Von 400 V auf 800 V Systemspannung in PEM-Brennstoffzellenstapeln

Technische Herausforderungen, Degradationsmechanismen und konstruktive Lösungsstrategien beim Übergang von 400 V auf 800 V (und als PDF: Dichtungskonzepte bei Brennstoffzellenstacks)

Der Übergang von 400-V- auf 800-V-Systeme in der Elektromobilität stellt Entwickler von PEM-Brennstoffzellenstapeln vor eine exponentielle Steigerung technischer Herausforderungen. Shunt-Ströme, elektrochemische Degradation, Teilentladungen und thermische Belastungen werden mit steigender Spannung kritischer. Dieser Artikel beleuchtet die physikalischen Grundlagen, analysierten Schadensmechanismen und zeigt konstruktive sowie betriebliche Gegenmaßnahmen auf.

1. Warum die Steigerung der Systemspannung?

Die Elektromobilität strebt nach immer höheren Systemspannungen. Der Wechsel von 400 V auf 800 V ist in erster Linie durch den Wunsch nach kürzeren Ladezeiten sowie reduziertem Kabelgewicht bei gleichbleibender Systemleistung motiviert: Bei doppelter Spannung halbiert sich – gemäß dem Ohmschen Gesetz – die erforderliche Stromstärke, was dünnere Leiterquerschnitte und geringere Widerstandsverluste ermöglicht.

Für PEM-Brennstoffzellenstapel (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) bedeutet diese Entwicklung jedoch weit mehr als eine simple Skalierung. Die elektrischen, elektrochemischen und thermodynamischen Effekte, die bei 400 V noch beherrschbar sind, eskalieren bei 800 V zu systemkritischen Risiken. Im Mittelpunkt stehen dabei Shunt-Ströme, die als parasitäre Ionenströme durch die flüssigen Medien des Stacks fließen und bei höheren Spannungen verstärkt auftreten und zu beschleunigter Materialkorrosion, Isolationsversagen und Sicherheitsrisiken führen.

2. Physikalische Grundlagen der Shunt-Ströme

2.1 Entstehung und Pfade parasitärer Ionenströme

Ein Brennstoffzellen-Stack besteht aus der seriellen Verschaltung von häufig mehreren hundert Einzelzellen, um die für den Antriebsstrang erforderliche Hochspannung zu erzielen. Idealerweise würde der elektrische Nutzstrom ausschließlich durch die Festkörperkomponenten – Gasdiffusionslagen und Bipolarplatten – fließen. Die notwendige Versorgung jeder Einzelzelle mit Reaktanten (H₂, O₂, Produktwasser) und Kühlmittel (deionisiertes Wasser oder Wasser-Glycol-Gemisch) über zentrale Sammelkanäle, die sogenannten Manifolds, erzeugt jedoch kontinuierliche, elektrisch leitfähige Medienpfade über den gesamten Stack hinweg.

Das in diesen Kanälen strömende Kühlmittel sowie das Produktwasser in den Gasräumen bilden eine ionisch leitfähige Brücke zwischen den einzelnen Zellpotentialen. Da jede Zelle in der Serienschaltung ein definiertes Potential gegenüber den Nachbarzellen aufweist, entsteht über die Stapellänge ein kontinuierliches Spannungsgefälle. Die Ionen im Kühlmittel wandern entlang dieses Gradienten – physikalisch entspricht dies einem Leckstrom, der den äußeren Nutzkreislauf umgeht und direkt im Medium in Wärme umgewandelt wird.

2.2 Quantitative Auswirkung der Spannungserhöhung

Die Verdoppelung der Systemspannung von 400 V auf 800 V wirkt sich nicht linear auf die Shunt-Ströme aus. Zwar steigt der ohmsche Anteil proportional zur Spannung – bei konstantem Widerstand des Kühlmittels verdoppelt sich also die Shunt-Stromstärke. Entscheidend ist jedoch, dass elektrochemische Zersetzungsprozesse an den Grenzflächen zwischen Kühlmittel und metallischen Bipolarplatten stark nicht-linear mit dem anliegenden Potential skalieren.

