Konzeption und Konstruktion eines parallelen SOFC-Stacks mit vermehrtem Keramikanteil (PDF)

Masterarbeit aus dem Jahr 2013 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Energietechnik, Note: 1,3, Technische Universität Clausthal (Institut für Schweisstechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF)), Veranstaltung: Masterarbeit, Sprache: Deutsch, Abstract: 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.