Die entscheidende Rolle von PTFE-Dichtungen in Elektrolyseuren

Teststack mit 100 Dichtungen (Bildquelle: Teadit)

Die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse hat sich zu einer Schlüsseltechnologie der Energiewende entwickelt. Damit Elektrolyseure zuverlässig, effizient und sicher arbeiten, ist die Wahl der richtigen Dichtungen von entscheidender Bedeutung. Sie verhindern Leckagen, sichern die Trennung von Gasräumen und tragen maßgeblich zur Lebensdauer des Gesamtsystems bei.

Als bevorzugtes Dichtungsmaterial hat sich Polytetrafluorethylen (PTFE) etabliert. Es überzeugt durch hohe chemische Beständigkeit, mechanische Stabilität und ausgezeichnete elektrische Isolationsfähigkeit. In alkalischen Elektrolyseuren erreichen PTFE-Dichtungen Standzeiten von bis zu drei Jahrzehnten, ohne nennenswerte Materialdegradation. Alternative Materialien konnten bislang keine vergleichbare Langzeitstabilität unter den extremen Betriebsbedingungen nachweisen. Besonders relevant sind dabei strukturierte PTFE-Varianten, die durch die Zugabe von Füllstoffen eine erhöhte Formstabilität und eine geringere Kriechneigung zeigen, sowie expandiertes PTFE mit seiner charakteristischen mikroporösen Struktur, die hohe Kompressibilität und Elastizität ermöglicht. Diese Eigenschaften machen es vor allem zur Abdichtung unebener Oberflächen geeignet.

Hydraulische Presse mit 4 Dichtungen und 3 metallischen Platten zwischen den Dichtungen. (Bildquelle: Teadit)

In den verschiedenen Elektrolyseurtypen ergeben sich unterschiedliche Anforderungen. Während alkalische Systeme mit KOH- oder NaOH-Elektrolyten arbeiten und deshalb eine ausgeprägte chemische Beständigkeit erfordern, kommt es in PEM-Elektrolyseuren mit Protonenaustauschmembranen besonders auf sehr dünne Dichtungen bei niedriger Schraubenvorspannung an. Strukturiertes PTFE hat sich hier bewährt, da es trotz geringer Dichtungsdicke zuverlässig abdichtet. In alkalischen Systemen wiederum wird expandiertes PTFE bevorzugt eingesetzt, weil es auch unter hohem Druck und bei erhöhten Temperaturen seine Dichtungsfunktion langfristig beibehält. In beiden Fällen gilt, dass die Dichtungen nicht nur chemisch kompatibel sein müssen, sondern auch mechanische Stabilität, Temperatur- und Druckbeständigkeit sowie elektrische Isolationsfähigkeit gewährleisten müssen.

Mechanische Belastungen und Kriechverhalten

Um das reale Verhalten von Dichtungen in Stacks zu untersuchen, wurde ein spezieller Prüfstand entwickelt, der den Betrieb mit bis zu hundert Dichtungen gleichzeitig simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass herkömmliche Einzeltests das tatsächliche Verhalten im Stapel nicht adäquat abbilden. Insbesondere das Kriech- und Relaxationsverhalten tritt bei einer Vielzahl von Dichtungen deutlich stärker in Erscheinung. Die größten Spannungsverluste wurden in den ersten Betriebsstunden festgestellt, weshalb Nachziehen oder der Einsatz von Tellerfedern erforderlich sind, um die Vorspannung dauerhaft stabil zu halten. Auf Basis der Ergebnisse konnten Modelle wie das viskoelastische Burger-Modell angepasst werden, die eine Vorhersage von Spannungsverlusten ermöglichen und die Auslegung von Live-Loading-Systemen unterstützen.

Ergebnisse des Materialflusses im für verschiedene Materialien und Dichtungsdicken. (Bildquelle: Teadit)

Neben mechanischen Eigenschaften ist auch die chemische Beständigkeit von zentraler Bedeutung. Untersuchungen mit rPTFE-B2 in Kaliumhydroxidlösung bei erhöhter Temperatur zeigten zwar optische Veränderungen wie eine Verdunkelung und leichte Anpassungen der Kompressibilität, jedoch keine signifikanten Masse- oder Festigkeitsverluste. rPTFE-F blieb vollständig stabil, während expandiertes PTFE allgemein als chemisch beständig gilt. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Wahl der Füllstoffe für das Verhalten der Dichtungen im Elektrolysebetrieb entscheidend ist.

Sicherheit und Installation im Betrieb

Ein weiterer kritischer Aspekt ist die Installation. Bei mehreren hundert Dichtungen im Stack führt die Komprimierung zu erheblichem Zeitaufwand und zu potenziellen Problemen durch Intrusion, also dem Eindringen von Dichtungsmaterial in Strömungskanäle. Hier haben sich vorgedichtete ePTFE-Varianten als besonders vorteilhaft erwiesen. Sie reduzieren die Installationszeit um bis zu siebzig Prozent und minimieren gleichzeitig die Materialintrusion, ohne die Dichtheit zu beeinträchtigen. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Effizienzsteigerung im Betrieb.

Von zentraler Bedeutung bleibt zudem die Sicherheit. Leckagen innerhalb des Stacks, etwa durch sogenanntes Hydrogen Crossover, stellen ein erhebliches Risiko dar. Bereits geringe Mengen an Wasserstoff im Sauerstoffraum können katalytische Verbrennungen und Hotspots verursachen. Daher gelten strengste Anforderungen an die Dichtheit, wobei die zulässige Durchtrittsrate meist nur zwischen 0,01 und 0,1 Prozent der Gesamtproduktion liegt. Versuche mit Helium als Prüfmedium bestätigten, dass PTFE-basierte Dichtungen diese Anforderungen zuverlässig erfüllen, solange die Flächenpressung im Stack konstant gehalten wird.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Wahl der richtigen Dichtung maßgeblich über die Effizienz, Sicherheit und Lebensdauer von Elektrolyseuren entscheidet. PTFE-basierte Lösungen haben sich dabei als Standard etabliert. Strukturiertes PTFE eignet sich besonders für PEM-Systeme, während expandiertes PTFE in alkalischen Elektrolyseuren überzeugt. Weiterentwicklungen wie vorgedichtetes ePTFE-RGD verbessern Montagefreundlichkeit und Betriebssicherheit zusätzlich. Entscheidend für die Zukunft ist, dass Dichtungen nicht nur anhand einzelner Materialkennwerte bewertet werden, sondern in realitätsnahen Tests im Stack geprüft werden. Nur so lassen sich zuverlässige und langlebige Lösungen entwickeln, die eine nachhaltige und sichere Wasserstoffwirtschaft unterstützen.