Bei 800 V liegen an den Endzellen des Stacks extrem hohe Potentiale gegenüber dem geerdeten Kühlsystem oder dem Fahrzeugchassis an. Die elektrochemische Triebkraft für Korrosionsreaktionen an Eintrittsstellen des Shunt-Stroms in die Bipolarplatten wird überproportional verstärkt. Viele Materialien, die bei 400 V noch innerhalb eines stabilen Passivitätsfensters arbeiten, werden bei 800 V in aktive Korrosionsbereiche getrieben – mit der Folge beschleunigten Materialabtrags und Ioneneintrags ins Kühlmittel.

3. Schlüsselkomponenten unter erhöhter Spannungslast

3.1 Die Catalyst Coated Membrane (CCM)

Die CCM ist das elektrochemische Herzstück jeder Einzelzelle. Sie ist als effizienter Protonenleiter ausgelegt und isoliert gleichzeitig Elektronen. In einem 800-V-Stack wird sie jedoch zum primären Zielobjekt für die durch Shunt-Ströme freigesetzten Schadstoffe.

Parasitäre Ströme initieren anodische Korrosionsprozesse an den Bipolarplatten, bei denen Metallionen – insbesondere Eisen, Chrom und Nickel aus Edelstahlplatten – in das Kühlmittel eingetragen werden. Diese Ionen gelangen durch Diffusion und elektrochemische Migration in die Membran und besetzen die Sulfonsäuregruppen des Ionomers. Dieser Prozess reduziert die Protonenleitfähigkeit dauerhaft und destabilisiert die Membran chemisch. Unter der hohen elektrischen Feldstärke eines 800-V-Systems wird der Ionentransport in die Membran erheblich beschleunigt, was die Degradationsrate gegenüber 400-V-Systemen signifikant erhöht.

Ein weiteres Risiko besteht in der Bildung von Freien Radikalen. Metallische Kontaminationen katalysieren die Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die über Fenton-ähnliche Reaktionen die Polymerketten der Membran angreifen. Die chemische Degradation äußert sich in Membrandünnung, erhöhter Gaspermeabilität und letztlich in Pinhole-Bildung – einem katastrophalen Versagensmodus.

3.2 Die Subgasketfolie als dielektrische Schutzstruktur

Die Subgasketfolie – typischerweise aus Hochleistungskunststoffen wie Polyethylennaphthalat (PEN), Polyimid (PI), PPSU (Polyphenylsulfon) oder Polyetheretherketol (PEEK) gefertigt – fungiert als mechanische und elektrische Schnittstelle zwischen den Bipolarplatten und dem aktiven Membranbereich. Ihre Aufgabe im 800-V-Kontext ist mehrschichtig.

Erstens verlängert die Subgasketfolie die Kriechstrecken zwischen benachbarten Bipolarplatten im Manifold-Bereich. Ohne diese künstliche Verlängerung des elektrischen Pfades würden Shunt-Ströme nicht nur durch das Medium, sondern auch als Kriechströme entlang der Zellränder fließen. Bei 800 V können solche Kriechpfade zu elektrischen Durchschlägen führen. Zweitens muss die Folie eine ausreichende dielektrische Festigkeit aufweisen, um Feldstärken von mehreren kV/mm dauerhaft standzuhalten, ohne zu altern. Drittens schützt sie die empfindlichen Membranränder vor mechanischer Beschädigung und vor den aggressiven Elektrolyten.

Die konstruktive Auslegung der Subgasketfolie ist für 800-V-Systeme komplexer als für 400-Systeme. Bei der hohen Spannung sind Maßnahmen zur Entzerrung des elektrischen Potentialfelds unverzichtbar (z.B. Abrundung von Kanten). Sonst würden Feldspitzen an Plattenrändern, die wie mikroskopische Blitzableiter wirken, die Isolationsfolie elektrisch Stressen und so den Alterungsprozess beschleunigen bzw. zur Kriechwegsbildung beitragen.

