Da Wasserstoff das kleinste aller Moleküle ist, müssen die für Brennstoffzellen verwendeten Kleb- und Dichtstoffe eine besonders hohe Dichtigkeit aufweisen, um eine Diffusion zu vermeiden. Die WEVO-CHEMIE GmbH hat speziell hierfür Silikone und Polyurethane entwickelt, deren hohe Gasdichtigkeit vom Zentrum für Brennstoffzellentechnologie (ZBT) in Duisburg bestätigt wurde. Die Produkte können direkt für Brennstoffzellen („Stacks“) sowie in deren gesamten System („Balance-of-Plant“) genutzt werden.
Brennstoffzellen sind flächige Aufbauten mehrerer Funktionsschichten, die sich sowohl hinsichtlich der eingesetzten Werkstoffe und Komponenten unterscheiden können sowie auch hinsichtlich des Funktionsprinzips. Zu den gängigen Typen, welche aufgrund der Eignung für den Automobilbereich aktuell vielfach erforscht werden, gehört die sogenannte PEM-Brennstoffzelle (englisch: „Proton Exchange Membrane Fuel Cell“), die in der Abbildung dargestellt ist.
Die Bipolarplatten sorgen für eine gleichmäßige Zufuhr des Wasserstoffs an die Zelle und regeln gleichzeitig die Abgabe von elektrischer Energie. Da Wasserstoff brennbar ist und in sauerstoffhaltigen Umgebungen zu explosiven Gemischen („Knallgas“) führen kann, ist ein zuverlässiges Abdichten der einzelnen Zellen essenziell. Dazu müssen die Dichtmaterialien nicht nur eine hohe Gasdichtigkeit aufweisen, sondern auch beständig gegenüber den herausfordernden Bedingungen, wie dauerhaften Temperaturen bis zu 120 °C und einem niedrigen pH-Wert, sein. Zusätzlich entsteht durch fertigungsbedingte Toleranzen der Bipolarplatten eine ungleiche Druckverteilung auf die Dichtmaterialien – diese muss besonders während dem Verpressen der Stacks ausgeglichen werden.
Bislang werden dazu unter anderem vorgefertigte Einlegedichtungen verwendet. Diese sind allerdings durch das manuelle Einlegen auf beiden Seiten jeder Bipolarplatte nicht für die automatisierte Fertigung hoher Stückzahlen geeignet, also insbesondere nicht für den Automobilbereich. Zudem besteht die Gefahr, dass sie sich beim Stapeln des Stacks von der Bipolarplatte ablösen und die Dichtwirkung verloren geht. Auch bei den handelsüblichen additionsvernetzenden Silikon-Flüssigdichtungen, die alternativ verwendet werden, bestehen Nachteile durch die allgemein hohe Gasdurchlässigkeit der Materialien sowie ihre schlechte Haftung auf den meisten Substraten. Wevo hat daher für den Einsatz in PEM-Brennstoffzellen spezielle, chemisch beständige Zwei-Komponenten-Materialien auf Basis von Polyurethan sowie Silikon entwickelt. Sie werden als reaktive Flüssigdichtungen aufgebracht und bieten weitere Vorteile für die Herstellung und den Betrieb von Brennstoffzellen-Komponenten.
WEVO-MATERIALIEN MIT HOHER GASDICHTIGKEIT
Die besonders hohe Gasdichtigkeit der Materialien wurde durch das Zentrum für Brennstoffzellentechnik, eine der führenden europäischen Forschungseinrichtungen in diesem Bereich, bestätigt. Eines der Silikon-basierten Produkte wies nach einer Messzeit von 16 Stunden mit etwa 130 E-8 cm²/s einen sehr geringen Wasserstoff-Permeationskoeffizienten auf – bei additionsvernetzenden Silikonen ist ein Wert zwischen 500 und 1000 E-8 cm²/s üblich. Zusätzlich hat Wevo die Haftung auf metallischen Oberflächen optimiert und den Druckverformungsrest verringert.
