Bei der Ionenauslaugung und der Hydrolysebeständigkeit der bisher verwendeten Materialien für Brennstoffzellen besteht noch Nachholbedarf. Eine Möglichkeit dafür stellen speziell entwickelte PPS dar.

Brennstoffzellen gewinnen als Antriebstechnologie im Fahrzeugbereich immer mehr an Bedeutung

16:9

Materialverbesserungen sorgen für zuverlässigere Brennstoffzellen

Automotive

Elektronik

Brennstoffzelle

Stromversorgung

Brennstoffzellen

Mobilität

Kunststoff Werkstoffe

Technische Kunststoffe

Thermoplaste

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Hochleistungskunststoffe

Brennstoffzellenfahrzeuge fit für den Einsatz machen

Elektrofahrzeuge können auch kabellos geladen werden. Dabei findet der Energieaustausch zwischen einer im Boden positionierten Induktions- und einer im E-Auto montierten Empfängerspule statt. Um die Spulen vor Beschädigungen zu schützen, eignen sich glasfaserverstärkte und flammgeschützte Polyamide 66, wie das Beispiel eines serienreifen kabellosen Ladesystems zeigt.

Kabelloses Laden könnte die Reichweite von E-Autos und somit die Akzeptanz der Elektromobilität erhöhen.

Flammgeschütztes Polyamid für induktive Ladesysteme

Elektromobilität

Polyamide

Ohne Kabel dank passender  Compounds

Die auf einer neuartigen PA 66-Technologie basierenden Mobius™-Polymere eröffnen für die LFT-D Verarbeitung speziell für Batteriedeckel und -gehäuse neue Möglichkeiten

Spritzgießen (KU)

Kunststoffverarbeitung

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Duroplaste

Blasformen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Extrudieren (KU)

INVISTA MOBIUS NPD555 FR erfolgreich in Thermal Runaway Tests

In modernen Fahrzeugen spielt die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine immer wichtigere Rolle. EMV-Kunststoffe helfen dabei, Störungen durch elektromagnetische Felder sicher und kosteneffizient zu verhindern.

Interieur des Konzeptfahrzeugs Rinspeed MetroSnap: Bei aktuellen Fahrzeugentwicklungen spielt die EMV-Abschirmung eine immer größere Rolle. Dafür bieten sich in vielen Fällen entsprechend gefüllte Kunststoffe an. 

Fahrzeugelektronik gegen elektrische und magnetische Felder abschirmen

Glasfasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Füllstoffe, allgemein

Füllstoffe für Kunststoffe

Kunststofffasern

EMV-Schutz für den  rollenden Computer

Solvay zeigt auf der K 2022 unter anderem Materialien, mit denen sich Metalle bei Solarkollektoren ersetzen lassen.

Mit dem PPS lässt sich der CO2-Fußabdruck von Solarpaneelen reduzieren und gleichzeitig die Designflexibilität bei ihnen erhöhen.

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Metallersatz für Solarkollektoren

Auf der K 2022 zeigt DuPont Polybutylenterephthalat (PBT) mit hoher Lasertransmission. Die Typen entstammen der Crastin-Produktreihe des Unternehmens.

Lasertransparenz ist eine wichtige Materialeigenschaft beim Laserschweißen. Die entwickelten PBT bieten darüber hinaus noch weitere Zusatznutzen.

Polybutylenterephthalat

Laserschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Lasertechnik

Schneller geschweißt bei besserer Leistung

Der PBT-Weltmarkt hat sich von den Folgen der Coronapandemie gut erholt. Die Produktentwicklungen bei dem Werkstoff werden von den Trends Digitalisierung, Elektromobilität und Nachhaltigkeit vorangetrieben, wie zahlreiche spannende Neuheiten zeigen.

PBT-Compounds sind für die Elektromobilität sehr gefragt, unter anderem für Bauteile der Batterie, des elektrischen Antriebsstrangs und der Ladeinfrastruktur. 

Polybutylenterephthalat (PBT): Produkte mit Zusatznutzen gefragt

Elektromobilität und Nachhaltigkeit treiben das Wachstum

Die großen PP-Produzenten haben bereits eigene Produktlinien für Rezyklate aufgelegt. Die Rezyklat-Qualität hat sich inzwischen verbessert: Selbst die für Pkw-Innenraum-Anwendungen erforderlichen Geruchs- und Ästhetikanforderungen können erfüllt werden.

Der Stuhl Monobloc aus PP, hier in einer grünen Version, ist eines der preisgünstigsten und vielseitigsten Sitzmöbel weltweit.  (Foto aus dem Film „Monobloc“ von Edition Salzgeber).

