Universität Stuttgart

Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1

Browse

Filters

Settings

Subject: search.filters.subject.540Start date: 1990Institute: search.filters.UBSInstitut.Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR)

Search Results

Now showing 1 - 10 of 21
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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. Andreas
    Assessing 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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. Andreas
    The 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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. Andreas
    Reactors 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Kinetische Untersuchungen zur Hochtemperaturpyrolyse und -oxidation von Cyclopentadien und Cyclopentadienyl mit Hilfe der Stosswellentechnik
    (1999) Roy, Karin; Just, Thomas (Prof. Dr.)
    In der vorliegenden Arbeit wurde die Pyrolyse und die Oxidation von Cyclopentadien sowie die Pyrolyse des Cyclopentadienyl-Radikals bei hohen Temperaturen untersucht. Diese C5-Spezies sind Zwischenprodukte beim Abbau von Aromaten und bei der Bildung von Rußpartikeln. Im Rahmen der Arbeit wurden Stoßwellenexperimente bei Temperaturen von 1100 K bis 1600 K und Drücken von 0.7 bar bis 6 bar durchgeführt. Wasserstoff-, Iod- und Sauerstoffatome sowie Kohlenmonoxidmoleküle wurden mit der UV-Absorptionsspektroskopie detektiert. Die Reaktionen wurden in Gasmischungen, verdünnt mit Argon, durchgeführt und über einen Zeitraum von ca. 1 ms beobachtet. Mit Hilfe von Sensitivitätsanalysen konnten komplexe Reaktionsmechanismen auf wenige wichtige Reaktionspfade reduziert und Geschwindigkeitskoeffizienten der Elementarreaktionen bestimmt werden. Der Geschwindigkeitskoeffizient für den Zerfall von Cyclopentadien in ein Cyclopentadienyl-Radikal und ein Wasserstoffatom wurde bestimmt. Mittels der Fall-off-Analyse wurde der Hochdruckgeschwindigkeitskoeffizient für diese Reaktion berechnet und die Bildungsenthalpie des Cyclopentadienyl-Radikals abgeleitet. Aus der Reaktion von Cyclopentadien mit Wasserstoffatomen wurden die Geschwindigkeitskoeffizienten für zwei parallel verlaufende Reaktionskanäle ermittelt. Für die Untersuchung des Zerfalls des Cyclopentadienyl-Radikals sowie dessen Reaktion mit Wasserstoffatomen wurde Iodcyclopentadien als Radikalvorläufermolekül eingesetzt. Es wird erläutert, welche Rolle die Cyclopentadienylrekombination bei der Bildung von Naphthalin spielt. Die Oxidation von Cyclopentadien wurde mit molekularem Sauerstoff mit variierenden Sauerstoffanteilen untersucht. Zur Modellierung der gemessenen Absorptionsprofile von H- und O-Atomen und CO-Molekülen bei der Pyrolyse und Oxidation des C5-Systems wurde ein Reaktionsmechanismus entwickelt.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen Access
    Novel pyrrolidinium-functionalized styrene-b-ethylene-b-butylene-b-styrene copolymer based anion exchange membrane with flexible spacers for water electrolysis
    (2023) Xu, Ziqi; Delgado, Sofia; Atanasov, Vladimir; Morawietz, Tobias; Gago, Aldo Saul; Friedrich, K. Andreas
    Anion exchange membranes (AEM) are core components for alkaline electrochemical energy technologies, such as water electrolysis and fuel cells. They are regarded as promising alternatives for proton exchange membranes (PEM) due to the possibility of using platinum group metal (PGM)-free electrocatalysts. However, their chemical stability and conductivity are still of great concern, which is appearing to be a major challenge for developing AEM-based energy systems. Herein, we highlight an AEM with styrene-b-ethylene-b-butylene-b-styrene copolymer (SEBS) as a backbone and pyrrolidinium or piperidinium functional groups tethered on flexible ethylene oxide spacer side-chains (SEBS-Py2O6). This membrane reached 27.8 mS cm-1 hydroxide ion conductivity at room temperature, which is higher compared to previously obtained piperidinium-functionalized SEBS reaching up to 10.09 mS cm-1. The SEBS-Py206 combined with PGM-free electrodes in an AWE water electrolysis (AEMWE) cell achieves 520 mA cm-2 at 2 V in 0.1 M KOH and 171 mA cm-2 in ultra-pure water (UPW). This high performance indicates that SEBS-Py2O6 membranes are suitable for application in water electrolysis.
  • Thumbnail Image
    ItemOpen 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, Rainer
    The 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.