Dichtwerkstoffe für Wasserstoff Je dichter, desto effizienter: Dichtwerkstoffe für Wasserstoffanwendungen

Von Dominik Stephan

Darum sind leistungsfähige Dichtwerkstoffe für Wasserstoffanwendungen essenziell – Wasserstoff ist der Wunderstoff der Defossilierung, heißt es. Dabei ist das kleinste Molekül des Periodensystems notorisch schwierig abzudichten. Wenn Elektrolyse, Brennstoffzelle und Co. wirklich ihr ganzes Potenzial entfalten sollen, braucht es geeignete Dichtungslösungen.

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Die Abbildung zeigt die verschiedenen möglichen Einsatzorte für Dichtwerkstoffe in Brennstoffzellen. Dazu zählen zum einen die Abdichtungen der Wasserstoff- und Sauerstoffzuleitungen (Position 1 und 4) sowie die Abdichtung der einzelnen Stacks an den Bipolarplatten (Position 2 und 3).
Die Abbildung zeigt die verschiedenen möglichen Einsatzorte für Dichtwerkstoffe in Brennstoffzellen. Dazu zählen zum einen die Abdichtungen der Wasserstoff- und Sauerstoffzuleitungen (Position 1 und 4) sowie die Abdichtung der einzelnen Stacks an den Bipolarplatten (Position 2 und 3).
(Bild: Frenzelit)

Die Brennstoffzelle wird im Rahmen der Energiewende als wichtiger Teil der Wasserstoffstrategie gehandelt. Ein Szenario ist dabei die Wasserstoffgewinnung aus grünem Strom durch Elektrolyse; der so gewonnene Wasserstoff dient dann als Energiespeicher und kann bei Bedarf mithilfe der Brennstoffzelle wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden. Einsatzmöglichkeiten dafür wären etwa der Mobilitätssektor, vom Pkw bis zum Lkw, aber auch die Nutzung in Brennstoffzellenheizungen. Dabei kann die Abwärme der Brennstoffzelle zur Beheizung von Gebäuden dienen, während gleichzeitig Strom erzeugt wird.

Derzeit gibt es aber noch das eine oder andere Hemmnis bei der Nutzung der Brennstoffzelle, von der derzeitigen Dominanz der Batterie als Energiespender im Mobilitätsbereich über die mangelnde Wasserstoff-Infrastruktur bis hin zu technologischem Nachbesserungsbedarf hinsichtlich der Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen. Dabei spielen auch die Dichtungen mit hinein, ohne die der Betrieb einer Brennstoffzelle oder eines Elektrolyseurs nicht denkbar ist. Je leistungsfähiger das eingesetzte Dichtungsmaterial ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Anwendung und desto sicherer ist auch ihr Betrieb, was Anwendungsfelder wie Heizsysteme in Privathaushalten möglich macht. Dabei fordert Wasserstoff, mit seiner extrem kleinen Molekülgröße, neben passenden Materialien auch die Dichtungsexpertise heraus.

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Aus Wasserstoff wird wieder Strom: Funktionsweise der Brennstoffzelle

Häufig eingesetzte Brennstoffzellentypen, die auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien basieren, sind die Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle (PEMFC), die Alkalische Brennstoffzelle (AFC), die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) oder auch Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) oder die Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle (MCFC).

Gemein ist allen dieser Technologien die gleiche Grundfunktionalität: Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt – anders als bei der Wasser-Elektrolyse, bei der Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. In der Brennstoffzelle findet der umgekehrte Prozess statt: Wasserstoff wird zusammen mit Sauerstoff (entweder in Form von Luft oder als reiner Sauerstoff) in Wasser und elektrischen Strom umgewandelt. Darüber hinaus entsteht bei dem Prozess auch Abwärme.

Eine einzelne Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode und der Kathode, und den sogenannten Bipolarplatten zum Abtransport des entstehenden Stroms und zur Verteilung der Gase. Hinzu kommen ein jeweils spezifischer Elektrolyt und schließlich die "Brennstoffe" Wasserstoff und Sauerstoff. Da eine einzelne Zelle jedoch nur wenig Strom erzeugt, werden in der Praxis meist sehr viele von diesen einzelnen Zellen zu einem sogenannten Stack hintereinandergeschaltet. Je nachdem, wie viel Strom erzeugt werden soll, variiert die Anzahl der Stacks und damit die Größe der Brennstoffzelle. Die Stacks selbst sind begrenzt durch die Bipolarplatten, die schließlich den Strom abtransportieren.