Wachstum trotz Krise: Wieso Polypropylen (PP) ein Werkstoff mit guten Zukunftsperspektiven ist.

Polypropylen (PP): Wachstum trotz Krise

Polypropylen

Kennzahlen

Qualitätsmanagement

Die Zukunft von Polypropylen liegt in der Kreislaufwirtschaft

Ein Großteil des weltweiten Polycarbonats wird in Asien und dort insbesondere in China verarbeitet. Außerhalb des asiatischen Raums konzentrieren sich die Hersteller verstärkt auf Spezialitäten und Produkte für neue Herstellungstechnologien.

Auf PC basierende Folien ermöglichen attraktive Designs im Automobilinnenraum. Galvanisierte Echtmetalloberflächen mit Touchsensorik sind sowohl bei ein- als auch ausgeschalteter Hinterleuchtung ein echter Hingucker. 

Polycarbonat (PC): Funktionsintegration und neue Spezialitäten

Polycarbonat

Wachstumstreiber China

Trotz Rohstoffengpässen und Turbulenzen in wichtigen Branchen stehen die Zeichen für PMMA auf Wachstum.

Designtrend Licht: Bei der aus einem Plexiglas-PMMA von Röhm gefertigten TIR-Linse lens LFO von Bartenbach und kdg Opticomp ist die Oberfläche der Linsen durch Freiformflächenfacetten so strukturiert, dass das Licht homogen erscheint.

Trotz Rohstoffengpässen und Turbulenzen in wichtigen Branchen stehen die Zeichen für PMMA auf Wachstum

Polymethylmethacrylat (PMMA): Turbulenzen in wichtigen Branchen

Polymethylmethacrylat

Trotz Rohstoffengpässen stehen die Zeichen für PMMA auf Wachstum

Der PA-Markt ist im Umbruch. Neue Themen sind in den Fokus gerückt. Die PA-Sparten verschiedener Hersteller haben außerdem den Besitzer gewechselt.

PA ist weiterhin einer der wichtigsten technischen Kunststoffe im Automobilbau und findet dort vielfältigen Einsatz. Das gilt nicht nur für klassische Verbrenner, sondern wird auch volumenmäßig bei Elektroautos der Fall sein.

Polyamid (PA): Elektromobilität und Nachhaltigkeit treiben die Entwicklungen

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Doppelter Wandel bei Polyamid

Konsolidierung im Distributionsbereich - der schweizer Kunststoffdistributor Meraxis erweitert sein Geschäft durch eine Übernahme. Gestärkt werden soll dadurch vor allem der Handel mit technischen Kunststoffen.

Meraxis-CEO Dr. Stefan Girschik und der Präsident des Verwaltungsrats von Meraxis Jobst Wagner unterzeichneten den Übernahmevertrag mit Stephane und Bruno Fournier (v.l.n.r).

Übernahme im Distributionsbereich

Standardkunststoffe

Distributionslogistik

Logistik

Additive

Meraxis kauft französischen Kunststoffhändler

At K 2022, SABIC is highlighting its commitment to circular, sustainable solutions designed to eliminate plastic waste and support the shift to product electrification.

SABIC at K 2022 – “Making the change real”

Das Langfaser-Thermoplast-Direktpressen bietet sich für die Herstellung von großflächigen Bauteilen für E-Autos. Diese stellen jedoch hohe Anforderungen an das verwendete Material. Zwei speziell für das Verfahren entwickelte Typen erfüllen diese Anforderungen.

Großflächige Bauteile wie der Batteriedeckel im Bild lassen sich sehr gut im Langfaser-Thermoplast-Direktpressen fertigen. Für das Verfahren bieten sich darauf optimierte Materialien wie das PA66 Mobius 555 FR GF50 von Invista an. 

PA66 für flammgeschützte, großflächige LFT-D-Bauteile

Pressen von Kunststoffen

Schneller zu sicheren Batteriegehäusen

Ergänzend zu den Möglichkeiten des klassischen mechanischen und des chemischen Recyclings untersucht der Automobilkonzern Audi gegenwärtig das lösungsmittelbasierte Recycling von Polymeren.

Für Kunststoffabfälle aus Automobilen bieten sich oft lösungsmittelbasierte Recyclingverfahren an. Mit diesen können auch Verbundmaterialien und mit Additiven versetzte Kunststoffe aufbereitet werden. 

