Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2010

Planare keramische Hochtemperaturbrennstoffzellen liefern aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades sowie einer hohen Variabilität geeigneter Brennstoffe einen wertvollen Beitrag zur ressourcenschonenden Stromproduktion. Für einen sicheren Betrieb dieser Brennstoffzellen sind hermetisch dichte und elektrisch isolierende Dichtungen unabdingbar. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität sowie der Anpassung relevanter Fügeeigenschaften wie Viskosität und thermischem Ausdehnungsverhalten eignen sich insbesondere teilkristalline Glaslote als Dichtungs- und Fügewerkstoffe für diese Aufgabe. Für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb von Brennstoffzellensystemen ist neben der Anpassung der Fügeparameter ein umfassendes Verständnis der Alterungsprozesse von Glasloten im Fügeverbund unter Betriebsbedingungen hinsichtlich Gasdichtheit und elektrischem Iso-lationsvermögen von entscheidender Bedeutung. In grundlegenden Untersuchungen zeigt diese Arbeit auf, welche vielschichtigen Degradationsprozesse in teilkristallinen Glasloten unter simulierten Einsatzbedingungen ablau-fen. Durch geeignete Versuchsabläufe gelang es, diese Einflüsse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Degradationsprozesse zu separieren und zu bewerten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse flossen in eine Glaslotentwicklung ein, mit der die Degradationsstabilität teilkristalliner Glaslote unter den gegebenen Einsatzbedingungen deutlich erhöht werden konnte. Besondere Berücksichtigung fand hierbei der Einfluss der Glaszusammensetzung auf Degradationsprozesse im Verbund mit den metallischen Fügepartnern sowie die Porenbildung in gesinterten glaskeramischen Gefügen unter brennstoffzellentypischen Betriebsbedingungen. Im Gesamtergebnis zeigt die vorliegende Arbeit, dass zur Erfüllung von Fügeaufgaben neben der Anpassung intrinsischer Glasloteigenschaften auch das langfristige Verhalten teilkristalliner Glaslote im Fügeverbund Berücksichtigung finden muss.

Die Herstellung keramischer Filter für den Einsatz in der Eisen- und Stahlschmelzfiltration ist mittels viskoplastischer Formgebung möglich. Es wurden keine Trägermaterialien verwendet und weitestgehend wurde ohne Zusatz organischer Additive gearbeitet. Wesentliche Ziele der Anwendung dieser Technologie waren dabei eine Festigkeitssteigerung gegenüber herkömmlichen Schaumkeramikfiltern, da keine Hohlstege, sondern Vollstrukturen erzeugt werden und die Kostenreduzierung der Gesamtbilanz, da der Brennprozess günstiger wird (es werden keine Filteranlagen mehr benötigt) und Kosten für Schäume entfallen. Eine entsprechende Struktur kann mit der Kolbenpresse in Form von ungeordneten Strängen erzeugt werden - die so genannten Spaghettifilter. Die Auswertung der Gussstücke aus Gießversuchen mit Eisenschmelze wurde mittels 3D-CT Röntgentomographie durchgeführt. Der Filtrationswirkungsgrad der Schaumfilter ist nach dieser Methode höher als der der Spaghettifilter. Die 3D CT Röntgentomographie kommt eventuell als eine einfache und zerstörungsfreie Methode zur Beurteilung der Filtrationswirkung in Frage. Das Anlegen einer Spannung im System Filter / Schmelze zeigt nach ersten Versuchen chancenreiche Ergebnisse. Durch den Polarisationseffekt kann eine Erhöhung der Abscheideeffizienz bei Schaumkeramikfiltern erreicht werden kann. Die Spaghettifilter zeigen keine Erhöhung durch spannungsunterstützte Filtration.

