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

Vasechko, Viacheslav; Singheiser, Lorenz

doi:5064

Thermo-mechanical investigations of reoxidation stable material concepts for solid oxide fuel cells = Thermo-mechanische Erforschungen von reoxidationsstabilen Materialkonzepten für Festoxidbrennstoffzellen

Vasechko, Viacheslav (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Viacheslav Vasechko

ImpressumAachen 2014

Umfang135 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-04-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50648
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444933/files/5064.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Mechanik (411110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Hochtemperaturbrennstoffzelle (Genormte SW) ; Keramischer Werkstoff (Genormte SW) ; Metallischer Werkstoff (Genormte SW) ; Mechanische Eigenschaft (Genormte SW) ; Physikalische Eigenschaft (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; solid oxide fuel cell (frei) ; ceramic material (frei) ; metallic material (frei) ; mechanical property (frei) ; physical property (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

The solid oxide fuel cell (SOFC) design concept has a strong impact on the chemical and mechanical stability of the actual ceramic cell. The mechanical loads induced by static and transient operation of the device are mainly sustained by the cell substrate. Two means of implementation of the mechanical support design have received considerable attention in recent years. The first route is to increase the thickness of one of the core layers (anode or electrolyte or cathode), whereas the second one is based on the deposition of the functional layers on an inert, for example, metallic substrate. Hence, one of the aims of this current work is to compare metal-supported and anode-supported SOFC concepts focusing on planar designs. A novel materials’ configuration of the anode-supported fuel cell is mechanically analyzed, where anode and anode substrate are produced using pure ceramic materials instead of the typically-used Ni-8YSZ composite, i.e. is a full-ceramic. The metal-supported fuel cell is produced using the graded anode structure (anode active layer and anode intermediate layer) deposited on the porous ITM alloy substrate. The concepts are compared via FEM simulations performed with the ANSYS 14.0 Workbench. In an initial step the mechanical properties necessary for the simulations are assessed from a concise literature review. An additional outcome of the review is the development of models to predict the mechanical data of, for example, Ni-8YSZ composite as a function of porosity and Ni content. The missing data for the novel materials (Y-doped strontium titanate as anode active layer and anode substrate material for the full-ceramic concept and porous ITM alloy for the metal-supported concept) are determined via thermomechanical testing, where characterizations are performed from room temperature up to SOFC operation-relevant (annähernd 800ºC) temperatures. The thermomechanical testing of the SYT material includes the determination of Young’s modulus, characteristic strength, Poisson’s ratio, thermal expansion coefficient and creep rate measurements. Additionally, the chemical stability of the Y-doped strontium titanate is investigated using differential thermal analysis and X-ray diffraction indicating that the mechanical behavior is affected by a phase transition at elevated temperatures. Interestingly, dislocation slip bands are observed during the microindentation tests in grains exceeding a discrete size. Finally, material defects are investigated with light, stereo, confocal and scanning electron microscopes to derive some hints for the materials’ production optimization. In addition an attempt to enhance the strength of the SYT material is performed. Equal volumes of pure SYT and 3YSZ ceramic are mixed. The subsequent mechanical characterization of the sintered composite is performed at room temperature with the associated fractographic analysis. Porous and dense ITM material grades were investigated in terms of Young’s modulus, ultimate tensile strength, Poisson’s ratio (also for the dense ITM), thermal expansion coefficient and creep rate. A ferromagnetic-paramagnetic transition influences the mechanical properties (Young’s modulus, TEC, Poisson’s ratio). The Poisson’s ratio is affected by the rolling direction similar as already reported previously for the ultimate tensile strength and yield stress of dense ITM. The creep measurements focusing on the porous ITM verify a high stress-sensitivity that has also been reported for the dense ITM before. An explanation of the creep mechanism still needs further investigations.

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