4. Degradationsmechanismen und Schadensbilder

4.1 Elektrochemische Korrosion der Bipolarplatten

Die intensivste Schadensform durch Shunt-Ströme ist die elektrochemische Korrosion der Bipolarplatten an den Stellen, an denen die Ströme ein- oder austreten. An den Zellen nahe dem positiven Stackpol tritt der Shunt-Strom aus der Platte in das Kühlmedium aus. Dieser Prozess entspricht einer anodischen Reaktion: Das Plattenmaterial wird oxidiert, Metallionen werden freigesetzt. An den kathodenseitigen Zellen treten die Ionen wieder ein, was zu einer Verschlechterung der Zell-Leistung durch Einlagerung von z.B. Cu2+ oder Fe2+ Ionen und lokal veränderter Oberflächenchemie in der Membrane führt.

Der resultierende Ioneneintrag in das Kühlmittel ist ein selbstverstärkender Prozess: Mit steigender Metallionenkonzentration erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels, was die Shunt-Ströme weiter ansteigen lässt und die Korrosion beschleunigt. Dieser Teufelskreis führt bei 800-V-Systemen wesentlich schneller zur kritischen Überschreitung von Grenzwerten als bei niedrigeren Spannungen.

4.2 Teilentladungen in der Isolationsstruktur

Bei 400 V ist das Phänomen der Teilentladungen in der Regel noch vernachlässigbar. Bei 800 V hingegen wird es systemkritisch. In mikroskopisch kleinen Lufteinschlüssen, die während der Fertigung in Klebeschichten, Vergussmassen oder in der Subgasket-Struktur entstehen können, ionisiert die Luft aufgrund der hohen elektrischen Feldstärke. Diese Mikroentladungen – für den Betrachter unsichtbar – zerstören den umgebenden Kunststoff durch chemische Degradation (Ozonbildung, radikalische Reaktionen) schleichend von innen.

Da der Prozess äußerlich keine Symptome zeigt, bis ein vollständiger Durchschlag eintritt, müssen Komponenten für 800-V-Systeme absolut porenfrei und lufteinschlussfrei gefertigt werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei den Kanten metallischer Bauteile, da geometrische Feldüberhöhungen an scharfen Kanten den lokalen Feldstärke-Schwellenwert für Teilentladungen stark absenken.

4.3 Elektrolytische Gasbildung im Kühlmittelpfad

Bei einer Gesamtpotentialdifferenz von 800 V über den Stack ist die thermodynamische Triebkraft für die Elektrolyse von Wasser hoch genug, dass in Bereichen mit hoher lokaler Feldstärke Wasserstoff und Sauerstoff entstehen können – selbst in deionisiertem Wasser geringer Restleitfähigkeit. Diese Gasblasen sammeln sich bevorzugt in geometrischen Totvolumina und an den höchsten Stellen des Manifoldsystems an.

Die Konsequenzen sind zweifacher Natur: Erstens unterbrechen Gasblasen den lokalen Wärmeübergang, was zu Hotspots und beschleunigter thermischer Alterung der angrenzenden Strukturen führt. Zweitens stellt sich bei größeren Gasansammlungen die Frage nach der Sicherheit: Sollte im Fehlerfall Wasserstoff in Kontakt mit dem Sauerstoff-Anteil gelangen, entstehen zündfähige Gemische. Die konstruktive Gasabführung und eine ausreichend hohe Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit zur Blasenausleitung sind daher nicht optional, sondern sicherheitsrelevant.

