Die unscheinbare Schlüsselkomponente im Brennstoffzellen- und Elektrolyseur-Stack: Warum Subgasketfolien über Lebensdauer und Sicherheit entscheiden

Die Catalyst-Coated Membrane (CCM) steht meist im Rampenlicht, wenn es um Wirkungsgrad und Leistung von PEM-Brennstoffzellen sowie PEM- und AEM-Elektrolyseuren geht. Doch ein oft unterschätzter Held arbeitet direkt an ihren Rändern: die Subgasketfolie (Verstärkungs- oder Rahmenfolie).

Als mechanische und elektrische Schnittstelle zwischen CCM, Gasdiffusionsschicht (GDL) und Bipolarplatte schützt sie die hauchdünne Membran vor Scherkräften, isoliert die Elektroden elektrisch und dichtet den aktiven Reaktionsraum zuverlässig ab. Ein Blick auf das extrem anspruchsvolle Anforderungsprofil zeigt, warum die Werkstoff- und Klebstoffwahl hier über Sein oder Nichtsein eines Stacks mit entscheidet:

🔹 1. Thermische & Mechanische Belastung

Ein Stack wird durch einen hohen Verpressdruck abgedichtet. Das Subgasket-Trägermaterial muss absolut formstabil bleiben – plastisches Kriechen (typisch z.B. PTFE würde zu schleichendem Druckverlust der Hauptdichtung führen. Gleichzeitig gilt es, Betriebstemperaturen von 80–100 °C (PEM) bis über 120 °C (Hochtemperatur-Elektrolyse) dauerhaft schrumpffrei standzuhalten.

🔹 2. Elektrische Durchschlagsfestigkeit

Zur Vermeidung parasitärer Kurzschlüsse an den Schnittkanten wird eine extrem hohe elektrische Isolationsfähigkeit des Folienmaterials gefordert. Heutige Stacks können bis zu 1000 VDC Spannung liefern (typisch >>300 VDC)

🔹 3. Chemische Differenzierung: PEM vs. AEM

PEM-Milieu (Stark sauer, pH 1–3, vollfeucht): Standard-Polyester wie PET hydrolysieren (Abbau der Polymerketten, Versprödung, Quellung, Auflösung) hier rasch und verspröden. Daher setzt man auf hochstabile Werkstoffe wie Polyethylennaphthalat (PEN), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyetheretherketon (PEEK), die auch dem Angriff hochreaktiver Peroxid-Radikale an den Elektroden standhalten.
AEM-Milieu (Stark alkalisch, 1–3 M KOH, pH 13–14): Hier versagen klassische Polyester (auch PEN) in kürzester Zeit. Für AEM-Subgaskets sind alkalienbeständige Polymere wie ETFE, PPS oder spezialisierte Polyolefine Pflicht.

Der Klebstoff: Mehr als nur Fixierung

Der Klebstoff hält nicht nur die CCM in ihrer Position, sondern agiert als Primärdichtung, die mikroskopische Toleranzen schließt und das Überströmen von Gasen verhindert. Da Klebstoffe eine eher geringe Druckfestigkeit haben (Pressdruck der Verschraubung), werden nur geringe Klebstoffstärken aufgebracht, um ein zu starkes Setzen des Stacks zu vermeiden - für die Dichtwirkung reicht das jedoch völlig aus:

Viskoelastizität: Gleicht kontinuierliche Quell- und Schrumpfbewegungen der Membran bei Feuchte- und Lastwechseln dynamisch aus.
Ionenreinheit: Darf keinerlei Metallionen, Weichmacher oder flüchtige organische Verbindungen (VOCs) ausgasen oder auswaschen (Leaching) – diese würden den (Platin-)Katalysator irreparabel vergiften.

Versagt das Verbundsystem (Subgasket) aus Folie und Klebstoff, drohen schwerwiegende Störungen:

Delamination: Flächenhaftes Lösen des Klebstoffs durch hydrolytischen Abbau oder Quellspannungen.
Edge-Lift: Das Abheben der Folienkante am Übergang zur aktiven Zone. Durch extreme Scherspannungen bei Feuchtewechseln kann die dünne Membran an dieser Kerbstelle durchscheuern oder einreißen.
Leckagen: Interne Leckage (Gas-Crossover): Führt zu lokalen Hotspots, beschleunigter Membrandegradation und Wirkungsgradverlusten. Externe Leckage: Unkontrollierter Austritt von Wasserstoff oder Sauerstoff an die Umwelt – ein direktes Sicherheitsrisiko.