Forschungszentrum Jülich entwickelt neuen Werkstoff für effiziente Brennstoffzellen

ThyssenKrupp stellt die Metalllegierung bereits her – BMW erprobt das Material in Prototypen

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.