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Semester-, Bachelor- und Masterarbeiten

Offene Arbeiten

Folgende Arbeiten sind zur Zeit zu vergeben. Interessenten kontaktieren bitte den jeweiligen Betreuer. Sollte keines der ausgeschriebenen Themen zusagen, kann eventuell auch nach direkter Absprache mit einem wissenschaftlichen Mitarbeiter ein Thema gefunden werden.

1-D Modellierung einer porösen Sauerstoffverzehrelektrode (M)

Problemstellung:
Gasdiffusionselektroden (GDE) sind komplexe Funktionsmaterialien, die in verschiedenen technisch bedeutsamen elektrochemischen Prozessen wie Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien eingesetzt werden. Eine weitere vielversprechende Einsatzmöglichkeit bietet die Umwandlung von CO2zu Formiat. Die Kinetik von Reaktionen in GDEs wird dabei maßgeblich durch die Lösbarkeit des Gases im Elektrolyt, aber auch durch Transportlimitierungen des gebildeten Formiats im Elektrolyt beeinflusst.

Ziel:
Die Umwandlung von CO2 zu Formiat soll durch ein 1D-Modell über die einzelnen Schichten der GDE beschrieben werden. Dabei sollen die Transportprozesse und Reaktionen an der Dreiphasengrenze durch das „Thin-film flooded agglomerate“ Modell beschrieben werden und durch anschließende Parametervariationen sollen mögliche Potentiale für Leistungsverbesserung aufzeigt werden.

Inhalt:
Um die Prinzipien des Verfahrens besser verstehen und beschreiben zu können, bzw. Verbesserungspotentiale aufzuzeigen sollen im Rahmen einer Abschlussarbeit folgende Arbeitspakete erarbeitet werden:

  • Implementierung des „Thin-film flooded agglomerate“ Modells mit MATLAB
  • Kennwerte für das Modell aus anderen Arbeiten, bzw. aus Messungen des Instituts für technische Chemie bestimmen

Erforderliche Qualifikation:
Spaß an numerischen Methoden

Betreuer: P. Kunz

Modernisierung einer Praktikumsanlage eines Rührkesselreaktors für den Vorlesungsbetrieb (B)

Problemstellung:
In Rührkesselreaktoren lassen sich vergleichsweise lange Verweil- /Reaktionszeiten verwirklichen. Dadurch sind sie vor allem für einen Betrieb mit langsamen Reaktionen, hohen Umsätzen und guten Selektivitäten geeignet. Generell besteht immer dann ein hohes Gefahrenpotential, wenn eine große Menge reaktionsfähiger Edukte bei relativ niedriger Temperatur im Reaktor vorliegt. Wenn bei diesen Bedingungen die Reaktion anspringt, so setzt die „exotherme Selbstbeschleunigung“ ein, bei der die Wärmefreisetzung durch Reaktion sehr viel schneller stattfindet als die Wärmeabfuhr durch Kühlung. Dies kann zum „Durchgehen“ des Reaktors führen und damit zu einem unkontrollierten Druckanstieg im Reaktor, dessen Folge eine thermische Explosion ist. Das „Durchgehen“ eines Reaktors ist der häufigste Grund für schwere Störfälle in der chemischen Industrie.
Diese Problematik soll in einem Vorlesungsversuch am Beispiel der Hydrolyse von Essigsäureanhydrid deutlich gemacht werden. 

Ziel:
Für die Vorlesung Chemische Reaktionstechnik I soll eine Praktikumsanlage für den Betrieb eines Rührkesselreaktors modernisiert und erweitert werden. Mit dem Versuchsaufbau soll das dynamische Verhalten exothermer Reaktionen in Rührkesselreaktoren und das daraus entstehende Gefahrenpotential im industriellen Betrieb experimentell untersucht werden.

Inhalt:

  • Instandsetzung und Modernisierung der Anlage (Austausch alter Messmodule, neue Messtechnik installieren, Testen der vorhandenen Hardware).
  • Erweiterung einer Schnittstelle zwischen Matlab / Simulink und einer Gantner Instruments q.Station zur Steuerung der Versuchsanlage.
  • Anpassung eines vorhandenes Simulink Simulationsmodelles an die Praktikumsanlage.
  • Erprobung von Praktikumsversuchen und Erstellen eines kurzen Praktikumsskripts.