Kreislaufwirtschaft in der Automobilindustrie

Recycling

Umweltmanagement

Kunststoff-Rezyklat

Kreislaufwirtschaft

Eine Lösung für Kunststoffabfälle aus Automobilen

Brennstoffzellen bieten sich für viele Bereiche im Verkehrssektor an. Insbesondere Schwerlasttransporte profitieren von der Technologie. Für die komplexen Antriebssysteme sind jedoch spezielle Materialien erforderlich. Eigens dafür entwickelte Compounds auf Polyphenylensulfidbasis bieten nicht nur die notwendige mechanische und chemische Beständigkeit, sondern sorgen auch für eine deutlich längere Laufzeit der Systeme.

Brennstoffzellen bieten sich für den Transportsektor an. PPS-Compounds erfüllen die technischen Anforderungen und erhöhen die Laufzeit der Systeme.

Um die CO2-Emissionen aus fossilen Quellen zu reduzieren, verbreiten sich weltweit immer stärker erneuerbare und umweltfreundliche Energielösungen. Eine davon ist die Nutzung von Wasserstoff als alternative Energieanwendungen. Weltweit wird mittlerweile massiv in entsprechende Technologien investiert. Wasserstoff ist das häufigste Element im Sonnensystem, aber auf der Erde kommt es nur in gebundener Form vor. Wasserstoff muss daher aus Molekülen mithilfe bestimmter Prozesse wie thermochemische und biochemische Umwandlung oder Wasserelektrolyse hergestellt werden.

Die weltweite Wasserstoffproduktion erreicht mittlerweile etwa 75 Mio. t pro Jahr, die fast vollständig aus Erdgas durch Dampfreformierung und Kohle durch Kohlevergasung hergestellt wird. Da der Wasserstoff aus fossilen Energieträgern hergestellt wird, spricht man von grauem Wasserstoff. Obwohl er als Kraftstoff an seinem Verwendungsort sauber verbrennt, verlagert die Herstellung aus fossilen Rohstoffen ohne eine entsprechende Kohlenstoffabscheidung die entstehenden Emissionen lediglich. Um die Umweltvorteile von Wasserstoff voll auszuschöpfen, muss er daher durch Wasserelektrolyse unter Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen hergestellt werden. Dieser elektrochemische Prozess spaltet Wasser in sogenannten grünen Wasserstoff und Sauerstoff. Derzeit macht die Wasserelektrolyse jedoch weniger als 0,1 % der weltweiten Wasserstoffproduktion aus. Aus diesem Grund erwägen viele Regierungen auch den temporären Einsatz von blauem Wasserstoff, bei dem das bei der Herstellung freigesetzte CO2 aufgefangen und anschließend unterirdisch gespeichert wird.

Die zukünftige globale Wachstumsrate von Wasserstoff wird von zwei Hauptfaktoren bestimmt: der Wettbewerbsfähigkeit seiner Produktionskosten und der Verfügbarkeit einer guten Infrastruktur. Gegenwärtig ist der Preis für grünen Wasserstoff zwei- bis dreimal so hoch wie der für grauen. Künftig werden Skaleneffekte, staatlich gesteuerte CO2-Preispolitiken und verbesserte Herstellungsprozesse das Kostendelta jedoch reduzieren und zu einer breiteren Nutzung von grünem Wasserstoff führen.

Seit Jahrzehnten wird Wasserstoff vor allem in der Chemie-, Raffinerie-, Agrar- und erdölverarbeitenden Industrie verwendet. Außerdem kommt er auch in der Lebensmittelerzeugung, Metallverarbeitung, Glasherstellung, beim Schweißen, als Reduzier- und Ätzmittel in der Elektronik oder zur Herstellung von Wasserstoffperoxid in der medizinischen Industrie zum Einsatz. Neuere Wasserstoffanwendungen wie Brennstoffzellen eröffnen neue Möglichkeiten in der Weltraumforschung, Luftfahrt, Schwerlastlogistik, dem öffentlichen Verkehr und bei Personenkraftwagen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Anwendungen derzeit weniger als 10 % des weltweiten Wasserstoffverbrauchs ausmachen (Bild 1).

Viele dieser neuen Wasserstoffanwendungen werden im kommerziellen Maßstab unter sehr anspruchsvollen Bedingungen betrieben. Beispielsweise müssen die Tanks, die Wasserstoff für Brennstoffzellensysteme in einem Fahrzeug speichern, dauerhaft Drücke von 700 bar und höher aushalten. Andere Flüssigwasserstoffanwendungen arbeiten bei extremen kryogenen Temperaturen.

