08.03.2023 Spezielle Dicht- und Klebstoffe für Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind flächige Aufbauten mehrerer Funktionsschichten, zu denen auch zwei Bipolarplatten gehören, die u.a. für eine gleichmäßige Zufuhr des Wasserstoffs an die Zelle sorgen. Hier ist ein zuverlässiges Abdichten essenziell, da Wasserstoff brennbar ist und in sauerstoffhaltigen Umgebungen zu explosiven Gemischen („Knallgas“) führen kann. Die Dichtmaterialien müssen dazu 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. Bislang werden dazu u.a. vorgefertigte Einlegedichtungen verwendet. Diese sind allerdings durch das manuelle Einlegen auf beiden Seiten jeder Bipolarplatte nicht für die automatisierte Fertigung hoher Stückzahlen geeignet. 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 sowie die schlechte Haftung auf den meisten Substraten. Wevo hat daher für den Einsatz in PEM-Brennstoffzellen (englisch: „Proton Exchange Membrane Fuel Cell“) spezielle, chemisch beständige 2K-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.

Die besonders hohe Gasdichtigkeit der Materialien wurde durch das Zentrum für Brennstoffzellentechnik, eine der führenden europäischen Forschungseinrichtungen in diesem Bereich, bestätigt. Eines der silikonbasierten Produkte wies nach einer Messzeit von 16 h 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 man 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.

Darüber hinaus können die polyurethanbasierten Wevo-Produkte aufgrund ihrer guten Haftungseigenschaften als Klebstoffe für weitere Anwendungen innerhalb des Brennstoffzellenstacks verwendet werden. Etwa für das Verbinden der beiden Halbschalen, aus denen Bipolarplatten bestehen, oder gar zum Verkleben des gesamten Stacks. In der Balance-of-Plant (BOP), also dem Brennstoffzellen-System, können die Komponenten des Luftbefeuchters sicher verbunden werden. Denn die hohe Ionenreinheit sowie die geringen Anteile an flüchtigen Komponenten (VOC) der Polyurethane vermeiden eine Schädigung seiner empfindlichen Membran sowie einen daraus resultierenden Leistungsabfall. Auch eine hohe Hydrolysebeständigkeit bei Temperaturen bis zu 100 °C wird durch die spezielle Zusammensetzung der Klebstoffe gewährleistet.