Читать книгу Wasserstoff und Brennstoffzellen - Sven Geitmann - Страница 29

Neben einer guten Kenntnis über die Stoffeigenschaften von Wasserstoff ist es darüber hinaus hilfreich und aus Sicherheitsgründen notwendig, auch das Verhalten anderer Stoffe beim Kontakt mit diesem Medium zu kennen. Dies betrifft sowohl die für das Kraftstoffsystem verwendeten Materialien, als auch andere Substanzen, mit denen der Kraftstoff im Unglücksfall in Kontakt kommen könnte (z. B. Hydrauliköl, Schmieröl, Kühlflüssigkeit, Dichtungsgummis usw.).

Besonders bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Kraftstoff ist wegen der damit verbundenen niedrigen Temperatur auf besondere Sorgfalt bei der Materialwahl zu achten (Kalt-Versprödung). Wie diese Bezeichnung schon erahnen lässt, ist die Kalt-Versprödung begründet in den niedrigen Temperaturen, die viele Materialien spröde und hart macht. Je niedriger die Temperatur ist, desto empfindlicher werden die Substanzen gegen äußere Einflüsse wie Stoß oder Verformung. Die Werkstoff-Kunde hat in diesem Bereich jedoch bereits ausreichende Erkenntnisse über das Materialverhalten verschiedener Legierungen, so dass auch für den kryogenen Bereich geeignete Werkstoffe zur Verfügung stehen.

Unabhängig von der Kalt-Versprödung gibt es noch ein ganz spezielles Material-Problem im Zusammenhang mit dem Medium Wasserstoff, die so genannte Wasserstoff-Versprödung, wobei es hierfür verschiedene Ursachen gibt. Einmal gibt es die H₂-Versprödung bei Umgebungstemperatur, wobei atomarer Wasserstoff in die Metallgitter eindringen kann. Neben der Aufspaltung des Wasserstoff-Moleküls entsteht atomarer Wasserstoff ebenfalls durch die Dissoziation von Gasen (z. B. H₂S, HCl, HCN). Die Versprödung tritt dann speziell an der Oberfläche bei plastischer Verformung infolge von äußeren Krafteinwirkungen auf, weil der Zusammenhalt des Metallgitters geschwächt ist. Die bei der Verformung in das Werkstück eingebrachte Energie wird als Dissoziationsenergie genutzt, so dass atomarer Wasserstoff in das Gefüge eindringt und dort die Bindungskräfte aufhebt.

Außerdem kann es bei Temperaturen oberhalb von 200 °C zu einer chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoff oder anderen Legierungsbestandteilen von legiertem Stahl kommen. Dabei handelt es sich um eine irreversible Umstrukturierung des Metallgitters (Bildung von Blasen oder Rissen), die ebenfalls zu einer Versprödung führen kann.

Darüber hinaus können Dichtigkeitsprobleme auftreten. Wasserstoff-Moleküle sind sehr klein und können durch enge Ritzen und Spalten entweichen. Verbindungsstellen und Dichtungen, die eigentlich wasser- und luftdicht sind, können diese Moleküle passieren lassen.

Normalerweise werden in der Kryogen-Technik Metalle wie Kupfer, Aluminium und Titan nebst deren Legierungen sowie Eisen-Nickel-Legierungen und austenitische Chrom-Nickel-Stähle verwendet. Edelstahl ist im Allgemeinen auf Grund seiner Struktur gut geeignet für tiefkalte Armaturen, weil auch bei niedrigen Temperaturen noch eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Zähigkeit vorliegen. Wird dieses Material jedoch in kaltem Zustand plastisch verformt, kann es zu einer Strukturveränderung kommen (austenitisch wechselt in martensitisch) mit veränderten Festigkeitseigenschaften. [Hübner, 2001], [Gradt, 2001]

Neben den Stoffeigenschaften der Materialien ist ebenso deren Handhabung von elementarer Bedeutung. Zur Fertigung von wasserstoffführenden Systemen sind Schweißverfahren notwendig, die qualitativ hochwertige Verbindungen erzeugen (hohe Bruchfestigkeit bei niedrigen Temperaturen). Am besten geeignet ist das Niederdruck-Elektronenstrahl-Verfahren (Reduced Pressure Electron Beam Welding RPEBW). Es erfüllt drei wichtige Anforderungen [Tanaka, Fujii, 2001]:

1. eine hohe Bruchfestigkeit

2. eine gute Gefügequalität bei kryogenen Temperaturen

3. eine hohe Leistungsfähigkeit