Die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff bietet viele Vorteile:

<ul><li>unbegrenzte Versorgung</li><li>Kann aus verschiedenen Quellen ohne CO2-Fußabdruck hergestellt werden.</li><li>einfacher Transport in großen Mengen</li><li>Produktion von sauberem Strom oder Wärme direkt am Verbrauchsort</li><li>Kann in großen Mengen über lange Zeiträume gelagert werden.</li></ul>

Die Bereitstellung von grünem Wasserstoff stellt jedoch noch eine große Hürde dar. Eine entscheidende Technologie zur Herstellung von emissionsarmem Wasserstoff aus erneuerbarem oder nuklearem Strom ist wie erwähnt die Elektrolyse. Die Kapazität für die dedizierte Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse ist in letzter Zeit rasant gewachsen, angetrieben durch die wachsende Nachfrage nach grünem Wasserstoff. Sie lag weltweit bei 8 GW in 2021 und stieg 2022 auf 13,6 GW im Jahr. Voraussichtlich wird sie in diesem Jahr auf 21,4 GW und bis 2030 auf 61,3 GW wachsen [1]. Derzeit entfallen fast 85 % der gesamten Produktionskapazität auf Europa und China, aber in Zukunft werden Australien und die USA einen größeren Beitrag leisten.

Viele Regierungen haben ihre Ambitionen zur Erhöhung der Wasserstoffkapazität deutlich erhöht:

<ul><li>In den USA beinhaltet das überparteiliche Infrastrukturgesetz der Regierung von Präsident Joe Biden Zuschüsse für die Schaffung von Wasserstoff-Hubs und Anreize für den Bau von Infrastruktur für die Elektrolyse. Das US DOE Loan Program Office hat beispielsweise eine Kreditgarantie in Höhe von 504 Mio. USD für ein groß angelegtes Wasserstoffspeicherprojekt abgegeben. Auch das Inflationsminderungsgesetz bietet mehrere Steuergutschriften sowie Zuschüsse zur Unterstützung von Wasserstofftechnologien.</li><li>In der EU genehmigte die Kommission Mittel in Höhe von 5,4 Mrd EUR zur Unterstützung ihres ersten wasserstoffbezogenen Projekts von gemeinsamem europäischem Interesse. Drei weitere solcher Projekte, die sich mit industriellen Anwendungen, Wasserstoffinfrastruktur und Mobilität befassen, sollen in naher Zukunft noch auf den Weg gebracht werden.</li><li>In Deutschland wurde die H2Global-Initiative ins Leben gerufen, die analog zum CCfD-Ansatz (Carbon Contracts for Difference) die Differenz zwischen Angebotspreisen (Produktion und Transport) und Nachfragepreisen durch Fördermittel des Bundes ausgleicht.</li><li>Großbritannien hat ein Geschäftsmodell für kohlenstoffarmen Wasserstoff zur öffentlichen Konsultation vorgelegt. Das Geschäftsmodell basiert auf einem ähnlichen Ansatz wie CCfDs. Die Regierung will 2023 mit den ersten Projekten beginnen.</li></ul>

Der Straßenverkehr trägt etwa 20 % zu den weltweiten CO2-Emissionen aus Energie und zu 75 % zu den verkehrsspezifischen Emissionen bei. Die meisten Dekarbonisierungsbemühungen konzentrierten sich bisher hauptsächlich auf Elektrofahrzeuge (BEV) als Personenkraftwagen. Sie führten zu einer großen Verbraucherresonanz, wodurch der BEV-Markt 2022 ein Allzeithoch erreichte. Schwerlastanwendungen stellen jedoch eine größere Herausforderung für batterieelektrische Fahrzeuge dar. Allein in der EU sind mehr als 6 Millionen schwere Lkw auf den Straßen unterwegs, mit einer prognostizierten Wachstumsrate von mehr als 30 % bis 2050. Diese Fahrzeuge benötigen eine enorme Menge an Energie. Sollen sie alle mit Ökostrom betrieben werden, ist ein enormer Ausbau der regenerativen Stromerzeugung in der EU erforderlich. Diese grüne Energie würde vollständig diesem Zweck gewidmet und könnte nicht in Haushalten oder Industrie verwendet werden. Der Energieverbrauch der gesamten Lkw in der EU lag 2020 bei etwa 640 TWh im Jahr. Die Herausforderung, den Straßenverkehr zu dekarbonisieren, ist somit enorm.

Während Brennstoffzellenfahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) eine große Chance für den kommerziellen Sektor darstellen, ist eine breite Einführung mit Problemen belastet. Aufgrund ihrer hohen Kosten sind sie in Bezug auf die Gesamtbetriebskosten weniger wettbewerbsfähig als BEV oder Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Dadurch sind sie für das Pkw-Segment weniger geeignet. Anders sieht es im kommerzielle Bereich aus. In diesem spielen eine schnelle Betankung und hohe Betriebszeiten eine wichtige Rolle. Deshalb gehen Experten von einer Kostenneutralität bis etwa 2025 für leichte Nutzfahrzeuge [2] und für schwere Diesel-Lkw bis 2031 [3] aus.