Erforderliche Qualifikation:

  • Kenntnisse in Chemischer Reaktionstechnik
  • Matlab / Simulink

Betreuer: C. Walter

Modellbasierte Analyse von Konzepten zur Methanpyrolyse (M)

Problemstellung:
Die Pyrolyse von Erdgas ist ein thermodynamisch günstiger Ansatz zur Herstellung von Wasserstoff mit minimalem CO2-Abdruck.
Dadurch kann elektrische Energie in Form umweltverträglicher Energieträger, beispielsweise Wasserstoff oder Synthetic Fuels gespeichert werden. Die aussichtsreichsten Konzepte für die technische Umsetzung dieses Prozesses sind ein direkt elektrisch beheizter Wanderbettreaktor und ein zyklisch betriebener Reaktor mit regenerativer Wärmerückgewinnung.

Ziel:
Im Rahmen einer modellbasierten Analyse sollen diese Konzepte analysiert werden. Dabei sollen kritische Designmerkmale bewertet und ggf. modifiziert werden. Grundlegende Versionen der Modelle stehen zur Verfügung.

Inhalt:
Schwerpunkte der Studie sind die folgenden Punkte:

  • Direkt elektrisch beheizter Wanderbettreaktor:
    • Parameterstudien zur Analyse des Betriebsverhaltens, der erzielbaren Wasserstoffausbeute und des Effizienz der Wärmerückführung.
    • Implementierung unterschiedlich detaillierter Korrelationen für die elektrische Leitfähigkeit von zufälligen Packungen aus elektrisch leitfähigen Partikeln und Stabilitätsanalyse des Betriebszustandes des Reaktors.
  • Regenerativer Reaktor:
    • Parameteranalyse zum Betriebsverhalten, der erzielbaren Wasserstoffausbeute und der Effizienz eines regenerativen Reaktorkonzeptes. Im Mittelpunkt der Betrachtungen soll das Beheizungskonzept stehen. Die favorisierten Varianten sind die Teilverbrennung des erzeugten Wasserstoffs und die Widerstandsbeheizung.
    • Erweiterung der Modelle zur Abschätzung der thermisch induzierten Beanspruchung der Reaktorstruktur unter dem Einfluss inhärent transienter Betriebszustände.

Erforderliche Qualifikation:

  • Gute Kenntnisse in C oder Fortran

Betreuer: C. Walter

Abschlussarbeiten und Praktika in der Arbeitsgruppe "Polymer- und Membrantechnik" (S/B/M/Wahlpraktikum)

Die von Dr. Jochen Kerres geleitete Arbeitsgruppe ist seit fast zwei Jahrzehnten in der Entwicklung von Polymeren und Membranen für Elektromembranverfahren wie PEM-Elektrolyse, Low- und High-T-Brennstoffzellen, Elektrolyse, Elektrodialyse und Redox-Flow-Batterien aktiv. Die Polyelektrolyte basieren auf Arylen-Hauptkettenionomeren (Homopolymeren, Random-Copolymeren, Multiblock-co-polymeren und Pfropfen-copolymeren) und Vinylpolymeren, die durch radikalische oder anionische (Co-) Polymerisation synthetisiert werden. Die auf ionisch und / oder kovalent vernetzten Kationenaustauscher- und Anionenaustauschermembranen basierende Membran und organisch-anorganische Kompositmembranen wurden in mehreren nationalen und internationalen Projekten entwickelt. Die Arbeitsgruppe hat fünf Buchkapitel, 95 wissenschaftliche Publikationen und ungefähr 30 Patente / Patentanmeldungen veröffentlicht. Im Jahr 2001 erhielt die Gruppe den "Fuel Cell Award Silver", der von der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart, der Daimler AG und der EnBW AG gestiftet wurde für die Entwicklung von nichtfluorierten Hochleistungs-Ionomermembranen für H2- und Direktmethanol-Brennstoffzellen.


