Numerische Modellierung der thermomechanischen Fluid-Struktur-Interaktion im SOFC-Stack

Die Festoxid-Brennstoffzellen „Solid Oxide Fuel Cells“ (SOFC) eignen sich für die Bordstromerzeugung als „Auxiliary Power Unit (APU)“ zur unterstützenden Bordstromversorgung in Nutzfahrzeugen. Für diese Anwendung müssen die Komponenten des Brennstoffzellen-Stacks aus dünnwandigem Material angefertigt werden, um die Herstellung in Leichtbauweise realisieren zu können. Dies ist mit Material-, Prozess- und Konstruktionsschwierigkeiten verbunden, deren Beseitigung eine Voraussetzung für einen erfolgreichen Einsatz ist. Bedingt durch die hohen Betriebstemperaturen ist die Kombination verschiedener Materialien in der SOFC nur eingeschränkt möglich, da die thermomechanischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe angepasst werden müssen. Thermische Spannungen werden infolge der Behinderung der Strukturverformung hervorgerufen. Dies kann durch mechanische Auflagerung, Materialinhomogenität oder ungleichmäßige Temperaturverteilung zustande kommen. Des Weiteren führen temperaturabhängige Materialeigenschaften durch die Existenz eines Temperaturgradienten zur zusätzlichen räumlichen Abhängigkeit der Materialparameter. Basierend auf der computergestützten Simulationsberechnung ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, ein dreidimensionales Gesamtmodell für die numerische fluiddynamische und thermomechanische Analyse eines SOFC-Stacks zu entwickeln. Das Gesamtmodell besteht aus zwei diskretisierten Einzelmodellen, die numerisch gekoppelt sind. Ein gekoppeltes fluiddynamisches Modell dient der Ermittlung der im Stack auftretenden räumlichen Temperaturverteilung unter realen Prozessbedingungen. Die berechneten Temperaturprofile werden als Last auf ein strukturmechanisches Finite- Elemente-Modell übertragen, um unter den gegebenen Auflagerungsbedingungen die in den Stack- Elementen hervorgerufene räumliche Spannungsverteilung und Deformation zu berechnen. Damit ermöglicht das Modell die Überprüfung der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit der Strukturelemente, um einen zuverlässigen Stack-Betrieb zu gewährleisten. Zur Durchführung der Simulationsberechnungen werden mehrere Module des Software-Pakets ANSYS eingesetzt. Das Modell beschreibt einen zwei-Zeller-Stack und eignet sich zur Vorhersage des thermomechanischen Verhaltens der Struktur für den Einsatz in Bordstrom-Anwendungen unter Berücksichtigung der geometrischen Details der einzelnen Stack-Komponenten sowie des realen physikalischen Werkstoffverhaltens. Zur Beschreibung des nichtlinearen temperatur- und zeitabhängigen Materialverhaltens wurden entsprechende mathematische Materialmodelle aufgestellt, deren Parameter mit Hilfe experimenteller Daten bestimmt wurden. Die Modellvalidierung erfolgt durch den Vergleich der Berechnungsergebnisse mit experimentell ermittelten Daten. Mit Hilfe des aufgestellten Modells lassen sich detaillierte Simulationsberechnungen durchführen, um die Auswirkungen von physikalischen Materialeigenschaften, Prozessrandbedingungen und geometrischen Designparametern auf die verursachten thermischen Spannungen zu untersuchen. Des Weiteren ermöglicht das Modell mit Hilfe von Optimierungsanalysen die Modifizierung der Einflussparameter zwecks Verbesserung der Funktionalität des SOCF-Stacks und Reduzierung der auftretenden thermischen Spannungen