Elementar für den Betrieb einer Brennstoffzelle sind dabei besonders leistungsfähige Dichtwerkstoffe in verschiedenen Bereichen. Sie kommen zum Einsatz zwischen den Stacks, den einzelnen Zellen, um ein Austreten der Brenngase und des Elektrolyten zu vermeiden, die Bipolarplatten gegeneinander abzuschirmen und so einen Kurzschluss zu verhindern. Außerdem müssen auch die Zuleitungen abgedichtet werden, in denen die Gase Wasserstoff und Sauerstoff transportiert werden. An Stacks und Zuleitungen wird nicht unbedingt der gleiche Dichtwerkstoff eingesetzt, da die Anforderungen durchaus unterschiedlich sein können und spezifische Dichtigkeitseigenschaften erfordern.

Leichtes Gas stellt hohe Anforderungen an den Dichtwerkstoff

Eine der wichtigsten Funktionen der Dichtungen ist daher die Isolation der Bipolarplatten voneinander. Je nach konstruktiver Anforderung kann aber auch das Gegenteil gefragt sein, dass die Dichtungen leitfähig sein sollen – wenn auch nicht im Stackaufbau, hier ist die isolierende Funktion entscheidend. Beispielsweise im Bereich der Zuleitungen kann auch ein leitfähiges Dichtungsmaterial gefordert sein, um Strom abfließen zu lassen und zu verhindern, dass sich das Bauteil elektrisch auflädt. In diesem Fall darf die Dichtung nicht als Isolator fungieren. Auch der Elektrolyt im Inneren der Stacks, der meist flüssig ist, muss abgedichtet werden.

Oft handelt es sich um ein herausforderndes Medium, wie z. B. starke Laugen bei der alkalischen Brennstoffzelle, die die Dichtungen angreifen können. Außerdem müssen Wasserstoff und Sauerstoff, die als Brennstoffe fungieren, abgedichtet werden. Die Dichtung muss also auch beständig gegenüber diesen Medien sein. Da es sich hier um anspruchs­volle, brennbare und potenziell explosive Gase handelt, ist die zuverlässige Abdichtung auch ein wichtiger Sicherheitsaspekt.

Noch ganz dicht? Beim Wasserstoff kommt es auf Dichtwerkstoffe an

Darüber hinaus ist die Abdichtung auch maßgeblich für den Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle, der möglichst hoch sein soll, um einen effektiven Einsatz zu ermöglichen. Je mehr Gase entweichen, desto stärker sinkt der Wirkungsgrad. Insofern hat ein leistungsfähiger Dichtwerkstoff einen hohen Einfluss auf die Effizienz der Brennstoffzelle. Hinzu kommen bei einigen Brennstoffzellen-Varianten hohe Temperaturen von mehr als 500 ° C, denen das Dichtungsmaterial standhalten muss. Ein rein elastomerbasierter Dichtungswerkstoff kommt dafür nicht in Frage, sondern das Dichtungsmaterial muss auf derartige Temperaturen ausgerichtet sein. Auch die Lebensdauer der Werkstoffe sollte hoch sein, um die Brennstoffzelle wartungsarm und lange lauffähig zu halten.

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Werkstoffe, die sich besonders für den Einsatz in der Brennstoffzelle eignen, sind zum einen elastomer-gebundene Dichtungsmaterialien auf Basis von hochwertigen Aramidfasern und speziellen Funktionsfüllstoffen, die etwa der Hersteller Frenzelit unter dem Namen Novapress anbietet. Diese erreichen ein bis zu 10.000 mal besseres Leckageniveau als vergleichbare Standarddichtungen. Die Novamica-Reihe, eine weitere Produktfamilie, besteht aus Phlogopit-Glimmer, einem Material, welches aufgrund seiner Temperaturbeständigkeit bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen zum Einsatz kommen kann.

Versuchsaufbau einer Brennstoffzelle im kleinen Labormaßstab, wie sie zu Forschungszwecken verwendet wird.
Versuchsaufbau einer Brennstoffzelle im kleinen Labormaßstab, wie sie zu Forschungszwecken verwendet wird.
(Bild: Frenzelit)

Frenzelit setzt diese leistungsfähigen Dichtungsmaterialien bereits bei verschiedenen Brennstoffzellen-Anwendungen ein. Darüber hinaus ist das Unternehmen auch an Forschungsprojekten beteiligt und entwickelt je nach Kundenanforderung Dichtungswerkstoffe weiter, z. B. mit spezifischen Beschichtungen oder besonderen Designs. Wenn erforderlich, werden inhouse auch neue leistungsfähige Dichtungsmaterialien entwickelt.

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