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Autoren: Peter Schäfer und Lorena Casasola | Oktober 2026 | Artikel
Die wichtigsten Fakten auf einen Blick
- Wasserstoff weist eine geringe Löslichkeit in Elastomeren auf, diffundiert jedoch schnell durch sie hindurch: Die Permeation, die sowohl durch die Löslichkeit als auch durch die Diffusion bestimmt wird, hängt von der Polymerfamilie und dem jeweiligen Compound ab, wobei selbst innerhalb derselben Polymerfamilie erhebliche Unterschiede bestehen. Leckagetests zeigen, dass die Permeation durch das Material die Hauptursache für Gasverluste ist.
- Geeignete Elastomere weisen eine gute Beständigkeit auf: Alterungstests mit 100 Prozent Wasserstoff bei unterschiedlichen Temperaturen zeigen über die untersuchten Zeiträume überwiegend nur geringfügige Veränderungen der Materialeigenschaften der geprüften Werkstoffe.
- Neue Prüfungen erweitern die Datengrundlage: Permeationsprüfungen nach ISO 15105-1 gemäß dem Prüfprogramm des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW) liefern zusätzliche Daten zu FKM-, HNBR-, NBR- und EPDM-Werkstoffen mit 70 bis 75 Shore A. Ergänzend zu früheren Prüfungen bei hohen Drücken und Temperaturen wurden die Prüfungen nun bei 23 Grad Celsius und 1 bar in 100 Prozent Wasserstoff durchgeführt.
Bei der Auswahl von Dichtungswerkstoffen für Wasserstoff reichen theoretische Materialdaten allein nicht aus. Entscheidend ist, wie sich ein bestimmter Werkstoff unter definierten realen Bedingungen im Kontakt mit Wasserstoff verhält. Empirische Prüfdaten bilden die Grundlage für validierte Elastomerdichtungen für Wasserstoff.
Angst+Pfister erweitert diese Datengrundlage kontinuierlich durch Prüfungen unter realen Bedingungen in Wasserstoffanwendungen. Die Ergebnisse ermöglichen es, Werkstoffe gezielter für die jeweiligen Betriebsbedingungen auszuwählen und Dichtungslösungen entsprechend auszulegen.
Herausforderung: Schnelle Wasserstoffdiffusion und hohe Drücke
Aufgrund seiner sehr kleinen Moleküle bewegt sich molekularer Wasserstoff rasch durch Elastomere. Seine Löslichkeit im Material ist gering: Das Gas bleibt kaum im Elastomer, sondern diffundiert rasch hindurch. Wie stark ein Dichtungswerkstoff permeiert, hängt vom Polymer, der konkreten Materialrezeptur sowie von Temperatur und Druck ab.
Die Anforderungen an die Dichtungssysteme sind entsprechend hoch. Wasserstoff bildet mit Luft bereits ab rund 4 bis 75 Volumenprozent zündfähige Gemische. Mit einer Zündenergie von etwa 0,02 Millijoule reicht bereits ein Funke. Gleichzeitig können die Einsatzbedingungen extrem sein: Wasserstoffanwendungen reichen von Temperaturen um –240 bis +200 Grad Celsius und bis zu Drücken von 1000 bar.
Hohe Drücke bergen ein weiteres Risiko: Bei schneller Gasdekompression (Rapid Gas Decompression, RGD) kann sich im Elastomer gelöstes Gas bei rascher Druckentlastung ausdehnen und Blasen, Risse oder Hohlräume im Material verursachen. Neben einer geringen Permeation müssen Dichtungssysteme deshalb für die jeweiligen Betriebsbedingungen ausgelegt sein.
Lösung: Prüfungen mit realem Wasserstoff schaffen Sicherheit
Angst+Pfister prüft Elastomere unter definierten Bedingungen mit realem Wasserstoff. Permeations- und Leckagetests mit 90-Shore-A-Werkstoffen erfolgten beispielsweise bei 100 Grad Celsius und 150 bar in 100 Prozent Wasserstoff. Prüfungen auf schnelle Gasdekompression sowie Alterungstests über bis zu 28 Tage liefern weitere Daten für die Werkstoffauswahl.
Für weichere Werkstoffe mit 70 bis 75 Shore A erweitern Permeationsprüfungen nach ISO 15105-1 gemäss Prüfprogramm des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW) die Datengrundlage für Anwendungen mit moderaten Drücken. Auch diese Prüfungen erfolgen mit 100 Prozent Wasserstoff.
