A constitutive theory to represent non-idealities in contacting of SOC interconnect contacts

Pinto, Ralston Martin; Menzler, Norbert Heribert; Vaßen, Robert; Münstermann, Sebastian

doi:urn:nbn:de:hbz:5:2-1524320

A constitutive theory to represent non-idealities in contacting of SOC interconnect contacts = Eine konstitutive Theorie zur Darstellung von Nichtidealitäten bei der Kontaktierung von SOC-Verbindungskontakten

Pinto, Ralston Martin^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeRalston Martin Pinto

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-846-9

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 673

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Druckausgabe: 2025. - Onlineausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Menzler, Norbert Heribert (Thesis advisor)^RWTH* ; Münstermann, Sebastian (Thesis advisor)^RWTH* ; Vaßen, Robert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06736
URN: urn:nbn:de:hbz:5:2-1524320
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1016099/files/1016099.pdf

Einrichtungen

Projekte

BMWK 03H2I053B - BoschPowerUnits_BY - Erstindustrialisierung von stationären Brennstoffzellensystemen auf Basis SOFC innerhalb des IPCEI Wasserstoff (03H2I053B) (03H2I053B)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Solid oxide cell (SOC) stack (frei) ; coating-strain formulation (frei) ; computational homogenization (frei) ; constitutive model (frei) ; contacting simulation (frei) ; offset-strain formulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der elektrische Kontaktwiderstand an den Kontakten von Festoxidzellen (SOC) ist ein wichtiger Aspekt, der zu den ohmschen Verlusten in einem SOC-Stack beiträgt. Diese Widerstände hängen in erster Linie von den im aktiven Bereich ausgeübten mechanischen Kontaktdrücken ab, die durch Nichtidealitäten aufgrund von Fertigungsbeschränkungen beeinflusst werden. Finite-Elemente-Methoden (FEM) können zur Untersuchung dieser Phänomene verwendet werden, doch herkömmliche Simulationsansätze sind aufgrund übermäßiger Rechenzeiten häufig unpraktisch. Solche übermäßigen Rechenzeiten werden durch komplexe Designs sich wiederholender Komponenten und hohe Maschenauflösungen verursacht, die für eine genaue Modellierung erforderlich sind. Um diese Herausforderung anzugehen, untersucht diese Arbeit die Verwendung von rechnergestützten Homogenisierungstechniken im SOC-Stack. Diese Methoden charakterisieren die sich periodisch wiederholende Struktur der Verbindungskontakte als äquivalente Materialreaktion und erfassen die erforderlichen Effekte bei gleichzeitiger erheblicher Reduzierung der Rechenzeit. Die Nichtidealitäten, die sich aus Fertigungstoleranzen ergeben, werden mithilfe eines konstitutiven Materialmodells berücksichtigt, das eine Offset-Formulierung demonstriert, während die weiche, poröse Beschichtung der Kontaktedurch eine Beschichtungsformulierung dargestellt wird. Darüber hinaus zeigt das Modellein temperatur- und geschwindigkeitsabhängiges Verhalten, wodurch es die verschiedenen Belastungsphasen im Lebenszyklus eines SOC-Kontakts simulieren kann. Bei der Entwicklung eines vereinfachten Modellierungsansatzes für die oben genannten Herausforderungen wird ein Rahmen entwickelt, um wichtige Parameter, die für die SOC Leistung relevant sind, direkt aus diesem vereinfachten Modell zu extrapolieren. Dies motiviert die Verwendung des vereinfachten Modells als Ersatz für Vollfeld-Modellierungsansätze. Der entwickelte Modellierungsrahmen wird durch experimentelle Fallstudien validiert, dies ich auf die Bewertung des mechanischen Kontaktdrucks nach dem Stapeln und auch deselektrischen Kontaktwiderstands während des Betriebs konzentrieren. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit haben wichtige Auswirkungen auf die Optimierung mehrerer Prozessparameter, um eine ideale Kontaktkonfiguration im aktiven Bereich eines SOC-Stapels zu erreichen. Diese Parameter können Stapelkraft, Toleranzgrenzen, Temperaturverteilung, Materialeigenschaften und das geometrische Design von Kontakten umfassen, die mit dem vorgeschlagenen rechnerischen Ansatz effizient bewertet werden können.

The electrical contact resistance at solid oxide cell (SOC) contacts is a key aspect which contributes to ohmic losses in an SOC stack. These resistances are primarily dependent on the mechanical contact pressures applied in the active area, which are influenced bynon-idealities caused by manufacturing limitations. Finite element methods (FEM) can be used to study these phenomena, but conventional simulation approaches are often impractical due to excessive computation times. Such excessive computational times are caused by complex designs of repeating components and high mesh resolutions required for accurate modeling. To address these challenges, this work investigates the use of computational homogenization techniques in the SOC stack. These methods characterize the periodically repeating structure of interconnect contacts as an equivalent material response, capturing there quired effects while significantly reducing computation time. The non-idealities arising from manufacturing tolerances are incorporated using a constitutive material model demonstrating an offset-formulation, while the soft porous coating on the contacts is represented through a coating-formulation. Furthermore, the model shows temperature dependent and rate-dependent behavior, making it capable of simulating the various loading stages in the lifecycle of an SOC contact. On developing a simplified modeling approach for the aforementioned challenges, a framework is developed to extrapolate key parameters relevant to SOC performance directly from this simplified model. This motivates the use of the simplified model as a replacement of full-field modeling approaches. The developed modeling framework is validated through experimental case studies, which focus on evaluating the mechanical contact pressure after stacking and also the electrical contact resistance during operation. The findings from this work have important implications for optimizing several process parameters to achieve an ideal contact configuration in the active area of an SOC stack. These parameters may include stacking force, tolerance limits, temperature distribution, material properties and the geometric design of contacts, which can be evaluated efficiently using the proposed computational approach.

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