Neben Brennstoffzellen beschäftigt sich die Schwerlastwagenindustrie auch mit Wasserstoffverbrennungsmotoren. Ein entscheidender Nachteil bei diesen ist jedoch, dass weiterhin lokale NOx-Emissionen entstehen und daher eine sekundäre Behandlung der Abgase des Verbrennungsprozesses (SCR) erforderlich sein kann. Eine kurzfristigere Markteinführung von Lkw mit Wasserstoffverbrennungsmotor könnte jedoch zur Entwicklung einer Wasserstoffkraftstoffinfrastruktur beitragen und den Weg für die längerfristige Einführung von Brennstoffzellen-Lkw ebnen. Auf diese Weise sind Wasserstoffverbrennungsmotoren und Brennstoffzellen komplementäre Technologien, die beide die Wasserstoffwirtschaft vorantreiben.

Unter den verschiedenen Brennstoffzellenvarianten zieht gegenwärtig die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) im Transportsektor große Aufmerksamkeit auf sich – insbesondere in Nutzfahrzeugen, die typischerweise mehr als 25 000 Betriebsstunden benötigen. Von den vielen Herausforderungen auf Komponentenebene ist eine der kritischsten die Auswahl des richtigen Materials für die Komponenten, um die ständig steigenden Anforderungen an Leistungsdichte und Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu erfüllen. DSM Engineering Materials hat unter dem Namen Xytron ein Polyphenylensulfid (PPS) speziell für Brennstoffzellen entwickelt. Es verringert das Auslaugen von Ionen und des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC), ermöglicht eine ausgewogenere mechanische Leistung sowie eine höhere Integration des Brennstoffzellensystems und sorgt letztlich für höhere Leistungsdichten sowie längere Betriebszeiten der Brennstoffzelle.

Brennstoffzellenfahrzeuge sind entscheidend für die Bereitstellung eines kohlenstoffarmen Verkehrs. Es wird erwartet, dass die Well-to-Wheel-Treibhausgasemissionen auf nahezu Null reduziert werden, sobald Wasserstoff mithilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Windkraftanlagen und Solarkollektoren hergestellt wird. Da die beiden kohlenstoffarmen Transportoptionen – FCEV und batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) – oft direkt miteinander verglichen werden, ist es wichtig sich zu verdeutlichen, dass Batterien Energiespeichergeräte und Brennstoffzellen Energieumwandlungsgeräte sind. Letztere verwenden typischerweise Wasserstoff sowohl zur Energiespeicherung als auch zur Umwandlung. Diese beiden erneuerbaren Transportoptionen weisen einige deutliche Unterschiede auf. BEV übertreffen FCEV in puncto Energieeffizienz, die Ladeinfrastruktur sowohl an öffentlichen als auch privaten Standorten ist besser ausgebaut und sie verfügen über niedrigere Systemkosten.

Wasserstoff bietet hingegen mehrere Vorteile im Vergleich zu alternativen Kraftstoffen und BEV im Transportwesen:

<ul><li>keine Emissionen beim Einsatz in Brennstoffzellen und begrenzte NOx-Emissionen beim Einsatz in Verbrennungsmotoren: Das ergibt einen deutlichen Vorteil gegenüber mineralölbasierten Kraftstoffen.</li><li>wesentlich kürzere Betankungszeiten von etwa 3 min (vergleichbar mit Benzinbetankung): Das stellt gegenüber den langen Ladezeiten von BEV einen erheblichen Vorteil dar.</li><li>längere Fahrstrecken ohne das zusätzliche Gewicht schwerer Batterien: Ein Schwerlast-Lkw der Klasse 8 benötigt für 500 km Reichweite ein Batteriepaket mit bis zu 1800 kWh, das bis zu 8 t wiegt.</li><li>deutlich höhere Wetteranpassungsfähigkeit und geringere Entladekapazität bei Minusgraden: Die Leistung von FCEV bei –30 °C ist nachgewiesen.</li></ul>

Diese Unterschiede bestimmen weitgehend, für welche Anwendungen sich die Technologien am besten eignen. BEV erweisen sich als sinnvolle Alternative für Pkw, während FCEV eher für Nutzfahrzeuge geeignet sind (Bild 2).

