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„Das Material ist die Basis für optimale Dichtungen“
Wasserstoffwirtschaft ohne Dichtungen? Undenkbar. Freudenberg Sealing Technologies bietet sie in höchster Qualität für die gesamte Wertschöpfungskette an. Die Basis: gezielt entwickelte Materialien.
Die Materialanforderungen in der Wasserstoffwirtschaft sind extrem hoch. Das beginnt damit, dass Wasserstoff das kleinste chemische Element des Periodensystems ist. Nur 0,07 Nanometer beträgt der Durchmesser eines Moleküls, also weniger als ein Milliardstel Meter. Somit kann Wasserstoffgas durch winzigste Öffnungen dringen. „Die Permeation muss unbedingt minimiert werden. Weniger wegen wirtschaftlicher Verluste, sondern vor allem für sichere Systeme: Gelangt Wasserstoff in die Umgebungsluft, kann das Gemisch mit Sauerstoff rasch explodieren“, erläutert Dr. Alexander Hähnel. Der Werkstoffspezialist und Chemiker gehört bei Freudenberg Sealing Technologies zum „Technology & Innovation“-Team für Wasserstoffanwendungen.
Hohe Standards: Laboruntersuchungen und Komponententests sind essenzieller Bestandteil der Dichtungsentwicklung.
Außerdem fordern die Anlagenbetreiber eine enorme Lebensdauer der Dichtungen. Beispielsweise soll eine Elektrolyseanlage mindestens zehn Jahre nonstop laufen, weshalb die Dichtungen auf eine Ziellebensdauer von 100.000 Stunden ausgelegt sind. Damit die volle Leistungsfähigkeit des Dichtungsmaterials über die gesamte Zeitspanne erhalten bleibt, darf es nicht vorzeitig altern. Nicht der Wasserstoff selbst setzt dem Gummimaterial zu: Es sind die Begleiterscheinungen in der jeweiligen Anwendung. Dort wirken hohe Drücke und Druckdifferenzen im Zusammenspiel mit erheblichen Temperaturunterschieden.
Zum Beispiel kann es bei Wasserstofftankstellen bei sehr schnellen Druckwechseln zu einer explosiven Dekompression kommen. Wie im Blut eines Tauchers, der zu schnell aus großer Tiefe aufsteigt, platzen Gasblasen im Dichtungswerkstoff auf. Feine Risse sind die Folge und ein irreversibel gestörtes Werkstoffgefüge. Auch die Einflüsse anderer chemischer Elemente lassen die Gummimischung der Dichtung altern, etwa Oxidation durch Sauerstoff in einer Elektrolyseanlage. Bei einem Systemdruck von 35 bar ist der Sauerstoffgehalt 175-mal höher als in der Umgebungsluft. Der Effekt: Es wirkt eine extrem aggressive Oxidation auf das Dichtungsmaterial und beschleunigt somit die Alterung deutlich. Hohe Temperaturen verstärken den Effekt.
Druck, Temperatur und Wirkzeit bestimmen die Materialauswahl
„Das Material ist die Basis für optimal arbeitende Dichtungen und damit eine perfekte Funktion jeder Anlage“, sagt Jürgen Emig, Director Pre-Product Developement, Hydrogen Applications, Freudenberg Sealing Technologies. „Wir entwickeln sämtliche Bauteile ganz gezielt für die jeweilige Anwendung. Unsere Stärke: Das Unternehmen empfiehlt dem Kunden in enger Abstimmung seines Anforderungsprofils auf Basis des bestmöglichen Materials das optimale Design. Diese Dichtungen erbringen über die gesamte geforderte Lebensdauer hinweg ihre gewünschte Leistung.“ Dazu ziehen Experten verschiedener Fachgebiete an einem Strang – getreu dem Leitgedanken des Unternehmens „Innovating together“. Zudem lassen sich die Dichtungen mit verschiedenen anderen Komponenten zu einem Bauteil kombinieren, etwa mit Bipolarplatten, thermoplastischen Filmen oder Gasdiffusionslagen.
Das Material ist die Basis für optimal arbeitende Dichtungen und damit eine perfekte Funktion jeder Anlage.