Die Arbeitsgruppe Kerres sucht Studenten/innen, die ihr Wahlpraktikum, ihre Semester-, Bachelor- oder Masterarbeit an anwendungsbezogener Forschung machen wollen:

  • Kleines Team mit Erfahrung in Polymersynthese, Charakterisierung und Anwendung in Brennstoffzellen und Redox-Flow-Batterien.
  • Nationale und internationale Projekte
  • Teilnahme an Austauschprogrammen, Seminaren, Projekttreffen und Konferenzen
  • Praktische Erfahrungen in organischer Synthese, Polymerisation, Membranherstellung und Charakterisierung - Vorbereitung von Proben für verschiedene analytische Messmethoden, wie NMR, EA, GPC, DSC, TGA, FT-IR und ex- und in-situ Impedanzmessungen
  • Brennstoffzellen- und Redox-Flow-Batterien-Testanlagen stehen zur anwendungsbezogenen Messungen zur Verfügung

Voraussetzungen:

  • Student/in der Chemie, Materialwissenschaften, Chemieingenieurwesen oder ähnlichem (Erfahrungen in Polymer
  • und organischer Synthese sind vom Vorteil)
  • Hohe Motivation und Selbstorganisation in den Forschungstätigkeiten
  • gute MS Office-Kenntnisse
  • gute Englisch Kenntnisse

Betreuer: J. Kerres

Thesis or internship in the group "polymer- and membrane technology" (S/B/M/internship)

The work group of Dr. Kerres has been developing polymers and membranes for electro chemical devices such as PEM electrolysis, low and high-T fuel cells, electrodialysis and redox-flow batteries since more than two decades. The polyelectrolytes are based on arylene main-chain ionomers (homopolymers, random copolymers, multiblock copolymers and graft copolymers) and vinyl polymers synthesized by radical or anionic (co-)-polymerization. The membranes based on ionically and/or covalently cross-linked cation-exchange and anion-exchange membranes, and organic-inorganic composite membranes have been developed within 9 national and international projects. The work group has published 5 book chapters, 95 scientific publications, and more than 30 patents/patent applications. In 2001 the group received the "Fuel Cell Award Silver", which was donated by Economic Foundation of the Stuttgart region, Daimler AG and EnBW AG for the development of nonfluorinated high-performance ionomer membranes for H2 and Direct Methanol Fuel Cells.


We are looking for students willing to make their elective internship, semester-, bachelor- or master thesis on applied research:

  • Working in a team with experience in polymer synthesis, characterization and application in fuel cells and redox-flow batteries " National and international projects
  • Participation in student exchange programs, seminars, project meetings and conferences
  • Gain hands-on experience in organic synthesis, polymerization, membrane preparation and characterization " Preparation of samples for various analytical measurement methods, such as NMR, EA, GPC, DSC, TGA, FT-IR and electrochemical impedance measurements
  • Fuel cell and redox flow battery test facilities are available for application-related measurements

Your profile:

  • Student in Chemistry, Material Science, Chemical Engineering or similar (polymer and organic synthesis will be in advantages)
  • High motivation and self-organization at the research work
  • Good skills in MS Office
  • Good in both written and spoken English

Betreuer: J. Kerres

Versuche und FEM-/CFD-Simulationen zur Produktentwicklung von Spezialdichtungen (B/M)

Problemstellung:

  • Versuche und/oder FEM-/CFD-Simulationen für die Entwicklung von Spezialdichtungen (Flatterventilen) sind zu planen und weiterzuführen.

Ziel:

  • Zu Werksstoffauswahl, Belastungsverhalten und Lebensdauerbewertung von Flatterventilen sind experimentelle und numerische Ergebnisse zu erarbeiten.

Inhalt:

  • Weiterentwicklung und konstruktive Anpassung eines vorhandenen Prüfstandes zur Ermüdungsfestigkeit von Flatterventilen;
  • Optimierung der Mess- und Steuertechnik des Versuchstandes;
  • Definition und Festlegung der Versuchsabläufe;
  • Durchführung und Dokumentation von Versuchen zur Ermüdungsfestigkeit;
  • Überarbeitung und Weiterentwicklung des FEM-Berechnungsmodelles;
  • Validation der Versuchsergebnisse und der FEM-Simulation.

