Welche Dichtungsmaterialien sind für Wasserstoff geeignet?

Beim Transport von Wasserstoff und bei Tanksystemen für Brennstoffzellen-Fahrzeuge werden höchste Anforderungen an die verwendeten Dichtungsmaterialien gestellt, da Leckagen aufgrund der Explosivität nicht toleriert werden können. Das Verwenden von Elastomerdichtungen ist in der aktuellen Erdgasinfrastruktur fest etabliert und stellt somit auch für den Wasserstofftransport eine Schlüsselkomponente dar. Auch im Hinblick der Weiternutzung der bereits vorhandenen Leitungssysteme für Wasserstoff stehen die Elastomerdichtungen im Fokus, wobei das Medium Wasserstoff nochmal besondere Herausforderungen an die verwendeten Dichtelemente stellt.

Der Systemdruck bei ersten Serienanwendungen von Wasserstofftanksystemen liegt bei 350 bar, wobei zukünftige Entwicklungen auf Anwendungen mit 700 bar Nenndruck oder darüber hinaus anstreben. Zusätzlich zu den enormen Belastungen der Dichtungen durch den Druck kommen noch Temperaturbereiche von -40 bis 85 °C hinzu, die bei Betankungsvorgängen auftreten können. Aufgrund der geringen Molekülgröße von Wasserstoff ist zudem noch die Migration von Wasserstoff in und durch die Dichtelemente zu berücksichtigen. Diese führt zum einen zum Quellen der Dichtungselemente, was für die Bauteilauslegung zu berücksichtigen ist. Zum anderen kann vom Material absorbierter Wasserstoff bei starkem Druckabfall zu einer schlagartigen Volumenausdehnung führen, welche das Bauteil schädigen kann, sodass ein schnelles Entweichen des Gases aus dem Dichtungskörper ermöglicht wird. Zusätzlich zu den hohen Anforderungen an die nominellen Eigenschaften der Dichtungen ist bei Elastomerwerkstoffen über die Nutzungsdauer mit Alterungseffekten zu rechnen, welche die Dichteigenschaften verändern. Auch diese Effekte werden von wirkenden mechanischen Lasten, Temperaturen und Medien stark beeinflusst und sind daher in der Auslegung ebenfalls zu berücksichtigen.

Es existieren bisher nur wenige gesicherte Erkenntnisse zum Einsatz von Elastomeren im Zusammenspiel mit Wasserstoff. Mit diesem Verbundprojekt soll ein grundlegendes Verständnis für das Verhalten von elastomeren Dichtungen im Einsatz unter Wasserstoff geschaffen werden. Das Ziel des Projektes Hydrotransseal ist es, die Wechselwirkungsmechanismen von Wasserstoff mit Elastomerwerkstoffen zu verstehen sowie geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um die Werkstoffe für den Kontakt mit Wasserstoff beispielsweise durch die Auswahl geeigneter Füllstoffe und Additive gegenüber Permeation, Adsorption und Quellung robuster zu gestalten.

Aktuell erfolgt der Transport von Wasserstoff noch vorwiegend mit Tanklastwagen und es existieren nur wenige Leitungssysteme. Daher gilt es, in bestehenden Leitungssystemen eingesetzte Elastomerdichtungen hinsichtlich ihrer Eignung für den Wasserstofftransport zu bewerten und gegebenenfalls für die Verwendung zu qualifizieren, um so den Wasserstofftransport vereinfachen zu können. Durch die Entwicklung eines Material- und Alterungsmodells soll basierend auf dem alterungsabhängigen Werkstoffverhalten der Materialen eine Lebensdauerabschätzung für die Elastomerwerkstoffe ermöglicht werden. Dies erlaubt langfristig eine Optimierung der Mischungen für das Einsatzgebiet. Das Projekt soll auch Anregung für die Rohstofflieferanten im Bereich der Elastomere sein, innovative Elastomerformulierungen in dem zukunftsträchtigen Bereich des Wasserstofftransports zu platzieren und Neuentwicklungen für diese Systeme anzustoßen.

Basierend auf den Ergebnissen wird der Einfluss von Wasserstoff auf Elastomere unter realitätsnahen Bedingungen im Wasserstofftransport abgebildet, mit dem Ziel, das Zusammenspiel der einzelnen Elastomerkomponenten in diesem Zusammenhang besser zu verstehen. Daraus sollen sich Handlungsempfehlungen für die Optimierung bereits eingesetzter Systeme ergeben und der bestmögliche Rezepturaufbau für Dichtungen im Wasserstofftransport entwickelt werden.

Quelle: Fraunhofer LBF