Drum prüfe, was sich bindet

Das Arbeiten an der Plasma-Anlage erfordert eine besondere Schutzausrüstung, die Corona-Masken kamen noch hinzu. Von links nach rechts: Sascha Rollka mit verschieden großen Kunststoff-Rahmen für die stapelbaren Elektrolyseur-Membranen, Klaus Thielker an der Maschinensteuerung und Prof. Dr. Klaus-Uwe Koch mit einem Beispielbild des Plasma-Anlagenherstellers „plasmatreat“, das die vom Plasma benetzbar gemachte Spur den unbenetzbaren Nachbarbereichen gegenüberstellt. Foto: WH/BL

Angewandte Forschung auf Bestellung leistet zurzeit die Lehreinheit Chemie der Hochschulabteilung Recklinghausen für das Energieinstitut der Hochschule. Prof. Dr. Klaus-Uwe Koch entwickelt dort ein industrietaugliches verfahrenstechnisches System, das bei den Modulen der im Energieinstitut entwickelten Wasserstoff-Elektrolyseur-Elemente die hydraulische Verpressung des elektrischen Aktivteils durch eine Klebstoff-Bindung und -Dichtung der inneren Rahmenberührungsflächen ergänzen soll.

(BL) Die Klebung könnte dann eine Verschraubung ersetzen, die als mechanische Verbindung nur schwer die gleichmäßige und abdichtende Funktion der Klebung der Zellrahmen erreicht.

Gute Idee im Prinzip, im echten Leben aber und in industrietauglicher Alltagsform nicht ganz so leicht zu verwirklichen: Die Klebung setzt ein funktionierendes Zusammenwirken von Trägermaterial und Klebstoff voraus. Und da fängt es an, forschungsrelevant zu werden, denn der für die Trägerrahmen gerne verwendete Kunststoff PEEK (Polyetheretherketon) ist ungefähr so klebstoffabweisend wie sich Wasser und Öl ohne Emulgator unbenetzbar gegenseitig abweisen, sodass „die klebetechnische Fügung PEEK-basierter PEM-Elektrolysezellen“ (PEM steht für Protonen-Austausch/Exchange-Membran) zu einem innovativen Auftrag wird. Das PEEK hat als Kunststoff für die Rahmen der aktiven Bereiche der Elektrolysezellen viele Vorteile wie Beständigkeit und dass es das Elektrolysewasser nicht infiltriert. „Um kleben zu können“, beschreibt Prof. Dr. Klaus Uwe-Koch die Aufgabe, „mussten wir die unbenetzbare Oberfläche der Rahmen benetzbar, also quasi rauh machen, damit der Klebstoff dort haftet und auf Zug und bei Scherkräften dauerhaft klebt.“ Bildlich kann man sich das so vorstellen, dass aus dem Kunststoff kleine Beinchen wachsen sollten, die den Klebstoff festhalten. So erklärt sich auch der Projektname „HydraBond“: das vielköpfige Binden der Rahmen an den Klebstoff.

Um dem PEEK-Kunststoff Beine zu machen, war das Gerät der Wahl eine Plasmaanlage. Die ist nicht nur teuer, sondern bedeutete im Corona-Jahr 2020 auch eine besondere Beschaffungsherausforderung. Das Projekt geriet darüber entgegen dem ursprünglichen Projektplan in die Verlängerung. Doch Ende letzten Jahres konnte es im Labor in Recklinghausen endlich mit praktischen Versuchsreihen losgehen. Die eingesetzte Plasma-maschine ionisiert Gase wie Stickstoff und Sauerstoff aus der Raumluft und verändert die Oberfläche so, dass auf ihr leichter geklebt werden kann. Auch das ist ein Vorteil für den industriellen Einsatz, da spezielle Prozessgase und/oder Unterdrucköfen nicht benötigt werden.

Das Team aus Prof. Dr. Klaus-Uwe Koch und den wissenschaftlichen Mitarbeitern Klaus Thielker und Sascha Rollka testete unterschiedliche Klebstoffvarianten und Plasmaeinstellungen. Erste Ergebnisse und Empfehlungen liegen inzwischen vor.

Bisher haben die Forscher ausschließlich mit Standardbauteilen und Klebstoffen „von der Stange“ geforscht, um die Übernahme in die industrielle Praxis zu erleichtern. „Aber vielleicht erfinden wir auch noch eine neue Klebstoffvariante“, lässt Koch in die Zukunft blicken.

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HydraBond

Das Projekt „HydraBond“ wird neben einem Eigenanteil der Westfälischen Hochschule finanziell mit rund 70.000 Euro für Sach- und Personalmittel gefördert aus dem NRW-Programm „progres.nrw – Research“ des nordrhein-westfälischen Ministeriums für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie. Es ist ein Programm für rationelle Energieverwendung, regenerative Energien und das Energiesparen, so der Zuwendungsbescheid des Landes.