Die SOFC zeichnet sich durch hohe Betriebstemperaturen (600-900°C) aus. Grundlegende Vorgänge innerhalb einer SOFC-Elektrode sind heterogen-katalytische und elektrochemische Reaktionen sowie Transportvorgänge. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen Prozessen erfordert Modelle mit detaillierten kinetischen Mechanismen. Im Damit werden wichtige Problemstellungen analysiert, z.B. der Einfluss von Katalysatorstruktur und –Zusammensetzung auf die elektrochemische Aktivität, Zusammenspiel von interner Reformierung und Direktoxidation, Kohlenstoffablagerungen, Zellalterung etc..
Ein Beispiel der Aktivitäten auf Oberflächen- und Elektrodenebene ist die Erforschung der Elektrokatalyse an der Dreiphasengrenze einer SOFC-Anode (Abb. 1). Dies ist der Bereich, an dem die Gasphase und die zwei festen Phasen von Elektrode (Nickel, Ni) und Elektrolyt (Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, YSZ) aufeinandertreffen. Hier werden Vorgänge wie Reaktionen, Oberflächendiffusion und Transport der Adsorbate über die Phasengrenze hinweg ("'Spillover") modelliert. Mögliche vorgeschlagene Reaktionswege variieren nicht nur im Grad der Vereinfachung, sondern auch im grundlegenden Ablauf. Ziel der Arbeiten auf diesem Gebiet ist die Aufklärung der elementarkinetischen Reaktionsmechanismen in der SOFC.
Fragestellungen auf Zellebene sind die Kopplung von detaillierter Kinetik mit makroskopischen Transportvorgängen und die Vorhersage von ortsaufgelösten elektrochemischen Eigenschaften (Abb. 2). Je nach numerischer Randbedingung (fest oder periodisch) kann hier entweder eine einzelne Zelle oder ein Stackelement simuliert werden. Darüber hinaus werden 3D-Simulationen von Transportvorgängen mit realistischer Zellgeometrie durchgeführt (Abb. 3). Von besonderem Interesse ist hier die Temperaturverteilung, die maßgebend zu einer Degradation durch thermomechanische Belastungen beitragen kann.