Ein typisches Brennstoffzellenantriebssystem besteht aus Hochdruckwasserstofftanks (mit bis zu 700 bar), einem Brennstoffzellen-Stack, einem zusätzlichen Hochvolt-Lithiumionen-Batteriepack, einer integrierten E-Achse, einem integrierten peripheren Teilsystem, beispielsweise einem Medienverteiler, einer integrierten Isolierplatte, einem Wasserabscheider, einem Luftbefeuchter, einem Ionentauscher, Ventilen und weiteren Komponenten (Bild 3).

Im Gegensatz zu BEV, die vollständig auf die Leistung von Lithiumionenbatterien angewiesen sind, tragen FCEV ein elektrochemisches Stromerzeugungssystem: den Brennstoffzellen-Stack (BZ), der Wasserstoff und Sauerstoff in Strom umwandelt (Bild 4). Wärme und Wasser sind die einzigen Nebenprodukte bei diesem Prozess. Der BZ-Stack als Herzstück des Antriebsstrangs besteht aus Hunderten von Einzelzellen und verschiedenen Komponenten aus Kunststoff oder Metall. Es ist ein sehr ausgeklügeltes Gerät, weshalb externe Kontamination, wie Ionenkontamination und organische Moleküle, seine Haltbarkeit und Effizienz ernsthaft gefährden können. Eine sorgfältige und wohlüberlegte Materialauswahl für den Bau des BZ-Stacks und seines Systems ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil des Entwicklungs- und Herstellungsprozesses.

PEMFC-Systeme arbeiten unter rauen Bedingungen mit Temperaturen von 80 bis 110 °C, bei mildem bis mittlerem Säuregehalt und vollständig feuchten Bedingungen. Verschiedene Materialien wie Metalle, Gummi und Thermoplaste werden verwendet, um solche Brennstoffzellensysteme zu bauen. Technische Kunststoffe werden häufig aufgrund ihrer einfachen Verarbeitbarkeit, ihres geringen Gewichts und ihrer intrinsischen elektrischen Isolationseigenschaften ausgewählt. Es gibt eine Vielzahl an technischen Kunststoffen, die verwendet werden können.

Risiken einer unsachgemäßen  Materialauswahl

Für Brennstoffzellensysteme von Nutzfahrzeugen, die für den Langzeitbetrieb in rauen Arbeitsumgebungen ausgelegt sind, ist die Materialauswahl noch einmal schwieriger. Wichtige Kriterien sind: eine sehr geringe Auswaschung von Ionen und organischer Kohlenstoffmolekülen, eine ausgezeichneten Hydrolyse-, Chemikalien- und mechanische Kriechbeständigkeit sowie eine hohe Dimensionsstabilität. Eine falsche Materialauswahl kann zu katastrophalen Ausfällen der Brennstoffzelle führen (Bild 5). Folgende Probleme können auftreten:

<ul><li>Ausgelaugte Ionen, Anionengifte und Kationen, insbesondere hochvalente Metallionen, zeigen eine viel höhere Affinität zu Sulfonsäuregruppen (-SO3H) als Protonen. Das verringert die Leistungsabgabe des Stacks erheblich. Studien zeigen, dass bereits 5 ppm Al3+-Verunreinigungen in der Membran zu einer vollständigen Funktionsstörung der Zelle führen können. In Versuchen konnte DSM folgende Einstufung der Metallkationen im Hinblick auf ihre Affinität zur Sulfonsäuregruppe feststellen (siehe Formel). Das Auslaugen von Ionen im Wärmemanagementsystem beschleunigt auch die Korrosion metallischer Bipolarplatten und verringert das elektrische Isolationsniveau des Fahrzeugs.</li></ul>

<ul><li>Eine starke Auswaschung der organischen Kohlenstoffmoleküle (TOC), die den Katalysator maskieren und die Gasdispersionsschicht (GDL) blockieren, führt zu einer erheblichen Verringerung der exponierten Oberfläche des reaktiven Katalysators und einer geringeren Gasübertragungseffizienz.</li><li>Auch kommt es teilweise zu Verformungen von Bauteilen aufgrund von hydrolytischem Materialabbau und zu einer Verringerung der mechanischen Kriechfestigkeit aufgrund der reduzierten Glasübergangstemperatur (Tg). Das geschieht meistens bei Polyamid-Compounds (PA) und führt schließlich zu Medienleckagen. Dadurch wird die Ausgangsleistung des Stacks verringert und instabil.</li></ul>

