Beschreibung
P 811 – Werkstoff- und Fügetechnische Analyse und Optimierung eines Reformers für Brennstoffzellenanwendungen
Das Hauptziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer robusten Brennkammer für den Einsatz in einem Reformerreaktor für Brennstoffzellenanwendungen. Um dieses Ziel erreichen zu können, war es notwendig, Betriebsbedingungen und Schadensfälle von Reformerreaktoren zu analysieren sowie entsprechende Untersuchungen bzgl. möglicher Füge- und Beschichtungstechniken durchzuführen. Innerhalb des Projekts sollte ermittelt werden, mit welchen Kombinationen ausgewählter Werkstoffe, Beschichtungen und Fügetechniken eine maximale Robustheit unter den geforderten Betriebsbedingungen erzielt werden kann. Diesbezüglich wurde auch der Einfluss der Bauteilgeometrie untersucht.
Die Analyse der Betriebsbedingungen ergab grundsätzlich drei Belastungsarten: Hochtemperaturbelastung (Kriechen), thermozyklische Belastung (Ermüdung) und chemische Belastung (Korrosion). Die Untersuchungen zeigten deutlich, dass insbesondere die brennerseitige Atmosphäre sehr aggressiv auf das Brennkammermaterial einwirkt. Im weiteren Projektverlauf wurden zahlreiche Zugversuchsproben entsprechend einer Matrix aus verschiedenen Grundmaterialien, Fügeverfahren und Beschichtungsarten angefertigt. Die Hälfte dieser Proben wurde zusätzlich einem 1.000-stündigen, thermozyklischen Auslagerungsversuch unter Korrosionsbedingungen unterzogen. Anschließend lieferte ein Zugversuch für jede Probe eine Aussage über die verbliebene Materialfestigkeit. Auf diese Weise konnten geeignete und ungeeignete Kombinationen bestimmt und auch eine mögliche Schädigung durch das Fügen und Beschichten selbst untersucht werden. Um den Geometrieeinfluss zu untersuchen, wurden mit Hilfe realer Temperaturmessdaten in einer Computersimulation die Wärmespannungen in der Brennkammer sichtbar gemacht. Es bestätigten sich die durch Experimente bekannten Schwachstellen an derursprünglichen Geometrie durch hohe Wärmespannungskonzentrationen. Durch entsprechende Variation der Brennkammerform konnten diese Spannungen deutlich minimiert werden. Den finalen Projektabschnitt leitete der Neubau des Reformerreaktors unter Berücksichtigung der im Projektverlauf gewonnenen Erkenntnisse ein. Eine geeignete Material-Beschichtungskombination stellte der Werkstoff 1.4958 mit einer speziell entwickelten Aluminium-Diffusionsschicht dar. Das Laserschweißverfahren erwies sich als das geeignete Fügeverfahren. Für eine optimale Bauteilgeometrie hat sich beim Brennkammerdeckel eine Wölbung und ein Übergangsradius zur Mantelfläche als wesentliche konstruktive Änderung herausgestellt. Abschließend wurde der neue Reaktor einem 1.000-stündigen thermozyklischen Test unter realen Betriebsbedingungen unterzogen und später auf Schädigungen untersucht.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Es konnten die grundsätzlichen spezifischen Schädigungsmechanismen ermittelt und wirkungsvolle Gegenmaßnahmen aufgezeigt werden. Die Nachuntersuchungen der optimierten Brennkammer nach dem Dauertest zeigte sowohl die generelle Haltbarkeit und Wirksamkeit der Diffusionsschicht, als aber auch die noch zu verbes-sernde Schutzwirkung gerade in der hochbelasteten Brennkammerdeckelmitte. Trotz dieses Verbesserungpotentials war innerhalb des Grundmaterials und im Einflussbereich der Schweißnaht keine tiefergehende Schädigung feststellbar, was als großer Erfolg zu werten ist.
Eine Lebensdauerabschätzung über den 1.000-stündigen Zyklentest hinaus konnte in diesem Projekt nicht getroffen werden. Dafür wäre zukünftig die transiente Simulation der auftretenden Wärmespannungen bei Aufheiz-und Abkühlvorgängen erforderlich. Außerdem müssen zusätzliche Erkenntnisse über das Langzeitfestigkeitsverhalten der gefügten Werkstoff-Beschichtungssysteme unter der spezifischen Belas-tungskombination erarbeitet werden. Die wirtschaftliche Betrachtung dieser Beschichtungssysteme im Vergleich zu z.B. Nickelbasiswerkstoffen stellt eine weitere Aufgabe dar.
Das IGF-Vorhaben 16118 BG der FOSTA –Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am Zentrum für Brennstoffzellen Technik gGmbH, Duisburg, am Günther-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH, Jena, und durch die DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., Frankfurt/Main, durchgeführt.
Autoren:
A. Heinzel, O. Pasdag, M. Steffen, E. Firat, S. Sändig, T. Ebersbach, M. Schütze, A. Naji
Veröffentlichung:
2013
