Local characterisation of solid oxide fuel cells

Abstract

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.

Festelektrolytbrennstoffzellen haben hohe elektrische Wirkungsgrade und bieten zudem den Vorteil, dass Kohlenwasserstoffe z. B. aus Erdgas oder Reformatgasen als Brenngase verwendet werden können. Diese Brenngase haben den Vorteil, dass die Verfügbarkeit hoch ist. Allerdings führen die erwünschten hohen Wirkungsgrade und Brenngasnutzungen zu starken Gradienten in der Brenngaszusammensetzung entlang der Zelle, was wiederum zu niedrigen Leistungsdichten und erhöhter lokaler Degradation führen kann. Um die lokale Verteilung und ihre Auswirkungen besser zu verstehen, wurde in dieser Arbeit ein kombinierter Ansatz aus Experimenten und Modellierung gewählt. Segmentierte, planare, anodengetragene Zellen wurden in einem Aufbau mit 4 x 4 Segmenten charakterisiert und ein detailliertes zweidimensionales Modell dieses Aufbaus entwickelt und validiert. Das Modell wurde für Wasserstoff/Stickstoff Mischungen mit verschiedenen Wassergehalten sowie für Reformatgase und interne Reformierung von Methan kalibriert. Eine gute Übereinstimmung zwischen Modell und Experiment wurde erreicht. Messungen mit CO/CO2 wurden durchgeführt um die CO Oxidation im Modell zu validieren. Dabei konnte auch der Einfluss einer starken Verdünnung des Brenngases beobachtet werden, was zu einem Plateau in der Strom-Spannungskurve führte. Dieses Verhalten wurde auf die Oxidation von Nickel an der Anode zurückgeführt. Die interne Reformierung von Methan führt zu einer zusätzlichen Änderung der Gaszusammensetzung entlang des Strömungswegs. Ein Großteil der Reformierung findet am Nickelkontaktnetz und nicht an der Anode selbst statt. Dies konnte im Vergleich mit Versuchen mit einem nicht-katalytischen Kontaktnetz beobachtet werden. Es wurde außerdem gezeigt, dass eine Verdünnung des Brenngases mit Wasser oder Stickstoff je nach Kontrollparameter zu einer gleichmäßigeren Verteilung entlang der Zelle führen kann. Das Modell wurde weiterhin verwendet, um den Einfluss verschiedener Zellparameter zu untersuchen. Eine Änderung der Größe der Gaskanäle zeigte keine signifikanten Auswirkungen. Die Änderung der Elektrodendicke führte zu einer höheren Leistungsdichte für dünnere Elektroden. Das Modell wurde außerdem verwendet, um den Einfluss der Segmentierung im Vergleich mit einer nicht-segmentierten Zelle zu untersuchen. Eine nicht-segmentierte Zelle weist eine gleichmäßigere Verteilung der Spannung und einen stärkeren Gradienten in der Stromdichte aus, während die Gaszusammensetzung entlang des Strömungsweg für segmentierte und nicht-segmentierte Zellen ähnlich ist. Das validierte Model kann für weitere Untersuchungen der optimalen und kritischen Betriebsbedingungen verwendet werden. Durch die Variation der Brenngasflussrate und der Temperatur wurde der Einfluss auf die Gaszusammensetzung entlang der Zelle, Unterschiede in der Gasverteilung am Rand und in der Mitte des Strömungsfeldes, sowie der Einfluss auf die Zellleistung sichtbar. Eine größere Last und höhere Temperaturen führen zu einer stärkeren Abnahme des Brenngases entlang der Zelle. Die Segmente an der Seite der Zelle zeigten aufgrund einer ungleichen Gasverteilung ein anderes Verhalten als die in der Mitte. Dieser Unterschied nimmt mit sinkenden Durchflüssen zu. Während dieser Versuche wurde ein Zusammenhang zwischen niedriger lokaler Leistung, Elektrolytdefekten und lokaler Nickeloxidation in der Anode beobachtet. Es wurde außerdem gezeigt, dass extreme lokale Bedingungen wie lokal negative Spannungen die Zelle dauerhaft schädigen und lokale Verteilungen von Strom, Spannung und Brenngaszusammensetzung bei der Stackentwicklung berücksichtigt werden müssen.