodenstrukturen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Reconstruction of porous electrodes by FIB/SEM for detailed microstructure modeling", J. Power Sources 196, pp. 7302-7307 (2011)
  J. Joos, T. Carraro, A. Weber and E. Ivers-Tiffée
  
• “Reducing Error and Measurement Time in Impedance Spectroscopy using Model Based Optimal Experimental Design”, Electrochimica Acta 56 (15), pp. 5416-5434 (2011)
  F. Ciucci, T. Carraro, W. C. Chueh and W. Lai
  
• "3D finite element model for reconstructed mixed-conducting cathodes: I. Performance quantification", Electrochimica Acta 77, pp. 315-323 (2012)
  T. Carraro, J. Joos, B. Rüger, A. Weber and E. Ivers-Tiffée
  
• "3D finite element model for reconstructed mixed-conducting cathodes: II. Parameter sensitivity analysis", Electrochimica Acta 77, pp. 309-314 (2012)
  T. Carraro, J. Joos, B. Rüger, A. Weber and E. Ivers-Tiffée
  
• "Quantitative Characterization of LiFePO4 Cathodes Reconstructed by FIB/SEM Tomography", J. Electrochem. Soc. 159, pp. A972-A980 (2012)
  M. Ender, J. Joos, T. Carraro and E. Ivers-Tiffée
  
• "Representative volume element size for accurate solid oxide fuel cell cathode reconstructions from focused ion beam tomography data", Electrochimica Acta 82, pp. 268-276 (2012)
  J. Joos, M. Ender, T. Carraro, A. Weber and E. Ivers-Tiffée
  
• "Parameter Estimation for a Reconstructed SOFC Mixed-Conducting LSCF-Cathode", in H. G. Bock, T. Carraro, W. Jäger, S. Körkel, R. Rannacher, and J. P. Schlöder (Eds.), Model Based Parameter Estimation. Theory and applications, Heidelberg: Springer, pp. 267-285 (2013)
  T. Carraro and J. Joos
  
• "Time-Dependent 3D Impedance Model of Mixed-Conducting Solid Oxide Fuel Cell Cathodes", J. Electrochem. Soc. 160 (8), pp. F867-F876 (2013)
  A. Häffelin, J. Joos, M. Ender, A. Weber and E. Ivers-Tiffée
  
• “Pressure jump interface law for the Stokes-Darcy coupling: Confirmation by direct numerical simulations”, J. of Fluid Mechanics 732, pp. 510-536 (2013)
  T. Carraro, C. Goll, A. Marciniak-Czochra and A. Mikelic
  
• "Anode microstructures from high-energy and high-power lithium-ion cylindrical cells obtained by X-ray nano-tomography", J. Power Sources 269, pp. 912-919 (2014)
  M. Ender, J. Joos, A. Weber and E. Ivers-Tiffée
  
• "Quantification of Double-Layer Ni/YSZ Fuel Cell Anodes from Focused Ion Beam Tomography Data", J. of Power Sources 246, pp. 819-830 (2014)
  J. Joos, M. Ender, I. Rotscholl, N. Menzler and E. Ivers-Tiffée
  
• "The chemical oxygen surface exchange and bulk diffusion coefficient determined by impedance spectroscopy of porous La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-5 (LSCF) cathodes", Solid State Ionics 269, pp. 67-79 (2015)
  C. Endler-Schuck, J. Joos, C. Niedrig, A. Weber and E. Ivers-Tiffée