Erforderliche Qualifikation:

  • Student/in der Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Energietechnik o. ä.;
  • Interesse in Versuchstechnik und FEM- / CFD-Simulationswerkzeugen; 
  • Vorkenntnisse in ANSYS / FLUENT vorteilhaft;
  • Hohe Motivation und Selbstorganisation in der Forschungstätigkeit;
  • gute MS Office-Kenntnisse.

Betreuer: Prof. C. Merten

Simulation der umgekehrten Elektrodialyse mit bipolaren Membranen (M)

Problemstellung:

Die Elektrodialyse mit bipolaren Membranen sowie deren Umkehrprozess wurden am ICVT als neue Akkumulator Technologie zur Energiespeicherung erfolgreich getestet. Dieses Verfahren kann zum Beispiel in Redox-Flow Batterien zur Speicherung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen eingesetzt werden.

Ziel:

Durch eine verbesserte Modellbeschreibung und durch anschließende Parametervariationen sollen mögliche Potentiale für Leistungsverbesserung aufzeigt werden.

Inhalt:

Um die Prinzipien des Verfahrens besser verstehen und beschreiben zu können, bzw. Verbesserungspotentiale aufzuzeigen sollen im Rahmen einer Abschlussarbeit folgende Arbeitspakete erarbeitet werden:

- Phänomene bei umgekehrter Elektrodialyse mit bipolaren Membranen beschreiben
- Erweiterung des mathematischen Modells zur Verfahrensbeschreibung mit MATLAB
- Untersuchung des Einflusses der Co-Ionen-Migration auf den Wirkungsgrad
- Kennwerte für das Modell aus anderen Arbeiten, bzw. eigenen Messungen am ICVT bestimmen

Erforderliche Qualifikation:

Spaß an numerischen Methoden.

Betreuer: P. Kunz

Entwicklung eines Solvers zur Beschreibung der Ionen Migration für die Smoothed Particle Hydrodynamics Methode (M)

Problemstellung:

Am ICVT wird der institutseigene Simulationscode „Siper“, der auf der gitterfreien „Smoothed Particle Hydrodynamics“-Methode (SPH) basiert, entwickelt. Der Code wird aktuell zur Berechnung von Mehrphasenströmungen in porösen Medien und für die Simulation von Strukturbildungsprozessen poröser Materialien, wie z.B. die Erzeugung von Membranen, verwendet.

Ziel:

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Solvers, zur Beschreibung zeitabhängiger Migrationsprozesse in einer Elektrolytlösung in der SPH-Methode.

Inhalt:

Folgende Arbeitspakete sollen im Rahmen der Arbeit behandelt werden:

- Einarbeiten in die SPH Methode
- Literaturrecherche zum aktuellen Stand der Modellierung von Ionen-Migrationsprozessen
- Implementierung des Solvers im instutseigenen SPH-Code „SiPER“
- Validierung der Ergebnisse

Erforderliche Qualifikation:

Gute Kenntnisse in C und Spaß an numerischen Methoden.

Betreuer: P. Kunz

Multiskalenmodellierung von Entmischungsprozessen (M)

Problemstellung:

Bei der Herstellung poröser Polymermembranen im sogenannten Phaseninversionsprozess entsteht die Morphologie während des Entmischungsprozesses einer mehrkomponentigen Polymerlösung. Bei der Simulation der entstehenden Porenstruktur der Membran ist der Entmischungsprozess deshalb von besonderer Bedeutung. Auf der Mikroskala existiert ein Modell zur Simulation der Entmischungsprozesse sowie den entstehenden Porenstrukturen, mit dem, aufgrund des hohen Berechnungsaufwands, allerdings nur ein kleiner Ausschnitt einer Membran betrachtet werden kann. Aktuelle Modelle auf der Makroskala hingegen können die Porenstruktur bisher noch nicht vorhersagen. Eine rigorose Verknüpfung von Mikro- und Makroskala ist daher wünschenswert.

Ziel:

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Multiskalenansatzes zur Simulation der Porenstruktur auf der Makroskala.