Unter verschiedenen Materiallösungen hat sich PPS als der geeignetste Werkstoffkandidat für Brennstoffzellen herausgestellt. Es verfügt über eine sehr gute chemische und hydrolytische Beständigkeit, eine geringe Ionenauswaschung, eine sehr gute mechanische Beständigkeit und eine hervorragende elektrische Isolationseigenschaft in Heißwasserbedingungen. Die von DSM entwickelten PPS-Compounds unterdrücken das Ionenauslagung des Materials und verfügen über eine deutlich verbesserte Langzeithydrolysebeständigkeit. DSM hat außerdem mit Xytron G4080HRE ein schlagzähmodifiziertes Compound entwickelt. Es besitzt eine verbesserte Duktilität mit nur geringen Abstrichen bei E-Modul und Festigkeit im Vergleich zum vorherigen PPS-GF40-Compound Xytron G4080HR. Die Xytron-PPS-Compounds von DSM verfügen über eine geringere Ionenauswaschung, eine hohe hydrolytische und chemische Beständigkeit, eine sehr gute mechanische Kriechfestigkeit und ausgewogene mechanische Eigenschaften. Sie übertreffen dadurch vergleichbare PPS-Compounds (Tabelle).

Durch systematische wissenschaftliche Studien hat DSM mehr als 10 000 Materialmessdaten von Brennstoffzellenbetriebsbedingungen gesammelt. Daraus konnte DSM zwei Vorhersagemodelle entwickeln: Das erste berechnet die mechanische Retention des Materials in Wasser und Wasserglykolmischungen über einen langen Zeitraum, was eine präzise Vorhersage der Materialleistung über 80 000 h ermöglicht. Das zweite ist ein Modell zur Vorhersage der Zellpolarisationskurve und prognostiziert die Brennstoffzelleneffizienz bei Ionen- und TOC-Auslaugung im Laufe der Zeit. Dieses grundlegende Wissen ermöglichte es DSM, seine Produkte für Brennstoffzellen deutlich zu verbessern. Sie übertreffen dadurch andere vergleichbare Polymere in Bezug auf Hydrolysebeständigkeit, Ionen- und TOC-Auswaschung, langfristiges mechanisches Kriechen, Ermüdung und Dimensionsstabilität.

Die entwickelten PPS werden bereits von verschiedenen Unternehmen für ihre Brennstoffzellensysteme verwendet. Zum Beispiel wählte SHPT, ein chinesischer Hersteller von Brennstoffzellenantriebssträngen, Xytron G4080HRE für seine neueste Brennstoffzellenplattform Prome P4H aus (Bild 6).

Auch die Wasserstoffspeicherung ist ein wichtiges Element des wasserstoffbetriebenen Antriebsstrangs. Die gewichtsbezogene Energiedichte (J/kg) von Wasserstoff ist höher als die von Normalbenzin, aber aufgrund seines gasförmigen Charakters bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck hat es eine sehr geringe volumenbezogene Energiedichte.

Die Schwierigkeiten der H2-Speicherung

Die Industrie hat mehrere Optionen untersucht, um diese Herausforderung zu bewältigen und eine mit vollelektrischen sowie benzin- und dieselbetriebenen Fahrzeugen vergleichbare Reichweite zu gewährleisten. Über die Lösung, den Wasserstoff zu komprimieren und in einem Druckbehälter zu speichern, scheint sich nun ein Konsens anzubahnen. Um das Gewicht des Druckbehälters zu reduzieren, wird ein sogenannter Typ-IV-Druckbehälter gegenüber einem aus Stahl oder aus einem Stahl-Aluminium-Composite-Hybrid (Typ I – III) bevorzugt. Typ-IV-Druckbehälter werden hergestellt aus einer thermoplastischen Auskleidung, um die Barriereeigenschaften zu steuern, und einer duroplastischen Verbundschicht auf Kohlefaserbasis, um dem hohen Druck standzuhalten. Sowohl PA als auch PE werden bei der Herstellung solcher Auskleidungen als Polymermaterialien betrachtet. Bei PA sind die am häufigsten in Betracht gezogenen Materialien PA6- und PA11-Compounds.

Beim intrinsischen Permeationsverhalten ist PA6 PE-HD um den Faktor 10 und PA11 um den Faktor 7 überlegen (Bild 7). Auch schlagzähmodifizierte PA6-Compounds, wie Akulon Fuel Lock von DSM, kommen auf eine deutlich bessere Barriereleistung als PA11 und PE-HD. Bei Analysen des Permeationsverhalten mit molekularen Simulationen zeigte sich, dass sehr wahrscheinlich der Unterschied mit der Löslichkeit des Wasserstoffs in den Polymermaterialien skaliert und die Löslichkeit mit der Konzentration oder Dichte von Amidbindungen, oder deren Fehlen im Fall von PE-HD, in den Polymerketten.