Jürgen Emig, Director Pre-Product Development Hydrogen Applications bei Freudenberg Sealing Technologies
Das Produktportfolio für die Wasserstoffwirtschaft ist breit. Zwei Beispiele: Speziell für Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membran) hat Freudenberg Sealing Technologies als Dichtungsmaterial für die Zellenabdichtung das 35 FCPO 100 entwickelt. „Ein sehr sauberes Elastomer auf Polyolefin-Basis“, erläutert Hähnel. „Es enthält keine schädlichen Substanzen, die den Brennstoffzellen-Katalysator schädigen könnten oder anderweitig die Effizienz der Brennstoffzelle verringern würden.“ Auch LSR-Materialien (Liquid Silicone Rubber, also Flüssigsilikon) sind im Portfolio.
Für Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen bis 200 Grad Celsius hat das Unternehmen ebenfalls ein maßgeschneidertes Dichtungsmaterial im Angebot. Hier hatte sich früh der Werkstoff 60 FC-FKM 200 im Markt etabliert, ein Fluorokarbon-Kautschuk (FKM). Aufgrund von Rohstoffumstellungen wurde jüngst 70 FKM 256261 als Nachfolger industrialisiert. Er gibt gleichfalls keine Substanzen ab, die für den Betrieb der Brennstoffzellen schädlich wären. Ein weiterer Vorteil: Dieser Werkstoff eignet sich gleichermaßen für die PEM-Elektrolyse: „Kürzlich ist die erste Serienproduktion für die Zellenabdichtung mit 70 FKM 256261 angelaufen“, sagt Emig. Für die alkalische Elektrolyse sei der Standard im Moment EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk). „Aktuell arbeiten wir an einer noch langlebigeren Materialklasse.“
Investition in aufwendige Testeinrichtungen
Dabei beruht die Kompetenz von Freudenberg Sealing Technologies nicht allein auf Rohstoffen, Design und Herstellungsverfahren. Umfangreiche Laboruntersuchungen und Komponententests sind ein essenzieller Bestandteil der Entwicklung: Erreicht ein neu entwickeltes Material die Zielvorgaben? Angesichts gestiegener Anforderungen kommt die bisherige Prüftechnik an ihre Grenzen. „Um noch näher an realen Anwendungen zu entwickeln, wollen wir detaillierter wissen, was unter Betriebsbedingungen passiert“, sagt Hähnel. „Je nach Resultat justieren wir Rezepturen und Verfahren. So verschieben wir Machbarkeitsgrenzen.“ Sämtliche Tests machen zudem die Materialeigenschaften für die Kunden nachvollziehbar und ermöglichen Lebensdauerabschätzungen für die Gesamtsysteme.
Freudenberg Sealing Technologies investiert derzeit in weitere Testeinrichtungen, die insbesondere für Wasserstoffanwendungen ihre Stärken ausspielen werden: etwa neue Dichtheitsprüfstände mit einer höheren Messgenauigkeit und größerem Druckbereich. Auch den Einfluss hoher Sauerstoffkonzentrationen auf die Alterung können die Fachleute in neuen Prüfanlagen nun gezielt abtesten. Elektrochemische Prüfstände erweitern ebenfalls die Möglichkeiten: „Der in Brennstoffzellen und Elektrolyseanlagen prozesstechnisch vorhandene elektrische Strom beeinflusst die Eigenschaften. Nun können wir Materialien gezielt mit Strom beaufschlagen und die Auswirkungen untersuchen“, beschreibt Emig. Außerdem laufen verschiedene Forschungsprojekte, um Materialeinflüsse noch besser zu verstehen.
„Das ist Materialentwicklung auf höchstem Niveau. Der Aufwand lohnt sich. Unsere Kunden kaufen mit jeder Dichtung erhebliches Know-how“, resümiert Hähnel. „Im Gegenzug erhalten sie vor allem eine hohe Prozesssicherheit ihrer Anlage.“
Dieser Beitrag stammt aus unserem Unternehmensmagazin „ESSENTIAL“, in dem wir kontinuierlich über Trends und Schwerpunktthemen aus unseren Zielindustrien und -märkten berichten. Weitere Beiträge des Magazins finden Sie hier.
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