Identifikation physikalischer reaktionskinetischer Modelle unter Einsatz von Metamodellierung am Beispiel der alkalischen Elektrooxidation von Methanol

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Tanja Clees; Professorin Dr.-Ing. Ulrike Krewer
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268987021

Die quantitative Bestimmung physikalischer Modelle für die Kinetik komplexer (elektro-)chemischer Reaktionen ist essentiell für die Erweiterung des Verständnisses über die während der Reaktion ablaufenden Prozesse und damit für eine gezielte Verbesserung der Kinetik. Gerade bei elektrochemischen Reaktionen ist die qualitative und quantitative Identifikation der einzelnen Prozesse und ihres Zusammenspiels, insbesondere auch mit Abhängigkeit vom angelegten Strom und Potential, eine Herausforderung. In diesem Projekt wird ein neuer Ansatz zur Aufstellung quantitativer, physikalischer Modelle für Reaktionskinetiken entwickelt und auf die Methanoloxidation in alkalischen Direktmethanolbrennstoffzellen (ADMFCs) angewendet.Aufgrund der hohen Energiedichte von Methanol sind ADMFCs attraktive Stromlieferanten für portable und mobile Anwendungen. Die Verwendung alkalischer Festelektrolyte erlaubt den Einsatz unedler Metalle wie z.B. Nickel als Katalysator. ADMFCs auf Basis dieser Festelektrolyte sind noch wenig erforscht und liefern bislang nur einen Bruchteil der Leistung von sauren Methanolbrennstoffzellen. Die langsame alkalische Methanoloxidationskinetik an der Anode der Brennstoffzelle wird als einer der Gründe hierfür gesehen. Die komplexe Interaktion von Mehrphasenstofftransport, Ionentransport, Sorptionsprozessen und verschiedenen elementaren Reaktionschritten macht die Analyse und Identifizierung dieser Reaktionskinetik, insbesondere in porösen, technischen Elektroden, zu einer komplexen Herausforderung. Im Rahmen des Projektes werden Mikro- und Makrokinetik sowie geschwindigkeitsbestimmende Schritte der alkalischen Methanoloxidation auf Basis einer geeigneten Kombination von physikalischen Ansätzen und Metamodellierung identifiziert. Hierbei wird bekanntes Wissen zu den einzelnen Prozessen in Form mathematischer Ansätze und Gleichungen kombiniert mit einer Datenbank an möglichen physikalischen Ansätzen für die Beschreibung weiterer Prozesse und Parameterabhängigkeiten sowie mit Metamodellansätzen zur Extraktion korrekter Abhängigkeiten aus Experimenten. Die Methode wird zunächst auf ein einfaches System ohne Stofftransporteinfluss angewendet, d.h. zur Bestimmung der Mikrokinetik. Realisiert wird dies experimentell mit einer rotierenden Ring-Scheibenelektrode (RRDE) in einer alkalischen Methanollösung. Im zweiten Schritt wird die Makrokinetik an der technischen, porösen Anode einer Brennstoffzelle untersucht. Die für die Modellidentifikation benötigten Messdaten werden durch experimentelle Untersuchungen sowohl auf Ebene der RRDE als auch auf Zellebene erzeugt.Die empirischen Gleichungen der Metamodellierung werden schrittweise durch physikalische Gleichungen ersetzt, wodurch zum Schluss ein vollständig physikalisches Modell zur Beschreibung der Prozesse in der Anode einer ADMFC entsteht. Durch die Analyse dieses Modells wird ein tieferes Verständnis des Reaktionsprozesses erlangt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen