Systemnahe thermische Charakterisierung eines oxidkeramischen Brennstoffzellen-Stacks für die mobile Anwendung

Abstract

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. A lightweight solid oxide fuel cell (SOFC) stack is developed for the application as an auxiliary power unit (APU) for trucks. This system is meant to supply the driver’s cabin of trucks with electricity during rest periods. Due to the high operating temperature of 750 °C and a required short startup time of the system, severe thermal requirements on the fuel cell unit must be fulfilled. An inhomogeneous temperature distribution inside the SOFC-Stack, combined with different thermal expansion coefficients of the used materials, leads to thermomechanical stresses which may destroy the stack. The aim of this work is the experimental determination of the temperature distribution in consideration of the thermodynamic processes of the SOFC. The main focus lies on the identification of temperature gradients and transients as well as local maximum temperatures during thermocyclic operations. To increase the thermo-cyclic stability of the SOFC-Stack, the temperature distribution within the stack needs to be known. Literature already describes first approaches for the experimental in-situ temperature determination of single SOFC-layers or whole laboratory-scale SOFC-Stacks. The temperature distribution of stacks is often calculated using computational fluid dynamic (CFD) models. These CFD-models are then validated by selected temperatures of solid materials or gas. The disadvantage of this method is that only the selected local values are validated. A detailed validation of the accordance between measured and simulated internal temperatures of a stack occurs only to a limited extend. Due to these facts, in this work an in-situ measuring method is developed, which allows experimentally determining the local and temporal temperature changes as well as local maximum temperatures in the thermo-cyclic mode of operation of the SOFC-Stack. For reliable data concerning the temperature distribution during operation, a SOFC lightweight stack is instrumented with appropriate temperature sensors. The instrumented stack is tested under thermo-cyclic load on a specially developed test bench, which resembles a APU-operating system, and the temperature distribution within the stack is experimentally determined. The experimental results are used to validate an existing CFD-model. The validation is based on the experimentally determined in-situ temperature data. The results ofthis CFD simulation serve as important input value for an also existing finite element model for structural mechanical analysis. The results of the experiments show that local temperature gradients occur. These cause thermomechanical stresses within the layers, which lead to a characteristic damage pattern. Two cases of damage can be distinguished. The analysis of the temperature distribution in the thermo-cycle operation showed, that especially during the starting phase the temperature gradients within the layers are at a maximum between the gas inlet and the cell. These induce high thermomechanical stresses into the components, which leads to a mechanical failure of the metal-ceramic-joint. During electrical load the temperature gradients are much lower than the gradients during starting phase, however at specific states of operation a temperature of 800 °C is reached, which is critical for the used Ag-braze. Depending on the current load and due to loss processes, heat is generated in the SOFC-Stack, which results in a local increase of temperature up to 900 °C. In combination with thermomechanical stresses, this leads to a damage in the area of the metal-ceramic joint. In this way, critical phases during the thermo-cyclic operation can be identified by the determined tem poral and local changes of temperature. The results of the tests of the operation under electrical load were approximated in advance using an one-dimensional numerical model. Using a characteristic map measurement, points are determined that lead to a reliable operation of the stack, when temperature is kept below certain temperature thresholds. Due to the identified temperature data, the stack-design can be optimized and materials can be advanced to increase the thermo-cyclic reliability of the SOFC lightweight stack. On system level an appropriate operation strategy for the SOFC-Stack can optimize the temperature distribution and therefore a thermomechanical relief of the stack. The identified parameters of operation, under consideration of the thermal maximum load of the used materials, serve as an important basis for the development of an appropriate operation strategy of the SOFC-Stack.