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Abstract:
Bislang beschäftigen sich nur wenige Arbeiten mit dem Auftreten nichtlinearer Effekte wie Bistabilitäten oder periodische Lösungen in Brennstoffzellen. Aktuelle Publikationen konzentrieren sich dabei auf Niedertemperaturbrennstoffzellen. Stationäre Mehrdeutigkeiten und Oszillationen in PEM-Brennstoffzellen werden auf die feuchtigkeitsabhängige Leitfähigkeit der Polymermembran (Moxley et al., 2003) und auf katalytische Effekte (Zhang und Datta, 2002) zurückgeführt. Instabilitäten in Hochtemperaturbrennstoffzellen wurden bisher kaum betrachtet. In diesem Beitrag wird gezeigt, dass die temperaturabhängige Leitfähigkeit des Elektrolyten in Hochtemperaturbrennstoffzellen Instabilitäten und lokale Temperaturspitzen auslösen kann. In Hochtemperaturbrennstoffzellen sind Ionentransportprozesse innerhalb des Elektrolyten für den elektrischen Ladungstransport in der Zelle verantwortlich. Im Gegensatz zu einfachen metallischen Leitern nimmt die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten mit wachsender Temperatur zu, da die Mobilität der Ionen ansteigt. Deshalb führt eine lokale Temperaturerhöhung zu einem Anstieg der lokalen Stromdichte. Da die Stromdichte direkt an die Reaktionsgeschwindigkeit der exothermen elektrochemischen Reaktion gekoppelt ist, wird lokal mehr Reaktionswärme frei, die die Temperatur weiter erhöht. Die mit der Temperatur abnehmende Leitfähigkeit führt somit zu einer positiven Rückkopplung. Aus anderen Gebieten der Physik, z.B. aus dem Halbleiterbereich oder von Gasentladungssystemen, ist bekannt, dass ein solcher so genannter negativer differentieller Widerstand Instabilitäten hervorrufen kann. Für Brennstoffzellen wurde dieser Effekt aber unseres Wissens noch von keiner anderen Arbeitsgruppe untersucht. In diesem Beitrag wird die Bildung von Hot Spots in Hochtemperaturbrennstoffzellen anhand von zwei örtlich verteilten Modellen analysiert. Das erste Modell umfasst Energie- und Ladungsbilanzen. Es ist dimensionslos gehalten und dient dazu, Parameterbereiche zu bestimmen, für die mehrfache stationäre Lösungen existieren. Eine detaillierte Bifurkationsanalyse zeigt, dass für große Werteintervalle der Betriebsparameter und physikalischen Modellparameter Mehrdeutigkeiten in den stationären Lösungen auftreten können, die mit der Bildung einer oder mehrerer lokaler Temperaturspitzen verbunden sind. Das zweite Modell ist detaillierter, basiert auf Modellparametern und Reaktionskinetiken aus der Literatur und beschreibt das nichtisotherme Verhalten einer oxidkeramischen Brennstoffzelle (SOFC). Die Analyse dieses Modells bestätigt weitgehend die mit dem einfacheren Modell durchgeführten Untersuchungen. Die hier präsentieren Ergebnisse sind für den sicheren Betrieb von Hochtemperaturbrennstoffzellen relevant. Für die Prozessführung solcher Zellen ist es von zentraler Bedeutung, Übertemperaturen und starke Temperaturgradienten zu vermeiden. Dies kann nur dann zuverlässig geschehen, wenn die Mechanismen, die zu Temperaturspitzen führen, vollständig aufgeklärt und bekannt sind.
