04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access The lithium-sulfur battery : design, characterization, and physically-based modeling(2015) Fronczek, David Norman; Bessler, Wolfgang G. (Prof. Dr.)The lithium-sulfur (Li/S) battery is a promising candidate for next-generation electrochemical energy storage. Its unique combination of electrochemical performance, cost effectiveness, and environmental sustainability are unprecedented among battery materials. As of today, however, Li/S batteries are only used for few niche applications; a broader adoption of this technology is impeded by the yet unsatisfactory energy efficiency, self discharge, and limited lifetime. This work contributes to the advancement of Li/S technology in two respects: First, a novel kind of positive electrode, based on coated lithium sulfide, was prepared, tested and optimized. Second, the understanding of the complex chemical and physical processes in the cell was improved by creating and utilizing a computational model of the Li/S battery. For the experimental part of this work, a chemical vapor deposition process was developed to apply a carbon coating to lithium sulfide particles. The focus of this work was on the optimization of the process chain from commercially available chemicals to the final coin cell in general and on the characterization of the materials and electrodes during various processing steps in particular. For the modeling part, an existing multiscale electrochemical modeling framework was extended to enable full-cell simulations of Li/S batteries. The model includes a detailed description of electrochemistry, transport, and the evolution of solid phases in the cell, but also accounts for the electrical double layer and, in a generic fashion, the microstructure of the electrodes. Finally, a phenomenological description of the shuttle effect and associated cell degradation was implemented and analyzed. The parametrization and partial validation of the model makes use of original data collected for this purpose, but also data from literature. Simulation results comprise charge/discharge profiles, cyclic voltammetry, impedance spectra, and the evolution of the chemical composition of both the electrolyte and the electrodes over time. The analysis of these results reveals limiting factors and suggests improved operating conditions. The apt combination of theoretical and empirical methods enabled an improvement of the performance and cycle life of the novel cathode material, but also contributed to a more profound understanding of the Li/S battery.Item Open Access Experimentelle Untersuchungen und regelungstechnische Optimierung einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine in Kombination mit einem solar angetriebenen Kühlsystem mit Eisspeicher(2012) Zetzsche, Marco; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing.habil.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit messtechnischen Untersuchungen an einer Ammoniak/Wasser-Absorptionskältemaschine und deren Verwendung zur solaren Kühlung. Dafür wurde die Absorptionskältemaschine thermodynamisch analysiert und eine angepasste Regelstrategie entwickelt. Zur Regelung wurden zwei verschiedene Bauformen von Expansionsventilen untersucht. Die Kältemaschine kann aufgrund der umfangreichen Wärmerückgewinnung in einem großen Verdampfungstemperaturbereich arbeiten. Es wurde ein System zur solaren Kühlung von fünf Büroräumen des Institutsgebäudes aufgebaut. Das System besitzt einen großen Neuheitscharakter, da ein Eisspeicher für die Speicherung von Kälteenergie verwendet wird. Der Eisspeicher bietet den Vorteil, dass auch bei fehlender Antriebsleistung der Absorptionskältemaschine die Raumkühlung über längere Zeiten erfolgen kann. Gleichzeitig ist der Speicher kompakt und hat ein geringes Gesamtvolumen. Die gesamte Anlage ist in der Lage schnell zwischen den Betriebspunkten Eisspeicherbeladung und -entladung sowie Raumkühlung umzuschalten und auf diese Weise den Kühlkomfort im Raum dauerhaft zu gewährleisten.Item Open Access Entwicklung einer direkt solarthermisch angetriebenen Diffusions-Absorptionskältemaschine(2016) Schmid, Fabian; Spindler, Klaus (apl. Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird die technische Machbarkeit eines direkt durch die Sonne angetriebenen Diffusions-Absorptionskälteprozesses nachgewiesen. Der Austreiber, der direkt in einen doppelt verglasten Flachkollektor integriert ist, stellt das zentrale Bauteil dieser Kältemaschine dar. Er ist gleichzeitig die Thermosiphonpumpe des Kälteprozesses. Üblicherweise wird diese im unteren Bereich des Rohres von Heizbändern mit einer hohen Wärmestromdichte beheizt. In einem kombinierten Kollektoraustreiber limitieren die Solarstrahlung und der Kollektorwirkungsgrad die maximale Wärmestromdichte. Zusätzlich muss die Thermosiphonpumpe aufgrund der Kollektorneigung entlang einer geneigten Ebene fördern. Diese Randbedingungen erfordern umfangreiche Untersuchungen zum Förderverhalten der Thermosiphonpumpe. Neben der Thermosiphonpumpe ist der Hilfsgaskreislauf, sowohl für die Kälteleistung als auch für den Wirkungsgrad des Diffusions-Absorptionskälteprozesses, von besonderer Bedeutung. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die detaillierte Untersuchung des Hilfsgaskreislaufs. Mittels Clamp-On-Ultraschallsensoren gelingt es erstmalig den Ammoniakmolanteil sowie den Gasvolumenstrom kontinuierlich und ohne Eingriffe in den Prozess zu erfassen. Ein magnetgekoppelter Edelstahlpropeller ermöglicht, statt der üblichen Naturzirkulation, eine Zwangsumwälzung des Hilfsgaskreislaufs. Somit kann der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Stoffübertragung im Absorber und Verdunster nachgewiesen und bewertet werden. Mit den Messergebnissen wird ein neu erstelltes Simulationsmodell, welches die Stoffübertragung im Hilfsgaskreislauf abbildet, validiert. Aufbauend auf den Messergebnissen einer elektrisch beheizten Diffusions-Absorptionskältemaschine, den Förderversuchen der Thermosiphonpumpe und der Vermessung des Kollektoraustreibers im Sonnensimulator wird schlussendlich eine solarthermisch angetriebene Diffusions-Absorptionskältemaschine ausgelegt und aufgebaut. Durch einen anschließenden, erfolgreichen Test in einem Freiluftprüfstand wird die Funktionsfähigkeit des Anlagenkonzepts nachgewiesen.Item Open Access Die Wirkung staatlicher Fördermaßnahmen auf die Innovationsdynamik im Bereich der erneuerbaren Energien : eine Analyse der deutschen PV-Branche auf Basis eines agentenbasierten Simulationsmodells(2012) Roloff, Nils; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)Der zu erwartende Anstieg des Weltenergiebedarfs macht angesichts der Klimaproblematik und der begrenzten fossilen Ressourcen eine Umgestaltung der Energiesysteme dringend notwendig. Die erneuerbaren Energien sind jedoch noch nicht in der Lage, eine zuverlässige und kostengünstige Energieversorgung zu gewährleisten. Die technologische Weiterentwicklung der regenerativen Energien sowie eine effektive Gestaltung geeigneter Förderstrategien sind daher zentrale Herausforderungen, denen Industrie und Politik gegenüberstehen. In Anbetracht der steigenden Nachfrage nach innovativen Lösungen und den daraus resultierenden Exportchancen spielen hierbei nicht nur Aspekte des Klimaschutzes, sondern auch industriepolitische Motive eine wichtige Rolle. Hinsichtlich der grundsätzlichen Frage der Technologieförderung, ob Innovationsprozesse durch „Technology-Push“- oder durch „Market-Pull“-Faktoren ausgelöst werden, besteht in der Innovationsforschung zwar Konsens darüber, dass beide Arten von Einflussgrößen von Bedeutung sind. Dennoch existiert in Bezug auf die Frage, welche Faktoren die Wirkung staatlicher Förderinstrumente beeinflussen und welche Effekte durch Interdependenzen zwischen verschiedenen Fördermaßnahmen hervorgerufen werden können, noch Forschungsbedarf. So werden insbesondere die Wirkungsweise und die Effektivität nachfrageorientierter Förderinstrumente nach wie vor kontrovers diskutiert. Um ein besseres Verständnis der Komplexität von Innovationsprozessen zu erhalten und die Einflüsse staatlicher Maßnahmen systematisch untersuchen zu können, wurde in dieser Arbeit ein agentenbasiertes Simulationsmodell entwickelt, auf Basis dessen sich die historische Entwicklung der deutschen Fotovoltaikbranche analysieren lässt. Hierbei bietet sich die Fotovoltaiktechnologie (kurz: PV) zum einen deshalb an, weil sie schon seit Anfang der 1960er Jahre gefördert wird. Zum anderen wurden und werden nicht allein Maßnahmen zur Forschungsförderung, sondern auch