Planare keramische Hochtemperaturbrennstoffzellen liefern aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades sowie einer hohen Variabilität geeigneter Brennstoffe einen wertvollen Beitrag zur ressourcenschonenden Stromproduktion. Für einen sicheren Betrieb dieser Brennstoffzellen sind hermetisch dichte und elektrisch isolierende Dichtungen unabdingbar. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität sowie der Anpassung relevanter Fügeeigenschaften wie Viskosität und thermischem Ausdehnungsverhalten eignen sich insbesondere teilkristalline Glaslote als Dichtungs- und Fügewerkstoffe für diese Aufgabe. Für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb von Brennstoffzellensystemen ist neben der Anpassung der Fügeparameter ein umfassendes Verständnis der Alterungsprozesse von Glasloten im Fügeverbund unter Betriebsbedingungen hinsichtlich Gasdichtheit und elektrischem Iso-lationsvermögen von entscheidender Bedeutung. In grundlegenden Untersuchungen zeigt diese Arbeit auf, welche vielschichtigen Degradationsprozesse in teilkristallinen Glasloten unter simulierten Einsatzbedingungen ablau-fen. Durch geeignete Versuchsabläufe gelang es, diese Einflüsse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Degradationsprozesse zu separieren und zu bewerten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse flossen in eine Glaslotentwicklung ein, mit der die Degradationsstabilität teilkristalliner Glaslote unter den gegebenen Einsatzbedingungen deutlich erhöht werden konnte. Besondere Berücksichtigung fand hierbei der Einfluss der Glaszusammensetzung auf Degradationsprozesse im Verbund mit den metallischen Fügepartnern sowie die Porenbildung in gesinterten glaskeramischen Gefügen unter brennstoffzellentypischen Betriebsbedingungen. Im Gesamtergebnis zeigt die vorliegende Arbeit, dass zur Erfüllung von Fügeaufgaben neben der Anpassung intrinsischer Glasloteigenschaften auch das langfristige Verhalten teilkristalliner Glaslote im Fügeverbund Berücksichtigung finden muss.:Einleitung Grundlagen von Brennstoffzellen Funktionsweise von Brennstoffzellen Einteilung von Brennstoffzellen Unterteilung keramischer Hochtemperaturbrennstoffzellen Planare Hochtemperaturbrennstoffzellen Aufbau und Werkstoffe Dichtungen für planare Hochtemperaturbrennstoffzellen Glimmerdichtungen Aktiv- und Reaktivlotdichtungen Glaslotdichtungen Verbunddichtungen Glaslotdichtungen in planaren Hochtemperaturbrennstoffzellen Eigenschaften von Glas und Glaskeramik Fügen keramischer Brennstoffzellenstapel mit Glasloten Degradation von Glasloten in SOFCs Stand der Technik – Literatur Motivation dieser Arbeit Material und Methoden Verwendetes Glaslotsystem Metallsubstrate Erhitzungsmikroskopie Dilatometrie Röntgenographische Phasenanalyse Qualitative Heißgasextraktion Chemische Analysen Ermittlung des elektrischen Widerstandes Versuchsaufbau kompakter Glasproben Versuchsaufbau für Auslagerung unter dualer Atmosphäre Ermittlung der Heliumleckrate Gefügeanalyse Ergebnisse und Diskussion Charakterisierung des Standardglaslotes S01 Auslagerung bei Verwendung inerter Elektroden an Luft Spannungsfreie Auslagerung zwischen Goldsubstraten Spannungsfreie Auslagerung zwischen Crofer 22 APU- und Gold-Substraten Auslagerung unter elektrischer Spannung, Kombination A: beide Elektroden aus Gold Auslagerung unter elektrischer Spannung, Kombination B: Anode Gold, Kathode Crofer 22 APU Auslagerung unter elektrischer Spannung, Kombination C: Anode Crofer 22 APU, Kathode Gold Auslagerung unter elektrischer Spannung, Kombination D: beide Elektroden aus Crofer 22 APU Auslagerungen unter relevanten Betriebsbedingungen Charakterisierung des Ausgangszustand des Gefüges Auslagerung unter dualer Atmosphäre ohne elektrische Spannung Auslagerung unter dualer Atmosphäre mit elektrischer Spannung Auswirkungen verzögerter elektrischer Spannung Beschleunigte Degradation durch erhöhte elektrische Spannung Langzeitauslagerungen unter dualer Atmosphäre Glaslotentwicklung für keramische Brennstoffzellen Mechanismen von Porenbildung im Glaslot Glaslote mit erhöhter Stabilität gegenüber Blasenbildung Erhöhung der Stabilität gegenüber metallischen Fügepartnern Untersuchung von Fügeeigenschaften ausgewählter Glaslote Auslagerungen neu entwickelter Glaszusammensetzungen Degradationsverhalten modifizierter ZnO-haltiger Glaslote Degradationsverhalten ZnO-freier Glaslote Zusammenfassung Ausblick Anhang Abkürzungen, Formelzeichen und Einheiten Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis

For radio frequency energy transmission, the conversion efficiency of the receiver is decisive not only for reducing sending power, but also for enabling energy transmission over long and variable distances. In this contribution, we present a passive RF-DC converter for energy harvesting at ultra-low input power at 868 MHz. The novel converter consists of a reactive matching circuit and a combined voltage multiplier and rectifier. The stored energy in the input inductor and capacitance, during the negative wave, is conveyed to the output capacitance during the positive one. Although Dickson and Villard topologies have principally comparable efficiency for multi-stage voltage multipliers, the Dickson topology reaches a better efficiency within the novel ultra-low input power converter concept. At the output stage, a low-pass filter is introduced to reduce ripple at high frequencies in order to realize a stable DC signal. The proposed rectifier enables harvesting energy at even a low input power from −40 dBm for a resistive load of 50 kΩ. It realizes a significant improvement in comparison with state of the art solutions

For radio frequency energy transmission, the conversion efficiency of the receiver is decisive not only for reducing sending power, but also for enabling energy transmission over long and variable distances. In this contribution, we present a passive RF-DC converter for energy harvesting at ultra-low input power at 868 MHz. The novel converter consists of a reactive matching circuit and a combined voltage multiplier and rectifier. The stored energy in the input inductor and capacitance, during the negative wave, is conveyed to the output capacitance during the positive one. Although Dickson and Villard topologies have principally comparable efficiency for multi-stage voltage multipliers, the Dickson topology reaches a better efficiency within the novel ultra-low input power converter concept. At the output stage, a low-pass filter is introduced to reduce ripple at high frequencies in order to realize a stable DC signal. The proposed rectifier enables harvesting energy at even a low input power from −40 dBm for a resistive load of 50 kΩ. It realizes a significant improvement in comparison with state of the art solutions

Die Herstellung keramischer Filter für den Einsatz in der Eisen- und Stahlschmelzfiltration ist mittels viskoplastischer Formgebung möglich. Es wurden keine Trägermaterialien verwendet und weitestgehend wurde ohne Zusatz organischer Additive gearbeitet. Wesentliche Ziele der Anwendung dieser Technologie waren dabei eine Festigkeitssteigerung gegenüber herkömmlichen Schaumkeramikfiltern, da keine Hohlstege, sondern Vollstrukturen erzeugt werden und die Kostenreduzierung der Gesamtbilanz, da der Brennprozess günstiger wird (es werden keine Filteranlagen mehr benötigt) und Kosten für Schäume entfallen. Eine entsprechende Struktur kann mit der Kolbenpresse in Form von ungeordneten Strängen erzeugt werden - die so genannten Spaghettifilter. Die Auswertung der Gussstücke aus Gießversuchen mit Eisenschmelze wurde mittels 3D-CT Röntgentomographie durchgeführt. Der Filtrationswirkungsgrad der Schaumfilter ist nach dieser Methode höher als der der Spaghettifilter. Die 3D CT Röntgentomographie kommt eventuell als eine einfache und zerstörungsfreie Methode zur Beurteilung der Filtrationswirkung in Frage. Das Anlegen einer Spannung im System Filter / Schmelze zeigt nach ersten Versuchen chancenreiche Ergebnisse. Durch den Polarisationseffekt kann eine Erhöhung der Abscheideeffizienz bei Schaumkeramikfiltern erreicht werden kann. Die Spaghettifilter zeigen keine Erhöhung durch spannungsunterstützte Filtration.