Mechanical Characterization of Solid Oxide Fuel Cells and Sealants

Kurzfassung 
Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFCs) haben großes Anwendungspotential aufgrund der sich 
weiterentwickelnden Ansprüche in einem globalen Energienetzwerk. Die Charakterisierung 
thermomechanischer Aspekte, insbesondere des elastischen-, Versagens- und Kriechverhaltens 
von Dichtungsmaterialien und Anodensubstraten, ist wesentlich zur Gewährleistung der 
Zuverlässigkeit von Produktion und Betrieb planarer SOFCs. In dieser Hinsicht wurden 
unterschiedliche mechanische Parameter ermittelt und analysiert, um Einsicht in das 
mechanische Verhalten und mögliche Probleme hinsichtlich Zuverlässigkeit bei Fügung, 
thermischem Zyklieren und Langzeitbetrieb zu gewinnen. 
Für Anodensubstrate wurden Bruchzähigkeit und Kriechverhalten als wichtigste mechanische 
Aspekte studiert. Dabei wurde Raum- und Hochtemperatur-Risszähigkeiten von zwei 
Anodensubstratvarianten (NiO-3YSZ und NiO-8YSZ) sowohl im oxidiertem als auch 
reduziertem Zustand charakterisiert. Zusätzliche erfolgten einige ausgewählte Tests um re-
oxidierten Zustand. Hochtemperatur Kriechstudien konzentrierten sich auf Ni-8YSZ Komposite 
unterschiedlicher Porosität, wobei verschiedene Belastungskonfigurationen verglichen wurden, 
um den Effekt von Druck- und Zugspannungen zu bestimmen. Die Interpretation und Analyse 
der Daten basierte auf analytischen und Finite-Elemente- Analysen. 
Leckage der Dichtungsmaterialien führt zur Fehlfunktion des gesamten Systems, daher ist die 
strukturelle Integrität der Dichtung kritisch für den zuverlässigen Betrieb von Brennstoffzellen-
Stapeln und Systemen. Es erfolgten daher Untersuchungen an Ag Teilchen- und YSZ Faser- 
verstärkten Dichtungsmaterialien, die auf einem in Jülich entwickelten Glass-Matrix Material 
basierten, im für SOFC Stapel relevantem Fügezustand und ausgelagertem Zustand. Zusätzlich 
erfolgten Charakterisierungen und Vergleiche mit Dichtungsmaterial welches vom Ceramics and 
Glass Institute (CSIC, Madrid, Spain) zur Verfügung gestellt wurden. Die Arbeiten 
konzentrierten sich dabei auf Bruchspanngen bei unterschiedlichen Temperauren für stirnseitig 
gefügte Proben und komplementäre Torsionstests zur Untersuchung der Scherfestigkeit. Die 
Resultate der mechanischen Analysen wurden durch vertiefte Mikrostrukturuntersuchungen und 
Fraktographie unterstützt um das Verständnis von Auslagerungs- und Verstärkungsmechanismen 
zu fördern. 

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