Brennstoffzelle

Wasser und Strom – statt Emission

Dicht- und Klebstoffe von Wevo für die industrielle Brennstoffzellen-Produktion

Wasserstoff-Brennstoffzellen spielen im Verkehrssektor eine wichtige Rolle für die Dekarbonisierung. Ihre Herstellung ist jedoch technisch komplex – und oft noch Handarbeit. Wevo-Materialien bieten durch ihre hohe Dichtigkeit neue Lösungen für die Serienproduktion, wie Untersuchungen des Zentrums für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) bestätigen.

Aus erneuerbaren Energien hergestellter grüner Wasserstoff ermöglicht einen emissionsfreien Betrieb von Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Für einen flächendeckenden Einsatz sind jedoch enorme Investitionen erforderlich, die sich laut einer Studie von McKinsey & Company bis zum Jahr 2030 auf weltweit rund 320 Milliarden US-Dollar belaufen werden. Weiter wurde ermittelt, dass die weltweite Elektrolysekapazität zur Herstellung von grünem Wasserstoff von derzeit 0,55 GW wahrscheinlich auf rund 232 GW steigen wird – ungefähr das 400-Fache.

Eingesetzt werden soll der grüne Wasserstoff unter anderem in den Bereichen Industrie, Gebäude und Mobilität. Im Verkehrssektor lag der Schwerpunkt bis vor wenigen Jahren auf dem Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur für Brennstoffzellen-Pkw. Ende 2022 waren 814 Wasserstofftankstellen weltweit in Betrieb, wie das Portal H2stations.org in einer Pressemitteilung bekannt gab. Dem standen nach Informationen der International Energy Agency ungefähr 72.000 Brennstoffzellen-Autos gegenüber. Allerdings produzieren von den großen Automobilherstellern zurzeit auch nur Toyota und Hyundai Brennstoffzellen-Autos in Serie.

Gute Chancen im Schwerlastverkehr

Große Chancen werden der Antriebstechnologie vor allem für den Transport schwerer Lasten über lange Strecken eingeräumt – also für Nutzfahrzeuge, Busse, Schiffe, im Schienenverkehr und langfristig auch in der Luftfahrt.

Große Chancen werden Brennstoffzellen als Antriebstechnologie für den Transport schwerer Lasten über lange Strecken eingeräumt – also unter anderem für Lkws

Durch ihren Wissensvorsprung als First Mover im Pkw-Bereich sind hier Hersteller aus Japan und Korea führend. Die südkoreanische Hauptstadt Seoul hat 2023 1.300 Brennstoffzellen-Busse bei Hyundai bestellt, um den größten Teil ihrer mit Diesel betriebenen Busse stillzulegen. Toyota plant mit einem Absatz von 200.000 Brennstoffzellen-Fahrzeugen im Jahr 2030, die meisten davon im Lkw-Segment.

Doch auch außerhalb Asiens werden Brennstoffzellen-Antriebe vorangebracht. In Deutschland erprobt seit Sommer 2023 zum Beispiel Daimler den Mercedes-Benz GenH2 Truck mit dem Ziel einer CO₂-freien Lkw-Flotte bis 2039. Bosch, einer der größten Automobilzulieferer weltweit, hat bekannt gegeben, innerhalb von drei Jahren 2,5 Milliarden Euro in Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologien zu investieren. Davon sollen rund zwei Drittel auf Antriebe entfallen. Die Produktion von Brennstoffzellensystemen für Nutzfahrzeuge ist bereits parallel in Deutschland und China angelaufen.

Anforderungen an die Materialien

Der Aufbau eines Brennstoffzellen-Systems ist technisch komplex und stellt hohe Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Denn Wasserstoff diffundiert als kleinstes aller Moleküle leicht durch eine Vielzahl von Materialien – und ist brennbar. In sauerstoffhaltiger Umgebung kann so ein explosionsfähiges Gasgemisch entstehen, das sogenannte Knallgas. Für die Sicherheit von Brennstoffzellen ist die Dichtigkeit der Komponenten daher von elementarer Bedeutung, zum Beispiel bei den sogenannten Bipolarplatten (BPP).

