Unter den Polymeren (Grundbaustein von Kunststoffen) sind Elastomere Werkstoffe, die sich durch eine hohe Elastizität, Flexibilität, Dichtheit und Beständigkeit auszeichnen. Unklar war bisher, ob sich diese auch für die herausfordernde Verwendung in einer künftigen Wasserstoffinfrastruktur eignen.
Dabei sind Werkstoffe aus Kunststoffen für einen Wasserstoffhochlauf unverzichtbar: In Elektrolyseuren, Tanks, Pipelines und Brennstoffzellen werden Polymere für zuverlässige Dichtungen, Leitungen, Ventile oder Membranen benötigt. Bisher war weitgehend unerforscht, welche Polymere in Wasserstoffumgebungen sicher zum Einsatz kommen können.
In einem internationalen Forschungsprojekt haben Wissenschaftler der BAM nun verschiedene Elastomere auf ihre Eignung für Hochdruck-Wasserstoffanwendungen getestet. Für diese gelten viele, hohe Anforderungen, da die kleinen Wasserstoffmoleküle leicht in Werkstoffe eindringen können.
Risiko bei schneller Gasdekompression
Wasserstoff wird außerdem unter extremem Druck von bis zu 1000 bar gespeichert. Materialien für Dichtungen, Schläuche und Leitungen müssen daher hohen Sicherheitsanforderungen genügen, um Leckagen von vornherein auszuschließen. Nach ersten Untersuchungen zeigten sich hier auch Elastomere anfällig.
Ein besonderes Risiko stellt das Phänomen der sogenannten schnellen Gasdekompression dar. Es tritt auf, wenn es zu einem plötzlichen Druckabfall kommt, etwa wenn Wasserstoff beim Betanken aus einem Hochdruckspeicher in eine Leitung gepumpt wird. Wenn Wasserstoffmoleküle dabei in Elastomer-Dichtungen eindringen, sammeln sich diese in Hohlräumen. Dies führt 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.
Test modifizierter Elastomere
Um die unerwünschten Effekte der Gasdekompression zu vermeiden, hat die Industrie synthetische Elastomere in der Materialstruktur bzw. -zusammensetzung modifiziert. Im internationalen Gemeinschaftsprojekt „Polymer4Hydrogen“ hat Géraldine Theiler von der BAM mehrere dieser neuen Werkstoffe auf ihre Beständigkeit geprüft. Dazu wurden diese in Hochdruck-Autoklaven Wasserstoff bei bis zu 1000 bar ausgesetzt und unter wechselnden Belastungen getestet.
Anschließend wurden die Materialproben umfangreichen Dichte- und Härtemessungen, mechanischen Analysen, Zugversuchen und Verschleißtests unterzogen. Auch In-situ-Messungen in Wasserstoff wurden 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“, erklärt 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 ein Hochleistungs-Elastomer zu entwickeln, der allen Herausforderungen einer künftigen Wasserstoffwirtschaft gewachsen ist.
