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Innenseite der längsgeschnittenen Brennkammer nach dem realen Betrieb. Die markierten Bereiche wurden metallografisch untersucht.
© FOSTA
Lebensdauer für Brennstoffzellenanwendungen erhöht
18.07.2012

Forscher verbessern Reformer

Um für Brennstoffzellen den nötigen Wasserstoff aus Biogas oder Erdgas zu erzeugen, ist ein relativ aufwendiges Reformersystem notwendig. Dieses spaltet die Brennstoffe in Wasserstoff und CO2 auf. Das Bundeswirtschaftsministerium förderte ein Gemeinschaftsprojekt dreier Forschungsstellen, die untersuchten, wie sich langlebigere und robustere Reformer herstellen lassen. Nach zweieinhalbjähriger Laufzeit ist das Projekt nun erfolgreich abgeschlossen.

Ziel des Vorhabens war es, Reformersysteme für Brennstoffzellenanwendungen robuster und länger haltbar zu machen. Dazu wurden die konstruktive Gestaltung des Reformerreaktors verändert und geeignete Werkstoffe und Fügetechnologie entwickelt. In einem Reformersystem sind die Anforderungen an die Werkstoff- und Schweißverbindungen sehr hoch. Diese werden im Betrieb durch thermozyklische Beanspruchung, hohe Temperaturdifferenzen, Temperaturen bis über 1.000 °C und korrosiven Atmosphären sehr hoch belastet. Im Rahmen des Projektes „Werkstoff- und fügetechnische Analyse und Optimierung eines Reformers für Brennstoffzellenanwendungen“ analysierten die Forscher verschiedene Betriebsbedingungen und Schadensfälle von Reformerreaktoren. Die Untersuchung der Schädigungsmechanismen zeigt, dass die Anlagen insbesondere unter Hochtemperaturbelastung (Kriechen), thermozyklischer Belastung (Ermüdung) und chemischer Belastung (Korrosion) leiden. Im Testverfahren wurden anschließend Materialkombinationen ermittelt und Variationen der Brennkammerform vorgenommen, wodurch Spannungen deutlich minimiert werden konnten.
Im Projekt arbeiteten die drei Forschungspartner Zentrum für Brennstoffzellen Technik (ZBT), das Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung (ifw Jena) und das DECHEMA-Forschungsinstitut daran, die optimalen Werkstoffe, Beschichtungen und Herstellungsverfahren zu kombinieren.

Hochtemperaturbeschichtungen: Diffusionsschichten im Pulverpackverfahren

Diffusionsschichten auf Basis von Al, Al-Si und Al-Si-Aktivelementen (Y, Hf und Ce) wurden entwickelt; ebenso auch Korrosionsmechanismen und deren Wirkung auf die betrachteten Werkstoffe untersucht. Die (un-)beschichteten Werkstoffe wurden anschließend im 1.000-stündigen thermozyklischen Hochtemperaturkorrosionstest realer Prozessgasatmosphäre ausgesetzt. Für den weiteren Projektverlauf setzten die Forscher die Werkstoffe und Fügetechnologien ein, die sich nach Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften als geeignet erwiesen haben.

Neubau eines Reformerreaktors getestet

Nach diesen Vorarbeiten bauten die Forscher ein optimiertes Reformersystem (Werkstoff, Beschichtung, Fügetechnologie und Konstruktion bestmöglich) für den Praxistest am ZBT. Zur Abbildung einer beschleunigen Alterung wurde dieses System im zyklischen Start-Stopp-Betrieb über 1.000 Stunden ausfallfrei getestet. Danach wurde der demontierte Reformerreaktor metallografisch auf Schäden untersucht. Es zeigte sich, dass die Diffusionsschicht generell haltbar und wirksam war. Doch gerade in der hochbelasteten Brennkammerdeckelmitte ist die Schutzwirkung noch zu verbessern. Die Forschungsinstitute werten dies als großen Erfolg bei der Weiterentwicklung der Reformertechnik. Außerdem kommen sie zu dem Ergebnis, dass die Brennkammeratmosphäre aggressiver ist als die Katalysatoratmosphäre. Unbeschichtete Werkstoffe sind ungeeignet, da sich durch Beschichtung die HT-Korrosionsbeständigkeit eines „kostengünstigen“ Werkstoffs erhöht. Die Diffusionsschicht konnte problemlos auf das Substrat und auf Schweißnähte appliziert werden.

(ad/gh)

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