4.4 Thermische Verluste durch Shunt-Ströme

Shunt-Ströme dissipieren ihre Energie als Joulesche Wärme im Kühlmedium und an Einschnürungen der Medienports. In einem 800-V-System kann diese Verlustleistung mehrere Kilowatt betragen und lokal zu Temperaturspitzen führen. Besonders gefährdet sind dabei die Subgasketfolien und die Dichtungswerkstoffe, deren thermische Belastbarkeit begrenzt ist. Überschreitet die lokale Temperatur die Erweichungstemperatur des Kunststoffs, verliert die Folie ihre mechanische Integrität und damit ihre Isolationswirkung – ein Versagensmodell, das bei 400 V selten, bei 800 V jedoch realistisch ist.

4.5 Kapazitive Kopplung und transiente Störungen

Ein 800-V-Brennstoffzellen-Stack besitzt aufgrund seiner großen Fläche und der dünnen Isolationslagen eine erhebliche parasitäre Kapazität gegenüber der Fahrzeugmasse. Beim Zuschalten des Stacks oder bei schnellen Lastwechseln fließen kapazitive Umladungsströme, die von Isolationswächtern des Fahrzeugs unter Umständen als Isolationsfehler fehlinterpretiert werden. Daraus resultierende Sicherheitsabschaltungen unterbrechen den Betrieb ungeplant und können im ungünstigsten Fall die Fahrsicherheit beeinträchtigen. Die Auslegung des Energiemanagementsystems muss diese Transienten berücksichtigen.

4.6 Anforderungen an Gehäuse und Umgebungsmanagement

Die starke elektrostatische Anziehungskraft hoher Spannungen bewirkt eine deutlich aggressivere Ablagerung von Feinstaub und Feuchtigkeit auf spannungsführenden Oberflächen. Bei 400 V ist dieses Phänomen oft noch vernachlässigbar; bei 800 V können sich leitfähige Schmutzfilme auf Isolationsflächen bilden, die über die Zeit zu Kriechstrompfaden und schließlich zu Überschlägen führen. 800-V-Stacks werden daher in hermetisch abgedichteten Gehäusen betrieben, häufig ergänzt durch Trockenmittelpatronen zur Feuchtigkeitskontrolle.

5. Konstruktive und betriebliche Lösungsstrategien

5.1 Geometrische Optimierung der Strompfade

Eine der wirksamsten Maßnahmen zur Reduktion von Shunt-Strömen ist die Verlängerung und Verengung der ionischen Pfade in den Manifolds. Durch eine mäanderförmige Gestaltung oder durch Erhöhung der hydraulischen Länge der Medienzuführkanäle steigt der ionische Widerstand des Strompfads. Dies senkt – bei gegebener Spannung – direkt die Shunt-Stromstärke. Gleichzeitig wird die Subgasketfolie so gestaltet, dass sie die Bipolarplattenkanten vollständig überragt und die Kriechstrecken im Manifold-Bereich maximiert.

Metallische Kanten der Bipolarplatten und der Endplatten werden geometrisch verrundet, um elektrische Feldspitzen zu vermeiden. Diese Optimierung erfolgt heute mittels numerischer Feldsimulation (FEM), da schon geringe Kantenradien die lokale Feldstärke um Faktoren reduzieren können.

5.2 Kühlmittelmanagement und Ionenaustausch

Die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels ist der entscheidende Multiplikator für die Shunt-Stromstärke. In 800-V-Systemen ist der kontinuierliche Einsatz von Ionenaustauscher-Patronen zwingend erforderlich, um die Leitfähigkeit dauerhaft unter 5 µS/cm zu halten. Die Ionenaustauscher-Kapazität muss auf den zu erwartenden Metalleintrag durch Korrosion ausgelegt sein und regelmäßig erneuert werden.

EKonstrukteure sollten an mehreren Stellen im Kreislauf Sensoren für die Leitfähigkeit des Kühlmittels verbauen, um frühzeitig erhöhten Korrosionseintrag zu detektieren. Ein ansteigender Leitfähigkeitstrend ist ein klares Warnsignal für beschleunigten Materialangriff und kann als Diagnoseparameter für den Systemzustand genutzt werden.