Inhalt:

Diese Arbeit beinhaltet folgende Arbeitspakete:
- Einarbeitung in die Physik und Modellierung von Entmischungsprozessen
- Formulierung eines Multiskalenmodells für Entmischungsprozesse
- Implementierung und Validierung des Multiskalenmodells

Erforderliche Qualifikation:

Sehr gute thermodynamische Kenntnisse und Spaß an mathematisch-numerischen Problemstellungen.

Betreuer: M. Hopp

Entwicklung neuartiger Polymermembranen mithilfe der Nanopartikeltechnik (M)

Problemstellung:

Bipolarmembranen sind Ionenaustausch-Membranen, die aus kationischen, anionischen und katalytischen Schichten bestehen und zur Erzeugung von H+ und OH- Ionen aus Wasser in einem elektrischen Prozess benutzt werden. Sie werden in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie für die Säure- und Laugeproduktion aus Salzlösungen, für die Gewinnung organischer Säuren und die pH-Einstellungen eingesetzt. Ein wesentliches Problem für den Einsatz dieser Membranen ist ihre begrenzte Stabilität und unzureichende Energieeffizienz. Weiterhin sind die Preise, auch aufgrund einer geringen Anbieterzahl, unakzeptabel hoch. Es besteht daher ein großer Entwicklungsbedarf für Bipolarmembranen mit verbesserten Eigenschaften (Stabilität, Energieeffizienz) und geringeren Herstellkosten.

Ziel:

Entwicklung von Bipolarmembranen mit neuer Katalysatorschicht.

Inhalt:

Vorwiegend eine experimentelle Arbeit, die die am Institut für Chemische Verfahrenstechnik (ICVT) vorhandenen Kompetenzen in der Erzeugung anorganischer Nanopartikeln mit der Membranherstellung vereinigen und durch neue Beschichtungsmethoden ergänzen würde um eine neuartige Bipolarmembran zu entwickeln. Die Aufgabenstellung vereint also mit der Nanopartikel- und der Membrantechnik zwei Zukunftstechnologien. Zunächst wird die Erzeugung geeigneter Katalysatorpartikeln mit den vorhandenen Gasphasensynthese-Verfahren Ziel sein. Parallel dazu wird die Membranherstellung durchgeführt. Durch den Aufbau eines noch nicht vorhandenen Beschichtungssystems werden schließlich die hergestellten Membranen mit Partikeln beschichtet und laminiert. Schließlich werden die fertigen Membranen in Testmodule eingebaut und auf ihre Funktion hin getestet. Eine Optimierung wird dann über die Variation der Partikelgröße und –art, die Beschichtungsdicke und die Membraneigenschaften geschehen.

Erforderliche Qualifikation:

Immatrikulation im Studiengang Chemie oder Chemische Verfahrenstechnik. Kenntnisse im Bereich der Polymerchemie und Nanopartikeln sind von Vorteil.

Betreuer: A. Grabowski

Entwicklung neuartigen Membranverfahren (M)

In der Masterarbeit soll eine Machbarkeitsstudie als erste Phase der Entwicklung einer neuartiger Membrantechnologie durchgeführt werden. Im Labormaßstab soll ein neues Verfahrenskonzept realisiert, getestet und mit Stand-dard-Technik verglichen werden. Eine experimentelle Arbeit, die Tüftlergeist verlangt.

Die Teilnahme am Modul “Membrantechnik“ oder „Elektromembranverfahren“, sowie Kenntnisse im Bereich der Elektrochemie, Adsorbentien oder Polymerchemie sind von Vorteil.

Betreuer: A. Grabowski

Strömungsoptimierung in einem Membranmodul (B/M)

Ziel der Arbeit ist es die Materialien und die Konstruktion von einem Membranmodul zu verbessern. Die Auswahl geeigneter Materialien (Membran, Spacer, Dichtungsmaterial, etc.) und Fertigungsverfahren muss für eine vorhandene vorläufige Modulkonstruktion getroffen werden. Aus der Strömungsimulation in einem Membranmodul müssen Vorschläge für die Konstruktionsverbesserungen folgen. Die verbesserte Modulkonstruktion muss in einem Prototyp verwirklicht und getestet werden.

