HIT-SIM (Hochtemperatur-Simulation)

Umweltstudien weltweit renommierter Institutionen über Energieknappheit und Klimawandel unterstreichen die Verantwortung von Politik und Wissenschaft, sich dieser Thematik offensiv zu stellen. Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC), mit einer Arbeitstemperatur von ca. 750 C bis 1000 C, haben das Potential, hocheffiziente Energiewandler für eine große Vielfalt verschiedener Treibstoffe zu sein. Zur Erreichung höchster Wirkungsgrade und Leistungsdichten, und damit einer zukünftigen Marktrelevanz, ist allerdings neben der Optimierung von Einzelzellen vor allem auch die Gasversorgung und das Temperaturmanagement eines Verbundes mehrerer solcher Energiewandler (Stack) von entscheidender Bedeutung. Mit Hilfe von numerischer Strömungssimulation ist eine Vorhersage des Zellverhaltens in Abhängigkeit von allen kritischen Parametern für eine Vielzahl von unterschiedlichen Randbedingungen möglich. Aufgrund der Komplexität der Fragestellung ist allerdings eine tiefgehende Evaluierung bzw. eine Weiterentwicklung der theoretischen Modelle unerlässlich. Aufgrund der praktikablen Abmessungen, der relativ günstigen Kosten und der Robustheit gegenüber Temperaturschwankungen sind mikro-tubulare SOFCs ausgezeichnet geeignet, die theoretischen Modelle in Abhängigkeit der Gasversorgung und Temperatur zu überprüfen. Durch elektrochemisch erfasste Daten (Strom- Spannungs-Kurven, Impedanzspektroskopie) in Kombination mit der Strömungsvisualisierung durch die Weiterentwicklung eines weltweit einzigartigen Hochtemperatur-Modell-Windtunnels, welcher an der Fachhochschule OÖ (FH OÖ) bereits gebaut und getestet wurde, werden entscheidende Informationen für die Verbesserung aktueller Strömungsmodelle geliefert. Die so unterschiedlich ermittelten Ergebnisse werden essentielle Entscheidungsgrundlagen für den Bau effizienter Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme liefern und damit von größter Bedeutung zur Erreichung der Marktreife sein. Die Kooperation im Rahmen dieses Projekts der FH OÖ mit der University of Rome Tor Vergata und der Dublin City University soll den Grundstein für eine tiefgreifende Zusammenarbeit über viele Jahre legen und weiterführend die Aufnahme von FH-Absolventen als Doktoranten an diesen Universitäten ermöglichen. Die publizierten Ergebnisse aus dieser Arbeit werden sowohl von entscheidender Bedeutung im Bereich der Brennstoffzellenforschung als auch im gesamten Feld der Strömungsmechanik sein.

Umweltstudien weltweit renommierter Institutionen über Energieknappheit und Klimawandel unterstreichen die Verantwortung von Politik und Wissenschaft, sich dieser Thematik offensiv zu stellen. Brennstoffzellen sind hocheffiziente Energiewandler, die zur Lösung unserer Energie- und Klimaprobleme nachhaltig beitragen können. Zur Erreichung höchster Wirkungsgrade und Leistungsdichten, und damit einer zukünftigen Marktrelevanz, ist das genaue Wissen über das interne Verhalten und die beteiligten Prozesse ausschlaggebend. Mit Hilfe von numerischer Strömungssimulation ist eine Vorhersage des Zellverhaltens in Abhängigkeit von allen kritischen Parametern für eine Vielzahl von unterschiedlichen Randbedingungen möglich. Bei der Verwendung kommerziellerund freier Simulationssoftware sind bereits viele Modelle definiert und enthalten, dennoch müssen manche Modelle auf das Problem adaptiert oder erweitert werden. Ebenso muss das Modell in allen physikalischen und chemischen Messwerten mit der Realität abgeglichen werden, wobei erforderliche Daten oft nicht vorhanden sind und daher im Labor ermittelt werden müssen. Mit dem erhaltenen validierten Modell können nun neue Variationen mit sehr guter Genauigkeit vorhergesagt werden. Dieses heute oft eingesetzte Verfahren spart Entwicklungszeit und kosten im Vergleich zum Vermessen von Realaufbauten verschiedener Versuchsvarianten. Dieses Projekt beschäftigte sich mit mikro-tubularen Festoxid Brennstoffzellen die aufgrund ihrer praktikablen Abmessungen, der relativ günstigen Kosten und der Robustheit gegenüber Temperaturschwankungen, sowie einer großen Treibstoffauswahl ausgezeichnet geeignet sind, in portablen und mobilen Anwendungen eingesetzt zu werden. Die hohe Arbeitstemperatur von 600 - 800C sowie die Kopplung von chemischen, elektrischen und physikalischen Prozessen als auch Strömungsmechanik ist eine große Herausforderung in Simulation und Messaufbau. Ein einzigartiger Hochtemperatur- Windtunnel wurde entwickelt und gibt Aufschluss über die Richtigkeit der Vorhersagen des verwendeten Computermodells. Auch dieser Windkanal wurde mit Hilfe der Computersimulation in diesem Projekt entworfen, getestet und anschließend gebaut. Dies ermöglichte den direkten Blick bzw. Zugriff auf die arbeitende Brennstoffzelle, sogar unter Rotglut bei 800C. Mit verschiedenen Messtechnologien wie Infrarot-Thermographie und Impedanzspektroskopie wurden Messwerte aufgezeichnet, verglichen und durch Kombination verbessert. Anhand dieser Messwerte wurde das Computermodell eingehend geprüft, abgeglichen und adaptiert. Das Projekt wurde in internationaler Kooperation zwischen der Fachhochschule OÖ F&E GmbH, der Universität Rom tor Vergata und der Universität Dublin durchgeführt. Im Rahmen des Projektes wurden 14 durch Experten überprüfte internationale und nationale Publikationen veröffentlicht als auch eine Doktorarbeit abgeschlossen.