Bei Hochdruckdichtungen ergänzt die Finite-Elemente-Analyse (FEA) die empirischen Prüfungen. Angst+Pfister setzt sie ein, um das Verhalten von Dichtungssystemen unter den jeweiligen Einsatzbedingungen zu simulieren. So lassen sich beispielsweise Spannungsverteilung und Dichtkraft analysieren und Dichtungsgeometrie, Werkstoff und Stützelemente aufeinander abstimmen.
Ergebnisse und Werkstoffauswahl: Auf den konkreten Compound kommt es an
Permeationsprüfungen liefern eine breite Datenbasis für die Werkstoffauswahl. Angst+Pfister prüfte bereits härtere Elastomere mit 90 Shore A. Neue DVGW-Permeationsprüfungen erweitern die Datenbasis insbesondere für weichere Elastomere mit 70 bis 75 Shore A und Anwendungen mit moderaten Drücken. Sechs Compounds aus FKM, HNBR, NBR und EPDM wurden bei 23 Grad Celsius und 1 bar in 100 Prozent Wasserstoff geprüft. Zwischen dem niedrigsten und höchsten Permeationswert lag mehr als Faktor sechs. Die Ergebnisse bestätigen, dass Polymertyp und konkrete Materialrezeptur einen wesentlichen Einfluss auf die Permeation haben.
Permeabilität von Elastomeren in Wasserstoff
| Compound | Härte | Permeabilität* |
|---|---|---|
| FKM HITEC 75.16-04 | 75 Shore A | 164 |
| HNBR 70.10-01 | 70 Shore A | 360 |
| PERTEC® CIP FKM 75.501-04 | 75 Shore A | 489 |
| HNBR 70.10-09 | 70 Shore A | 582 |
| NBR 70.10-02 | 70 Shore A | 638 |
| EPDM DW 70.503-00 | 70 Shore A | 1'049 |
* Permeabilität: (cm³ × mm) / (m² × 24 h × bar)
Prüfbedingungen: ISO 15105-1 gemäss DVGW CERT ZP 5101:2021, 23 °C, 1 bar, 100 % H₂
Prüfkörper: 2 mm starke Platten
Alterung in 100 % Wasserstoff - Veränderung wesentlicher Materialeigenschaften nach 28 Tagen
Jüngere Alterungstests in 100 Prozent Wasserstoff ergänzen das Bild. Bei fünf untersuchten 90-Shore-A-Compounds wurden nach bis zu 28 Tagen Veränderungen von Härte, Volumen, Modul, Zugfestigkeit und Bruchdehnung untersucht. Bei 136 und 151 Grad Celsius zeigten sich überwiegend keine signifikanten Auswirkungen. Der Test bei 151°C zeigt bei einem HNBR eine für die Temperatur zu erwartende Änderung der mechanischen Eigenschaften auf.
Überwiegend keine signifikanten Veränderungen; stärkere Veränderungen einzelner Zugkennwerte bei HNBR 90 ShA-2.
Werkstoffe für Wasserstoffdichtungssysteme
Für die Werkstoffwahl greift Angst+Pfister auf validierte Materialien zurück oder testet sie für die spezifische Anwendung. Wasserstoff ist dabei das zentrale Kriterium. Entscheidend sind zudem die Einsatzbedingungen wie Temperatur, Druck und Dichtungsdesign. In Elektrolyseuren etwa kommen Dichtungen auch mit Sauerstoff oder weiteren Medien in Kontakt.
Für gasförmigen Wasserstoff stehen unter anderem geprüfte Elastomere aus FKM, HNBR und EPDM zur Verfügung. Einen wesentlichen Unterschied macht der Aggregatzustand: Bei Flüssigwasserstoff reichen die Temperaturen bis rund -250 Grad Celsius. Hier kommen PTFE-Compounds zum Einsatz. Unter kryogenen Bedingungen erfordern sie spezielle Dichtungskonzepte – auch, um den besonderen mechanischen Eigenschaften der PTFE Compounds sowie dem breitem Temperaturspektrum gerecht zu werden.
