Universität Stuttgart
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Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Application of ion chromatography for the reliable quantification of ammonium in electrochemical ammonia synthesis experiments : a practical guide(2023) Bragulla, Sebastian C. H.; Lorenz, Julian; Harms, Corinna; Wark, Michael; Friedrich, K. AndreasAssessing novel electrocatalysts for the electrochemical ammonia synthesis (EAS) requires reliable quantitative trace analysis of electrochemically produced ammonia to infer activity and selectivity. This study concerns the development of an ion chromatography (IC) method for quantitative trace analysis of ammonium in 0.1 M sulfuric acid electrolyte, which is applied to EAS gas-diffusion electrode (GDE) experiments with commercial chromium nitride as electrocatalyst. The developed IC method is highly sensitive, versatile, and reliable, achieving a limit of quantification (LOQ) of 6 μg l-1 (6 ppbmol) ammonium. The impacts of the sample matrix, dilution, and neutralization, as well as contamination, on the quantitative analysis by IC are analyzed. Experimental constraints result in an effective LOQ including dilution of 60 μg l-1 for the determination of ammonium in 0.1 M sulfuric acid electrolyte, owing to necessary sample dilution. The practical guide presented herein is intended to be very relevant for the field of EAS as a guideline and applicable to a broad range of catalyst systems and ion chromatography devices.Item Open Access PEM single cells under differential conditions : full factorial parameterization of the ORR and HOR kinetics and loss analysis(2022) Gerling, Christophe; Hanauer, Matthias; Berner, Ulrich; Friedrich, K. AndreasThe anode and cathode kinetics are parameterized based on differential cell measurements. Systematic parameter variations are evaluated to disentangle the dependencies of the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) signatures in H2/H2 mode. We introduce a new CO recovery protocol for both electrodes that enables to accurately characterize the hydrogen oxidation reaction (HOR) kinetics. Then, we demonstrate that a compact Tafel kinetics law captures the oxygen reduction reaction (ORR) kinetics for a full factorial grid of conditions, covering a wide range of relative humidities (rH), temperatures, oxygen partial pressures and current densities. This yields the characteristic activation energy and effective reaction order, and we reconcile models that make different assumptions regarding the rH dependency. Moreover, we analyze O2 transport contributions by steady-state and transient limiting current techniques and heliox measurements. Although the rising uncertainty of loss corrections at high current densities makes it impossible to unambiguously identify an intrinsic potential-dependent change of the Tafel slope, our data support that such effect needs not be considered for steady-state cathodic half-cell potentials above 0.8 V.Item Open Access High-resolution analysis of ionomer loss in catalytic layers after operation(2018) Morawietz, T.; Handl, M.; Oldani, C.; Gazdzicki, P.; Hunger, Jürgen; Wilhelm, Florian; Blake, John; Friedrich, K. Andreas; Hiesgen, R.The function of catalytic layers in fuel cells and electrolyzers depends on the properties of the ionically conductive phase, which are most commonly perfluorinated ionomers based on Nafion and Aquivion. An analysis by atomic force microscopy reveals that the ultrathin ionomer films around Pt/C agglomerates have a thickness distribution ranging from 3.5 nm to 20 nm. Their conductivity and gas permeation properties determine the fuel cell performance to a large extend. For electrodes in Aquivion-based membrane-electrode-assemblies operation-induced structure changes were investigated by means of material- and conductivity-sensitive atomic force microscopy, infrared spectroscopy and electron-dispersive X-ray analysis. The observed thinning of the ultrathin ionomer films was mainly caused by polymer degradation deduced from reduced swelling after long-time operation and a significant loss of ionomer with operation time detected by infrared spectroscopy. From the linear thickness increase of the ultrathin films with rising humidity, a mainly layered structure of the ionomer was deduced. An influence of thickness of such ultrathin ionomer films on fuel cell lifetime was found by analysis of differently prepared membrane-electrode-assemblies, where a linear increase of irreversible degradation rate with ionomer film thickness in the electrodes of unused membrane-electrode-assemblies was found.Item Open