Als eine vielversprechende Technologie zur Stromerzeugung wird die Entwicklung von Brennstoffzellen vorangetrieben. Der höhere Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Techniken basiert auf der direkten Umwandlung des Brennstoffes in elektrische Energie. Kernstück einer SOFC (Solid Oxide Fuel Cell, dt.: Festoxid-Brennstoffzelle) ist eine keramische MEA (Membrane Electrode Assembly, dt.: Elektrode-Membran-Einheit), auf der die Funktionsschichten (Kathode und Anode) aufgebracht sind. Diese wird mit einem keramischen Rahmen durch geeignete Lötverfahren gefügt und in die übrigen Komponenten des SOFC-Stacks eingebunden. Der aufgebaute Stack wird nachfolgend in einem vorhandenen Teststand insbesondere im Hinblick auf die Vorzüge des parallelen Aufbaus charakterisiert.
Basierend auf bereits durchgeführten Vorarbeiten zu dem Projekt soll ein Gesamtkonzept zum Aufbau eines Stacks mit paralleler Systemarchitektur weiterentwickelt und detailliert werden. Dabei ist die fertigungsgerechte Gestaltung aller Bauteile – insbesondere der keramischen Komponenten – in Bezug auf die hohe Betriebstemperatur (850 °C) einer SOFC zu berücksichtigen. Die Gestaltung des Flowfields, der Gasführungs- und Kontaktierungsbleche geschieht in enger Absprache mit Projektpartnern, die diese Bauteile durch CFD (Computational Fluid Dynamics, dt.: Numerische Strömungsmechanik)-Simulationen hinsichtlich der Fluiddynamik optimieren.
Neben den Werkstoffen der Hauptkomponenten ist eine zusätzliche Materialauswahl zum Verspannen und Abdichten des Stacks zu treffen. Dabei sind die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingten Spannungen und Formänderungen zu berücksichtigen. Zur Anbindung des Stacks an einen vorhandenen Teststand sind alle Gasversorgungsrohre sowie Leitungen für die Stromabnahme und Messtechnik an diesen anzupassen.
Ausgehend von einer umfangreichen Patent- und Literaturrecherche sollen die Besonderheiten beim Betrieb einer SOFC auf die Konstruktion und die eingesetzten Werkstoffe übertragen werden. Auf Basis dieser Informationen sollen verschiedene Lösungskonzepte erarbeitet und anschließend Vorzugslösungen ausgewählt werden. Diese soll anschließend in dem 3D-CAD (dreidimensionales „Computer-Aided Design“, dt.: Rechnerunterstütztes Konstruieren)-System „Autodesk Inventor“ konstruktiv umgesetzt werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Ausgangssituation
1.2. Projektidee und thematische Eingrenzung
1.3. Motivation und Zielsetzung
1.4. Aufbau der Arbeit
2. Grundlagen und Stand der Forschung
2.1. Geschichte der Brennstoffzelle
2.2. Aufbau und Komponenten
2.3. Funktionsprinzip und chemische Reaktionen
2.4. Brennstoffzellentypen und elektrische Wirkungsgrade
2.4.1. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)
2.4.2. Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)
3. Entwicklung und Umsetzung eines parallelen SOFC-Stacks
3.1. Besonderheiten beim Betrieb einer SOFC
3.1.1. Prinzipielle Funktionsweise
3.1.2. Hauptkomponenten
3.1.2.1. Elektrolyt
3.1.2.2. Anode
3.1.2.3. Kathode
3.1.2.4. Interkonnektor
3.1.3. Schutz- und Isolationsschichten
3.1.4. Sonstige Komponenten
3.2. Fertigungsgerechte Gestaltung einer Doppelzellen-Einheit
3.2.1. Auswirkungen auf die Konstruktion
3.2.2. Prozessspezifischer Werkstoffeinsatz
3.2.2.1. Materialauswahl für Hauptkomponenten
3.2.2.2. Materialauswahl zum Verspannen und Abdichten des Stacks
4. Konstruktion eines SOFC-Stacks mit paralleler Systemarchitektur
4.1. Löttechnik
4.2. Fertigungsgerechte Konstruktion und Montierbarkeit
4.3. Diskussion verschiedener Interkonnektorstrukturen
4.4. Auswahl und Detaillierung der Vorzugslösungen
4.4.1. Konstruktive Umsetzung mit „Autodesk Inventor“
4.4.2. Strömungsverteilung und Flowfield-Design
4.4.2.1. CFD-Simulationen
4.4.2.2. Anpassung an optimierte Fluiddynamik
5. Zusammenfassung und Ausblick
5.1. Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse
5.2. Schlussfolgerungen und Ausblicke
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und konstruktive Umsetzung eines SOFC-Stack-Designs mit paralleler Systemarchitektur, um durch diesen Aufbau die Degradation der Einzelzellen zu minimieren und eine kostengünstige, fertigungsgerechte Architektur zu etablieren. Die Forschungsfrage fokussiert sich dabei auf die Realisierbarkeit einer parallelen Anordnung unter Verwendung keramischer Werkstoffe und metallischer Fügeverfahren.