5.3 Materialauswahl und Beschichtungskonzepte

Für Bipolarplatten in 800-V-Systemen sind Werkstoffe mit erweitertem Passivitätsfenster erforderlich. Hochlegierte Edelstähle (z. B. Typ 316 L oder speziell entwickelte Legierungen) sowie mit DLC (Diamond-Like Carbon) oder anderen Edelmetallbeschichtungen versehene Platten zeigen deutlich geringere Korrosionsraten bei erhöhten Potentialen. Graphit-Komposit-Platten bieten ebenfalls hohe elektrochemische Stabilität, sind jedoch mechanisch sensibler. Die Auswahl an möglichen Werkstoffen ist groß, ihre Verarbeitbarkeit in einem schnellen Serienprozess jedoch oft eingeschränkt.

Die Subgasketfolie muss nicht nur hohe dielektrische Festigkeit (mindestens 100 kV/mm im Kurzzeitversuch), sondern auch chemische Beständigkeit gegenüber aggressiven Kühlmittelbestandteilen, niedrige Wasserabsorption und ausreichende Kriechfestigkeit unter Temperatur und mechanischer Last aufweisen. Materialien wie Polyimid (PI), Polyphenylsulfon (PPSU) oder auch biaxial orientiertes Polyethylennaphthalat (PEN) erfüllen viele dieser Anforderungen, sind jedoch hinsichtlich der spezifischen Betriebsbedingungen (Hydrolyse, O2-Belastung, etc.) zu qualifizieren.

5.4 Porenfrei-Fertigung und Qualitätssicherung

Die Anforderung an porenfreie, einschlussfreie Isolationsstrukturen erfordert Anpassungen in der Fertigungstechnik. Klebeprozesse und Vergussmassen werden z.B. unter Vakuum verarbeitet, um Lufteinschlüsse zu verhindern. Automatisierte optische Inspektion und hochauflösende Röntgenprüfung ermöglichen die zerstörungsfreie Detektion von Fehlerstellen in der Füge- und Isolationsstruktur.

Zur Qualifizierung der fertigen Baugruppen haben sich Teilentladungs-Prüfungen (bereits länger z.B. im Elektromotorenbau als laufende Qualitätsüberwachung eingesetzt) etabliert. Dabei wird die Subgasketfolie unter praxisnahen Bedingungen (Feuchtigkeit, Temperatur, Wechselspannung mit Überspannungspulsen) hinsichtlich Teilentladungseinsetzspannung und -aussetzspannung charakterisiert. Nur Bauteile, die nachgewiesenermaßen über der maximalen Betriebsspannung liegen, werden freigegeben.

5.5 Aktive Überwachungs- und Sicherheitssysteme

Moderne 800-V-Brennstoffzellensysteme sind mit aktiven Isolationswächtern ausgestattet, die den Widerstand zwischen dem Hochvolt-Kreis und der Fahrzeugmasse kontinuierlich überwachen. Da das Kühlmittel und die Shunt-Ströme eine elektrische Brücke zum Fahrzeugchassis darstellen können, ist diese Überwachung ein kritisches Sicherheitsmerkmal für den Personenschutz gemäß ISO 6469 und ECE-R100.

Die Auslegung der Isolationswächter muss die kapazitive Kopplung des Stacks berücksichtigen, um Fehlauslösungen durch transiente Ausgleichsströme beim Zuschalten zu vermeiden. Adaptive Algorithmen, die zwischen kapazitiven Transienten und echten Isolationsfehlern unterscheiden, sind Stand der Technik und für 800-V-Anwendungen unverzichtbar.

Darüber hinaus sorgt eine kontinuierliche Entgasungseinrichtung im Kühlkreislauf dafür, dass elektrolytisch gebildete Gasblasen zuverlässig abgeführt werden. Die Auslegung der Strömungsgeschwindigkeit im Manifold-System muss sicherstellen, dass Blasen nicht akkumulieren, sondern durch die kinetische Energie des Kühlmittels ausgetragen werden.

