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
- Aufgabenstellung
- Inhaltsverzeichnis
- Ehrenwörtliche Erklärung
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- 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. Anode
- 3.1.2.2. Elektrolyt
- 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. Schlussfolgerungen und Ausblicke
- 5.2. Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Masterarbeit beschäftigt sich mit der Konzeption und Konstruktion eines parallelen SOFC-Stacks mit vermehrtem Keramikanteil. Ziel ist die Entwicklung eines Stacks mit optimierter Systemarchitektur, der die Vorteile eines parallelen Aufbaus nutzt und dabei die besonderen Herausforderungen der hohen Betriebstemperatur und des Einsatzes keramischer Komponenten berücksichtigt.
- Konstruktion eines parallelen SOFC-Stacks mit erhöhtem Keramikanteil
- Optimierung der Systemarchitektur für verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit
- Entwicklung eines fertigungsgerechten Konzepts unter Berücksichtigung der hohen Betriebstemperatur
- Detaillierung der Bauteile und Materialauswahl für eine optimale Funktionsweise
- Integration der CFD-Simulationen zur Optimierung der Strömungsverhältnisse im Stack
Zusammenfassung der Kapitel
Die Arbeit beginnt mit einer Einleitung, die die Ausgangssituation, die Projektidee und die Motivation für die Arbeit erläutert. Das zweite Kapitel befasst sich mit den Grundlagen und dem Stand der Forschung im Bereich der Brennstoffzellen. Hier werden verschiedene Brennstoffzellentypen vorgestellt, wobei der Fokus auf der SOFC liegt.
Kapitel drei behandelt die Entwicklung und Umsetzung eines parallelen SOFC-Stacks. Es werden die Besonderheiten beim Betrieb einer SOFC, wie die hohe Betriebstemperatur und die spezifischen Materialanforderungen, erläutert. Außerdem werden die verschiedenen Hauptkomponenten, die Schutz- und Isolationsschichten sowie die Fertigungsgerechte Gestaltung einer Doppelzellen-Einheit behandelt.
Das vierte Kapitel widmet sich der Konstruktion des SOFC-Stacks mit paralleler Systemarchitektur. Themen sind die Löttechnik, die fertigungsgerechte Konstruktion und Montierbarkeit, die Auswahl und Detaillierung der Vorzugslösungen sowie die Strömungsverteilung und das Flowfield-Design.
Schlüsselwörter
SOFC, Brennstoffzelle, parallele Systemarchitektur, Keramikanteil, Löttechnik, CFD-Simulationen, Flowfield-Design, Materialauswahl, Konstruktion, Fertigungsgerechte Gestaltung.
- Citation du texte
- Marvin Hecht (Auteur), 2013, Konzeption und Konstruktion eines parallelen SOFC-Stacks mit vermehrtem Keramikanteil, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/446658
