Beschreibung von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) mittels mehrskaliger Modellhierarchien
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Projekts war die Erstellung und Lösung eines mathematischen Modells für Teilstapel von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) mit interner Reformierung unter Berücksichtigung ihres mehrskaligen Charakters. Hierzu wurden Detailmodelle der einzelnen Kompartimente des Systems aufgestellt, analysiert und anschließend so weit reduziert, dass sie im Stapelmodell miteinander gekoppelt gelöst werden konnten. Bei den detaillierten Untersuchungen der Anoden- und Kathodenkanäle erwies sich die Reduktion leicht realisierbar, da die Annahme von Kolbenströmung bestätigt wurde. Die detaillierten Simulation zu kleinen Ausschnitten des Reformierungsreaktors hingegen zeigten ein Reaktionsverhalten, das aufgrund der geometrischen Struktur auf Millimeterskala klar von Stoff- und Wärmetransport dominiert wurde. Diese Erkenntnis war die Grundlage für die anschließende, mehrschrittige Reduktion des Reaktormodells, aus der eine Modellhierarchie mit drei Modellen hervorging. Jedes dieser Modelle eignet sich zur Bearbeitung spezifischer Fragestellungen im Rahmen eines Reaktorentwurfs, von der Analyse der Struktur auf Millimeterskala bis hin zur Optimierung von Betriebsbedingungen auf Systemebene. Die Modellhierarchie ist grundsätzlich auch für den Entwurf anderer strukturierter Reaktoren einsetzbar. Damit geht die Anwendbarkeit dieses Ergebnisses deutlich über den Bereich der Brennstoffzellentechnologie hinaus. Die Entwicklung einer ähnlichen Modellhierarchie für Elektroden-Elektrolyt-Einheiten war hingegen nicht erfolgreich. Im Stapelmodell wurde deshalb auf ein verfügbares Modell zur Darstellung des Elektrodenverhaltens zurückgegriffen. Das resultierende Stapelmodell eignet sich für ein breites Spektrum von Anwendungen im Kontext der Brennstoffzellenentwicklung. Es ermöglicht die Analyse örtlich verteilter, schwer messbarer Zustände in heute verfügbaren Brennstoffzellenstapeln, auch über mehrere Zellen hinweg, unter Berücksichtigung der internen Reformierung und unter stationären oder dynamischen Randbedingungen, wie etwa bei Lastwechseln. Zusammen mit der Modellhierarchie des Reformierungsreaktors ist es auch möglich, den Einfluss veränderter oder ganz neuer Strukturen im Reformierungsreaktor auf das Verhalten auf Systemebene vorauszusagen. Damit ist letztendlich eine Optimierung des Systemdesigns aus Reformierungsreaktor und Brennstoffzellen möglich. Somit stellt das Stapelmodell zusammen mit der mehrskaligen Modellhierarchie des Reformierungsreaktors ein leistungsstarkes Werkzeug zur weiteren technischen Entwicklung der MCFC dar.
Publications
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Multiscale simulation of the indirect internal reforming unit (IIR) in a Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Industrial & Engineering Chemistry Research 47, 2008, 4332-4341
M. Pfafferodt, P. Heidebrecht, K. Sundmacher, U. Würtenberger, M. Bednarz
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Stack modeling of a Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Fuel Cells 10, 2010, 619-635
M. Pfafferodt, P. Heidebrecht, K. Sundmacher
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Model Hierarchies for Chemical Process Design (Habilitationsschrift), Fortschrittberichte aus dem Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme, Shaker Verlag, 2011, ISBN 978-3-8440-0638-4
P. Heidebrecht
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Modeling of a Symmetric Molten Carbonate Fuel Cell Stack (Dissertationsschrift), Docupoint Wissenschaft, 2011, ISBN 978-3-86912-049-2
M. Pfafferodt
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Multiscale modeling strategy for structured catalytic reactors, Chemical Engineering Science 66, 2011, 4389-4402
P. Heidebrecht, M. Pfafferodt, K. Sundmacher
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Modeling of Molten Carbonate Fuel Cells, in: D. Stolten, B. Emonts (Eds.), Fuel Cell Science and Engineering, Volume 2, Wiley-VCH, 2012, S. 791-817
P. Heidebrecht, S. Piewek, K. Sundmacher
