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

Al-Masri, Ali; Stolten, Detlef; Becker, Wilfried

doi:1866-1793

Numerische Modellierung der thermomechanischen Fluid-Struktur-Interaktion im SOFC-Stack = Numerical modeling of the thermomechanical fluid-structure interaction in a SOFC Stack

Al-Masri, Ali

2016

VerantwortlichkeitsangabeAli Al-Masri

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2016

Umfang1 Online-Ressource (iii, 165 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-161-3

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ Energy & environment ; 331

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Druckausgabe: 2016. - Onlineausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor) ; Becker, Wilfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-05-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-063559
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/667676/files/667676.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/667676/files/667676.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
3D coupled CFD thermomechanical analysis (frei) ; APU-Anwendungen (frei) ; FSI (frei) ; SOFC-Stack-Optimierung (frei) ; SOFC-Stack-simulation (frei) ; gekoppelte CFD-FEM (frei) ; gekoppelte CFD-Wärmeübertragung (frei) ; simulation techniques in mechanical engineering (frei) ; thermische Spannung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Kurzfassung Die Festoxid-Brennstoffzellen „Solid Oxide Fuel Cells“ (SOFC) eignen sich für die Bordstromerzeu-gung 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 Vorausset-zung für einen erfolgreichen Einsatz ist. Bedingt durch die hohen Betriebstemperaturen ist die Kombi-nation verschiedener Materialien in der SOFC nur eingeschränkt möglich, da die thermomechani-schen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe angepasst werden müssen. Thermische Spannungen werden infolge der Behinderung der Strukturverformung hervorgerufen. Dies kann durch mechanische Auflagerung, Materialinhomogenität oder ungleichmäßige Temperaturvertei-lung zustande kommen. Des Weiteren führen temperaturabhängige Materialeigenschaften durch die Existenz eines Temperaturgradienten zur zusätzlichen räumlichen Abhängigkeit der Materialparame-ter. Basierend auf der computergestützten Simulationsberechnung ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, ein dreidimensionales Gesamtmodell für die numerische fluiddynamische und thermomechanische Ana-lyse eines SOFC-Stacks zu entwickeln. Das Gesamtmodell besteht aus zwei diskretisierten Einzelmodellen, die numerisch gekoppelt sind. Ein gekoppeltes fluiddynamisches Modell dient der Er-mittlung der im Stack auftretenden räumlichen Temperaturverteilung unter realen Prozessbedingun-gen. Die berechneten Temperaturprofile werden als Last auf ein strukturmechanisches FiniteElemen-te-Modell übertragen, um unter den gegebenen Auflagerungsbedingungen die in den StackElementen 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 thermomechani-schen Verhaltens der Struktur für den Einsatz in Bordstrom-Anwendungen unter Berücksichtigung der geometrischen Details der einzelnen Stack-Komponenten sowie des realen physikalischen Werk-stoffverhaltens. Zur Beschreibung des nichtlinearen temperatur- und zeitabhängigen Materialverhal-tens wurden entsprechende mathematische Materialmodelle aufgestellt, deren Parameter mit Hilfe experimenteller Daten bestimmt wurden. Die Modellvalidierung erfolgt durch den Vergleich der Be-rechnungsergebnisse mit experimentell ermittelten Daten. Mit Hilfe des aufgestellten Modells lassen sich detaillierte Simulationsberechnungen durchführen, um die Auswirkungen von physikalischen Materialeigenschaften, Prozessrandbedingungen und geomet-rischen Designparametern auf die verursachten thermischen Spannungen zu untersuchen. Des Weiteren ermöglicht das Modell mit Hilfe von Optimierungsanalysen die Modifizierung der Einfluss-parameter zwecks Verbesserung der Funktionalität des SOCF-Stacks und Reduzierung der auftre-tenden thermischen Spannungen.

Abstract Solid oxide fuel cells (SOFC) are suitable for on-board electricity generation as Auxiliary Power Unit (APU) to support the electric power supply in heavy-duty vehicles. For these applications fuel cell stack must be made of thin-walled components in order to satisfy the requirements of a lightweight structure. This necessity is accompanied with material, process and design difficulties that must be solved in order to achieve a successful application. Due to the high operating temperatures, the com-bination of different materials in the SOFC is limited, as the Thermo-mechanical properties of the used materials must match. Thermal stresses may arise in a structure as a result of preventing its deformation. This can be caused either by mechanical constraints, or material inhomogeneity, or non-uniform temperature distribution. Also temperature-dependent material properties can induce additional spatial dependency of the mate-rial parameters due to the existence of a temperature gradient. The objective of this work is to develop a three-dimensional model for the numerical fluid dynamics and thermo-mechanical analysis of a solid oxide fuel cell stack based on computer aided simulations. The entire model consists of two discretized single models which are numerically coupled. A coupled fluid-dynamic model is used to determine the three-dimensional temperature distribution in the stack under real process conditions. The obtained temperature profiles are transmitted as a thermal load to be applied on the structural finite element model to compute the three-dimensional distribution of the stresses and deformations induced in the fuel cell stack components. Thus, the model enables the investigation of sustainability and serviceability of the structural elements to ensure a reliable opera-tion of the stack. To carry out the simulation analysis several modules of the software package AN-SYS are utilized. The model describes a two-cell stack and is suitable for predicting the thermomechanical behavior of the stack structure used in applications like on-board electric power generation. In the analysis the ge-ometric details of fuel cell stack components as well as the real physical behavior of their materials are taken into account. To describe the nonlinear temperature and time-dependent material behavior, ap-propriate mathematical material models are set up. The Model parameters are determined using ex-perimental data. The model validation is performed by comparing the computational results with the experimentally obtained data. Using the developed simulation model, detailed computational analysis can be performed in order to determine the effects of the physical material properties and to investigate the process boundary conditions and the geometrical design parameters on the induced thermal stresses. Furthermore, based on optimization analysis, the model allows the modification of the influencing parameters in order to improve the function of the SOFC-Stack and reduce the thermal stresses.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)