- Konstruktion eines SOFC-Stacks mit paralleler Systemarchitektur zur Steigerung der Ausfallsicherheit.
- Optimierung von Interkonnektorstrukturen und Flowfield-Designs durch CFD-Simulationen.
- Einsatz innovativer Fügetechniken wie Reactive-Air-Brazing (RAB) und Laserschweißen zur Vermeidung von Glasloten.
- Materialwahl für Hauptkomponenten und Verspannungselemente zur Reduktion thermomechanischer Spannungen.
- Bewertung der fertigungstechnischen Umsetzbarkeit und Kostenreduktion durch kompakte Modulbauweise.
Auszug aus dem Buch
4.2. Fertigungsgerechte Konstruktion und Montierbarkeit
Einen wichtigen Aspekt stellt die Beurteilung der fertigungstechnischen Umsetzbarkeit der untersuchten Flowfield- beziehungsweise Strömungsgeometrien dar. Hierzu ist deren fertigungstechnologische Optimierung ebenfalls Bestandteil der vorliegenden Arbeit. Das damit verbundene Hauptziel der Konstruktion besteht in der Erarbeitung homogener Stack-, das heißt Gasverteilerstrukturen, die einerseits zu einer Entschärfung kritischer Spannungszustände führen und andererseits eine vom Kostenaufwand her überschaubare Fertigung ermöglichen.
Wie in diesem Kapitel einleitend bereits erwähnt geschieht die Konstruktion des Keramikrahmens und insbesondere der (Blechteile für die) Bipolarplatten in kontinuierlicher Zusammenarbeit und Rücksprache mit den Industriepartnern, um überprüfen zu können, inwiefern die entwickelten Geometrien und Interkonnektorstrukturen fertigungstechnisch realisierbar sind oder ob eventuelle Verbesserungsvorschläge beispielsweise für das Tiefziehen beziehungsweise Hydroforming (der Bleche) existieren.
Prinzipiell ist auf eine spätere (einfache) Montierbarkeit des Stacks zu achten sowie insgesamt die Zugänglichkeit zu wartungsintensiven Komponenten der Anlage zu sichern. Dies macht vor allem geringe Fertigungstoleranzen erforderlich. Beim Fügen der MEA mit dem (keramischen) Rahmen ist eine Anpassung der TEC-Werte von besonderer Wichtigkeit (vgl. Abschnitt 3.2.2.1). Bei stark differierenden Koeffizienten kann es zu einer Aufwölbung der MEA kommen, welche während des Lötvorgangs unter Umständen noch zu beherrschen ist, jedoch bei der späteren Montage der einzelnen Doppelzellen zu einem Stack in den meisten Fällen zu Komplikationen führt, [Dör10].
Werkstoffauswahl, Flowfield-Design und Wahl der Fertigungstechnik müssen bei der Auslegung des Stacks grundsätzlich im Zusammenspiel erfolgen, sodass schließlich Interkonnektoren entwickelt werden können, die nicht nur die verfahrenstechnischen Kriterien erfüllen, sondern auch den monetären Anforderungen für eine wirtschaftliche SOFC-Technologie entsprechen; dies setzt mitunter eine einfache und schnelle Stack-Montage voraus, [Her05].