nachfrageorientierte Förderprogramme, z. B. das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG), eingesetzt. Die agentenbasierten Modellierung zeichnet sich dadurch aus, dass komplexe Zusammenhänge ausgehend von den Interaktionen einzelner, autonomer Akteure abgebildet werden. Daher lassen sich die dynamischen Wechselwirkungen zwischen der Mikroebene des Akteursverhaltens und der Makroebene des Innovations- und Marktgeschehens unmittelbar analysieren. Außerdem erlaubt die agentenbasierte Modellierung die Abkehr von Modellen, die auf dem Leitbild des „homo oeconomicus“ der neoklassischen Ökonomik basieren, da es möglich ist, Aspekte wie begrenzte Rationalität oder die individuellen Strategien heterogener Akteure zu modellieren. Im Vergleich zu bisherigen Arbeiten wurden dabei wichtige Ergänzungen und Fortschritte erfolgreich umgesetzt: Hatten bislang erstellte Modelle, in denen industriespezifische Innovationsprozesse untersucht wurden, primär qualitativen Charakter, konnte die historische Technologie- und Marktentwicklung der betrachteten Branche im Rahmen dieses Vorhabens weitestgehend auch quantitativ nachgebildet werden. Die verschiedenen Prozesse der Wissensgenerierung, -verbreitung und -akkumulation wurden außerdem deutlicher differenziert, wodurch eine bessere Nachvollziehbarkeit des Innovationsvorgangs selbst erreicht wird. Ebenso wurden nachfrageseitige Prozesse stärker in die Modellierung mit einbezogen. Somit sind aussagekräftigere Analysen nachfrageorientierter Fördermaßnahmen möglich. Insgesamt sind daher auf Basis des entwickelten Agentenmodells sehr umfassende Analysen staatlicher Fördermaßnahmen möglich. So demonstrieren die verschiedenen Simulationsexperimente, in deren Rahmen die Wirkungen einzelner Instrumente auf das Innovations- und Marktgeschehen in der Fotovoltaikbranche gezielt untersucht werden konnten, nicht nur die Tragfähigkeit der verwendeten Methode. Vielmehr wird anhand der Simulationsergebnisse ebenfalls deutlich, wie stark die Effekte von „Technology-Push“- und „Market-Pull“-Instrumenten ineinandergreifen und wie sehr die Wirkungen dieser Maßnahmen dabei von der Entwicklungsphase der Branche abhängen. Darüber hinaus zeigt sich zum einen, dass die geeigneten Zeitfenster für die Durchführung der jeweiligen Förderprogramme mitunter begrenzt sind. Zum anderen sind die kurz- und die langfristigen Effekte einzelner Maßnahmen manchmal sogar gegenläufig. Ausgehend von den im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Simulationsergebnissen lässt sich zusammenfassend feststellen, dass die bisher in Deutschland durchgeführten Fördermaßnahmen verhältnismäßig effektiv einzuschätzen sind. Trotz der hohen Komplexität der zugrundeliegenden Innovations- und Marktprozesse wurde ein ausgewogener Kompromiss zwischen einer schnellen Kostenreduktion einerseits und der Aufrechterhaltung einer technologischen Vielfalt anderseits erreicht. Dies deutet insgesamt darauf hin, dass Forschungs- und Nachfrageförderung gut aufeinander abgestimmt waren.Item Open Access Renewable energy based electricity supply at low costs : development of the REMix model and application for Europe(2012) Scholz, Yvonne; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr.)Climate change, limited fossil fuel availability and the dependency on energy carrier imports lead the European Union to the formulation of an energy policy for Europe. The EU sets the following criteria for its future energy supply: sustainability, security of supply and competitiveness. Considering the carbon dioxide emissions of fossil fuels and the unsolved problem of the ultimate disposal of radioactive waste, only renewable energy can currently be considered sustainable if applied in a socially acceptable way and in accordance with nature conservation. The use of renewable energy can also reduce the dependency on energy carrier imports. Contrary to fossil fuels, renewable energy will become cheaper in the future due to technological learning. The main disadvantage of some renewable energy resources is their fluctuating availability. Adaptation of the energy supply system must take place especially in the power sector in order to reliably cover fluctuating demand with fluctuating resources at any time. In this work, the energy system model ‘REMix’ (Renewable Energy