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Produkte und Lösungen, 09.09.2003, 02:00

Crofer 22 APU- ein neuer Werkstoff für Brennstoffzellen

Innovation bei der ThyssenKrupp VDM GmbH: Das Unternehmen kann ab sofort in Alleinstellung einen metallischen Werkstoff anbieten, der für die Großserienfertigung von SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)-Brennstoffzellen geeignet ist. Crofer 22 APU heißt die Eisen-Chrom-Legierung, die erstmals die sich bisher ausschließenden Anforderungen gute Hochtemperaturbeständigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit und niedriger Ausdehnungskoeffizient erfüllt. Das Werkstoffkonzept - gemeinsam mit der ThyssenKrupp Nirosta GmbH und dem Forschungszentrum Jülich entwickelt - macht den Weg frei für die Optimierung von Kosten und Design von Hochtemperatur-Brennstoffzellen.

Die SOFC-Brennstoffzelle ist eine Variante, die bei Temperaturen bis 900 Grad arbeitet. Ausgangsstoffe für die Energieumwandlung können Wasserstoff, Erdgas oder reformiertes Benzin sein. Im Automobilbau können SOFC-Brennstoffzellen beispielsweise in so genannten Auxiliary Power Units (APU) für die Zusatzenergieversorgung eingesetzt werden. Ein entsprechendes Forschungsprojekt läuft derzeit unter Beteiligung der BMW AG. Ziel ist es, ein SOFC-Aggregat als Ergänzung zu Batterie und Lichtmaschine einzusetzen.

Die APU besteht im Wesentlichen aus einem SOFC-Stack, der aus mehreren, hintereinander geschalteten Brennstoffzellen aufgebaut ist. Die Zellen setzen sich jeweils zusammen aus Anode, Kathode und keramischem Zirkondioxid als Elektrolyt, der die Stromerzeugung in Gang setzt. Wichtigste Bauteile des SOFC-Stack sind die so genannten Interkonnektorplatten, die die Zellen voneinander trennen. Sie stellen einerseits die elektrische Verbindung her und versorgen andererseits über Gaskanäle die Zellen mit Brenngas und Luft. Die Interkonnektorplatten bestehen aus Crofer 22 APU.

Vor der Entwicklung von Crofer 22 APU konnte kein metallischer Werkstoff den Anforderungen der SOFC-Technik standhalten. Grund ist vor allem die hohe Betriebstemperatur der Brennstoffzellen. Üblicherweise erreichen metallische Werkstoffe ihre Langzeitbeständigkeit bei derartigen Temperaturen durch einen hohen Chromanteil. Das Element schränkt gleichzeitig die Wärmeausdehnung der Legierung ein, so dass sie einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten erreicht wie der umgebende keramische Elektrolyt. Allerdings würde das Chrom bei 900 Grad Betriebstemperatur wieder teilweise freigesetzt und den Elektrolyten zwangsläufig zerstören.

Die vor Crofer 22 APU eingesetzten keramischen Werkstoffe für die Interkonnektorplatte haben das Problem der Chromabdampfung zwar nicht. Allerdings sind sie aufgrund ihrer hohen fertigungstechnischen Anforderungen, etwa beim Fräsen der Kanäle für die Gaszuleitung, für eine wirtschaftliche Großserienproduktion nicht geeignet.

ThyssenKrupp VDM bietet mit Crofer 22 APU die erste Legierung an, die den Zielkonflikt zwischen hoher Hitzebeständigkeit, geringer Chromabdampfung und niedrigem Ausdehnungskoeffizienten löst. Ausschlaggebend hierfür ist Lanthan, ein Element aus der Reihe der seltenen Erden, das dem Werkstoff als Legierungselement zu 0,08 Prozent beigemischt ist. Es sorgt im Zusammenspiel mit den weiteren Legierungselementen Titan und Mangan dafür, dass sich auf der Oberfläche der Interkonnektorplatten eine Schutzschicht aus Chrom-Mangan-Oxid bildet, so bald die Brennstoffzelle aktiv wird. Dieser so genannte Chrom-Mangan-Spinell verhindert die Chromabdampfung und sorgt gleichzeitig für die nötige elektrische Leitfähigkeit der Interkonnektorplatten.

Die Erzeugung von Crofer 22 APU erfordert in jedem Stadium des Produktionsprozesses höchste Präzision: Schon im Schmelzofen, wo in einem Durchgang mehrere Tonnen der Legierung erschmolzen werden, müssen auch kleinste Legierungsanteile genau dosiert werden. Beim anschließenden Warmwalzen kommt es darauf an, die Temperaturfenster exakt einzuhalten. Für die anschließende Weiterverarbeitung jedoch gilt: Crofer 22 APU ist genauso leicht zu handhaben wie ein Standard-Edelstahl. Er lässt sich problemlos umformen, mit Rillen oder anderen Oberflächenstrukturen versehen und mit gängigen Fertigungsmethoden und -einrichtungen bearbeiten.

Kontakt:
ThyssenKrupp Steel AG
Dietmar Stamm
Tel.: +49 203 / 52 - 2 62 67
Fax: +49 203 / 52 - 2 57 07
e-mail: dietmar.stamm@tks.thyssenkrupp.com

Bernd Overmaat
Tel.: +49 203 / 52 - 4 51 85
Fax: +49 203 / 52 - 2 57 07
e-mail: bernd.overmaat@tks.thyssenkrupp.com

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