Access A new approach to modeling solid oxide cell reactors with multiple stacks for process system simulation(2022) Tomberg, M.; Heddrich, M. P.; Sedeqi, F.; Ullmer, D.; Ansar, S. A.; Friedrich, K. AndreasReactors with solid oxide cells (SOC) are highly efficient electrochemical energy converters, which can be used for electricity generation and production of chemical feedstocks. The technology is in an upscaling phase. Thereby demanding development of strategies for robust and efficient operation or large SOC reactors and plants. The present state of technology requires reactors with multiple stacks to achieve the appropriate power. This study aims to establish and apply a simulation framework to investigate process systems containing SOC reactors with multiple stacks. Focusing especially on the operating behavior of SOC reactors under transient conditions, by observing the performance of all cells in the reactor. For this purpose, a simulation model of the entire SOC reactor consisting of multiple stacks, pipes, manifolds, and thermal insulation was developed. After validation on stack and reactor level, the model was used to investigate the fundamental behavior of the SOC reactors and the individual stacks in various operation modes. Additionally, the influences of local degradation and reactor scaling on the performance were examined. The results show that detailed investigation of the reactors is necessary to ensure operability and to increase efficiency and robustness. Furthermore, the computing performance is sufficient to develop and validate system controls.Item Open Access Advanced impedance analysis for performance degradation during low-temperature CO2 electroreduction(2024) Chen, Qinhao; Kube, Alexander; Kopljar, Dennis; Friedrich, Kaspar AndreasElectrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a powerful tool commonly used to study electrochemical systems. Nevertheless, its application in CO2 electroreduction has been so far limited due to its complex reaction mechanism and environment. Although initial findings have demonstrated the viability of applying EIS analysis in CO2 electrolyzers, the assignment of individual processes in the impedance spectra remains ambiguous. Therefore, a more detailed investigation, especially focused on its application in evaluating degradation mechanisms, is essential. In this study, a stable gas diffusion electrode (GDE) system was developed for a comprehensive EIS and distribution of relaxation time (DRT) evaluation to assess key degradation mechanisms under accelerated stress conditions such as high current density and low operating temperature. Validated by post-mortem analysis and complementary methods, we demonstrate the viability of this approach for operando monitoring of CO2 electroreduction by assigning individual mechanistic processes in the GDE and linking them to performance degradation over time.Item Open Access Crystal structure and XPS study of titanium-substituted M-type hexaferrite BaFe12−xTixO19(2023) Mehnert, Kim-Isabelle; Häßner, Manuel; Dreer, Yanina Mariella; Biswas, Indro; Niewa, RainerThe M-type barium hexaferrite substituted with titanium, BaFe12−xTixO19, was synthesized from sodium carbonate flux and the obtained single crystals with a maximum degree of substitution of up to about x = 0.9 were characterized. XPS measurements were carried out for the identification of side products and in particular in order to assign the valence states of the transition-metal constituents. Due to the aliovalent exchange of iron(III) with titanium(IV), an additional charge balance needs to occur. No titanium(III) was detected, while the amount of iron(II) increased in the same order of magnitude as the amount of titanium(IV); thus, the major charge balancing is attributed to the reduction of iron(III) to iron(II). According to the XPS data, the amount of titanium(IV) typically is slightly higher than that of iron(II). This is in line with a tendency to a minor formation of vacancies on the transition-metal sites becoming more important at higher substitution levels according to PXRD and WDS measurements, completing the picture of the charge-balance mechanism. XRD taken on single crystals indicates the distribution of titanium and vacancies over three of the five transition-metal sites.Item Open Access Visualization of local ionic concentration and diffusion constants using a tailored electrochemical strain microscopy method(2019) Simolka, M.; Heim, C.; Friedrich, K. Andreas; Hiesgen, R.A tailored electrochemical strain microscopy technique is presented and used to analyze the ionic mobility and diffusion