Mix for Sustainable Electricity Supply) is developed. It uses data on the availability of renewable energy across Europe and North Africa (EUNA) to dimension low-cost power supply structures for the EUNA-region, or parts of it, under specific conditions, such as specified shares of renewable energy in the power supply or specified national self-supply shares. The model takes into account the costs of generation technologies, transmission lines and storage units, and finds a combination of these technologies and their geographic locations that is least-cost under the given assumptions. A geographic information system was used for the analysis of the installable capacities and power generation potentials of typical technologies for harnessing renewable energy resources. This analysis is described and the potentials of solar PV, solar CSP, wind onshore and wind offshore, biomass, hydro and geothermal power plants are shown in tables and maps. The data are used as input into a linear programming energy system model which uses them as constraints on the power supply system to be dimensioned. The model, its sensitivity to input parameter variations and a test application are described. The findings confirm the basic findings of other work in this field: transmission lines can be a crucial element of a low-cost, renewable-energy-based electricity supply because they enable balancing effects in a large grid and the use of the highest quality resources even in remote areas, such as deserts or at sea. However, the international cooperation that is necessary to reach the cost-minimum for a given supply task may not be reached by politics or resulting dependencies may be opposed to political goals. Therefore, REMix was built such that countries can be examined individually and the influence of different parameters on their energy supply costs and structure can be investigated. In the test model application, power supply systems for 36 regions in Europe and North Africa, almost all individual countries, are designed with REMix as island grids on the one hand and on the other hand as a network without transmission restrictions (other than the costs of the transmission lines). The model shows that in certain regions the island grid electricity costs can be much higher than, only a little higher than, or even lower than the electricity costs in the network, under the given technological and economic assumptions. The sensitivity to parameter variations is shown to be high; the results of the test application must therefore be considered one example of a technically feasible and efficient supply system but cannot claim to be least-cost in general.Item Open Access Rechnerunterstützte Entwicklung von Warmwasser-Wärmespeichern für Solaranlagen(2008) Hampel, Matthias; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)Vor dem Hintergrund der Diskussion um eine nachhaltige Energieversorgung kommt der Solarthermie eine wichtige Rolle zu, da sie insbesondere im Bereich der Wärmeversorgung von Gebäuden sehr stark die fossilen Energieträger ersetzen kann. Sie birgt ein hohes Entwicklungspotential, für dessen Erschließung neue Werkzeuge benötigt werden. Eines davon sind numerische Strömungsrechnungen (CFD), die es ermöglichen, das Verhalten neuer oder bestehender Komponenten in solarthermischen Anlagen komplett an Rechnern zu simulieren. Diese Art der Entwicklung ist im Bereich der Solarthermie aufgrund der beträchtlichen Einarbeitungszeit und dem mangelnden Vertrauen in die Richtigkeit der Simulationsergebnisse momentan noch sehr wenig verbreitet. Ziel dieser Arbeit ist es, die Ergebnisse numerischer Strömungssimulationen für die Beladung von solaren Warmwasserspeichern genauer zu betrachten. Dazu wurde eine Anlage zur Untersuchung von Einströmvorgängen in einen Warmwasserspeicher gebaut. Die Untersuchungen fanden mit Hilfe von Temperaturfühlern und den laser-optischen Systemen PIV und LIF statt. Mit dem Softwarepaket Fluent wurden Modelle erstellt und gerechnet, die diese Messungen simulieren sollen. Für die untersuchten Fälle konnten die CFD-Berechnungen die Messergebnisse und Beobachtungen in einer zufriedenstellenden Art wiedergeben, womit validierte Modelle zur Verfügung standen. Aufgrund dieser Simulationen wurden Faktoren und Parameter benannt, die das