Brennstoffzellen: Thyssen Krupp senkt Kosten für Hochleistungswerkstoff

Mit dem neuen Werkstoff Crofer 22 H kann ein Block aus mehreren Brennstoffzellen für den Einsatz in Fahrzeugen gefertigt werden (Bild: Thyssen Krupp AG).

Einen verbesserten Hochleistungswerkstoff für Festoxid-Brennstoffzellen, Crofer 22 H, hat Thyssen Krupp VDM gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich entwickelt. In einem mehrjährigen Projekt wurde der Werkstoff zur Marktreife geführt.

Landsberg (gk).  Mit Hilfe des neuen Werkstoffs können sogenannte Leichtbaustacks, also ein Block aus mehreren Brennstoffzellen, zum Beispiel für den Einsatz in Fahrzeugen gefertigt werden.

„Bei der Entwicklung des Crofer 22 H ging es insbesondere darum, die Herstellung im großtechnischen Prozess darzustellen“, sagt Dr. Jutta Klöwer, Leiterin Forschung und Entwicklung bei ThyssenKrupp VDM. Damit stehe jetzt eine kostengünstigere Legierung mit verbesserten Eigenschaften gegenüber Stahl für Interkonnektoren-Platten zur Verfügung. Das gelte sowohl für den Bereich der großindustriellen Energieversorgung wie für kleine, dezentrale Einheiten im Haushalt als auch für die Energieversorgung von automotiven Anwendungen.

Die Festoxid- oder Hochtemperatur-Brennstoffzelle liefert nach Angaben von ThyssenKrupp VDM saubere Energie in Form von Wärme und Strom bei hohen Wirkungsgraden und sei daher eine innovative Energiequelle der Zukunft. Bei dieser Art der Brennstoffzellen-Technologie wird aus Kraftstoffen wie Diesel, Benzin oder Methanol bei Temperaturen bis 900 Grad das benötigte wasserstoffreiche Gas gewonnen. Die Bedingungen, die in der Brennstoffzelle herrschen, erfordern besondere Werkstoffe: Der Crofer 22 H ist speziell für Hochtemperatur-Brennstoffzellen entwickelt worden. Der Werkstoff enthält zwischen 20 und 24 % Chrom sowie weitere Legierungsmittel wie Wolfram, Niob, Titan und Lanthan.

Der neue Werkstoff zeichnet sich nach Unternehmensangaben durch hohe Korrosions-Beständigkeit bei Temperaturen bis 900 Grad, gute elektrische Leitfähigkeit der Oxid-Schicht und eine hohe mechanische Festigkeit bei Anwendungstemperatur aus. Zusätzlich sei er gut zu verarbeiten.

Die Eigenschaften des Crofer 22 H optimierte ThyssenKrupp VDM im Rahmen des Forschungsprogramms „ZEUS III“ zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich. 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 erfülle all diese sehr spezifischen Anforderungen, teilte ThyssenKrupp mit. Ein weiterer Vorteil seien die Ausdehnungswerte unter Einfluss von Wärme, die denen der Keramik entsprechen, die für die Zellen verwendet wird. So komme 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“, sagt 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“, berichtet 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.

Die Brennstoffzelle kann als „Auxiliary Power Unit“, also als An-Bord-Stromversorgungsaggregat, mobil in Autos, Lkw, Flugzeugen oder auf Schiffen in vielfältigen Anwendungen stationär für die Gebäudeenergieversorgung oder in kleinen und großen Blockheizkraftwerken verwendet werden. Ihr Einsatz eröffnet somit eine effizientere Wärme- und Stromgewinnung für Privathaushalte wie für Fahrzeuge.

Angesichts hoher Preise der fossilen Energieträger könne sich die innovative Entwicklung als nachhaltig und günstig erweisen und den Weg für eine flächendeckende Nutzung öffnen, hofft man bei ThyssenKrupp. Kleine dezentralen Kraftwerke seien auf dem Vormarsch: Sie seien energieeffizient, liefern Wärme und elektrische Energie bei unschädlichen Emissionen – Eigenschaften einer erfolgreichen Zukunftstechnologie.