Forschungszentrum Jülich entwickelt neuen Werkstoff für
effiziente Brennstoffzellen
Brennstoffzellen nutzen Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie. Wegen ihres
hohen Wirkungsgrades sind Hochtemperatur-(SOFC)-Brennstoffzellen besonders viel
versprechend. Doch die hohen Temperaturen von 900 Grad Celsius stellen erhebliche
Anforderungen an das verwendete Material, die bisher nur unzureichend erfüllt werden
konnten.
Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben eine Metalllegierung entwickelt,
die für den serienmäßigen Einsatz in Hochtemperatur-Brennstoffzellen besonders geeignet
ist. Mit ThyssenKrupp hat das Forschungszentrum jetzt einen kompetenten
Entwicklungspartner für die großindustrielle Umsetzung gefunden. Der Stahlkonzern stellt
die Metalllegierung unter dem Handelsnamen "Crofer 22 APU" her.
BMW erprobt das Material bereits in Prototypen: Brennstoffzellen mit dem neuen
Werkstoff sollen als Zusatzaggregat im Auto die Batterie und die Lichtmaschine entlasten.
Außerdem wäre bei abgeschaltetem Motor beispielsweise der Betrieb einer Standklimaanlage
möglich.
Das Jülicher Team um Dr. Willem Josef Quadakkers vom Institut für Werkstoffe und
Verfahren der Energietechnik 2 (IWV 2, Institutsleiter Prof. Lorenz Singheiser)
entwickelte eine spezielle Metalllegierung: Sie ermöglicht erstmals die Serienproduktion
der so genannten Interkonnektoren, die das zentrale Bauelement der
Hochtemperatur-Brennstoffzellen darstellen. Diese Interkonnektoren verbinden kleine
Brennstoffzelleneinheiten, die mit ihrer Hilfe zu einer leistungsfähigen Großeinheit
einem so genannten Stack zusammengeschaltet werden. Außerdem stellen sie die elektrische
Verbindung zwischen den Einheiten her und versorgen sie über Gaskanäle mit dem Brenngas.
Bisher war es nicht möglich, die Interkonnektoren kostengünstig und mit den
gewünschten elektrischen Eigenschaften aus metallischen Legierungen herzustellen.
"Die Anforderungen an das Material sind zum Teil widersprüchlich. Das Problem ist,
den richtigen Kompromiss zu finden", erklärt Willem Quadakkers. Seinem Team ist das
nun gelungen. Der Werkstoff "Crofer 22 APU" besitzt die für die Anwendung in
Brennstoffzellen spezifische Kombination von Eigenschaften und vermeidet unter anderem
einen entscheidenden Nachteil bisheriger hitzebeständiger Werkstoffe.
Damit die Metalllegierungen bei Betriebstemperaturen um 900 Grad Celsius eine ähnlich
geringe Wärmeausdehnung aufweisen wie die angrenzenden keramischen Werkstoffe, wird ihnen
ein hoher Chromanteil beigemischt. Dadurch verlängert man auch die Lebensdauer der
Interkonnektoren, handelt sich aber gleichzeitig einen schwerwiegenden Nachteil ein: Bei
den hohen Temperaturen wird das Chrom teilweise abgedampft und durchdringt die Kathode bis
zur Grenzfläche zwischen Kathode und Elektrolyt. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der
Brennstoffzelle drastisch herabgesetzt wird.
Die Legierung des Jülicher Teams löst dieses Problem durch eine Art
"Selbstversiegelung". Sobald die Brennstoffzelle aktiv wird, bildet sich auf der
Oberfläche der Interkonnektoren eine Schutzschicht aus Chrom-Manganoxid, die die
Chromabdampfung verhindert. Zudem besitzt diese Oxidschicht die geforderte hohe
elektrische Leitfähigkeit und platzt nicht von der Oberfläche ab. Ausschlaggebend dafür
ist unter anderem eine Beimischung des chemischen Elements Lanthan. Weitere
Legierungselemente sind Mangan und Titan.
Eingesetzt werden kann das High-Tech-Material unter anderem in der Automobilindustrie.
So arbeiten Entwicklungsingenieure der BMW-Group bereits an einer SOFC-Brennstoffzelle mit
Interkonnektoren aus Crofer 22 APU. Die Abkürzung "APU" im Namen des
Werkstoffs, die für "Auxiliary Power Unit" steht, deutet schon auf die
Verwendung der Brennstoffzellen hin als Zusatzaggregat für die Entlastung von Batterie
und Lichtmaschine im Auto.
Die Brennstoffzellen benötigen zur Erzeugung der gleichen Menge elektrischer Energie
nur etwa die Hälfte des Kraftstoffs, der verbraucht wird, wenn die Stromerzeugung den
"Umweg" über Motor, Lichtmaschine und Batterie nimmt. Damit wird der
Kohlendioxidausstoß des Fahrzeugs deutlich verringert und zwar auch dann, wenn die
Brennstoffzellen wie geplant zunächst mit Benzin betrieben werden. Der Wasserstoff wird
dann über einen Reformer aus dem Benzin gewonnen.
Quelle: FZ Jülich, 30. Oktober 2003
