Institut für Digitale Materialforschung

Zur Steigerung der Betriebsdauer von Festoxidbrennstoffzellen ist es erforderlich, das Verständnis der Degradations-Wirkzusammenhänge über die Lebensdauer mittels experimenteller Untersuchungen sowie Simulationen zu vertiefen. Im Projekt WirLebenSOFC sollen die impedanzbasierten Alterungsmodelle aus früheren Projekten (SOFC-Degradation, KerSOLife100) weiterentwickelt und auf Ni/CGO-Anoden in metallgestützten Zellen eingesetzt werden. Einerseits besitzt CGO inhärent ionische und elektronische Leitfähigkeiten unter reduzierten Bedingungen, die auf eine verbesserte elektrochemische Leistung hindeutet, andererseits ist der Degradationsmechanismus von Ni/CGO komplexer als der von Ni/YSZ.
Im Projekt WirLebenSOFC soll die gealterte Anodenmikrostruktur einer SOFC-Brennstoffzelle durch Phasenfeldmodellierung theoretisch vorhergesagt und bestimmt werden. Die Phasenfeldmodellierung soll zur Behandlung von Grenzflächenprozessen im Ni/CGO-System und damit zur Vorhersage der mikrostrukturellen Alterung erweitert werden. In diesem Zusammenhang werden großskalige 3D-Phasenfeldsimulationen über die gesamte Betriebsdauer durchgeführt und durch experimentelle Untersuchungen validiert. Zur Durchführung dieser großskaligen Simulationsstudien der mikrostrukturellen Alterungsprozesse wird ein schneller und effizienter Löser für die Phasenfeldmethode benötigt. Hierzu werden verschiedene Optimierungsansätze unter Ausnutzung der High-Performance-Hardware umgesetzt. Anschließend werden mehrere Simulationen angefertigt, die durch Machine-Learning-Methoden ergänzt werden. Ein abschließender Vergleich mit experimentellen Daten wird im Aufschluss Anhaltspunkte zur mikrostrukturellen Optimierung der Zelle geben und somit einen wichtigen Beitrag zur Optimierung der Gesamtzelle liefern.