6. Nicht nur eine einfache Verdopplung: 800 V

Der Übergang von 400 V auf 800 V Systemspannung in PEM-Brennstoffzellenstapeln ist kein linearer Entwicklungsschritt, sondern ein qualitativer Sprung in der Systemkomplexität. Shunt-Ströme, elektrochemische Korrosion, Teilentladungen, elektrolytische Gasbildung und kapazitive Transienten nehmen in ihrer Kritikalität überproportional zu. Die Konsequenzen reichen von beschleunigtem Materialversagen über Leistungseinbußen bis hin zu sicherheitsrelevanten Szenarien.

Die Beherrschung dieser Effekte erfordert ein synergetisches Zusammenspiel mehrerer Maßnahmenebenen: geometrische Optimierung der Manifolds und Kriechstrecken, kompromissloses Kühlmittelmanagement mit Leitfähigkeitsüberwachung, Einsatz hochstabiler Isolationswerkstoffe mit nachgewiesener Teilentladungsresistenz, porenfreie Fertigungsprozesse sowie intelligente aktive Sicherheitssysteme.

Für die Zukunft sind weitere Entwicklungen in mehreren Bereichen zu erwarten: Neue Membranwerkstoffe mit erhöhter Ionenkontaminationstoleranz, optimierte Beschichtungskonzepte für Bipolarplatten mit erweitertem Passivitätsfenster, KI-gestützte Diagnosealgorithmen für die Isolationsüberwachung sowie Simulationsplattformen, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Shunt-Strömen, Kühlmittelchemie und Materialzustand abbilden. Dieser integrierte Entwicklungsansatz kann die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von 800-V-Brennstoffzellensystemen ermöglichen, der für den kommerziellen Erfolg von Brennstoffzellen unerlässlich ist.

Schlüsselerkenntnisse: Shunt-Ströme verdoppeln sich nicht nur proportional zur Spannung – elektrochemische Korrosion, Teilentladungen und Gasbildung skalieren stark nicht-linear. Die Kombination aus geometrischer Optimierung, aktivem Kühlmittelmanagement (Ziel: < 5 µS/cm), porenfreier Fertigung und intelligenter Isolationsüberwachung ist die tragfähige Antwort auf die Herausforderungen der 800-V-Ära. Allerdings sind diese Herausforderungen bereits länger bekannt und sind bei entsprechender Ingenieur-mäßigen Auslegung eher zum Lebensende hin (Degradation) zu erwarten.

Die Subgasket-Folie: weit mehr als nur ein „Rahmen“ für die Membran

Insbesondere in einem 800-V-Brennstoffzellen-Stack übernimmt die Rahmenfolie um die CCM herum eine multifunktionale Schlüsselrolle, die genau an der Schnittstelle zwischen robuster Mechanik, hochsensibler Elektrochemie und extremer Elektrotechnik liegt.

1. Elektrotechnische Aufgaben

In einem Hochvolt-System ist die Subgasket-Folie das primäre Bauteil zur Gewährleistung der Dielektrischen Integrität (Schutz vor Kurzschluß).

Verlängerung der Kriechstrecken: Die Folie ragt über die aktive Fläche hinaus in die Manifold-Bereiche. Damit vergrößert sie den physischen Weg, den ein Strom über eine Oberfläche zurücklegen müsste (Kriechweg), um von einer Bipolarplatte zur nächsten zu gelangen. Bei 800 V ist dies essenziell, um Kriechströme (Tracking) zu verhindern.
Isolationsbarriere gegen Feldspitzen: Sie dient als dielektrischer Puffer an den Kanten der Bipolarplatten. Da dort die höchsten Feldstärken auftreten, verhindert die Folie durch ihre hohe Durchschlagsfestigkeit (gemessen in kV/mm), dass es zu Teilentladungen oder gar Lichtbögen zwischen den Platten kommt.
Kapazitive Entkopplung: Sie beeinflusst die Kapazität der Einzelzelle. Eine präzise gewählte Dicke und Permittivität der Folie hilft dabei, die kapazitiven Ladeströme bei schnellen Lastwechseln im 800-V-Netz zu kontrollieren.

