Thermo-mechanical investigations of reoxidation stable material concepts for solid oxide fuel cells

• Thermo-mechanische Erforschungen von reoxidationsstabilen Materialkonzepten für Festoxidbrennstoffzellen

Vasechko, Viacheslav; Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Aachen (2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Das Design von Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) hat einen großen Einfluss auf die chemische und mechanische Stabilität der elektrochemisch aktiven Zelle. Die betriebsbedingten aus isothermen Betrieb und thermozyklischen An- und Abfahren resultierenden mechanischen Belastungen werden weitestgehend vom Zellsubstrat getragen. Hinsichtlich der Optimierung des Zelldesigns im Hinblick auf die Lastzustände wurden in den letzten Jahren zwei Brennstoffzellensubstratkonzepte entwickelt. Das Erste basiert auf einer anodensubstratgestützen Zelle unter Verwendung eines anwendungsoptimierten keramischen Materials. Das Zweite auf der Verwendung eines metallischen Substrats. Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Vergleich dieser zwei planaren Konzepte. Basis dazu ist zum einen auch eine Untersuchung des mechanischen Verhaltens der neuen keramischen Materialzusammensetzung des anodengetragenen Designs, wobei hier die aktive Anodenschicht und das Anodensubstrat aus identischer Keramik bestehen, also eine vollkeramische Zelle. Die metalunterstützte Brennstoffzellenvariante besteht aus porösem ITM Substrat mit der aufgetragenen gradierten Ni-8YSZ Anode (aktive Anodenschicht und Anodenzwischenschicht), Elektrolyt und Kathode wobei sich hier die Arbeiten auf das poröse Trägermaterial konzentrierten. Beide Konzepte wurden anhand der Resultate von ANSYS 14.0 Workbench FEM Simulation verglichen. In einem ersten Schritt wurden also die für die Simulation relevanten Materialeigenschaften anhand einer Literaturrecherche eingegrenzt. Ein zusätzliches Ergebnis dieser Literaturrecherche war die Entwicklung eines Models zur Abschätzung der Materialeigenschaften für Porositätsvariaten des Ausgangsmaterials und veränderte Zusammensetzungen, z.B. des Verhältnisses in der Ni-8YSZ Anode. Im nächsten Schritt wurden die nicht hinreichend bekannten Eigenschaften der neu entwickelten Materialien (Y-dotiertes Strontiumtitanat (SYT)) für die Verwendung als Anodensubstrat und aktive Anodenschicht im vollkeramischen und die ITM Legierung als poröses Substrat im metallgetragenen Konzept) von Raumtemperatur bis zur SOFC-relevanten (annähernd 800ºC) Betriebstemperatur in thermomechanischen Versuchen bestimmt. Bestandteile der thermomechanischen Charakterisierung des SYT Materials waren die Ermittlung des elastischen - Moduls, der charakteristischen Festigkeit, der Querkontraktions - Zahl, des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Kriechrate. Zusätzlich wurde die chemische Stabilität des Y-dottierten Strontiumtitanats mittels Differenz-Thermoanalyse und Röntgendiffraktometrie untersucht, wobei festgestellt wurde, dass das mechanische Verhalten durch eine Phasenumwandlung bei erhöhten Temperaturen beeinflusst wird. Weiterhin wurden Versetzungsgleitbänder beobachtet, die durch den Härteindringtest in größere Körner induziert werden. Die Materialdefekte wurden als Basis für eine Verbesserung der Herstellersprozesse mittels Licht-, Stereo- und Rastrelektonmikroskopie charakterisiert. Untersuchungen zur Verbesserung der Eigenschaften des SYT wurden anhand von Materialdotierung durchgeführt. Hierzu wurden SYT und 3YSZ Keramik in gleichen Teilen gemischt und gesintert. Der thermomechanischen Charakterisierung bei Raumtemperatur folgte eine fraktographische Analyse zum Versagensursprung. Für die in poröser und dichter Form vorliegende ITM Legierung wurden der elastische - Modul, die Zugfestigkeit, die Querkontraktions - Zahl, der thermischer Ausdehnungskoeffizient und die Kriechrate bestimmt. Eine aus der Literatur bekannte ferromagnetisch-paramagnetische Umwandlung beeinflusste den elastischen - Modul, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Querkontraktions - Zahl. Zusätzlich war die Querkontraktions - Zahl ähnlich wie Zugfestigkeit und Fließspannung durch die Walzenrichtung beeinflusst. Bei den für das poröse ITM Material durchgeführten Kriechversuchen lag der Fokus auf die bereits für das dichte Material bekannte starke Spannungssensibilität. Die Ergebnisse zeigten das weitere Arbeiten notwendig sind um den Kriechmechanismus zu erklären.