Thermo-mechanical properties of glass-ceramic solid oxide fuel cell sealant materials

Zhao, Yilin; Beck, Tilmann

doi:32776

Thermo-mechanical properties of glass-ceramic solid oxide fuel cell sealant materials = Thermomechanische Eigenschaften von Glaskeramik-Dichtungsmaterialien für Hochtemperaturbrennstoffzellen

Zhao, Yilin (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yilin Zhao

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

Umfang129 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-09-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47912
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229733/files/4791.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) (413410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Hochtemperaturbrennstoffzelle (Genormte SW) ; Glaskeramik (Genormte SW) ; Thermomechanische Eigenschaft (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; thermo-mechanical property (frei) ; glass-ceramic (frei) ; solid oxide fuel cell (frei) ; sealant material (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 81.05.Pj * 65.60.+a * 88.30.mj

Kurzfassung
Die zuverlässige Funktion von Hochtemperaturbrennstoffzellen-Stapeln ist sehr stark vom strukturellen Zusammenhalt des Dichtungsmaterials abhängig. Dabei sind Versagen und Verformung Aspekte, die insbesondere für Glaskeramik-Dichtungsmaterialien bestimmt werden müssen. Die vorliegende Studie konzentriert sich dabei auf die mit H-P (YSZ teilchenverstärkt) und B abgekürzten Glaskeramiken. Härteeindruckstests wurden zur Bestimmung von elastischem Modul, Härte und Risszähigkeit verwendet. Biege- und Drucktests wurden basierend auf balkenförmigen und stirnseitig gefügten Proben bei Raumtemperatur und typischen Betriebstemperaturen zur Herleitung von Bruchfestigkeits- und Viskositätswerten durchgeführt, ähnlich wie in der Brennstoffzellenstapel-Anwendung für unterschiedliche Kristallisationsgrade und Auslagerungstemperaturen. Die Resultate zeigten, dass ein Abfall der Festigkeit des teilkristallisierten H-P Dichtungsmaterials bei betriebsrelevanten Temperaturen mit der viskosen Verformung des Materials in Zusammenhang steht, wohingegen stabile Festigkeiten für ausgelagertes H-P und nicht ausgelagertes B Material bei Betriebstemperaturen ein Ergebnis des stärkeren Kristallisationszustands der Materialien sind. Die experimentell als Funktion der Belastungsrate bestimmten Festigkeitsdaten der Dichtungsmaterialien H-P und B wurden zur Bewertung der Empfindlichkeit hinsichtlich unterkritischen Risswachstums verwendet und ergaben Versagenszeiten als Funktion der statischen Last anhand eines Festigkeits- Wahrscheinlichkeits-Zeit Diagramms. Fraktographische Analysen basierend auf einer Kombination on optischer-, konfokaler- und Rasterelektronenmikroskopie erlaubten ein Verständnis der Versagensursprünge.

The reliable operation of solid oxide fuel cell stacks depends strongly on the structural integrity of the sealing materials. In this respect, failure and deformation are aspects which need to be assessed in particular for glass ceramic sealant materials. The current study concentrates on the glass ceramics abbreviated H-P (YSZ particle reinforcement) and B. Indentation tests have been carried out to determine elastic modulus, hardness and fracture toughness. Bending tests and compressive tests were carried out at room temperature and typical stack operation temperature for bar and head-to-head jointed glass ceramic sealant specimens, similar as in a stack application with different degree of crystallization and annealed temperature, from which fracture stresses and viscosity values are derived. The results reveal a decrease of the strength for the partially crystallized sealant H-P at operation relevant temperatures that can be associated with the viscous deformation of the material, whereas a stable strength was obtained for the annealed sealant H-P and non-annealed sealant B at operation relevant temperatures that can be associated with the enhanced crystallization of the materials. The experimentally obtained strength data of sealant H-P and B as a function of loading rate are used to assess the effect of subcritical crack growth yielding a failure time under static loading via a strength-probability- time plot that can be used for life time prediction. Fractographic analyses based on a combination of optical, confocal and scanning electron microscopy gives insight into the failure origins.

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