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Systemnahe thermische Charakterisierung eines oxidkeramischen Brennstoffzellen-Stacks für die mobile Anwendung
(2015) Freundt, Pierre; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)
Für die Bordstromversorgung von Lastkraftwagen wird ein Energieerzeuger auf Basis eines oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) Leichtbau Stacks entwickelt. Dieses System soll die Fahrerkabine während den Standzeiten des Lastkraftwagens mit elektrischer Energie versorgen. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur von 750 °C und der erforderlichen kurzen Startzeit des Systems ergeben sich hohe thermische Anforderungen an die eingesetzte Brennstoffzelleneinheit. Eine inhomogene Temperaturverteilung im Inneren des oxidkeramischen Brennstoffzellen Stacks führt in Verbindung mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Werkstoffe zu thermomechanischen Spannungen, die einen Stack bis hin zur Zerstörung schädigen können. Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Bestimmung der Temperaturverteilung unter Berücksichtigung der thermodynamischen Prozesse der SOFC. Der Schwerpunkt liegt auf der Identifikation von Temperaturgradienten und -transienten sowie lokalen maximalen Temperaturen im thermozyklischen Betrieb. Für eine Steigerung der thermozyklischen Beständigkeit muss die Temperaturverteilung im SOFC-Stack bekannt sein. In der Literatur finden sich bereits erste Ansätze zur experimentellen in-situ Temperaturbestimmung auf SOFC Einzelebenen oder Stacks im Labormaßstab. Die Temperaturverteilung von Stacks wird zudem häufig mit Hilfe von Strömungsmodellen berechnet. Die Validierung der Strömungsmodelle erfolgt anhand ausgewählter Festkörper- und Gastemperaturen. Diese Methode birgt den Nachteil, dass nur eine Validierung dieser einzelnen Werte erfolgt. Eine detaillierte Überprüfung der Übereinstimmung von Realität und Modell der Kerntemperaturen eines Stacks erfolgt dabei nur bedingt. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit eine in-situ Messmethode entwickelt, die es erlaubt, örtliche und zeitliche Temperaturänderungen sowie lokale Temperaturmaxima im thermozyklischen Stackbetrieb experimentell zu bestimmen. Für belastbare Ergebnisse hinsichtlich der im Betrieb auftretenden Temperaturverteilung ist die Instrumentierung eines SOFC Leichtbau Stacks mit entsprechenden Temperatursensoren erfolgt. Der instrumentierte Stack wird auf einem speziell entwickelten systemnahen Teststand thermozyklisch belastet und die Temperaturverteilung im Stack experimentell bestimmt. Mit Hilfe der experimentellen Ergebnisse wird ein bestehendes Strömungsmodell validiert. Die Validierung erfolgt dabei anhand der experimentell ermittelten in-situ Temperaturdaten. Die Ergebnisse der Simulation dienen als wichtige Eingangsgröße für ein ebenfalls vorhandenes Finite-Elemente-Methode Modell zur strukturmechanischen Analyse. Die Ergebnisse zeigen, dass lokal Temperaturgradienten auftreten. Diese induzieren thermomechanische Spannungen in den Ebenen, welche zu einem charakteristischen Schadensbild führen. Dabei können zwei Schädigungsfälle unterschieden werden. Untersuchungen der Temperaturverteilung im thermozyklischen Betrieb haben gezeigt, das insbesondere in der Startphase die Temperaturgradienten in den Ebenen zwischen dem Einströmbereich und der Zelle am höchsten sind. Diese induzieren hohe thermomechanische Spannungen in die Bauteile, welche ein mechanisches Versagen der Metall-Keramik-Fügung nach sich führen. Im elektrischen Lastfall liegen die Temperaturgradienten zwar deutlich unter denen in der Startphase, jedoch werden bei bestimmten Betriebspunkten ein für das eingesetzte Ag-Lot kritischer Temperaturwert von 800 °C erreicht. In Abhängigkeit der Strombelastung entsteht aufgrund von Verlustprozessen Wärme im SOFC-Stack, was zu lokalen Temperaturen von über 900 °C führt. In Kombination mit thermomechanischen Spannungen kommt es ebenfalls zu einer Schädigung im Bereich der Metall-Keramik-Fügung. Anhand der zeitlich und örtlich bestimmten Temperaturänderungen können so kritische Phasen im thermozyklischen Betrieb identifiziert werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen des Lastfalls werden im Vorfeld durch ein eindimensionales numerisches Modell näherungsweise bestimmt. Mit Hilfe einer Kennfeldmessung wurden Leistungspunkte ermittelt, die unter Einhaltung von Temperaturgrenzwerten einen für den Stack sicheren Betrieb ermöglichen. Anhand der gewonnenen Temperaturdaten ist eine konstruktive Optimierung des Stack-Designs sowie die Weiterentwicklung von Werkstoffen zur Steigerung der thermozyklischen Beständigkeit des Leichtbau Stacks realisierbar. Auf Systemebene kann mit einer entsprechenden Betriebsstrategie die Temperaturverteilung optimiert und somit eine thermomechanische Entlastung des Stacks erreicht werden. Die, unter Berücksichtigung der thermischen Belastungsgrenzen der eingesetzten Werkstoffe, identifizierten Betriebsparameter dienen dabei als wichtige Ausgangsbasis für die Entwicklung einer entsprechenden Betriebsstrategie.