Werkstoffe aus Polymeren sind für eine Wasserstoffwirtschaft unverzichtbar: In Elektrolyseuren, Tanks, Pipelines und Brennstoffzellen braucht man Kunststoffe für zuverlässige Dichtungen, Leitungen, Ventile oder Membranen. Bisher war weitgehend unerforscht, welche Polymere in Wasserstoffumgebungen sicher zum Einsatz kommen können. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat in einem internationalen Gemeinschaftsprojekt Elastomere identifiziert, die sich gut für die Zukunftsanwendungen der Wasserstoffwirtschaft eignen.

Unter den Polymeren sind Elastomere Werkstoffe, die sich durch eine hohe Elastizität, Flexibilität, Dichtheit und Beständigkeit auszeichnen. Unklar war bisher, ob sie auch für die herausfordernde Verwendung in einer künftigen Wasserstoffinfrastruktur geeignet sind. Der grüne Energieträger wird unter dem extremen Druck von bis zu 1000 bar gespeichert. Das Wasserstoffmolekül ist zudem sehr klein und kann leicht in Werkstoffe eindringen. Materialien für Dichtungen, Schläuche und Leitungen müssen daher besonders hohen Sicherheitsanforderungen genügen, um Leckagen und Havarien von vornherein auszuschließen.

Gasdekompression führt zu Rissen

Ein besonderes Risiko in Wasserstoffumgebung stellt das Phänomen der sogenannten schnellen Gasdekompression dar. Es tritt auf, wenn es zu einem plötzlichen Druckabfall kommt, etwa wenn man Wasserstoff beim Betanken aus einem Hochdruckspeicher in eine Leitung pumpt. Wasserstoffmoleküle, die bereits zuvor unter dem extrem hohen Druck in Elastomer-Dichtungen eingedrungen sind, sammeln sich nun in bestehenden Hohlräumen. Es kommt zu Quellungen des Materials. Diese wiederum können zu Mikrodefekten und Rissen im Kunststoff führen. Das Material verliert schließlich seine abdichtende Funktion. Es kann zu einem gefährlichen Austritt von Wasserstoff kommen.

Um die unerwünschten Effekte der Gasdekompression zu vermeiden, hat die Industrie synthetische Elastomere in der Materialstruktur und Zusammensetzung modifiziert. Im internationalen Gemeinschaftsprojekt Projekt Polymer4Hydrogen, an dem Institute aus sechs europäischen Ländern beteiligt waren und das von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) finanziert wurde, hat Géraldine Theiler von der BAM mehrere dieser neuen Werkstoffe auf ihre Beständigkeit geprüft. Dazu verfügt das Wasserstoff-Kompetenzzentrum der BAM über in Europa einmalige Hochdruck-Autoklaven, in denen Forscher:innen Werkstoffe in Wasserstoff bei einem Druck von bis zu 1000 bar und unter wechselnden Belastungen testet können.

Carbon Black: Vielversprechende Elastomere für Wasserstoffwirtschaft

Anschließend haben Forscher:innen die Materialproben umfangreichen Dichte- und Härtemessungen, mechanischen Analysen, Zugversuchen und Verschleißtests unterzogen. Auch In-situ Messungen in Wasserstoff haben sie durchgeführt, um den Einfluss von Wasserstoffdruck auf das Reibverhalten verschiedener Elastomer-Werkstoffe zu bestimmen. „Im Ergebnis zeigte sich, dass Weichmacher die Wirkung der schnellen Gasdekompression sogar verstärken“, sagt Géraldine Theiler. „Die beste Performance erzielte ein mit Rußpartikeln, auch bekannt als Carbon Black, verstärkter Kautschuk.“ Dieses Material wurde daher für die weitere Materialentwicklung ausgewählt. Ziel ist es, auf dieser Basis Hochleistungs-Elastomere zu entwickeln, der allen Herausforderungen einer künftigen Wasserstoffwirtschaft gewachsen ist.

Quelle: BAM | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH