Brennstoffzellen und Elektrolyse

Die AG Brennstoffzellen und Elektrolyse beschäftigt sich mit der elektrochemischen und mikrostrukturellen Charakterisierung und Modellierung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren auf verschiedenen Skalen.

Ziel der experimentellen Untersuchungen ist das Verständnis der in der Zelle ablaufenden Prozesse sowie die Korrelation dieser mit dem Zell- und Stackdesign, mikrostrukturellen Kenngrößen und Betriebsparametern. Im Fokus stehen Tests von Zellen, Wiederholeinheiten und Stacks unter systemnahen Bedingungen wie auch im System selbst. Aktuell liegen die Schwerpunkte bei Hochtemperatur-Festelektrolytzellen für den stationären Einsatz (SOC: Solid Oxide Cell), die sowohl im Brennstoffzellen (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) als auch im Elektrolysemodus (SOEC: Solid Oxide Electrolyzer Cell) betrieben werden können, und bei Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) für den mobilen Einsatz.

Zur messtechnischen Auflösung der in den Zellen ablaufenden Prozesse kommen stationäre (Kennlinien, Langzeittests) und dynamische Messmethoden (Impedanzspektroskopie, NFRA) zum Einsatz. Für weitere Untersuchungen stehen operando Gasanalytik (µGC, MS), strukturelle (XRD), mikroskopische (REM, Licht- und Lasermikroskopie) und tomographische Verfahren (FIB-REM, µCT) zur Verfügung.

Die Modellierung erfolgt auf unterschiedlichen Ebenen – von räumlich aufgelösten 3D-Modellen poröser Elektroden über homogenisierte 0 und 1D Elektroden- und Zellmodelle, 2 und 3D FEM Modelle für Zellen und Stacks bis hin zu Modellen für Brennstoffzellen-Systeme. In der Modellierung steht die experimentell basierte Parametrierung im Zentrum, die Impedanzanalyse über die Verteilungsfunktion der Relaxationszeiten und physikochemische Ersatzschaltbilder liefern Modellstruktur und Modellparameter zur Beschreibung von Transportprozesse und elektrochemische Reaktionen in der Zelle. Die Validierung als essentieller Bestandteil der Modellierung erfolgt über komplementäre Messungen.

Simulationen liefern Informationen über nicht messbare Zustandsgrößen in der Zelle, ermöglichen die Vorhersage des Verhaltens neuer Zell-, Mikrostruktur und Materialdesigns wie auch die Möglichkeit der virtuellen Integration eines neuen Zelltyps in ein System.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. André Weber