Die Herstellung und Nutzung von grünem Wasserstoff bieten eine neue Möglichkeit emissionsfreier Energie und einer möglichst geringen Umweltbelastung. Das trägt zu einer CO2-neutralen Gesellschaft bei. Die PEMFC-Technologie kann eine Antwort für den Verkehrssektor sein. Sie ist nicht auf den Automobilsektor beschränkt, sondern kann auf Gabelstapler, Flugzeuge, Züge, Boote und Drohnen angewendet werden. Zusammen mit der Produktion und Speicherung von grünem Wasserstoff bildet das eine Technologieplattform mit enormen Möglichkeiten. Viele Länder treiben bereits ehrgeizige Wasserstoffpläne voran.

Um diese neuen Herausforderungen anzugehen, hat DSM sein Polymerportfolio speziell für den Wasserstoffbereich erweitert. Das Ergebnis sind die Xytron-PPS für Brennstoffzellensysteme und die Akulon-Fuel-Lock-Familie für die Wasserstoffspeicherung bei hohen Drücken. Ziel ist es, die Entwicklung zuverlässiger Brennstoffzellenantriebe für den gewerblichen Verkehr und die Wasserstofferzeugung aus der Elektrolyse zu unterstützen. Die Xytron-PPS-Reihe umfasst Produkte mit ausgewogener mechanischer Leistung, sehr langer Ionen- und TOC-Auswaschung, superhydrolytischer Beständigkeit, sehr guter mechanischer Kriech- und Ermüdungsleistung nach Alterung und sehr guten elektrischen Isolationseigenschaften unter den Betriebsbedingungen von Brennstoffzellen. Akulon Fuel Lock bietet die niedrigste Wasserstoffpermeation aller getesteten Materialien und gleichzeitig eine sehr gute mechanische Leistung, auch bei niedrigen Temperaturen. Zusammen decken die Produktreihen das gesamte Wasserstoffsystem in Verkehrsanwendungen ab.

[1] <a href="http://www.IEA.org" target="_blank">www.IEA.org</a>

[2] BNEF 2020, „Hydrogen Economy Outlook“

[4] Jiao, K., Xuan, J., Du, Q. et al. Designing the next generation of proton-exchange-membrane fuel cell. Nature 595, 361–369 (2021)

DSM Engineering Materials B.V.  

Ausgabenartikel KU02-23

Brennstoffzellensysteme bietet sich besonders für Transportfahrzeuge wie Schwerlast-Lkw an.

Bild 6. Für sein Brennstoffzellensystem SHPT Prome P4H nutzt der chinesische Hersteller SHPT ein PPS von DSM.

Bild 7. Wasserstoffpermeation verschiedener Materialien: PA6 erreicht im Vergleich die besten Werte.

Bild 1. Globale Wasserstoffnutzung nach Industrien: Der Verkehrssektor spielt dabei bisher nur eine sehr untergeordnete Rolle.

Bild 2. Erwartete zukünftige Verteilung der Antriebsarten auf die verschiedenen Verkehrssektoren: Elektrofahrzeuge werden vor allem bei Pkw, Brennstoffzellen eher bei Transportfahrzeugen eine große Rolle spielen. 

Bild 3. Überblick über ein vollständiges Brennstoffzellensystem

Bild 4. Explosionsansicht einer einzelnen Zelle eines Stacks: Die Materialauswahl für die verschiedenen Bestandteile spielt eine sehr wichtige Rolle.

Bild 5. Potenzielle Defekte in Brennstoffzelle aufgrund einer falschen Kunststoffauswahl: Gerade das Auslaugen von Ionen und die Auswaschung der organischen Kohlenstoffmoleküle stellt ein großes Problem dar.

Tabelle. Vergleich verschiedener Polymere in den für Brennstoffzellen üblichen Arbeitsbedingungen

KU 3-23_DSM - Hauptartikel

Zuverlässigere Materialien für Brennstoff-Lkw

Dipl.-Ing. Yu Bin ist Global System Expert E-Mobility bei DSM Engineering Materials; <a href="mailto:bin.yu@dsm.com">bin.yu@dsm.com</a>

Dr. Bert Keestra arbeitet als Global System Expert Tanks and Containers bei DSM Engineering Materials; <a href="mailto:bert.keestra@dsm.com">bert.keestra@dsm.com</a>

Dr. Tamim P. Sidiki ist Global Marketing Director Mobility bei DSM Engineering Materials; <a href="mailto:tamim.sidiki@dsm.com">tamim.sidiki@dsm.com</a>