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Thyssen-Krupp VDM Ferritischer Chromstahl für Brennstoffzelle

| Redakteur: Bernd Otterbach

Festoxid- oder Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind auf dem Vormarsch. Ein Indiz dafür ist die steigende Produktionsmenge an ferritischem Chromstahl Crofer 22 APU.

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Thyssen-Krupp VDM hat für die sogenannten SOFC-Brenstoffzellen (Solid Oxid Fuel Cell) den Stahl nicht nur hinsichtlich der Eigenschaften optimiert. Auch im Vergleich zu anderen, für SOFC-Brennstoffzellen geeigneten Werkstoffen ist er kostengünstiger.

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. Das Ergebnis ist ein viel höherer Wirkungsgrad als bei Verbrennungsmotoren.

Der Vorteil der Festooxid- oder Hochtemperatur-Brennstoffzelle liegt auf der Hand: Eine flächendeckende Infrastruktur für Wasserstoff gibt es bislang nicht, Kraftstoffe dagegen sind überall verfügbar. Für die Fertigung dieser zukunftsträchtigen Brennstoffzellen stellt die Thyssen-Krupp VDM GmbH, Werdohl wichtige Werkstoffe her. Thyssen-Krupp VDM ist innerhalb der Thyssen-Krupp Stainless AG im Bereich der Hochleistungswerkstoffe tätig.

SOFC-Brennstoffzellen arbeiten sehr effizient

Die Brennstoffzelle als Auxiliary Power Unit (APU) – also als Hilfs-Stromversorgungsaggregat – soll vielfältig Verwendung finden: In Gebäuden, Klein- und Blockheizkraftwerken bis zu mobilen Anwendungen (Automobile, Schiff und U-Boot). Zu Demonstrationszwecken erzeugt diese Art der Brennstoffzelle bereits elektrischen Strom in Wohngebieten und auf Schiffen zur Bordversorgung.

Der Automobilhersteller BMW prüft den Einbau der SOFC-Brennstoffzelle (Solid Oxid Fuel Cell) als motorunabhängige Bordstromversorgung in Fahrzeugen. Die kleinen dezentralen Kraftwerke arbeiten enorm energieeffizient, liefern Wärme und elektrische Energie bei unschädlichen Emissionen – alles Eigenschaften einer erfolgreichen Zukunftstechnik.

Ein grundlegender Unterschied der Polymer- und Festoxid-Brennstoffzelle liegt in der Betriebstemperatur: So arbeitet die Polymer-Brennstoffzelle bei Temperaturen von 80 bis 100 °C, dagegen wird die SOFC-Brennstoffzelle bei bis zu 900 °C betrieben. Bei diesen Temperaturen wird das benötigte wasserstoffreiche Gas aus dem Kraftstoff gewonnen.

Die Bedingungen, die in der Brennstoffzelle herrschen, erfordern jedoch besondere Werkstoffe: wie den ferritischen Chromstahl Crofer 22 APU, den Thyssen-Krupp VDM für die Hochtemperatur-Brennstoffzelle des Forschungszentrums Jülich liefert. Die Legierungszusammensetzung des Werkstoffs ist optimiert.

Interkonnektoren aus ferritischem Chromstahl Crofer 22 APU gefertigt

In der Brennstoffzelle kommt der ferritische Chromstahl Crofer 22 APU bei den so genannten Interkonnektoren zur Anwendung. 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.

Der Chromstahl Crofer 22 APU wurde an diese Anforderungen angepasst. „Der Werkstoff ist in seinen Merkmalen einzigartig“, so Frank Scheide, zuständiger Sales Manager bei Thyssen-Krupp VDM. Wichtig für eine breite Anwendung in Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist jedoch auch der Preis.

Der Chromstahl Crofer 22 APU ist im Vergleich zu anderen, für SOFC-Brennstoffzellen geeigneten Werkstoffen kostengünstiger. „Wir müssen die Beschaffung des Materials und damit die Fertigung der Brennstoffzelle günstig gestalten. Es geht nicht zuletzt um die Reduktion der Systemkosten“, resümierte Dr. Robert Steinberger-Wilckens vom Forschungszentrum Jülich.

Nachfrage nach ferritischem Chromstahl Crofer 22 APU steigt

Laut Steinberger-Wilckens lässt sich der Stahl leicht verarbeiten. Er hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit – also die richtige Eigenschafts-Kombination. Ein weiterer Vorteil seien die Ausdehnungswerte unter Einfluss von Wärme, die denen des keramischen Werkstoffs entsprechen, der für die Zellen verwendet wird. So komme es zwischen beiden Werkstoffen 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“, heißt es bei Thyssen-Krupp Stainless.

Verbundprojekt mit Forschungszentrum Jülich

Thyssen-Krupp VDM arbeitet 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 Elring-Klinger beteiligt.

Der Chromstahl 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-Brennstoffzelle eine Rolle: zum Beispiel in Wärmetauschern, Reformern und Bipolarplatten.

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