Rechenergebnis in Bezug auf Qualität und Zeit beeinflussen, auch unter Berücksichtigung auftriebsdominierter Strömungen, wie sie in der Solarthermie oft vorkommen. Besonderes Gewicht wird auf die Berücksichtigung der auftretenden Turbulenz gelegt. Dies geschieht in einem Fall mit Hilfe eines problemangepassten, hochauflösenden Gitters und in den anderen Fällen durch die Verwendung von Zwei-Gleichungsturbulenzmodellen zur Lösung der zeitabhängigen Navier-Stokes-Gleichungen. Mit Änderungen an den validierten Modellen werden Modifikationen an den kommerziellen Schichtbeladeeinrichtungen untersucht, um so zu demonstrieren, welche Möglichkeiten zur Zeit- und Kosteneinsparung die Simulation als Entwicklungswerkzeug bietet.Item Open Access Experimentelle Untersuchung zur freien Konvektion an Rohren in einer Kies/Wasser-Schüttung(2001) Chang, Wen-Shih; Hahne, Erich (Prof. Dr.-Ing.)In Rahmen dieser Arbeit wurde der Wärmeübergang an horizontalen Einzelrohren, drei übereinander liegenden und sieben versetzt angeordneten Rohren, sowohl in Wasser allein als auch in der Kies/Wasser-Schüttung in Abhängigkeit von der Wärmestromdichte experimentell untersucht. Als Schüttgut wurden drei verschiedene Steingrößen eingesetzt, mit der Korngrößenverteilung von 4 bis 8, 8 bis 16 und 16 bis 32 mm (Kies 4/8, Kies 8/16 und Kies 16/32). Die Messungen an Einzelrohren in der Kies/Wasser-Schüttung ergaben drei unterschiedliche Strömungsgebiete: Darcy-Strömung, Forchheimer-Strömung und Turbulente Strömung. Bei der Berechnung der maximalen Grashof-Zahl ist die nicht wandkorrigierte Porosität einzusetzen. Der Wärmeübergang nimmt mit steigender Wärmestromdichte und größer werdender Korngröße des Kieses zu. Es konnten drei neue Korrelationsgleichungen für den Wärmeübergang ermittelt werden. Sie geben die Meßwerte mit einer mittleren Abweichung von 10 % wieder. Bei den Versuchen mit sieben versetzt angeordneten Rohren, erhält man außer bei den Messungen mit Kies 8/16 beim Teilungsverhältnis S/D = 5 immer eine Verringerung der mittleren Nusselt-Zahl gegenüber dem Einzelrohr (Bezug auf Zuströmtemperatur). Mit steigender Wärmestromdichte nimmt die normierte mittlere Nusselt-Zahl zu. In Wasser tritt die größte mittlere Nusselt-Zahl bei S/D = 5 auf, während sich in der Kies/Wasser-Schüttung die größte mittlere Nusselt-Zahl zwischen den Verhältnissen S'/d = 1,47 und S'/d = 2,95 zeigt. Die Versuche mit drei übereinander liegenden Rohren ergaben ähnliche Ergebnisse wie mit den sieben versetzt angeordneten Rohren. Es wurde eine Erhöhung der mittleren Nusselt-Zahl gegenüber den sieben versetzt angeordneten Rohren festgestellt. Die mittlere Erhöhung liegt zwischen 2,4 % und 19,8 %.Item Open Access Utilization of various projectiles to mitigate fouling in tubular heat exchangers(2016) Jalalirad, Mohammad Reza; Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)Heat exchangers are the workhorse of most chemical, petrochemical, food processing and power generating processes. Of the many types of heat exchangers, approximately 60% of the market is still dominated by shell and tube heat exchangers. One major problem of heat exchangers and particularly the shell and tube type is directly related to the deposition of unwanted materials on the heat transfer surfaces. Fouling may cause one or more of several major operating problems: i) reduction of heat transfer, ii) under-deposit corrosion, iii) increased pressure loss and iv) flow mal-distribution. There are many different mitigation techniques available in the market to maintain the surface of heat exchangers clean to some extent. Among them are projectiles of various shapes, materials and hardnesses which circulate via a separate loop through the exchanger. The advantages of this method include effective fouling mitigation and stable operating conditions. Having said that, there are nevertheless numerous unanswered questions such as optimum injection interval, minimum required shear force to remove fouling layers, applicability of projectiles at elevated temperatures, minimum required velocity of projectile propulsion, and the criterion for the selection of projectiles for any specific fouling process. The present study, as part of a European Project entitled Clean-Ex, endeavors to address some of these questions. A test rig was