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Stapel aus 40 Zellen mit Platten aus neuem Werkstoff
© elringklinger ag
Kostengünstige Metalllegierung ist marktreif
03.01.2012

Mit Hilfe eines verbesserten Hochleistungswerkstoffs für Festoxid-Brennstoffzellen kann ein Block aus mehreren Brennstoffzellen für den Einsatz in Fahrzeugen gefertigt werden.
© ThyssenKrupp AG

Brennstoffzellen werden leichter

Kleine dezentrale Kraftwerke sind auf dem Vormarsch: Als Brennstoffzellen sind sie enorm energieeffizient, liefern Wärme und elektrische Energie bei unschädlichen Emissionen. Einen Beitrag zu wettbewerbsfähigen Fertigungskosten leisten jetzt Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich und dem Metallkonzern ThyssenKrupp VDM.

Die Festoxid- oder Hochtemperatur-Brennstoffzelle liefert saubere Energie in Form von Wärme und Strom bei hohen Wirkungsgraden und gilt daher als Energiequelle der Zukunft (abgekürzt: SOFC, Solid Oxide Fuel Cell). Bei dieser Art der Brennstoffzellen-Technologie wird aus Kraftstoffen wie Diesel, Benzin oder Methanol bei Temperaturen bis 900 Grad Celsius das benötigte wasserstoffreiche Gas gewonnen. Die Bedingungen, die in der Brennstoffzelle herrschen, erfordern besondere Werkstoffe: Die neue Metallmischung „Crofer 22 H“ ist speziell für Hochtemperatur-Brennstoffzellen entwickelt worden. Sie enthält zwischen 20 und 24 Prozent Chrom sowie weitere Legierungsmittel wie Wolfram, Niob, Titan und Lanthan. Der neue Werkstoff zeichnet sich durch hohe Korrosions-Beständigkeit bei Temperaturen bis 900 Grad, gute elektrische Leitfähigkeit der Oxid-Schicht und eine hohe mechanische Festigkeit bei Anwendungstemperatur aus. Zusätzlich ist er gut zu verarbeiten. Die Eigenschaften des Crofer 22 H optimierte ThyssenKrupp VDM im Rahmen des Forschungsprogramms „ZEUS III“ zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich unter Förderung vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie.

In dem mehrjährigen Projekt, an dem weitere industrielle Partner beteiligt waren, ist Crofer 22 H zur Marktreife geführt worden. Mit Hilfe des neuen Werkstoffs können so genannte Leichtbaustacks, also Blöcke aus mehreren Brennstoffzellen, z. B. für den Einsatz in Fahrzeugen gefertigt werden. „Bei der Entwicklung des Crofer 22 H ging es insbesondere darum, die Herstellung im großtechnischen Prozess darzustellen“, betont Dr. Jutta Klöwer, Leiterin Forschung und Entwicklung bei ThyssenKrupp VDM. „Damit steht jetzt eine kostengünstigere Legierung mit verbesserten Eigenschaften gegenüber Stahl für Interkonnektoren-Platten zur Verfügung.“ Das gelte sowohl für den Bereich der großindustriellen Energieversorgung als auch für kleine, dezentrale Einheiten im Haushalt und ebenso für die Energieversorgung von automotiven Anwendungen.

Günstigerer Aufbau

In der Brennstoffzelle wird der Hochleistungswerkstoff in den so genannten Interkonnektoren verwendet. Diese Stahl-Zwischenplatten verbinden die einzelnen Zellen zu einem leistungsfähigen Brennstoffzellen-„Stapel“. Die Liste der Anforderungen an den Werkstoff für dieses Bauteil ist lang: Er muss innerhalb der Brennstoffzelle elektrisch leitend, korrosionsfest, mechanisch stabil und belastbar sein, leicht zu verarbeiten und keine negativen Auswirkungen auf die Zelle haben. Crofer 22 H erfüllt all diese sehr spezifischen Anforderungen. Ein weiterer Vorteil sind die Ausdehnungswerte unter Einfluss von Wärme, die denen der Keramik entsprechen, die für die Zellen verwendet wird. So kommt es zwischen beiden Materialien nicht zu mechanischen Spannungen, die die Keramik beschädigen könnten. „Durch die Herstellung des Materials in industriellem Maßstab kann die Fertigung der Brennstoffzellen günstig gestaltet werden. Am Ende geht es nicht zuletzt um die Reduktion der Systemkosten“, erläutert Dr. Robert Steinberger-Wilckens vom Forschungszentrum Jülich. „Da wir beim Crofer 22 H auf die Erschmelzung im Vakuuminduktionsofen verzichten konnten, konnten die Fertigungskosten signifikant reduziert werden“, betont Dr. Jutta Klöwer. Neben Crofer 22 H kommen weitere Werkstoffe von ThyssenKrupp VDM in Brennstoffzellen zum Einsatz. So spielen Hochtemperatur-Nickellegierungen in anderen SOFC-Baugruppen wie Wärmetauscher und Reformer eine Rolle.

Als APU und Kraftwerk

Die Brennstoffzelle kann als „Auxiliary Power Unit“, also als An-Bord-Stromversorgungsaggregat verwendet werden – mobil in Autos, Lkw, Flugzeugen oder auf Schiffen. Ebenso gibt es stationäre Einsatzmöglichkeiten für die Gebäudeenergieversorgung oder in kleinen und großen Blockheizkraftwerken. Ihr Einsatz eröffnet somit eine effizientere Wärme- und Stromgewinnung für Privathaushalte wie für Fahrzeuge. Angesichts hoher Preise der fossilen Energieträger erweist sich die Entwicklung der Brennstoffzelle als nachhaltig und günstig. Sie befindet sich auf dem Weg für eine flächendeckende Nutzung.
BINE berichtete im September 2011 über "Bordstromversorgung mit Brennstoffzellen".

(ph)

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