Elastomere als Alternative zu rostfreiem Stahl in PEM-Brennstoffzellen

Mit der sich rasch entwickelnden Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie (PEMFC) wird die emissionsfreie Mobilität jeden Tag wahrscheinlicher. 

Als eine der effizientesten Energieumwandlungsvorrichtungen wandeln PEM-Brennstoffzellen Sauerstoff aus der Luft und Wasserstoff in saubere Energie um, wobei als einziges Nebenprodukt Wasser entsteht. Aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperatur und ihrer hohen Zuverlässigkeit eignen sie sich besonders für eine breite Anwendung als Energiequelle für den Nutzfahrzeugmarkt.

Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Wasserstoff-Brennstoffzellen, die in "Stacks" parallel geschaltet sind, erzeugen Strom durch eine Reihe chemischer Reaktionen, die zur Bildung von Wasser führen. An der Anode gibt der Wasserstoff seine Elektronen ab, wodurch H+-Ionen entstehen. Die abgetrennten Elektronen wandern dann als Strom durch einen externen Kreislauf zur Kathode, die zum Betrieb eines elektrischen Antriebssystems genutzt wird. In der Kathode reagiert der Sauerstoff mit den zugeführten H+-Ionen und Elektronen zu Hydroxylgruppen OH-, die wiederum mit H+-Ionen und Elektronen zu Wasser reagieren.

Auch wenn das Funktionsprinzip einfach erscheint, sind PEMFC sehr empfindliche Systeme, deren Komponenten sorgfältig ausgewählt werden müssen. Der an den Elektroden verwendete Katalysator basiert auf teurem Platin, wodurch die Zelle leicht durch Fremdpartikel vergiftet werden kann, die von den Brennstoff- oder Stackkomponenten stammen könnten.

Steigende Anforderungen an die Materialien von Wasserstoff-Brennstoffzellen: Haltbarkeit, Reinheit, Gewicht.

Eine Vergiftung des Katalysators oder der Membran kann zu einem dramatischen Leistungsabfall der Brennstoffzelle führen und ihre Lebensdauer erheblich verkürzen. Die Haltbarkeit der Zelle wirkt sich direkt auf ihre Kosten aus, weshalb hohe Anforderungen an die Auswahl der richtigen Materialien für die Zellkomponenten gestellt werden, um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen.

Reinheitsprobleme bei metallischen Werkstoffen.

Edelstahl ist ein geeignetes Material für die strukturelle Ausrüstung von Brennstoffzellen wie Rohrleitungen, Gasflaschen oder Ventile. Aufgrund seiner Zähigkeit und Duktilität wird rostfreier Stahl in Brennstoffzellenbauteilen wie Rohrleitungen und Hochdrucktanks, die mit hochreinem und unter hohem Druck stehendem Wasserstoff in Berührung kommen, bevorzugt eingesetzt.

Trotz seiner vielen Qualitäten erleidet rostfreier Stahl bei längerem Kontakt mit Wasserstoff erhebliche strukturelle Veränderungen, die sich negativ auf das Brennstoffzellensystem auswirken, ganz abgesehen von seinem hohen Gewicht und seinen Kosten. Einige der Hauptprobleme im Zusammenhang mit der Verwendung von Metallen in PEMFC sind Phänomene wie Wasserstoffversprödung und Korrosion.

Wasserstoffversprödung tritt auf, wenn Wasserstoff in Metalle eindringt und in diese diffundiert. Dadurch werden diese spröde. Dieses Phänomen wird dadurch verursacht, dass sich das Wasserstoffmolekül bei Kontakt mit Metallen in zwei Atome aufspaltet und in atomarer Form in das Material eindringt, was eine schädliche Wirkung hat. Das Ausmaß der Versprödung hängt von der Menge des aufgenommenen Wasserstoffs und der Mikrostruktur des Werkstoffs ab. 

Wasserstoffversprödung kann überall dort auftreten, wo Wasserstoff in direktem Kontakt mit Metallteilen steht, z. B. im Wasserstofftank und in der Anodenschleife der Brennstoffzelle.

Haltbarkeitsprobleme bei metallischen Werkstoffen

Ein weiteres Phänomen, das die Lebensdauer von Metallteilen bedroht, ist ihre Korrosionsanfälligkeit, insbesondere wenn das Metall nicht beschichtet ist. In der sauren und feuchten Umgebung von PEM-Brennstoffzellen können sich Metalle auflösen und Ionen auslaugen, die die Membran-Elektroden-Einheit vergiften können, was zu einer Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle führt.

Elastomere: die Lösung für Wasserstoff-Brennstoffzellen

Für Schläuche und Dichtungen in Brennstoffzellensystemen sind Elastomere eine ideale Lösung. Ihre hohe Flexibilität und ihr geringes Gewicht machen sie zu perfekten Kandidaten für Schläuche mit komplizierten Formen, die unter die Motorhaube von Brennstoffzellenfahrzeugen passen müssen.

Wasserstoffversprödung tritt in Elastomeren nicht auf, da Wasserstoff in Polymeren als zweiatomiges Molekül absorbiert wird. Die Wirkung von Wasserstoff auf Elastomere beruht auf der Permeabilität, Diffusionsfähigkeit und Löslichkeit von Wasserstoff in ihnen. Diese Parameter variieren je nach Elastomerfamilie und den gewählten Inhaltsstoffen. So ist beispielsweise die Permeabilität von Silikonkautschuk viel höher als die von Fluorkohlenstoff-basierten Fluorelastomeren.
 

Die Mischungsrezeptur wirkt sich auch auf die Reinheit des Materials und die Ionen aus, die daraus ausgelaugt werden können. So müssen beispielsweise die zulässigen Auslaugwerte von Elementen wie Halogenen (F, Cl, Br, I), Alkalimetallen (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) und Erdalkalimetallen (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) bewertet werden.

Bei Venair werden Mischungen für Brennstoffzellenschläuche maßgeschneidert, um die gewünschten Eigenschaften zu erfüllen und die Menge der auslaugenden Substanzen zu kontrollieren, während gleichzeitig eine geringe Durchlässigkeit für Wasserstoff beibehalten wird.

QUELLEN

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2014.00002/full

https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-hydrogen-embrittlement

https://www.technology.matthey.com/article/57/4/259-271/