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Bedeutung der SOFC-Technologie, identifiziert die Probleme konventioneller serieller Verschaltungen und definiert die Zielsetzung der parallelen Stack-Architektur.
2. Grundlagen und Stand der Forschung: Erläutert die Geschichte und das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle sowie die spezifischen Eigenschaften verschiedener Zelltypen mit Fokus auf der SOFC.
3. Entwicklung und Umsetzung eines parallelen SOFC-Stacks: Detailliert die Hauptkomponenten, deren Materialauswahl unter thermomechanischen Aspekten und die Anforderungen an eine fertigungsgerechte Konstruktion der Doppelzellen-Einheit.
4. Konstruktion eines SOFC-Stacks mit paralleler Systemarchitektur: Dokumentiert die konstruktive Gestaltung, die angewandten Löt- und Schweißtechniken sowie die iterative Optimierung der Interkonnektorgeometrien mittels CFD-Simulationen.
5. Zusammenfassung und Ausblick: Resümiert die Projektergebnisse, bewertet die Material- und Konstruktionsentscheidungen kritisch und skizziert künftige Forschungsbedarfe.
Schlüsselwörter
Festoxid-Brennstoffzelle, SOFC, parallele Systemarchitektur, Stack-Konstruktion, Interkonnektor, Flowfield-Design, Reactive-Air-Brazing, keramische Komponenten, CFD-Simulation, Hydroforming, Doppelzellen-Einheit, Materialauswahl, thermomechanische Spannungen, Wirkungsgrad, Energietechnik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Masterarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Konzeption und konstruktiven Umsetzung eines SOFC-Stacks, der im Gegensatz zu herkömmlichen seriellen Systemen eine parallele Systemarchitektur aufweist, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen und Degradation zu minimieren.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Arbeit behandelt die Materialauswahl für Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die konstruktive Gestaltung von Interkonnektoren, die Anwendung metallischer Fügeverfahren und die strömungstechnische Optimierung mittels CFD-Simulationen.
Welches primäre Ziel verfolgt die Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Entwicklung eines fertigungsgerechten SOFC-Stack-Designs aus parallel verschalteten Doppelzellen, das eine einfache Diagnose sowie eine kostengünstige und langzeitstabile Betriebsweise ermöglicht.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Neben einer umfangreichen Literatur- und Patentrecherche werden zur konstruktiven Entwicklung und Validierung 3D-CAD-Modelle (Autodesk Inventor) erstellt und durch numerische Strömungsmechanik-Simulationen (CFD) hinsichtlich ihres strömungstechnischen Verhaltens optimiert.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen der SOFC, die detaillierte Materialauswahl für Hauptkomponenten und Dichtungen sowie die praktische Konstruktion des parallelen Stacks mit Fokus auf Interkonnektorstrukturen.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich diese Arbeit charakterisieren?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie SOFC, parallele Systemarchitektur, Interkonnektor, Hydroforming, keramische Rahmen, Reactive-Air-Brazing und Strömungssimulation geprägt.
Warum ist die parallele Verschaltung in dieser Arbeit relevant?
Die Parallelschaltung ermöglicht eine Einzelzellüberwachung, eine einfachere Abdichtung mittels metallischer Lotprozesse statt Glaslot sowie eine höhere Ausfallsicherheit, da bei Ausfall einer Zelle nicht das Gesamtsystem unbrauchbar wird.
Welche Rolle spielen die CFD-Simulationen für das Design?
Die Simulationen dienen dazu, die Strömungsverteilung im Flowfield zu homogenisieren und Druckverluste zu minimieren, um damit die Effizienz der Brennstoffzelle bereits im Konstruktionsstadium zu optimieren.
- Arbeit zitieren
- Marvin Hecht (Autor:in), 2013, Konzeption und Konstruktion eines parallelen SOFC-Stacks mit vermehrtem Keramikanteil, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/446658