Herausforderungen bei der Serienproduktion

BPP zählen neben der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) zu den zentralen Elementen von PEM-Brennstoffzellen (engl.: Proton Exchange Membrane Fuel Cell) (s. Grafik, u.). Sie sorgen für eine gleichmäßige Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff/Luft an die MEA und regeln gleichzeitig die Abgabe der thermischen und elektrischen Energie sowie des entstehenden Wassers.

Um die Diffusion von Wasserstoff zu verhindern, müssen Dichtmaterialien sowohl eine hohe Gasdichtigkeit aufweisen als auch beständig gegenüber den herausfordernden Umgebungsbedingungen innerhalb des Brennstoffzellen-Stacks sein. Dazu gehören Feuchtigkeit, Temperaturen bis zu 120 Grad Celsius oder auch ein niedriger pH-Wert. Außerdem entsteht durch fertigungsbedingte Toleranzen bei Bipolarplatten eine ungleiche Druckverteilung auf die Dichtmaterialien, die während des Verpressens des Stacks ausgeglichen werden muss.

Für die Abdichtung der BPP verwenden einige Hersteller derzeit vorgefertigte Einlegedichtungen, die manuell auf beiden Seiten jeder Bipolarplatte aufgebracht werden. Diese Vorgehensweise ist jedoch nicht für die automatisierte Fertigung hoher Stückzahlen geeignet. Zudem besteht die Gefahr, dass sich die Dichtungen beim Stapeln des Stacks von der BPP lösen, was einen Verlust der Dichtwirkung zur Folge hätte.

Wasserstofftechnik-Versuchsstand des Zentrums für BrennstoffzellenTechnik in Duisburg

Alternativ werden in der Fertigung von Brennstoffzellen additionsvernetzende Silikon-Flüssigdichtungen (Cured-in-Place-Dichtungen) eingesetzt. Diese haben allerdings eine relativ hohe Durchlässigkeit für Gase und haften meist schlecht auf den Substraten.

Wevo hat daher spezielle chemisch beständige Zwei-Komponenten-Materialien auf Basis von Polyurethan und Silikon für den Einsatz in PEM-Brennstoffzellen entwickelt. Sie werden als reaktive Flüssigdichtungen aufgebracht und bieten durch eine entsprechende Rohstoffauswahl Vorteile für die Serienfertigung sowie den Betrieb der Brennstoffzellen-Komponenten. Die Wasserstoffdurchlässigkeit der Materialien wurde vom ZBT in Duisburg, das zu den führenden Forschungseinrichtungen im Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie gehört, mit einem speziellen Verfahren geprüft.

ZBT bestätigt niedrige Permeationskoeffizienten

Für eines der Silikon-basierten Wevo-Produkte ergab die Untersuchung nach einer Messzeit von 16 Stunden etwa 130 E-8 cm²/s – und damit einen sehr geringen Wasserstoff-Permeationskoeffizienten. Bei herkömmlichen additionsvernetzenden Silikonen liegt dieser Wert in der Regel bei 500 bis 1.000 E-8 cm²/s.

Die Wasserstoffdurchlässigkeit der Polyurethan-Dichtstoffe von Wevo ist bei vergleichbaren thermomechanischen Eigenschaften noch geringer: Abhängig von der Shore-Härte-Einstellung ergab sich nach einer 16-stündigen Messzeit ein Permeationskoeffizient zwischen 30 und 70 E-8 cm²/s.

Bessere Haftung

Zusätzlich hat Wevo die Haftung der Silikon-Materialen auf den üblicherweise für Bipolarplatten verwendeten Materialien wie Edelstahl oder Graphit-Thermoplast-Compounds optimiert und den Druckverformungsrest verringert. Die Polyurethan-Dichtstoffe haften noch besser auf den unterschiedlichen Substraten. Ein weiterer Vorteil von Polyurethanen für die automatisierte Serienfertigung hoher Stückzahlen ist auch die deutlich schnellere Aushärtung im Vergleich zu Silikonen.

