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Entwicklung eines serientauglichen SOFC-Stacks mit Lebensdauerpotential für stationäre Anwendungen - Teilvorhaben: Lebensdauer und Zuverlässigkeit von SOFC-Stacks

Abschlussbericht. Förderkennzeichen BMWi 0327740A
 
: Beckert, W.; Sauchuk, V.; Megel, S.; Kusnezoff, M.
: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme -IKTS-, Dresden

:
Volltext (PDF; )

Dresden: Fraunhofer IKTS, 2010, 87 S.
Deutsch
Bericht, Elektronische Publikation
Fraunhofer IKTS ()
SOFC-Brennstoffzelle; Betriebszeit; Zuverlässigkeit; Bauelement; mobiles Gerät; Werkstoffauswahl; Finite Elemente Methode; Langzeitverhalten; Prototypenherstellung; Abnutzung; Modellierung

Abstract
Das Projekt zielt auf die Realisierung eines planaren SOFC Stacks der 2. Generation aus metallischen Interkonnektorplatten, der speziell für robusten Feldeinsatz und lange Lebensdauer (10.000 h - 40.000 h) ausgelegt ist. Schwerpunkte der Entwicklung sind kostengünstige Komponenten, die auf Basis etablierter Serienverfahren gefertigt werden können, ein robustes und prozesssicheres Aufbau- und Fügekonzept und die lange Lebensdauer unter realitätsnahen Randbedingungen. Über die Partnerschaft mit der Staxera GmbH/Webasto AG wird die Entwicklung für aus Systemsicht exakt definierte und realistische technische Zielparameter sowie marktkonforme Kosten sichergestellt. Die detaillierten wissenschaftlich-technischen Zielstellungen werden den einzelnen Arbeitspaketen zugeordnet. Als Ergebnis der Arbeitspakete Finalisierung und Kontaktierung steht die Erkenntnis, dass die Spinell-Verbindungen (MCF und CNM) die geringsten Übergangswiderstände und Degradationsraten zeigen. Für Crofer22APU und ITMLC-Material wurden die Kombinationen der Schutzschicht und Kontaktschicht entwickelt, welche geringste Degradationsraten und Verluste bei der Zellkontaktierung im Stack gewährleisten. Diese Materialien wurden in Stacks geprüft und werden gegenwärtig bei der Stack-Produktion der Fa. Staxera verwendet. Durch die Oxidationsversuche an verschiedenen ferritischen Legierungen wurde gezeigt, dass nur ITM-Material unbeschichtet ein Potenzial für die Verwendung in Stacks mit Lebensdauer >40.000 h hat. Die geringen Oxidationsraten von ITM-Blechen erlauben auch die Verwendung dünnerer (0,3 mm statt 0,5 mm) Platten für die Interkonnektor-Herstellung, was zur Gewichtsreduktion und Kostenminimierung von Stacks auf der Basis vom ITMLC-Material führt. Diese Erkenntnis wurde im MK200-Design mit ITMLC-Stack umgesetzt. Leichtbau-Stacks sind insbesondere für den Einsatz in mobilen Anwendungen (APU) attraktiv. Im Zuge der Entwicklung der Fügetechnologie für neues MK200-Design wurden Geometrien und Formen der Fügeteile optimiert sowie die Fügeprofile erheblich verkürzt, was eine sichere und kostengünstigere Stack-Herstellung bei der Fa. Staxera zur Folge hatte. Durch umfangreiche Untersuchungen an Gläsern in dualer Atmosphäre konnten die materialbedingten Ursachen für die Degradation des Isolationswiderstandes ermittelt werden. Daraufhin wurde die Glaszusammensetzung optimiert. Die neuen Gläser befinden sich gegenwärtig in der Überführungsphase in die Produktion der Fa. Staxera. Es konnten die Grundlagen für die vereinfachten beschleunigten Tests von Fügungen mit erhöhten elektrischen Betriebsspannungen erarbeitet werden, was die zukünftige Entwicklung der Glaslote erheblich vereinfacht hat. Durch die Tests mit Crofer22APU und ITM konnte gezeigt werden, dass ITM eine verringerte Degradation der Glasloteigenschaften hervorruft. Durch die Arbeiten auf dem Gebiet der Simulation konnte erstmals ein Stack-Design aufgrund der Modeliierung der wesentlichen Merkmale (Brenngasverteilung, Luftverteilung, Temperaturverteilung usw.) vor dem Aufbau in der Hardware erstellt werden. Allerdings wurde die Anpassung der Modellparameter notwendig, um die reale Temperaturverteilung im Stack zu beschreiben. Die Simulationen wurden anhand der Stack-Versuche verifiziert und lieferten eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Zum Schluss des Projektes wurde ein FEM-basiertes Modul für die Berechnung der Stack-Eigenschaften erstellt und der Fa. Staxera übergeben. Das Modul erlaubt die Vorhersage der inneren Temperatur- und Leistungsverteilung im Stack bei der Integration in unterschiedliche Betriebsumgebungen (HotBox), was für die Regelbarkeit und Vorhersage der kritischen Zustände von groBer Bedeutung ist.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-154424.html