Fraunhofer LBF: Elastomere unter alkalisch-oxidativen Bedingungen für elektrochemische Wandler bewerten - Projektpartner gesucht

Wasserstofftechnologie sicher und zuverlässig gestalten: Im Fraunhofer LBF werden dazu Elastomere für Elektrolyse und den Einsatz in Brennstoffzellen untersucht - (Grafik: Fraunhofer LBF).

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 vorherrschenden harten, alkalischen Bedingungen stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien. Die Zukunft der dort häufig eingesetzten Fluorpolymere ist ungewiss. Es gilt, geeignete Alternativmaterialien für die verschiedenen Bauteile zu identifizieren. Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben das Verbundprojekt „Elastolox“ initiiert und suchen weitere Partner, um gemeinsam die Eignung von Elastomeren für den Einsatz in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen unter oxidativ-alkalischen Bedingungen zu untersuchen.

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

Die Anwendungsgebiete für kunststoffbasierte Systeme im Wasserstoffbereich werden weiter zunehmen. Über das Verhalten der meisten Kunststoffe, seien es Elastomere, (faserverstärkte) Thermoplaste oder Duromere, insbesondere über das 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 Bauteilauslegung muss das Werkstoffverhalten unter Medieneinwirkung hinreichend bekannt sein. Im Vordergrund stehen dabei häufig das mechanische Verhalten von Kunststoffen, ihre chemische und physikalische Alterung sowie ihre Sorptions- und Diffusionseigenschaften und ihr Quellverhalten bei Medienaufnahme. Die Anforderungen können je nach Einsatzgebiet variieren und unterschiedliche Druck- und Temperaturbereiche umfassen, von Niederdruckanwendungen in Brennstoffzellen bis hin zu Hochdruckanwendungen in der Druckgasspeicherung. Aus den auftretenden Wechselwirkungen ergeben sich komplexe Beanspruchungsszenarien für die Werkstoffe, die nur auf der Basis experimenteller Daten vorhergesagt werden können.

Am Fraunhofer LBF wurden maßgeschneiderte Methoden entwickelt, um die Medieneinwirkung auf Kunststoffe in der Wasserstofftechnologie zu charakterisieren und zu verstehen. Untersuchungen zum zyklischen Zugverhalten an HDPE-Proben unter Wasserstoffdruck zeigen, dass es entscheidend ist, die relevanten Einflussgrößen auf die Materialeigenschaften zu berücksichtigen. Dabei ist auch die Vielfalt möglicher mechanischer Beanspruchungen zu berücksichtigen, die bei unterschiedlichen 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 Werkstoffe. Polymere und Kunststoffe finden sich hier in elektrochemisch aktiven Komponenten, in Strukturelementen und in Dichtungssystemen. Aufgrund ihrer chemischen, thermischen und elektro(chemischen) Beständigkeit werden häufig Fluorpolymere eingesetzt. Deren Zukunft ist vor dem Hintergrund des PFAS-Beschränkungsvorschlags der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA) ungewiss. Alternative Substitutionsmaterialien müssen identifiziert und hinsichtlich ihrer Beständigkeit in alkalischer Umgebung und Sauerstoffatmosphäre sowie ihrer mechanischen Eigenschaften bewertet werden.

Projektpartner aus der Industrie gesucht
Für das neu initiierte Verbundprojekt „Elastolox“ suchen die Fraunhofer-Forscher 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 unterstützen die Darmstädter Forschenden Neuentwicklungen für zuverlässige Kunststoffbauteile in Wasserstoffsystemen. Die Aktivitäten sind eingebettet in das Leistungszentrum Wasserstoff GreenMat4H2, einer zentralen Anlaufstelle für die Industrie.

Weitere Informationen:
www.lbf.fraunhofer.de/de/verbundprojekte/elastomere-elektrolyse-brennstoffzelle.html?utm_source=pi-elastolox-projekt-elastolox, , www.leistungszentrum-wasserstoff-hessen.de

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt

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