16.09.2020

Die BAM verfügt über umfassende Expertise im Bereich Materialien und Werkstoffe, besonders auf dem Gebiet der Eigenschaftscharakterisierung und der Beurteilung der Eignung für eine sichere und nachhaltige Nutzung der entsprechenden Komponenten, Anlagen und Systeme. Im Fokus steht die Charakterisierung und Modellierung der wasserstoffabhängigen Material- und Werkstoffeigenschaften über die gesamte Nutzungsdauer. Zudem werden Werkstoffveränderungen unter extremen Bedingungen untersucht, z.B. bei hohen und tiefen Temperaturen und Drücken in unterschiedlichen wasserstoffführenden Medien. Die Basis dafür bilden wissenschaftliche Ansätze und Modellierungen von werkstofftechnischen Mechanismen bis hin zum Life Cycle Engineering von Komponenten, Anlagen und Systemen.

Nachfolgend sind ausgewählte Beispiele unserer Arbeit beschrieben. Detaillierte Informationen dazu finden Sie in unserer Broschüre "Wasserstoff: Unser Beitrag zur Sicherheit" (PDF) .

Tribologie – Welche Schmierstoffe brauchen wir bei der Nutzung von Wasserstoff?

Der Oberbegriff „Tribologie“ fasst das Gesamtgebiet von Reibung, Verschleiß und Schmierung zusammen. Beispiele für tribologisch beanspruchte Bauteile sind Lager, Kolbenringe, Dichtungen und Gelenke. Wasserstoffumgebung stellt besondere Anforderungen an derartige Bauteile. Die BAM verfügt über spezielle Versuchsapparaturen, um Reibungs- und Verschleißkenngrößen in flüssigem und gasförmigem Wasserstoff zu ermitteln. Aktuell werden hauptsächlich polymere Verbundwerkstoffe sowie reibungsmindernde, verschleißbeständige Beschichtungen untersucht. Für die praktische Anwendung lassen sich in denselben Apparaturen aber auch Bauteile wie z. B. Kugellager testen. Außerdem steht eine Pumpe für Flüssigwasserstoff zur Verfügung, in der u. a. Werkstoffe für Kolbendichtungen unter Realbedingungen getestet werden können.

Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass einige Materialien in Wasserstoff, sogar in tiefkalt verflüssigter Form, günstigere Eigenschaften aufweisen als an Luft. Dies sind z. B. einige Hochleistungskunststoffe in reiner Form oder als Komponenten von Verbundwerkstoffen. Auch Festschmierstoffe wie etwa Graphit oder Molybdändisulfid – ob als dünne Beschichtung oder als Beimischung zu Kompositwerkstoffen – haben sich als gut geeignet erwiesen. Bei den Beschichtungen sind solche aus amorphem diamantartigem Kohlenstoff besonders interessant, da sie teilweise sogar Reibungszahlen und eine Lebensdauer im Bereich von fett- oder ölgeschmierten Systemen erreichen. Aus dem Bereich der Metalle wurden austenitische Edelstähle untersucht, die standardmäßig für Behälter und Rohrleitungen eingesetzt werden, da sie als unkritisch gegen wasserstoffbedingte Degradation gelten. In Reibsystemen wurden jedoch Gefügeumwandlungen nachgewiesen, die dann wieder Rissbildung zur Folge hatten.

Werkstoffe für Wasserstoff

Produktion, Speicherung und Transport von Wasserstoff als zukünftiger Energieträger stellen hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien und bedingen eine sorgfältige Verarbeitung.

Dem nützlichen Einsatz von Wasserstoff als Energieträger sollten solche negativen Wirkungen nicht entgegenstehen. Phänomenologisch sind sie abhängig von der auslösenden lokalen mechanischen Beanspruchung, der vorliegenden Mikrostruktur und der Höhe der Wasserstoffkonzentration. Die BAM beschäftigt sich wissenschaftsbasiert sowohl mit den Phänomenen als auch mit den Mechanismen von Wasserstoff in Metallen, um Möglichkeiten und Einsatzgrenzen für die jeweiligen Komponenten zu identifizieren, um insbesondere eine unerwartete und spröde wasserstoffunterstützte Rissbildung und damit verbundene Sicherheitsrisiken weitestgehend auszuschließen.