Aufgaben:

  • Literaturrecherche
  • Auswahl passenden Materialien
  • Auswahl Modulfertigungsverfahren
  • Strömungsimulation in einem Membranmodul und daraus folgende Konstruktionsverbesserungen
  • Mit der ausgearbeiteten Konstruktion soll einen Prototyp gebaut und getestet werden

Erforderliche Qualifikationen:

  • Kenntnisse im Bereich der mathematischen Modellierung mit ANSYS, sowie CAD sind von Vorteil

Betreuer: Prof. C. Merten

Oxid-Quantifizierung auf Platin-Partikeln unter typischen Autoabgasbedingungen mit Hilfe der Atomsondentomographie (M)
Auf Dieseloxidationskatalysatoren (DOCs) wird häufig Platin (Pt) als aktive Komponente einge-setzt, da es eine sehr hohe katalytische Aktivität besitzt. Hierdurch können Kohlenmonoxid (CO) ebenso wie Kohlenwasserstoffe (CxHy) aus dem Abgasstrom effektiv oxidiert und somit in weniger schädliche Produkte wie Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) überführt werden. Da Dieselmotoren jedoch in den meisten Fällen mager – also unter Luftüberschuss – betrieben werden, kann anfallendes Stickstoffmonoxid (NO) im Regelfall nicht durch CO zu Stickstoff (N2) und CO2 umgesetzt werden, wie es beispielsweise im 3-Wege-Katalysator praktiziert wird. Stattdessen wird NO aufgrund des hohen Sauerstoffgehalts zu NO2 oxidiert. Die NO-Oxidation ist dabei zum einen bei Temperaturen ab 350°C durch das thermodynamische Gleichgewicht limitiert. Zum anderen wurde in mehreren vorangegangenen Arbeiten die Tendenz des Platins festgestellt, in magerer Atmosphäre Oxide zu bilden. Diese besitzen eine geringere Aktivität als das reduzierte Metall. Die Pt-Oxidation kann unter mageren Bedingungen auch reversibel verlau-fen, da NO selbst die Tendenz zeigt, Platinoxid bei niedrigen Temperaturen zu reduzieren. Auf-grund dieser Phänomene stellt sich im Verlauf der charakteristischen Lightoff-/Lightout-Kurven (Zünd-/Lösch-Kurven) eine Hysterese ein. Im Rahmen dieser Arbeit soll in diesem Kontext die Analyse des Edelmetalls mit Hilfe der Atomsondentomographie erfolgen. Dabei handelt es sich um ein Analyseverfahren der Materi-alwissenschaften. Mittels Feldverdampfung von einer scharfen Spitze ist es möglich das ver-dampfte Volumen dreidimensional mit atomarer Auflösung als Computermodell zu rekonstruie-ren. Zwar findet die Analyse ebenfalls unter UHV-Bedingungen statt. Die Temperatur liegt dabei jedoch zwischen 20 und 100K. Dies bedeutet, dass der Zustand des Metalls eingefroren wird und sich demnach nicht verändert. Andererseits kann das Edelmetall in einer separaten Kammer mit realen Abgasbedingungen unter Atmosphärendruck vorbehandelt werden. In einer vorangegangenen Masterarbeit wurden bereits geeignete Präparationsmethoden entwi-ckelt sowie die passenden Prozessparameter für die Analyse bestimmt. In der vorliegenden Ar-beit sollen detaillierte Einblicke in das Oxidationsverhalten von Pt-Partikeln gewonnen werden. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf Phänomene, die auf Abgaskatalysatoren beobachtet wurden ist gegebenenfalls zu prüfen. Die Arbeit findet größtenteils am Institut für Materialwissenschaft statt (Lehrstuhl für Material-physik, Heisenbergstraße 3, 70569 Stuttgart). Sie wird vor Ort von Herrn Prof. Schmitz und Herrn Dr. Stender und seitens des ICVT von Frau Dr. Tuttlies betreut. In regelmäßigen Ab-ständen findet ein Austausch mit dem ICVT statt. Beginn der Arbeit ist ab dem 01.06.2016 möglich. Ihre Bewerbung richten Sie bitte an Frau Tuttlies.

Betreuer: U. Tuttlies

 

S=Semesterarbeit, B=Bachelorarbeit, M=Masterarbeit

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