Dichtungsanforderungen entlang der H2-Wertschöpfungskette

Produktion: Elektrolyseure PEM, AEM, AEL und SOEC

Betriebsparameter und Risiken

Permeation

H2-Permeation erhöht den Verlust des Energieträgers und stellt gleichzeitig ein Sicherheitsrisiko dar. Hier sind Werkstoffformulierungen mit reduzierter Permeabilität wirksam – beispielsweise CIIR (Chlor-Isobuten-Isopren-Kautschuk), HNBR (Hydrierter Nitril-Butadien-Kautschuk), EPDM (Ethylen- Propylen-Dien-Kautschuk) und FKM (Fluorkautschuk). Wichtig ist in diesem Kontext, dass die material-spezifischen Permeations-Koeffizienten der Dichtungen anwendungsspezifisch simuliert und validiert werden.

Explosive Dekompression (RGD)

Überall dort, wo schnell wechselnde Drücke vor-herrschen – beispielsweise im Tank- oder Kompressoren Umfeld – ist der Einsatz von RGD-resistenten Werkstoffen erforderlich. Hierzu gehören unter anderem EPDM, FVMQ (Fluorsilikonkautschuk) und PVMQ (Phenyl Methyl Silikon). Die hier eingesetzten Materialien müssen über eine nachgewiesene RGD-Resistenz bis ≥ 700 bar verfügen.

Medienbeständigkeit

In der PEM-Elektrolyse müssen Dichtungen verdünnter Schwefelsäure und einer kontinuierlichen O2-Exposition standhalten. Zudem müssen hochreine Werkstoffe sicherstellen, dass keine Metallionen- Auslaugung erfolgen kann, die zu einer Ionenkontamination führen könnte.

In der AEL-Elektrolyse müssen Dichtungen einer 20-40-prozentigen Kalilauge standhalten. Zudem herrscht im konventionellen Temperaturbereich (Standard-AEL) eine Betriebstemperatur von 60 – 80 °C, im erhöhten Temperaturbereich (moderne/optimierte AEL) wird mit einer Betriebstemperatur von 80 – 90 °C gearbeitet und in der Hochtemperatur-alkalischen Elektrolyse (Advanced AEL) werden Betriebstemperaturen von 100 – 120 °C erreicht. In Forschungs- und Entwicklungsprojekten steigen die Betriebstemperaturen sogar bis auf 150 °C. Darüber hinaus herrscht hier ein Sauerstoffdruck von 35 – 40 bar. Für Dichtungsmaterialien bedeutet das, dass sie einer starken Oxidation mit daraus folgender beschleunigter Materialalterung ausgesetzt sind. Hier besitzt EPDM eine nachgewiesene Beständigkeit.

Temperaturbeständigkeit

Auch im Bereich der Temperaturbeständigkeit wer-den höchste Anforderungen an die eingesetzten Dichtungs-Werkstoffe gestellt. Die Umgebungsbedingungen reichen von <20 bis 80 °C beim Kaltstart eines PEM-Elektrolyseurs bis zu > 800 °C beim SOEC. Zudem müssen Temperprozesse optimiert werden, um das sogenannte „fuel cell poisoning“ zu vermeiden. Grundsätzlich ist auch die Geometrie der Dichtungen für eine perfekte Performance entscheidend. Sie müssen Druckverformungstests bestehen, die sämtliche Lastfälle inklusive der thermischen Zyklen berücksichtigen.

Werkstoff und Designempfehlungen

PEM-Stacks

• FKM ist ideal für die O2-Druckbeständigkeit geeignet
• EPDM/FKM-Formulierungen werden in über-formten Rahmen (Bonding-Systeme) für die robuste Montage und Dichtheit eingesetzt.
• Gut zu wissen: es gibt integrierte Stack-Rahmen- Dichtungen (L-/C-Querschnitt), die die Barrierewirkung unter Betriebsdruck verbessern. Bei der Montage hat der Querschnitt eine neuartige L-Form. Sobald der Elektrolyseur in Betrieb ist, steigt der Druck in seinem Inneren und aktiviert die Dichtung, die dann eine C-Form annimmt. So wird der Kontaktdruck der Dichtung erhöht und macht sie zu einer verlässlichen Barriere für Gase und Flüssigkeiten.

AEM-Stacks

• Hier liegt der Fokus auf Materialreinheit und Membranverträglichkeit
• EPDM bewährt sich beim Einsatz in der alkalischen Umgebung der AEM-Stacks

AEL-Stacks

• PTFE (Polytetrafluorethylen) und ePTFE-Dichtungen (expandiertes PTFE) halten dem anspruchsvollen Dauerkontakt mit Sauerstoff und Kaliumhydroxid stand.
• EPDM ist eine nachhaltige Alternative bei geeigneten Rahmenbedingungen.