Wasserstoffabsorption, -diffusion und -messung

Die für ein bestimmtes Gefüge risskritische Wasserstoffkonzentration ist davon abhängig, wieviel unter den diversen Herstellungs- oder Betriebsbedingungen aufgenommen wird und wie der Wasserstoff sich in dem oft sehr heterogenen Gefüge verteilt. In mehreren Projekten werden in der BAM laufend Werte für den Wasserstofftransport in den verschiedensten metallischen Gefügen ermittelt, so auch für die Werkstoffe für Wasserstofftechnologien. Diese Werte finden unter anderem Eingang in numerische Simulationen der Wasserstoffverteilung und -rissbildung in heterogenen Mikrostrukturen.

Für solche Untersuchungen stehen Analysatoren auf der Basis der Trägergas-Heißextraktion (TGHE) zur Verfügung. Diese Technik stammt ursprünglich aus der Schweißtechnik und wurde im Rahmen der Normungsarbeit (ISO 3690) um eine Massenspektrometrie erweitert, die nun die präzise Bestimmung von Wasserstoffdiffusion und -konzentrationen im ppb- und ppm-Bereich im Temperaturintervall von 20 °C bis 950 °C ermöglicht. Zusammen mit der speziell darauf ausgerichteten experimentellen Mikrostruktursimulation kann das Wasserstofftransportverhalten in den unterschiedlichsten metallischen Werkstoffen untersucht werden. Diese auf vorliegenden Erfahrungen zur wasserstoffunterstützten Risskorrosion und Kaltrissbildung aufbauenden Untersuchungen gewinnen für die neuen Wasserstofftechnologien vor allem im Bereich von Hochdruckanwendungen und Power-to-Gas an Bedeutung.

Wasserstoffabhängige mechanische Eigenschaften und Rissbildung

Die Degradation der mechanischen Werkstoffeigenschaften durch Wasserstoff äußert sich überwiegend in einer reduzierten Duktilität, was manchmal unpräzise als Wasserstoffversprödung (Hydrogen Embrittlement) bezeichnet wird. Bei sehr hohen Konzentrationen kann auch die Festigkeit der Werkstoffe beeinträchtigt sein. Je nach Art und Richtung der mechanischen Beanspruchung kann es zu spröden Werkstofftrennungen kommen, die als wasserstoffunterstützte Rissbildung bezeichnet werden.

Um Kriterien zu ermitteln, unter denen keine Schädigungen einer metallischen Mikrostruktur zu erwarten sind, und umgekehrt für ein besseres Verständnis, wie Wasserstoff die mechanischen Werkstoffeigenschaften herabsetzt, werden in verschiedenen Projekten die wasserstoffabhängigen Materialeigenschaften für metallische Werkstoffe, insbesondere für Stähle, ermittelt. Unter Nutzung der experimentellen Gefüge-Simulation, ermöglicht dies, die gefügespezifische Empfindlichkeit in Form der abnehmenden Duktilität zu ermitteln. Damit können wasserstoffabhängige Risskriterien ermittelt werden, die in entsprechende Simulationen zur Rissinitiierung und zum Risswachstum Eingang finden. Um die mechanischen Eigenschaften und das Rissverhalten von Werkstoffen in verschiedenen Umgebungsmedien, aus denen Wasserstoff absorbiert werden kann, in-situ zu untersuchen, werden Zugversuche unter entsprechend langsamer Dehnung durchgeführt.

Lokalisierung von Wasserstoff durch hochauflösende bildgebende Verfahren

Die BAM hält zurzeit die Technologieführerschaft in den bildgebenden Verfahren zur Visualisierung von Wasserstoffverteilungen und -rissbildung in metallischen Mikrostrukturen. In der Kombination mit konventionellen Prüfverfahren erlauben es solche Imaging-Techniken, die Verteilung und die Wirkung von Wasserstoff in metallischen Mikrostrukturen in-situ zu studieren und sie finden daher auch zunehmend industrielles Interesse in Hinblick auf eine sichere Auslegung von Komponenten für neue Wasserstofftechnologien.

Zurzeit werden zwei Arten von bildgebenden Verfahren weiter an der BAM vorangetrieben, um tiefergehende Aufklärungsarbeit zur Wasserstoffverteilung und Rissbildung in metallischen Werkstoffen sowie in additiv gefertigten und geschweißten Mikrostrukturen zu leisten. Hierbei handelt es sich um die Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) als 2D-Technik unter dem Einsatz von Deuterium mit einer relativ hohen Auflösung und die Neutronentomographie (NT) als 3D-Technik mit einer etwas geringeren Auflösung der Wasserstoffverteilung.