designed and constructed to simulate conditions under which fouling occurs in water service processes. The rig includes an online cleaning device which enables introduction of projectiles for various operating scenarios including i) continuous or ii) at different time intervals. A comprehensive set of experimental runs was carried out for crystallization fouling of CaSO4 solutions with and without projectiles. Due to laboratory restrictions, fouling runs were performed at accelerated conditions to rigorously characterize the impact of projectile cleaning in terms of injection intervals and various types of projectiles. The experimental results showed that the projectiles are capable of removing parts of the fouling layer at the early stage of the fouling process. The cleaning efficiency decreases as the fouling layer builds up such that the projectile is not effective when the asymptotic fouling is approached. In addition, shorter injection intervals of the projectiles decrease the asymptotic fouling resistance. Sintering of the fouling layer which hinders the cleaning action of projectiles should be accounted for this phenomenon. Furthermore, all projectiles decreased the induction time of the fouling process. The asymptotic fouling resistance was also approached much quicker compared to the case of no injection. The performance of any projectile lies in a trade-off between its size, texture and stiffness. Stiffness produces a shear force required to dislodge the deposit and size is required to maintain the contact area between projectile and the surface. Accordingly, a criterion was developed to determine the optimum projectile size and stiffness for best cleaning performance. The criterion shows that bigger and softer projectiles cannot last for a long time injection processes. Given the importance of size and stiffness, the projectiles were subsequently divided into two groups of hard and soft due to the required stiffness and velocity to move the projectile within the tube. To discriminate between these two groups, a new term called contact stability factor or Z factor is proposed which is a function of stiffness and size. A mechanistic model has also been developed to predict the asymptotic fouling resistance when projectiles are in operation, based on injection rate, fouling rate and removal rates. The model predicts the asymptotic fouling resistance with an accuracy of 69% based on CaSO4 concentration, saturation concentration, injection interval, shear force and contact stability of the tube with the projectile.Item Open Access Fabrication and characterization of lithium-sulfur batteries(2015) Canas, Natalia Andrea; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr.)The lithium-sulfur battery is a promising system for the future generation of rechargeable batteries. Its main advantages are the high theoretical capacity (1675 Ah kgS-1), high energy density (2500 Wh kgS-1), and low cost of sulfur. So far, the commercial application of this battery has been hindered by the reduced cycle-life. The isolating properties of sulfur as well as the formation of polysulfides in a complex reaction mechanism, which is not completely understood, are mainly causes for battery degradation. This work is focused on the characterization of the Li-S battery by application of several characterization techniques under in situ and ex situ conditions. Using X-ray diffraction, the reaction of sulfur was monitored during discharge and charge, and the formation of nano-crystalline lithium sulfide as end product of discharge was identified for the first time in operando. The structural changes of sulfur and its partial amorphization were observed after charge and analyzed using the Rietveld method. Furthermore, electrochemical impedance spectroscopy was applied during cycling to measure the impedance characteristics of the cell. For this, an electrical equivalent circuit was designed to describe specific physical and electrochemical process. Thus, the resistance of the electrolyte, the charge transfer resistance in the electrodes, as well as the reaction and dissolution of isolating products were simulated and quantified. The polysulfides, as well as S8 and Li2S, were investigated in an organic electrolyte using UV-vis spectroscopy. Here, the species