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Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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Techno-SCOPEGroßserientaugliches Werkstoffkonzept für Brennstoffzellen

Der verantwortungsbewusste Umgang mit fossilen Brennstoffen schont knapper werdende Ressourcen und schützt die Umwelt. Bei der Suche nach Alternativen zur Sicherung von Mobilität und Energieversorgung nimmt die Brennstoffzellen-Technologie eine Schlüsselposition ein. Für die Bereitstellung von Strom und Wärme erweist sich besonders die Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) als zukunftsträchtige Lösung. Diese Brennstoffzellenvariante eignet sich vor allem wegen der einfachen Brennstoffaufbereitung sowohl für die stationäre als auch für die mobile Energieversorgung.

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th9 Teil A: Großserientaugliches Werkstoffkonzept für Brennstoffzellen

SOFC-Brennstoffzellen können mit Wasserstoff als Energieträger betrieben werden. Sie eignen sich aber auch für die Energieumwandlung aus fossilen Brennstoffen oder aus Faulgasen. Die Arbeitstemperatur liegt zwischen 700 und 900 Grad Celsius, bei einem Wirkungsgrad, der mit 50 bis 80 Prozent deutlich oberhalb dem konventioneller Kraftwerken liegt.

SOFC-Aggregate werden aus mehreren, hintereinander geschalteten Brennstoffzellen, so genannten Stacks, aufgebaut. Die einzelnen Brennstoffzellen bestehen aus Anode, Kathode und einem Elektrolyt, der die Stromerzeugung in Gang setzt. Der Elektrolyt wird zumeist aus keramischem Zirkonoxid gefertigt. Zwischen den einzelnen Zellen sind so genannte Interkonnektorplatten angeordnet. Diese Bauteile vereinigen mehrere Funktionen in sich: Sie stellen die elektrische Verbindung zwischen den Zellen her und dienen als Stromkollektoren. Über Kanäle auf den Ober- und Unterseiten der Platten werden die einzelnen Zellen mit Brenngas und Luft versorgt. Gleichzeitig fungieren die Platten als dichte Barrieren, die die Vermischung der beiden Gase verhindern und dem Gesamtsystem eine genügend hohe Stabilität verleihen.

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Für die Verbreitung der Brennstoffzellen-Technologie ist deren Realisierbarkeit in der kostengünstigen industriellen Großserienproduktion ausschlaggebend. Während für die elektro-aktiven Bestandteile der SOFC-Brennstoffzelle, also Anode, Kathode und Elektrolyt, ausschließlich keramische Werkstoffe in Frage kommen, wird für die bislang ebenfalls aus Keramik gefertigten Interkonnektorplatten schon seit längerem nach metallischen Lösungen gesucht. Ziel ist es, diese Bauteile in großtechnischer Serienfertigung über Transferstraßen und Prägeprozesse zu produzieren und dadurch signifikante Kosteneinsparungen für das Gesamtpaket Brennstoffzelle zu erzielen. Insbesondere erfüllen metallische Werkstoffe die Forderung der Automobilindustrie nach einem gut umformbaren Werkstoff, der optimale Raumausnutzung und genügend Gestaltungsfreiheit für Designoptimierungen bietet.

Keramik und Metall kooperieren

Schwierigkeiten bei der Realisierung eines metallischen Konzepts für Interkonnektorplatten beruhen im Wesentlichen auf der Kombination von Metall und Keramik in einer Baugruppe. Die hieraus resultierenden Materialanforderungen galten lange Zeit als miteinander unvereinbar. So muss der gesuchte metallische Werkstoff eine ausgeprägte Oxidationsbeständigkeit in der heißen Anoden- und Kathodenatmosphäre aufweisen. Diese Eigenschaft erzeugt man gemeinhin durch Zulegierung von Chrom. Allerdings darf der gesuchte Werkstoff im Betrieb nur geringste Mengen an Chrom freisetzen, damit die Brennstoffzellen nicht zerstört werden. Eine weitere zentrale Anforderung besteht in der Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls an den der keramischen Komponenten. Außerdem ist hohen elektrischen Leitfähigkeit unter Betriebsbedingungen gefordert. Ferner ist ein Werkstoffkonzept mit guten Erzeugungs- und Verarbeitungseigenschaften zur Erzielung der angestrebten Wirtschaftlichkeit unumgänglich.