2. Physikalisch-mechanische Aufgaben

Physikalisch betrachtet agiert die Subgasket-Folie als strukturelles Bindeglied und Schutz für die PEM-CCM zwischen Bipolarplatten und Gasdiffusionslayern (GDL):

Mechanische Verstärkung der Membran (Mechanical Support): Die Protonenaustauschmembran (PEM) selbst ist extrem dünn (oft < 15 µm) und mechanisch instabil. Die Subgasket-Folie stützt die Membran an den Rändern und verhindert, dass sie unter dem hohen Verpressungsdruck des Stacks oder durch Druckunterschiede zwischen Anode und Kathode reißt.
Wichtig dabei auch: Die Membrane ändert je nach Feuchtegehalt sehr deutlich ihre Dimensionen. Der Kleber ist im Wechselbetrieb erheblichen Scherbelastungen ausgesetzt.
Maßhaltigkeit und Positionierung: Sie dient als Träger für die CCM (Catalyst Coated Membrane) während der Montage. In der automatisierten Serienfertigung sorgt sie dafür, dass die aktive Fläche präzise über dem Flowfield der Bipolarplatte liegt.
Dichtungsunterlage: Die Folie bildet oft die Basis für die Elastomerdichtungen. Sie muss den Druck der Verpressung aufnehmen und gleichmäßig verteilen, um Leckagen zwischen den Medienräumen (H2, Luft, Wasser) zu verhindern.
Kanten-Schutz (Anti-Perforation): Die scharfen Kanten der Gasdiffusionslagen (GDL) könnten die empfindliche Membran durchstechen. Auch permanenter, linienhafter Pressdruck von Dichtungen verdrängt die weiche Folie der CCM-Membrane. Die Subgasket-Folie liegt als Schutzschicht dazwischen und verhindert diese mechanische Perforation. Dichtungslinien dichten auf der Subgasketfolie ab und nicht auf der Kaltfluss-gefährdeten Membrane.

3. Chemische Aufgaben

Chemisch gesehen muss die Folie (und der Kleber) in einer sehr aggressiven Umgebung überleben, für die sie ursprünglich nicht konzipiert wurden.

Chemische Inertheit gegenüber Radikalen: Im Betrieb entstehen an den Kanten der aktiven Fläche aggressive Radikale (z. B. Hydroxyl-Radikale). Die Subgasket-Folie (meist aus PEN, PPSU oder Polyimid) muss diesen Angriffen standhalten, ohne sich zu zersetzen oder spröde zu werden.

Barriere gegen Medientransport: Sie verhindert, dass Gase (H2/O2) direkt am Rand der aktiven Fläche diffundieren können (Cross-over), was lokale Hotspots und chemische „Brandlöcher“ in der Membran verursachen würde.
Hydrolyse- und Säurebeständigkeit: Innerhalb des Stacks herrscht ein feuchtes, saures Milieu (pH < 2). Die Folie darf unter diesen Bedingungen keine Weichmacher oder Ionen freisetzen, da diese die Katalysatoren auf der Membran „vergiften“ und die Shunt-Ströme im 800-V-Feld durch erhöhte Leitfähigkeit verstärken würden.

Während bei niedrigen Spannungen oft die mechanische Stützung (reinforced membrane) im Vordergrund steht, verschieben sich die Anforderungen bei 800 V massiv in den elektrotechnischen Bereich. Die Folie wird zum sicherheitskritischen Isolator. Versagt sie chemisch (durch Degradation) oder physikalisch (durch Risse oder Undichtigkeiten), bricht sofort die elektrotechnische Schutzfunktion zusammen, was in einem Hochvolt-System unmittelbar zum Isolationsfehler führt.