Nickellegierungen für zukunftsträchtige Brennstoffzellen-Technologie

Saubere Energie in Form von Wärme und Strom, und das bei hohen Wirkungsgraden: das liefert die Brennstoffzelle, die innovative Energiequelle der Zukunft. Die bekannteste Form ist die Polymer-Brennstoffzelle, die mit reinem Wasserstoff und Luftsauerstoff betrieben wird.

Dass es noch anders geht, zeigen die Entwicklungen des Forschungszentrums Jülich, die mit der Festoxid- oder Hochtemperatur-Brennstoffzelle auf dem Weg sind, Treibstoffe wie Diesel, Benzin oder Methanol mit geringem Arbeitsaufwand einzusetzen. Der Vorteil dieser Technologie liegt auf der Hand: Eine flächendeckende Infrastruktur für Wasserstoff gibt es bislang nicht, die Kraftstoffe dagegen sind überall verfügbar. Entscheidende Werkstoffe für die Fertigung dieser zukunftsträchtigen Brennstoffzellen-Technologie stellt die ThyssenKrupp VDM her, die innerhalb der ThyssenKrupp Stainless AG im Bereich der Hochleistungswerkstoffe tätig ist.

Ein grundlegender Unterschied der beiden Typen, der Wasserstoff-Brennstoffzelle und der Festoxid-Brennstoffzelle, liegt in der Betriebstemperatur: Während die Polymer-Brennstoffzelle Temperaturen von 80 bis 100 Grad Celsius erreicht, klettern die Temperaturen in der so genannten SOFC-Brennstoffzelle auf bis zu 900 Grad. Hier wird das benötigte wasserstoffreiche Gas zuvor bei hoher Temperatur aus dem Kraftstoff gewonnen. Die Bedingungen, die in der Brennstoffzelle herrschen, erfordern besondere Werkstoffe: Für den Betrieb der Zelle liefert ThyssenKrupp VDM den ferritischen Chromstahl Crofer 22 APU („Auxiliary Power Unit“). Die Legierungszusammensetzung des Werkstoffs optimierte ThyssenKrupp VDM im Rahmen des Forschungsprogramms „ZEUS II“ zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich. An diesem Verbundprojekt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt wird, waren unter anderem die Unternehmen BMW, Liebherr und ElringKlinger beteiligt.

In der Brennstoffzelle wird das Material 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 APU ist an diese Anforderungen angepasst. „Der Werkstoff ist in seinen Merkmalen einzigartig“, so Frank Scheide, zuständiger Sales Manager bei ThyssenKrupp VDM in Werdohl: „Die Bezeichnung ist schon so etwas wie ein Gattungsbegriff“. Wichtig für den breiten Einsatz in Brennstoffzellen ist zudem der Preis des Materials. Crofer 22 APU ist im Vergleich zu anderen, für die SOFC geeignete Werkstoffe kostengünstiger. „Wir müssen die Beschaffung des Materials und damit die Fertigung der Brennstoffzelle günstig gestalten. Es geht nicht zuletzt um die Reduktion der Systemkosten“, erläutert Dr. Robert Steinberger-Wilckens vom Forschungszentrum Jülich. „Crofer 22 APU lässt sich leicht verarbeiten und besitzt hohe Leitfähigkeit sowie Korrosionsfestigkeit, hat also die richtige Eigenschafts-Kombination.“ 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.

Die aktuellen Entwicklungen lassen die Nachfrage nach geeigneten Werkstoffen für Interkonnektorplatten wachsen. „Vom 100 Kilogramm-Bereich sind wir mittlerweile schon in den Tonnenbereich gelangt – die Nachfrage hat sich innerhalb der letzten zwei Jahre vervielfacht“, so Scheide. Crofer 22 APU ist indes nicht der einzige von ThyssenKrupp produzierte Werkstoff, der in der SOFC-Brennstoffzelle Verwendung findet. Hochtemperatur-Nickellegierungen spielen in anderen Baugruppen der SOFC-Zelle wie Wärmetauscher, Reformer und Bipolarplatten eine Rolle.

Die Brennstoffzelle als „Auxiliary Power Unit“, also als Hilfs-Stromversorgungsaggregat, soll vielfältig Verwendung finden, vom stationären Einsatz in Gebäuden, Klein- und Blockheizkraftwerken bis zum mobilen Einsatz im Auto, Schiff und U-Boot. Zu Demonstrationszwecken arbeitet diese Art der Brennstoffzelle bereits in Bereich der Hausenergie und mobil als Bordstromversorgung. BMW etwa prüft den Einbau der SOFC-Brennstoffzelle als motorunabhängige Bordstromversorgung in seine Fahrzeuge. Die kleinen dezentralen Kraftwerke sind also auf dem Vormarsch: Sie sind enorm energieeffizient, liefern Wärme und elektrische Energie bei unschädlichen Emissionen – alles Eigenschaften einer erfolgreichen Zukunftstechnologie.

ThyssenKrupp Stainless AG
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