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Heizen mit Wasserstoff: Brennstoffzellen brauchen Spezialdichtungen

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Autor: Magnus Schwarz

07. November 2022 | Brennstoffzellen geben im Betrieb Wärme ab. Diese lässt sich beim Heizen intelligent nutzen. Für Sicherheit und einen hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sorgen leistungsfähige Dichtungswerkstoffe.

Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen von Gebäuden bis 2030 um zwei Drittel im Vergleich zu 1990 zu senken. Dazu sind unter anderem Heizungen mit anderen Brennstoffen als Öl und Erdgas notwendig.

Hier kommt die Brennstoffzelle ins Spiel: Sie erzeugt in einer chemischen Reaktion aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom, Wärme und Wasser. Im Gegensatz zum Brennstoffzellen-Fahrzeug benötigt man sowohl Strom als auch Wärme im Haus – das steigert den Wirkungsgrad dieser Technologie signifikant.

Der Aufbau einer adäquaten Wasserstoffinfrastruktur hat zwar noch Entwicklungspotenzial, rückt aber immer stärker in den Fokus.

Leistungsfähige Dichtungen erhöhen den Wirkungsgrad

Für den Übergang besteht die Möglichkeit, Brennstoffzellen zu nutzen, die sich mit Erdgas betreiben lassen. Unabhängig vom Brennstoff gilt: Das komplette Heizsystem muss gut abgedichtet sein, kein Gas darf entweichen. Denn sowohl Wasserstoff als auch Erdgas können zusammen mit dem Luftsauerstoff ein explosives Gemisch bilden.

Da Wasserstoffmoleküle extrem klein sind, ist es entsprechend schwierig, Zuleitungen, Heizung und Aggregate wirksam abzudichten. Zugleich steigt mit hochleistungsfähigen Dichtungen innerhalb der Brennstoffzelle nicht nur die Sicherheit, sondern auch der Wirkungsgrad.

Die Dichtungen finden sich in verschiedenen Bereichen der Brennstoffzellen. Sie kommen zum Einsatz zwischen den Stacks, den einzelnen Zellen, um ein Austreten der Brenngase und des Elektrolyten zu vermeiden. Zudem schirmen diese Dichtungen die Bipolarplatten, die den erzeugten Strom leiten, gegeneinander ab und verhindern so einen Kurzschluss. Außerdem dichten sie auch die Zuleitungen ab, in denen die Gase Wasserstoff und Sauerstoff transportiert werden.

An Stacks und Zuleitungen wird nicht unbedingt der gleiche Dichtwerkstoff eingesetzt: Um die Bipolarplatten elektrisch voneinander zu trennen, ist als Dichtwerkstoff ein guter Isolator gefragt. Umgekehrt kann bei den Zuleitungen ein elektrisch leitfähiges Dichtungsmaterial gefordert sein, um Strom abfließen zu lassen. Damit wird verhindert, dass sich das Bauteil elektrisch auflädt.

Beständigkeit in herausfordernden Medien

Auch der Elektrolyt im Inneren der Stacks, der meist flüssig ist, muss abgedichtet werden. Oft handelt es sich um ein herausforderndes Medium, wie starke Laugen bei der alkalischen Brennstoffzelle, das die Dichtungen angreifen kann. Außerdem muss der Dichtwerkstoff beständig gegenüber den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff sein.

Hinzu kommen bei einigen Brennstoffzellen-Varianten hohe Temperaturen von mehr als 500 Grad Celsius, denen das Dichtungsmaterial standhalten muss. Auch die Lebensdauer der Werkstoffe sollte hoch sein, um die Brennstoffzelle wartungsarm und lange lauffähig zu halten.

Als Dichtwerkstoffe, die sich besonders für Brennstoffzellen eignen, bietet Frenzelit zum einen die novapress®-Produkte (Elastomer-gebundene Dichtungsmaterialien auf Basis von Aramidfasern und speziellen Funktionsfüllstoffen) an. Sie erreichen ein bis zu 10.000 mal besseres Leckageniveau als vergleichbare Standarddichtungen. Eine weitere Produktfamilie ist die novamica®-Reihe (aus Phlogopit-Glimmer), die aufgrund ihrer Temperaturbeständigkeit bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen zum Einsatz kommen kann.

 

Dichtwerkstoffe werden an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellenaufbaus benötigt: zum einen, um Wasserstoff- und Sauerstoffzuleitungen abzudichten (Position 1 und 4), und zum anderen zur Abdichtung der einzelnen Stacks an den Bipolarplatten (Position 2 und 3) (Quelle: Frenzelit GmbH)

 

 

(Frenzelit/2022)

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