Elastomere unter alkalisch-oxidativen Bedingungen für elektrochemische Wandler bewerten

– neues Projekt sucht Partner.

In der Wasserstoffwirtschaft spielen Elektrolyseure und Brennstoffzellen eine entscheidende Rolle. Kunststoffe finden sich in elektrochemisch aktiven Komponenten und in Strukturelementen (z. B. Dichtungen). Die oft vorliegenden harschen, alkalischen Bedingungen stellen hohe Herausforderungen an die eingesetzten Materialien. Die Zukunft der dort häufig genutzten Fluorpolymere ist ungewiss. Es müssen geeignete alternative Materialien für die unterschiedlichen Komponenten identifiziert werden. Das Fraunhofer LBF sucht für sein Projekt »Elastolox« Partner, um die Eignung von Elastomeren für den Einsatz in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen unter oxidativ-alkalischen Bedingungen zu untersuchen.

Kunststoffe spielen eine entscheidende Rolle in der Wasserstofftechnologie und ermöglichen die Entwicklung nachhaltiger sowie gewichtsoptimierter Komponenten. Die Materialien werden dabei in verschiedenen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in Gehäusen und Bipolarplatten von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren, in Faserverbünden und Linern in Wasserstoffdrucktanks sowie in Dichtungskomponenten, Rohrleitungen und Pipelines.

Die Einsatzgebiete für kunststoffbasierte Systeme im Wasserstoffsektor werden weiter zunehmen. Über das Verhalten der meisten Kunststoffmaterialien, seien es Elastomere, (faserverstärkte) Thermoplaste oder Duromere – insbesondere in Bezug auf ihr Langzeitverhalten unter Medieneinwirkung im Betrieb – fehlen jedoch Informationen. Die Medienbedingungen sind vielfältig und umfassen Gase wie Wasserstoff und Sauerstoff oder Flüssigkeiten wie Kühlmittel, Produktwasser, saure oder basische Elektrolyte.

Maßgeschneiderte Methoden charakterisieren die Medieneinwirkung

Für eine zuverlässige Komponenten-Auslegung muss das Materialverhalten unter Medieneinwirkung ausreichend bekannt sein. Hierbei liegt der Fokus häufig auf dem mechanischen Verhalten der Kunststoffe, ihrer chemischen und physikalischen Alterung, sowie ihren Sorptions- und Diffusionseigenschaften und dem Quellverhalten bei Medienaufnahme. Die Anforderungen können je nach Einsatzgebiet variieren und unterschiedliche Druck- und Temperaturbereiche umfassen, von Niederdruck in Brennstoffzellen bis zu Hochdruckanwendungen in der Druckgasspeicherung. Durch die entstehende Wechselwirkung ergeben sich komplexe Beanspruchungsszenarien für die Materialien, die nur auf Basis von Versuchsdaten vorhergesagt werden können.

Forschende am Fraunhofer LBF haben maßgeschneiderte Methoden entwickelt, um die Medieneinwirkung auf Kunststoffe in der Wasserstofftechnologie zu charakterisieren und zu verstehen. Tests zum zyklischen Zugverhalten an Proben aus HDPE unter Druck-Wasserstoff zeigen, dass es essenziell ist, die relevanten Einflussgrößen auf die Materialeigenschaften zu berücksichtigen (siehe Abbildung 2). Dabei muss auch die Vielfalt möglicher mechanischer Beanspruchungen betrachtet werden, die unter verschiedenen Belastungsgeschwindigkeiten und Frequenzen auftreten können.

Elastomere für elektrochemische Wandler

Besonders extreme Bedingungen treten in Elektrolyseuren auf. Die Betriebsbedingungen (sauer oder alkalisch) stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien. Polymere und Kunststoffe finden sich hier in elektrochemisch aktiven Komponenten, in Strukturelementen und in Dichtungssystemen. Aufgrund ihrer chemischen, thermischen und elektro(chemischen) Beständigkeit werden oftmals Fluorpolymere eingesetzt. Deren Zukunft ist vor dem Hintergrund des PFAS-Beschränkungsvorschlags der Europäischen Chemikalien-Agentur (ECHA) ungewiss. Es gilt alternative Substitutionsmaterialien zu identifizieren und hinsichtlich ihrer Beständigkeit in alkalischer Umgebung und Sauerstoffatmosphäre und ihrer mechanischen Eigenschaften zu bewerten.

Projektpartner aus der Industrie gesucht

Für das neu initiierte Verbundprojekt »Elastolox« suchen die Fraunhofer-Forschenden Partner, um gemeinsam die Eignung von Elastomeren für den Einsatz in Elektrolyseuren zu untersuchen.

Mit Analysen und der Entwicklung von Alterungsmodellen und Simulationsmethoden für Kunststoffe unterstützten die Darmstädter Forschenden neue Entwicklungen für zuverlässige Kunststoffbauteile in Wasserstoffsystemen. Die Tätigkeiten sind eingebettet in das Wasserstoff-Leistungszentrum-Wasserstoff GreenMat4H2, eine zentrale Anlaufstelle für die Industrie.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. rer. nat. Frank Schönberger, frank.schoenberger@lbf.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

https://www.lbf.fraunhofer.de/de/verbundprojekte/elastomere-elektrolyse-brennsto… Mehr Informationen zum Projekt