S62-; and S3•-; were identified and semi-quantified at several states of discharge. Further characterization methods, like scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and thermal analysis coupled with mass spectroscopy were used to understand the degradation processes that caused morphological changes in the cathode. The output obtained through the application of the different characterization techniques was compared with a physico-chemical model in order to obtain a deeper knowledge in the reaction mechanisms occurring in the battery. Moreover, through further developments on the fabrication process of the battery, main factors influencing the battery capacity were identified. Thereby, the capacity of the battery was increased from 275 Ah kg-1 to 800 Ah kgS-1 (after 50 cycles, at a discharge rate of 0.18 C). This thesis provides new insights into the electrochemical and degradation processes of Li-S batteries and will hopefully contribute to enhance the energy density of future Li-S batteries.Item Open Access Local characterisation of solid oxide fuel cells(2012) Willich, Caroline; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)Fuel cells offer high electrical efficiencies and the solid oxide fuel cell is particularly interesting because easily accessible fuels containing hydrocarbons like natural gas and reformates can be used. Nevertheless the desired high efficiency and high fuel utilisation lead to strong gradients in gas composition along the cell which can in turn lead to lower power densities and increased local degradation. To better understand the local distribution and its effects a combined experimental and modelling study was done. Segmented planar anode-supported cells were characterised in a setup with 4 x 4 segments and a detailed two-dimensional model representing this setup was developed and validated. The model was calibrated for hydrogen/nitrogen mixtures with various water contents as well as for reformate gases and internal reforming of methane. A very good agreement between the model and the experiments was achieved. Measurements with CO/CO2 were done to validate the CO oxidation in the model. Here the influence of very high fuel dilution could also be observed that led to a plateau-like behaviour in the current-voltages curves. This behaviour was attributed to the oxidation of nickel at the anode. Methane reforming leads to an additional variation in gas phase species along the flow path. A great part of the reforming process takes place at the nickel contact mesh and not at the anode of the cell which could be seen in comparison to experiments with a non-catalytic contact mesh. It was also shown that a dilution of the fuel with water or nitrogen can lead to a more homogenous distribution within the cell depending on control parameters. The model was used to asses the influence of cell parameters. A variation of the gas channels did not show a significant influence. A variation of the electrode thickness showed an increase of power density for thinner electrodes. The model was also used to asses the effect of the segmentation in comparison to a non-segmented cell. A non-segmented cell shows a more even distribution of voltage and a greater variance of current density while the gas composition along the flow path is similar for segmented and unsegmented cells. The validated model can be used further to estimate optimal and critical operating parameters. Through a variation of fuel flow rate and temperature the influence on gas composition along the cell and differences in fuel distribution at the side and in the middle of the flow field could be seen as well as its influence on cell performance. Higher load and higher temperatures lead to a stronger decrease of fuel along the cell. The segments located at the side of the cell showed a different performance than those in the middle, due to an unequal distribution of the fuel into the flow field. This influence increases with lower flow rates. During these experiments a correlation between poor local performance and electrolyte defects as well as local nickel oxidation at the anode was observed. It was also shown that extreme local conditions can lastingly damage the cell and local distributions have to be taken into account for stack development.