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Fur die Bordstromversorgung von Lastkraftwagen wird ein Energieerzeuger auf Basis eines oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) Leichtbau Stacks entwickelt. Dieses System soll die Fahrerkabine wahrend den Standzeiten des Lastkraftwagens mit elektrischer Energie versorgen. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur von 750 °C und der erforderlichen kurzen Startzeit des Systems ergeben sich hohe thermische Anforderungen an die eingesetzte Brennstoffzelleneinheit. Eine inhomogene Temperaturverteilung im Inneren des oxidkeramischen Brennstoffzellen Stacks fuhrt in Verbindung mit den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoefuzienten der eingesetzten Werkstoffe zu thermomechanischen Spannungen, die einen Stack bis hin zur Zerstorung schadigen konnen.  Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Bestimmung der Temperaturverteilung unter Berucksichtigung der thermodynamischen Prozesse der SOFC. Der Schwerpunkt liegt auf der Identifikation von Temperaturgradienten und -transienten sowie lokalen maximalen Temperaturen im thermozyklischen Betrieb. Fur eine Steigerung der thermozyklischen Bestandigkeit muss die Temperaturverteilung im SOFC-Stack bekannt sein. In der Literatur finden sich bereits erste Ansatze zur experimentellen insitu Temperaturbestimmung auf SOFC Einzelebenen oder Stacks im Labormasstab. Die Temperaturverteilung von Stacks wird zudem haufig mit Hilfe von Stromungsmodellen berechnet. Die Validierung der Stromungsmodelle erfolgt anhand ausgewahlter Festkorper- und Gastemperaturen. Diese Methode birgt den Nachteil, dass nur eine Validierung dieser einzelnen Werte erfolgt. Eine detaillierte Uberprufung der Ubereinstimmung von Realitat und Modell der Kerntemperaturen eines Stacks erfolgt dabei nur bedingt.  Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit eine in-situ Messmethode entwickelt, die es erlaubt, ortliche und zeitliche Temperaturanderungen sowie lokale Temperaturmaxima im thermozyklischen Stackbetrieb experimentell zu bestimmen. Fur belastbare Ergebnisse hinsichtlich der im Betrieb auftretenden Temperaturverteilung ist die Instrumentierung eines SOFC Leichtbau Stacks mit entsprechenden Temperatursensoren erfolgt. Der instrumentierte Stack wird auf einem speziell entwickelten systemnahen Teststand thermozyklisch belastet und die Temperaturverteilung im Stack experimentell bestimmt.Kurzfassung.  Mit Hilfe der experimentellen Ergebnisse wird ein bestehendes Stromungsmodell validiert. Die Validierung erfolgt dabei anhand der experimentell ermittelten in-situ Temperaturdaten. Die Ergebnisse der Simulation dienen als wichtige Eingangsgrose fur ein ebenfalls vorhandenes Finite-Elemente-Methode Modell zur strukturmechanischen Analyse.  Die Ergebnisse zeigen, dass lokal Temperaturgradienten auftreten. Diese induzieren thermomechanische Spannungen in den Ebenen, welche zu einem charakteristischen Schadensbild fuhren. Dabei konnen zwei Schadigungsfalle unterschieden werden. Untersuchungen der Temperaturverteilung im thermozyklischen Betrieb haben gezeigt, das insbesondere in der Startphase die Temperaturgradienten in den Ebenen zwischen dem Einstrombereich und der Zelle am hochsten sind. Diese induzieren hohe thermomechanische Spannungen in die Bauteile, welche ein mechanisches Versagen der Metall-Keramik-Fugung nach sich fuhren. Im elektrischen Lastfall liegen die Temperaturgradienten zwar deutlich unter denen in der Startphase, jedoch werden bei bestimmten Betriebspunkten ein fur das eingesetzte Ag-Lot kritischer Temperaturwert von 800 °C erreicht. In Abhangigkeit der Strombelastung entsteht aufgrund von Verlustprozessen Warme im SOFC-Stack, was zu lokalen Temperaturen von uber 900 °C fuhrt. In Kombination mit thermomechanischen Spannungen kommt es ebenfalls zu einer Schadigung im Bereich der Metall-Keramik-Fugung.  Anhand der zeitlich und ortlich bestimmten Temperaturanderungen konnen so kritische Phasen im thermozyklischen Betrieb identifiziert werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen des Lastfalls werden im Vorfeld durch ein eindimensionales numerisches Modell naherungsweise bestimmt. Mit Hilfe einer Kennfeldmessung wurden Leistungspunkte ermittelt, die unter Einhaltung von Temperaturgrenzwerten einen fur den Stack sicheren Betrieb ermoglichen. Anhand der gewonnenen Temperaturdaten ist eine konstruktive Optimierung des Stack-Designs sowie die Weiterentwicklung von Werkstoffen zur Steigerung der thermozyklischen Bestandigkeit des Leichtbau Stacks realisierbar. Auf Systemebene kann mit einer entspreGhenden Betriebsstrategie die Temperaturverteilung optimiert und somit eine thermomechanische Entlastung des Stacks erreicht werden. Die, unter Berucksichtigung der thermischen Belastungsgrenzen der eingesetzten Werkstoffe, identifizierten Betriebsparameter dienen dabei als wichtige Ausgangsbasis fur die Entwicklung einer entsprechenden Betriebsstrategie.

Systemnahe thermische Charakterisierung eines oxidkeramischen Brennstoffzellen-Stacks für die mobile Anwendung