coefficients in composite Si/C anodes. The resulting surface displacement after a voltage pulse is proportional to the ionic concentration change and is measured by the deflection of an atomic force microscopy tip. The results show a higher ionic mobility at the steps of silicon composite anode microcrystals compared to the crystal centers. Diffusion coefficients are extracted from the time dependence of the surface displacement. Mappings with nanoscale resolution of local diffusion coefficients are displayed. The results demonstrate higher diffusion coefficients at the steps.Item Open Access Validierung von Reaktionsmechanismen für biogene Kraftstoffkomponenten(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2016) Schuler, Dominik Friedemann; Zabel, Friedhelm (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit werden die Verbindungen Butanol, 2-Butanol, iso-Butanol und 2,5-Dimethylfuran bei Bedingungen, die für die technische Verbrennung relevant sind, untersucht (p=8.20 bar, T=1190-1520 K). Diese Verbindungen sind mögliche Komponenten zukünftiger Kraftstoffe. Die Experimente werden in Abwesenheit von Sauerstoff (Pyrolyse) in einem speziell für diese Untersuchungen konfigurierten Single-Pulse-Stoßrohr hinter reflektierten Stoßwellen durchgeführt. Die Experimente werden mit der Simulationsumgebung Chemkin II und kinetischen Reaktionsmodellen aus der Literatur simuliert, um die Produktverteilungen aus Experiment und Simulation gegenüber zu stellen. Zur besseren Charakterisierung der Unterschiede zwischen den Modellen werden Reaktionsfluss- und Störungsanalysen durchgeführt. Mit Hilfe dieser Daten kann Verbesserungspotential in den Mechanismen identifiziert werden und Ansätze für eine Optimierung können aufgezeigt werden. Bei der Pyrolyse der Butanolisomere wurden die Hauptprodukte Ethen, Ethin, Ethan, Methan und Propen quantifiziert. In geringeren Konzentrationen wurden die Produkte Ethanal, 1,3-Butadien, 1,3-Butadiin, 2-Buten, iso-Buten, Propen, Propin und Allen nachgewiesen. Bei den Simulationen zeigten sich einerseits teils erstaunlich gute Vorhersagen der experimentellen Daten, andererseits bei einigen Produktspezies auch eine große Diskrepanz der Vorhersagen der Mechanismen untereinander sowie zum Experiment. Bei der Pyrolyse von 2,5-Dimethylfuran wurden die Hauptprodukte Kohlenstoffmonoxid, Ethan, Ethen, Ethin und 1,3-Butenin nachgewiesen. Weitere quantifizierte Produkte sind Allen, Benzol, 1,3-Butadien, 1,3-Butadiin, 2-Buten, Butin, Cyclopentadien, 2-Methylfuran, Propen, Propin und Toluol. Die Mechanismen zeigen in den Hauptprodukten eine gute Übereinstimmung untereinander und mit den experimentell gewonnenen Daten. Bei den Nebenprodukten kommt es jedoch auf Grund der Unterschiede in den Mechanismen zu unterschiedlichen Vorhersagen. Neben den Untersuchungen im Single-Pulse-Stoßrohr wurde in einem weiteren Stoßrohr hinter reflektierten Stoßwellen zeitaufgelöst die Bildung von Kohlenstoffmonoxid bei der Pyrolyse von 2,5-Dimethylfuran gemessen. Kohlenstoffmonoxid wurde dabei mittels Absorptionsmessungen bei einer Wellenlänge von 151,0 nm detektiert. Das ebenfalls auf dieser Wellenlänge absorbierende Edukt 2,5-Dimethylfuran und das Produkt Ethin wurden bei der Vorhersage der Absorption berücksichtigt. Im Rahmen der Messgenauigkeit decken sich die gefundenen Absorptionen mit den von den Modellen vorhergesagten Werten, so dass die Messungen die Reaktionsmodelle unterstützen.Item Open Access A segmented cell measuring technique for current distribution measurements in batteries, exemplified by the operando investigation of a Zn-air battery(2021) Kube, Alexander; Meyer, Jens; Kopljar, Dennis; Wagner, Norbert; Friedrich, Kaspar AndreasA transimpedance amplifier circuit as well as an instrumental amplifier circuit were used to measure current densities of a zinc-air battery with an integrated segmented current collector foil. Error calculation showed that the transimpedance amplifier is superior to the used instrumental amplifier, but both methods provide valuable and consistent results. They both showed comparable results with operando insight into the current distribution of the battery. The knowledge about those distributions is essential to avoid fast degradation of battery materials and irreversible capacity loss due to heterogeneous dissolution of the anode during discharge. In this work we showed that oxygen starvation as well as gas flow rate leads to large current gradients. It was also demonstrated that heterogeneous current distributions on cathode side induces also a heterogenous dissolution behavior on the anode, resulting in irreversible capacity loss.