Selbstheilung von Rissen in Dichtungen von Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Hochtemperatur-Brennstoffzellen erhitzen sich im Betrieb auf bis zu 900 °C. Daher stellen sie besonders hohe Anforderungen an die Dichtungen, die alle Bauteile miteinander verbinden. Diese müssen bei hohen Temperaturen beständig, mechanisch stabil, elektrisch isolierend und für Wasserstoffmoleküle undurchlässig sein.

Viele produzierende Unternehmen verwenden deshalb Glas zur Herstellung der Dichtungen. Dabei werden zwei Konzepte verfolgt. Glasige Lote behalten während des Zusammenfügens der Zellenbauteile ihre amorphe Struktur. Glasig-kristalline Lote kristallisieren während des Fügens und besitzen nur noch einen geringen glasigen Anteil. In beiden Fällen können jedoch durch die thermischen Belastungen im zyklischen Betrieb feine Risse beim Abkühlen auftreten, da sich die einzelnen Bauteile unterschiedlich stark zusammenziehen. Austauschen lässt sich eine defekte Dichtung nicht, da sie Teil von bis zu 150 Einzelzellen ist. Im Schadensfall ist es also unvermeidlich, alle Zellen zu wechseln – eine teure und wenig nachhaltige Methode. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert, dass sich Risse während des Betriebs der Brennstoffzelle wieder eigenständig schließen. Eine besonders gute Rissheilung zeigen Dichtungen aus Glas, das nicht kristallisiert. In der idealen Dichtung sollte so viel Kristallphase enthalten sein, dass die Korrosion erschwert wird, aber nicht die erwünschte Rissheilung. Um das richtige Verhältnis aus Glas und kristallinen Anteilen zu finden, wurden an der BAM im Rahmen einer Promotionsarbeit aus einem Natrium-Calcium- Silicatglas niedriger Kristallisationsneigung und Zirconiumdioxid (ZrO2) als inertem, kristallinem Füllstoff Modellgefüge hergestellt.

Projekt Wasserstoffspeicher — Neuartige Speichermaterialien für Wasserstofftankstellen

Komprimiertes Gas bis 900 bar ist nach wie vor Stand der Technik für die H2-Speicherung in Tankstellen oder in Brennstoffzellenfahrzeugen (FCV). Mit Flüssigwasserstoff – als Alternative zu diesen massiven Systemen bezüglich Handhabung und Speicherung – ist es möglich, die Wasserstoffdichte zu erhöhen, allerdings sind Temperaturen unter -240 °C notwendig. Die Kryo-Adsorption in porösen Materialien ist eine attraktive Alternative zwischen den beiden oben genannten Techniken, da sie die Speicherdichten bei einer höheren Temperatur (nahe -196 °C, der Temperatur von siedendem Stickstoff) nahe an die von flüssigem Wasserstoff heranbringen kann. Weiterer Vorteil dieses Mechanismus ist ein niedrigerer Druck als in komprimierten Behältern (80 bar gegenüber 900 bar), der die Sicherheit dieser Systeme erhöht.

Die Implementierung dieser Technologie in mobilen FCV bei geringem Gewicht stellt eine Herausforderung dar. Für die Speicherung von Wasserstoff in größerem Maßstab könnte sie jedoch attraktiv sein, z. B. in Tankstellen für H2-Fahrzeuge. Die BAM ist in Zusammenarbeit mit der H2 MOBILITY GmbH an einem Projekt zur Entwicklung der nächsten Generation von FCV-Tankstellen auf der Basis der H2-Kryo-Adsorption auf modernen porösen Materialien beteiligt. Intensive wissenschaftliche Forschungsanstrengungen während des letzten Jahrzehnts lieferten eine Vielzahl von geeigneten Materialien. Die besten Kandidaten für die H2-Kryo-Adsorption sind die sogenannten MOF-Materialien (Metal-Organic Frameworks), deren bemerkenswerte spezifische Oberfläche (bis zu 10.000 m²/g) zu den höchsten gravimetrischen Speicherkapazitäten unter den porösen Materialien führt.