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Versagensbewertung thermisch belasteter Fügungen innerhalb eines Brennstoffzellenstacks

Bremm, Sophia Larissa Donata (2022):
Versagensbewertung thermisch belasteter Fügungen innerhalb eines Brennstoffzellenstacks. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00021228,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Versagensbewertung thermisch belasteter Fügungen innerhalb eines Brennstoffzellenstacks
Language: German
Abstract:

Brennstoffzellen sind eine aufstrebende Technologie zur Bereitstellung elektrischer Energie. Um eine ausreichend hohe elektrische Spannung zu erreichen, werden meist mehrere Zellen in Reihe geschaltet und zu einem sogenannten Stack gestapelt. Insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellen zeichnen sich durch ihre Effizienz aus. Deren hohe Betriebstemperaturen führen allerdings zu großen Herausforderungen. Ein entscheidender Faktor für die Langlebigkeit ist die Qualität der Fügung, die zur Zusammensetzung der Zellen zu einem Stack benötigt wird. Diese muss unter anderem hohen Temperaturdifferenzen und -gradienten standhalten. Ein Versagen der Fügung hat gravierende Auswirkungen auf die Leistung und Effizienz des Systems. Dennoch ist dies ein Problem, welches sich in praktischen Beobachtungen oft zeigt.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur Versagensbewertung thermisch belasteter stoffschlüssiger Verbindungen und deren Anwendung auf Fügungen innerhalb von Hochtemperaturbrennstoffzellenstacks. Auf Grundlage eines aktuellen Stack-Designs des Forschungszentrums Jülich wird zunächst ein dreidimensionales, linear elastisches numerisches Modell vorgestellt, das verschiedene Schichten von Stahlrahmen und Glaskeramikfügungen umfasst. Anhand dessen werden grundlegende Mechanismen identifiziert, die zu einer Beanspruchung der Fügungen führen. Es stellt sich heraus, dass die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien im Vergleich zu anderen Mechanismen einen besonders großen Einfluss hat.

Für weitergehende Untersuchungen wird aus dem dreidimensionalen Modell ein ebenes Minimalmodell abgeleitet. Dieses besteht aus einer Glaskeramikschicht zwischen zwei Stahlschichten und soll eine Fügung innerhalb des Stacks repräsentieren. Da das Materialverhalten von Glaskeramik stark temperaturabhängig ist, muss zur Versagensbewertung eine Fallunterscheidung getroffen werden. Für Temperaturen unter der Glasübergangstemperatur verhält sich Glaskeramik linear elastisch und spröde, für Temperaturen darüber viskoelastisch. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich auf die Untersuchungen für linear elastisches Materialverhalten. Für diesen Fall wird das singuläre Verhalten der Spannungen am freien Rand des Materialübergangs untersucht. Es stellt sich heraus, dass sich weder klassische Festigkeitskriterien noch Methoden der Bruchmechanik zur Versagensbewertung eignen. Stattdessen wird das gekoppelte Spannungs- und Energiekriterium im Rahmen der Finiten Bruchmechanik herangezogen. Eine Parameterstudie bezüglich der versagensrelevanten Materialkennwerte ergibt, dass die Versagenslast hauptsächlich von der Bruchzähigkeit abhängt, wohingegen die Festigkeit nur einen leichten Einfluss hat. Weiterhin werden Konfigurationen mit verschiedenen Glaskeramikdicken untersucht. Der Klebschichtdickeneffekt, der durch eine betragsmäßige Erhöhung der Versagenslast bei kleineren Klebschichtdicken gekennzeichnet ist, kann sinnvoll abgebildet werden. Bei selbstähnlicher Skalierung der Ausgangskonfiguration können die Ergebnisse effizient unter Verwendung einer Dimensionsanalyse ermittelt werden. Die Ergebnisse werden mittels eines Kohäsivzonenmodells verifiziert. Anhand der erlangten Erkenntnisse werden Ansätze zur Verbesserung der Fügung vorgeschlagen. Darüber hinaus wird, für den Fall, dass die Temperatur größer ist als die Glasübergangstemperatur, ein zeitabhängiges, viskoelastisches Verhalten der Glaskeramik berücksichtigt. Dies führt einerseits zu einem Abbau der Spannungen, andererseits allerdings zu großen Deformationen, die potentiell kritisch im Hinblick auf Versagen sein können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Fuel cells are a rising technology for providing electrical energy. In order to achieve a sufficiently high electrical voltage, several cells are connected in series and form a stack. In particular, high temperature fuel cells are notably efficient. However, their high operating temperatures lead to major challenges. A decisive factor for a long-term operability is the quality of the sealings, which are required to assemble the cells to a stack. Among other kinds of loading, they must withstand high temperature differences and gradients. Failure of the joints has a serious impact on the performance and efficiency of the system. Nevertheless, this is a problem that frequently occurs in practical observations.

The aim of the present work is to develop a methodology for the failure assessment of thermally loaded material-bonded joints and its application to joints within high temperature fuel cell stacks. Based on a current stack design of Forschungszentrum Jülich, first a three-dimensional linear elastic numerical model is presented that includes different joined layers of steel frames and glass ceramics sealings. Based on this, fundamental mechanisms leading to stresses within the joints are identified. It turns out that, compared to other mechanisms, the mismatch of the thermal expansion coefficients of the involved materials has a particularly large impact.

For further investigations, a planar minimal model is derived from the three-dimensional model. It consists of a glass ceramics layer between two steel layers and is intended to represent a joint within the stack. Since the material behavior of glass ceramics is strongly temperature dependent, a case distinction has to be made for the failure assessment. For temperatures below the glass transition temperature, glass ceramics behaves linearly elastic and in a brittle way, for temperatures above, it behaves viscoelastically. The focus of this work is on the investigations for linear elastic material behavior. For this case, the singular behavior of the stresses at the free edge of the material interface is investigated. It is found that neither classical strength criteria nor methods of linear elastic fracture mechanics are suitable for the assessment of failure. Instead, the coupled stress and energy criterion within the framework of Finite Fracture Mechanics is employed. A parameter study regarding the failure-relevant material parameters shows that the failure load depends mainly on the fracture toughness, whereas the strength has only a slight impact. Further, configurations with different glass ceramics layer thicknesses are investigated. The so-called thickness effect, which is characterized by an increase in the absolute value of the failure load for smaller layer thicknesses, can be reproduced. With self-similar scaling of the initial configuration, the results can be efficiently obtained performing a dimensional analysis. The results are verified using a cohesive zone model. Based on the obtained knowledge, approaches to improve the joint are proposed. In case the temperature is higher than the glass transition temperature, a time-dependent viscoelastic behavior of the glass ceramics is considered. This leads, on the one hand, to a reduction of stresses, but on the other hand, to large deformations, which can be potentially critical regarding failure.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvi, 159 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Structural Mechanics (FSM)
TU-Projects: FZJ(Forschungszentrum Jülich)|42146765|Numerische Analyse u
Date Deposited: 04 May 2022 13:54
Last Modified: 05 May 2022 04:39
DOI: 10.26083/tuprints-00021228
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-212280
Referees: Becker, Prof. Dr. Wilfried ; Mittelstedt, Prof. Dr. Christian
Date of oral examination: 26 April 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21228
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