Die Wasserstoffdurchlässigkeit der Wevo-Polyurethandichtstoffe ist bei ähnlichen thermomechanischen Eigenschaften wie bei Silikonen je nach Shore-Härte-Einstellung noch geringer: Die Permeationskoeffizienten bewegen sich, nach einer ebenfalls 16-stündigen Messzeit, zwischen etwa 30 und 70 E-8 cm²/s. Darüber hinaus haften die Produkte deutlich besser auf den unterschiedlichen Substraten von Bipolarplatten als Silikone. Dadurch kann ein Ablösen der Dichtung im Fertigungsprozess bzw. beim Stapeln des Stacks und somit ein Verlust der Dichtwirkung verhindert werden. Zudem ist eine deutlich schnellere Aushärtung als bei Silikonen möglich – ein Vorteil im Hinblick auf die automatisierte Fertigung von hohen Stückzahlen.
KLEBSTOFFE FÜR STACKS UND BOP-KOMPONENTEN
Darüber hinaus können die Polyurethan-basierten Wevo-Produkte aufgrund ihrer guten Haftungseigenschaften als Klebstoffe für weitere Anwendungen innerhalb des Brennstoffzellenstacks und im Gesamtsystem, der sogenannten Balance-of-Plant (BOP), verwendet werden. Neben dem Verkleben des gesamten Stacks ist zum Beispiel das gleichzeitige Verbinden und Abdichten der beiden Halbschalen, aus denen Bipolarplatten bestehen, mit maßgeschneiderten weichelastischen Wevo-Polyurethanen möglich. Bei metallischen Bipolarplatten kann dieses Fügeverfahren als Alternative zum Laserschweißen verwendet werden, bei solchen auf Basis von graphitischen Polymercompounds ist ein dauerhaftes Verkleben unerlässlich.
Auch für die Komponenten des Luftbefeuchters ermöglichen Wevo-Produkte Dichtigkeit und Verklebung gleichermaßen. Dabei wird durch ihre hohe Ionenreinheit und einen geringen Anteil an flüchtigen Komponenten (VOC) vor allem ein Schaden an den empfindlichen ionenselektiven Polymermembranen und ein resultierender Leistungsabfall vermieden. Auch eine hohe Hydrolysebeständigkeit bei Temperaturen bis zu 100 °C ist durch die spezielle Zusammensetzung der individuellen Produkte gewährleistet.
Weitere Anwendungen in der BOP sind beispielsweise das Anodenzirkulationsgebläse oder auch der Luftverdichter im Luftkreislauf. Für letzteren ermöglichen 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 und die entstehende Wärme 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.
HERSTELLUNG VON WASSERSTOFF MIT WEVO-PRODUKTEN
Aufgrund ihres geringen Wasserstoffpermeationskoeffizienten von nur 3 bis 4 E-8 cm²/s eignen sich die maßgeschneiderten zähharten Wevo-Polyurethanklebstoffe zudem für verschiedene Komponenten zur Herstellung von Wasserstoff. So können zum Beispiel große Stacks für Elektrolyseanlagen von „Grünem Wasserstoff“ auf Basis der Polymermembran-Technik verklebt werden.
Für alkalische Elektrolyseanlagen sind Klebstoffsysteme mit noch höherer Chemikalienbeständigkeit als bei der Polymermembran-Technik erforderlich, da bei diesem weit verbreiteten Elektrolyseur-Typ 90 bis 95 °C heiße, wässrige Kalilauge (30-35 Prozent KOH) als Elektrolyt verwendet wird. Die meisten organischen Klebstoff- und Dichtsysteme können diesen Bedingungen nicht dauerhaft standhalten. Eines der wenigen Produkte, die diese Anforderungen aktuell erfüllen können, ist ein speziell optimiertes hoch-vernetztes und chemikalien-resistentes Wevo-Epoxidharz, welches in thixotroper Form zum Auftragen von Kleberaupen geeignet ist. Um künftig weitere Lösungen in diesem Bereich anbieten zu können, arbeitet Wevo aktuell mit diversen Forschungseinrichtungen und Industriepartnern zusammen.