Klebstoffe für BOP-Komponenten

Aufgrund ihrer guten Haftungseigenschaften können Polyurethan-basierte Wevo-Produkte auch als Klebstoffe für weitere Anwendungen innerhalb des Brennstoffzellen-Stacks sowie der Komponenten und Hilfssysteme des Brennstoffzellen-Systems, der sogenannten Balance of Plant (BOP), verwendet werden. So ist zum Beispiel das gleichzeitige Verbinden und Abdichten der beiden Halbschalen, aus denen Bipolarplatten bestehen, mit maßgeschneiderten Polyurethan-Klebstoffen möglich. Bei metallischen BPP kann dieses Fügeverfahren als Alternative zum Laserschweißen verwendet werden. Bei BPP auf Basis von graphitischen Polymer- Compounds ist ein dauerhaftes Verkleben unerlässlich.

Auch der Luftbefeuchter ist ein wichtiges BOP-Bauteil. Er schützt die empfindliche Polymermembran von PEM-Brennstoffzellen vor dem Austrocknen. Für eine sichere, dichtende Verbindung der Luftbefeuchter-Komponenten bietet Wevo anwendungsspezifisch anpassbare elastische (z. B. WEVOPUR 79954/15) bis zähharte Polyurethane (z. B. WEVOPUR 79086 T). Die Klebstoffe zeichnen sich neben der hervorragenden Haftung vor allem auch durch eine hohe Ionenreinheit und einen geringen Anteil an flüchtigen Komponenten (engl.: Volatile Organic Compounds, VOC) aus.

Auftrag eines silikonbasierten Dichtstoffs (WEVOSIL 28002 A/B) auf einer Bipolarplatte mit einer Dosieranlage der ViscoTec Pumpen- u. Dosiertechnik GmbH

Diese könnten ansonsten die empfindliche Membran schädigen und zu einem Leistungsabfall führen. Die spezielle Zusammensetzung garantiert auch die erforderliche hohe Hydrolysebeständigkeit bei Temperaturen von bis zu 100 Grad Celsius.

Weitere Anwendungen in der BOP sind das Anodenzirkulationsgebläse oder der Luftverdichter im Luftkreislauf. Für Letzteren ermöglichen die Epoxidharze und Silikone von Wevo einen Verguss des Stators für den Antriebsmotor. Durch die Optimierung der Materialien hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit sowie der Rissbeständigkeit werden die bei der Rotation entstehenden Kräfte kompensiert, die entstehende Wärme wird gezielt abgeleitet. Auch für leistungselektronische Komponenten wie DC-DC-Wandler, On-Board-Ladegeräte und Steuergeräte kommen spezielle wärmeleitfähige Polyurethan-Vergussmassen und Silikongele für die Leistungsmodule zum Einsatz.

Wevo-Produkte für den Einsatz in Elektrolyseuren

Auch für die Anlagen zur Herstellung von Wasserstoff hat Wevo spezielle Produkte im Portfolio: Für die zähharten Polyurethan-Klebstoffe ergab die Untersuchung des ZBT einen Wasserstoff-Permeationskoeffizienten von nur 3 bis 4 E-8 cm²/s. Das Material ist daher beispielsweise für das Verkleben großer Stacks für PEM-Elektrolyseanlagen geeignet.

Für alkalische Elektrolyseanlagen sind Klebstoffsysteme mit deutlich höherer Chemikalienbeständigkeit als bei der Polymermembran-Technik erforderlich. Verantwortlich hierfür ist der verwendete Elektrolyt, eine 85 bis 90 Grad Celsius heiße wässrige Kalilauge. Die meisten organischen Klebstoff- und Dichtsysteme können diesen Bedingungen nicht dauerhaft standhalten. Wevo hat für diesen Zweck ein speziell optimiertes, hochvernetztes und chemikalienresistentes Epoxidharz entwickelt.

Auch in Zukunft bedarf es neuer Lösungen für Brennstoffzellen, Elektrolyseure und deren Komponenten. Um die dafür passenden Produkte zu entwickeln, arbeitet Wevo eng mit Forschungseinrichtungen und Industriepartnern zusammen. Das Ziel: praxisgerechte Lösungen für die Anforderungen aktueller und neuer Technologien.

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Hydrogen Insights 2023
Bosch

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