07.11.2022 Brennstoffzellen-Dichtungswerkstoffe müssen vielfältige Anforderungen erfüllen

Wie können wir künftig nachhaltig und umweltfreundlich heizen? Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen von Gebäuden bis zum Jahr 2030 um zwei Drittel im Vergleich zu 1990 zu senken. Dazu sind u.a. Heizungen mit anderen Brennstoffen als Öl und Erdgas notwendig. Hier kommt die Brennstoffzelle ins Spiel: Sie erzeugt in einer chemischen Reaktion aus Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) Strom, Wärme und Wasser. Im Gegensatz zum Brennstoffzellen-Fahrzeug benötigt man im Haus sowohl Strom als auch Wärme – das steigert den Wirkungsgrad dieser Technologie signifikant. Der Aufbau einer adäquaten Wasserstoffinfrastruktur hat zwar noch Entwicklungspotenzial, rückt aber immer stärker in den Fokus, um auch über diesen Weg unabhängiger von fossilen Brennstoffen zu werden. Für den Übergang besteht die Möglichkeit, Brennstoffzellen zu nutzen, die sich mit Erdgas betreiben lassen. Unabhängig vom Brennstoff gilt aber: Das komplette Heizsystem muss gut abgedichtet sein, es darf kein Gas entweichen. Denn sowohl Wasserstoff als auch Erdgas können zusammen mit dem Luftsauerstoff ein explosives Gemisch bilden. Da Wasserstoffmoleküle extrem klein sind, ist es entsprechend schwierig, Zuleitungen, Heizung und Aggregate wirksam abzudichten. Zugleich steigt mit hochleistungsfähigen Dichtungen innerhalb der Brennstoffzelle nicht nur die Sicherheit, sondern auch der Wirkungsgrad.

Die Dichtungen finden sich in verschiedenen Bereichen der Brennstoffzellen. Sie kommen zum Einsatz zwischen den Stacks, den einzelnen Zellen, um ein Austreten der Brenngase und des Elektrolyten zu vermeiden. Zudem schirmen diese Dichtungen die Bipolarplatten, die den erzeugten Strom leiten, gegeneinander ab und verhindern so einen Kurzschluss. Außerdem dichten sie auch die Zuleitungen ab, in denen die Gase Wasserstoff und Sauerstoff transportiert werden. An Stacks und Zuleitungen wird nicht unbedingt der gleiche Dichtwerkstoff eingesetzt: Um die Bipolarplatten elektrisch voneinander zu trennen, ist als Dichtwerkstoff ein guter Isolator gefragt. Umgekehrt kann bei den Zuleitungen ein elektrisch leitfähiges Dichtungsmaterial gefordert sein, um Strom abfließen zu lassen. Damit wird verhindert, dass sich das Bauteil elektrisch auflädt.  Auch der Elektrolyt im Inneren der Stacks, der meist flüssig ist, muss abgedichtet werden. Oft handelt es sich um ein herausforderndes Medium, wie z.B. starke Laugen bei der alkalischen Brennstoffzelle, das die Dichtungen angreifen kann. Außerdem muss der Dichtwerkstoff beständig gegenüber den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff sein. Hinzu kommen bei einigen Brennstoffzellen-Varianten hohe Temperaturen von mehr als 500 °C, denen das Dichtungsmaterial standhalten muss. Auch die Lebensdauer der Werkstoffe sollte hoch sein, um die Brennstoffzelle wartungsarm und lange lauffähig zu halten.

Deshalb hat Frenzelit verschiedene Dichtwerkstoffe, die sich besonders für Brennstoffzellen eignen, im Programm:  Zum einen die novapress®-Produkte (Elastomer-gebundene Dichtungsmaterialien auf Basis von Aramidfasern und speziellen Funktionsfüllstoffen) und die novamica®-Reihe (aus Phlogopit-Glimmer), die aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeit bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen zum Einsatz kommen kann.