Zielkonflikte mit Sonderlegierungen lösen

Um dieses Eigenschaftsprofil zuverlässig abzudecken, war die Entwicklung einer völlig neuen Legierung notwendig. Zwar ist am Markt gegenwärtig eine Reihe von Hochtemperaturlegierungen verfügbar, die Temperaturen bis 1200 Grad Celsius ohne Korrosionsschäden standhalten. Beispiele hierfür sind Nickel-Chrom-Aluminium-Legierungen oder Eisen-Chrom-Aluminium Legierungen. Die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit dieser Werkstoffe beruht darauf, dass sich an ihrer Oberfläche eine langsam wachsende Aluminiumoxidschicht bildet, wenn sie großer Hitze ausgesetzt werden. Die Oxidschicht verhindert außerdem, dass das den Legierungen beigemischte Chrom in zu hohem Maße verdampft. Allerdings bietet die Aluminiumoxidschicht nicht die für die SOFC-Anwendung geforderte elektrische Leitfähigkeit. Gleiches gilt für die mit Silizium angereicherten Legierungen auf Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasis, die zudem zu spröde für eine einfache industrielle Verarbeitung sind. Andere metallische Konzepte, wie die Verwendung von Edelmetallen, scheitern an zu hohen Kosten oder aber daran, dass der Ausdehnungskoeffizient der Werkstoffe nicht ausreichend an das Ausdehnungsverhalten des keramischen Materials angepasst ist.

Gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich und mit Unterstützung der ThyssenKrupp Nirosta GmbH wurde eine neue Legierung entwickelt, die erstmals den Zielkonflikt zwischen hoher Hitzebeständigkeit, geringer Chromabdampfung, guter elektrische Leitfähigkeit und niedrigem Ausdehnungskoeffizienten bei guter Verarbeitbarkeit löst. Der Werkstoff wird unter der Bezeichnung Crofer 22 APU nur von ThyssenKrupp VDM angeboten. Die Legierung verfügt über einen Anteil von 22 Prozent Chrom. Für die notwendige elektrische Leitfähigkeit sorgt ein sich unter Einsatzbedingungen bildendes Chrom-Mangan-Oxid auf der Oberfläche des Werkstoffs, das durch die Legierungselemente Titan und Lanthan, letzteres ein Element aus den Reihen der Seltenen Erden, eine hohe thermodynamische Stabilität erhält. Ferner schützt dieses Oxid das Material nachhaltig vor Korrosion und stellt eine für die Brennstoffzelle unschädliche Chromabdampfungsrate sicher.

Damit qualifiziert sich Crofer 22 APU als die gesuchte wirtschaftliche Alternative zu den bislang für Interkonnektorplatten von SOFC-Brennstoffzellen verwendeten keramischen Werkstoffen. In der Herstellung stellt die Legierung zwar vergleichsweise hohe Anforderungen. So kommt es bei Einstellung der Schmelzanalyse auf die genaue Dosierung der Legierungselemente Lanthan, Silizium, Aluminium, Titan und Mangan an. Ferner muss Crofer 22 APU auch bei der anschließenden thermomechanischen Weiterverarbeitung mit großer Sorgfalt und unter genauer Einhaltung bestimmter Temperaturfenster umgeformt werden, verhält sich dann aber im Auslieferungszustand, also beim Anwender, ähnlich problemlos wie ein ferritischer Standard-Edelstahl. Das Material ist als Blech, Band und Draht verfügbar, hat exzellente Umformeigenschaften und lässt sich mit gängigen Technologien im Großserienmaßstab bearbeiten.

Die neue Legierung ist nicht nur ein großer Schritt hin zu einer breiteren Verfügbarkeit der SOFC-Brennstoffzellentechnologie bei der stationären und mobilen Energieerzeugung, sie kann auch in weiteren Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden. Immer wenn es auf hohe Oxidationsbeständigkeit bei geringen Ausdehnungskoeffizienten ankommt, oder wo in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eine möglichst geringe Chrombelastung der Produkte durch die Behälterwerkstoffe gefordert wird, gibt es nun eine metallische Alternative zur meist schwer verarbeitbaren Keramik.

Zum Thema

Brennstoffzellen könnten aufgrund ihrer hohen Energieausbeute und geringen Umweltbelastung zum Universalaggregat in stationären und mobilen Anwendungen avancieren. Die Schwelle vom Labor zur Serie ist zwar erst in wenigen Applikationen überwunden, aber die Entwickler drängen mit Macht auf die Märkte. Noch liegen die Kosten der Brennstoffzellen pro Kilowattstunde elektrischer Leistung erheblich zu hoch. Mit Entwicklungen wie der von ThyssenKrupp VDM und ansteigenden Seriengrößen werden die Kosten jedoch rasant sinken. Wer sich weitergehend über Technik und Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen informieren möchte, ist auf den Internetseiten http://www.initiative-brennstoffzelle.de gut aufgehoben. dr

Autor

Dipl.-Ing. Ralf Hojda, Entwicklung und technisches Marketing,

ThyssenKrupp VDM GmbH

Plettenberger Straße 2

D-58791 Werdohl

Tel. 02392/55-2718

Fax 55-2457

e-mail: rhojda@tks-vdm.thyssenkrupp.com

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