Verarbeitung: Kompression, Reinigung und Aufbereitung

Komponenten und Parameterräume

Kolbenkompressoren (H2)

Kolbenkompressoren arbeiten in einem Druckbereich von 50-500 bar sowie 350–1000 bar. Dabei haben kleine Aggregate ein Lebensdauerziel von mehr als 1000 Stunden und große Aggregate sollen zwischen 8000 und 24000 Stunden volle Leistung erbringen. Die hier eingesetzten Dichtungssysteme (Kolben-ringe, Stangendichtungen, Packungen) müssen verschleißarm und absolut dicht sein und können dabei bereits auf den Einsatz von PFAS verzichten.

Scrollverdichter (Kompressoren und Vakuum-pumpen)

Scroll-Kompressoren und Scroll-Vakuumpumpen arbeiten in Druckbereichen von 1 – 2 bar und in einem Temperaturbereich von -35–110 °C. Klassisch werden hier Scrolldichtungen (Tip Seals) aus speziellem PTFE eingesetzt. Der Trend geht jedoch dahin, nach alter-nativen PFAS-freien Werkstoffen zu suchen.

Tribologie und Verschleiß

Um den reibungsbehafteten Wechselwirkungen zwischen den Oberflächen der Kompressoren, Reinigungs- und H2-Aufbereitungs-Prozessen optimal entgegenzuwirken, werden umfassende Prüfmethoden eingesetzt, die die Reibkoeffizienten sowie die lineare Abnutzung unter realistischen Bedingungen testen und optimieren. In diesen Einsatzbereichen zeigen die faserverstärkten Thermoplaste PEEK (Polyetheretherketon) und PPS-Compounds (Hochleistungsthermoplaste) eine niedrige Reibung und bieten damit eine verschleißarme Performance.

Transport und Speicherung: Gas, LH2 und Tankstellen

Komponenten und Parameterräume

Gas und Hochdruckspeicher

Für diese Elemente der H2-Wertschöpfungskette gelten die Anforderungen aus dem UN-Regelwerk R134 hinsichtlich der sicherheitsrelevanten Eigen-schaften von mit Wasserstoff und Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen (HFCV) und Komponenten. Hier werden O-Ringe, Stützringe und Ventilstößel aus EPDM, FKM und NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) eingesetzt, die über eine nachgewiesene RGD- Beständigkeit (Rapid Gas Decompression) verfügen.

H2-Flüssiggastransport bei -253 °C (kryogen)

Hier ist von entscheidender Bedeutung, dass die eingesetzten Werkstoffe und Beschichtungssysteme auch bei sehr niedrigen Temperaturen duktil bleiben. Deshalb benötigen Magnetsysteme und Kupplungen wasserstoffkompatible Oberflächen, die sich einer Versprödung (Embrittlement) bestmöglich wider-setzen.

Tankstellen und Betankung

Schnell wechselnde Druckprofile charakterisieren die Umgebungsbedingungen an Wasserstoff-Tankstellen und während der Betankung. Auch hier werden RGD-sichere Elastomere eingesetzt, die eine geringe Permeation sicherstellen. Für den reibungslosen Betrieb der Anlagen sollten regelmäßige Wartungsintervalle festgelegt werden.

Nutzung: Brennstoffzelle und Wasser-stoff-Verbrennungsmotoren (H2-ICE)

Komponenten und Parameterräume

Brennstoffzellen – AFC, PEMFC, PAFC, DMFC, MCFC, SOFC

Zum aktuellen Zeitpunkt werden die obigen sechs Arten von Wasserstoff-Brennstoffzellen global ein-gesetzt. Sie unterscheiden sich in den verwendeten Gasen, den Elektrolyte-Arten, der Betriebstemperatur sowie ihrem Leistungsvermögen und können an unterschiedliche Anforderungen angepasst wer-den. Die Betriebstemperaturen von LT-PEMFC liegen zwischen 60–80 °C, HT-PEMFC zwischen 120–180°C, PAFC arbeitet mit 160–220 °C, MCFC arbeiten mit 620–650 °C und SOFC mit 800–1000 °C. Hier werden Stack-Dichtungen aus EPDM, FCPO, FKM und LSR eingesetzt. Dabei sind die jeweiligen Werkstoffe nach folgenden Eigenschaften auszuwählen: ihrem Compression Set, ihrer Permeation sowie ihrer Medienbeständigkeit.

Gut zu wissen: um eine optimale Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen zu erreichen, verbessern integrierte Dichtungen an der Grenzfläche zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage den Abtransport von Flüssigwasser aus den Reaktionszonen.

Wasserstoff-Verbrennungsmotor (H2-ICE)

Der große Vorteil bei der Fertigung von H2-Verbrennungsmotoren liegt in der robusten Technologie sowie der schnellen Markteinführung. Gleichwohl müssen für den sicheren Betrieb dieser Antriebssysteme die folgenden Herausforderungen gelöst werden: NH3-Ausgasung, der Einsatz von Schmiersystemen sowie die Abnormale Verbrennung (Abnormal Combustion). Für die Wahl der passenden Dichtungssysteme muss zwingend der vorherrschende Temperaturbereich sowie das Zusammenspiel aller oben genannten Medien beachtet werden.