| Werkstoff | Temperaturbereich | Druckbereich |
|---|---|---|
| FKM | -25 bis +200 °C Spezialcompounds bis -60 °C |
30 MPa mit Stützring bis 95 MPa |
| HNBR | -50 bis +165 °C | 30 MPa mit Stützring bis 95 MPa |
| EPDM | -50 bis +150 °C Spezialcompounds bis -60 °C |
30 MPa mit Stützring bis 95 MPa |
| NBR | -50 bis +110 °C | 30 MPa mit Stützring bis 95 MPa |
| TPU | -55 bis +100 °C Spezialcompounds bis +125 °C |
50 MPa mit Stützring bis 70 MPa |
| Modifiziertes PTFE z. B. Kefloy 121 |
-200 bis +260 °C | 50 MPa mit Stützring bis 100 MPa |
| PEEK | -65 bis +240 °C | 100 MPa |
Praxisbeispiele: Vom Hochdruckspeicher bis zum Verbindungssystem
Wie au Werkstoff- und Engineering-Kompetenz konkrete Lösungen entstehen, zeigen reale Anwendungsbeispiele von Angst+Pfister.
Ventile und Druckentlastungsventile für Wasserstoffspeicher
Angst+Pfister verfügt über breite Erfahrung mit Dichtungslösungen für Hochdruckventile von Wasserstoffspeichern. Dazu gehören Kombinationsventile und thermisch aktivierte Druckentlastungsventile für 700-bar-Speicher. Je nach Funktion und Beanspruchung kommen unterschiedliche Dichtungskonzepte zum Einsatz: Für statische Anwendungen beispielsweise Elastomere wie HNBR, FKM, EPDM oder NBR, für dynamische Anwendungen unter anderem verstärkte und federvorgespannte PTFE-Dichtungen. Die dokumentierten Anwendungen decken Drücke von 70 bis 90 MPa und Temperaturen von –40 bis +120 Grad Celsius ab.
Kombinationsventile und thermisch aktivierte Druckentlastungsventile werden in Wasserstoffspeichersystemen mit 700 bar eingesetzt.
Das Dichtungskonzept richtet sich nach Funktion und Belastung. In statischen Positionen können ausgewählte Elastomere zum Einsatz kommen; in dynamischen Positionen können verstärkte oder federunterstützte PTFE-Dichtungen verwendet werden.
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Rohr- und Verbindungssysteme
Rohr- und Verbindungssysteme: Angst+Pfister bietet verschiedene Lösungen für Rohrverschraubungen, Flansche und Schnellkupplungen. Das Spektrum reicht von Atmosphärendruck bis 900 bar und bis zu kryogenen –250 Grad Celsius. Für Rohrverschraubungen und Schnellkupplungen kommen unter anderem Elastomere und TPU zum Einsatz, während für Flachdichtungen bei kryogenem Wasserstoff modifiziertes PTFE verwendet wird. Stützringe können aus PTFE oder PEEK gefertigt werden.
- Gewinderohrverbindungen
- Flansche
- Schnellkupplungen
atm · 350 · 700 · 900 bar
-250 °C (LH₂) bis +120 °C
Gewinderohrverbindungen und Schnellkupplungen:
HNBR, FKM, EPDM, NBR, TPU
Flachdichtungen für kryogene (LH₂-)Anwendungen:
Modifiziertes PTFE
Stützringe:
PTFE oder PEEK
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MupuSeal® (MuPu ist der Markenname der OL Seals A/S – Member of the Angst+Pfister Group)
für Hochdruckspeicher: Für hochanspruchsvolle Speicheranwendungen entwickelte Angst+Pfister die MupuSeal®-Lö sung aus dem speziellen PTFE-Compound Kefloy 121, einem PEEK-Federelement und einem Eck-Stützring gegen Extrusion. Die Konstruktion kommt ohne metallische und elastomerische Dichtungselemente aus: Damit entfallen Wasserstoffversprödung metallischer Dichtungselemente und schnelle Gasdekompression von Elastomeren. Die Lösung absolvierte mit Wasser 100’000 Druckzyklen von 30 auf 1000 und zurück auf 30 bar. Im Wasserstofftest folgten 60’000 Zyklen von über 950 auf 500 und zurück auf über 950 bar.
Dichtungslösung für anspruchsvolle Wasserstoffspeicheranwendungen.
Druck: 1.000 bar
Temperatur: -15 °C bis +50 °C
- Kefloy® 121 = modifiziertes PTFE von O.L.-Seals A/S (Mitglied der Angst+Pfister Gruppe)
- PEEK-Federelement
- Eckstützring gegen Extrusion
- Keine metallischen Dichtelemente
- Keine elastomeren Dichtelemente
- Keine elastomeren Dichtungskomponenten
Wasser:
100.000 Zyklen
30 → 1.000 → 30 bar
Wasserstoff:
60.000 Zyklen
>950 → 500 → >950 bar
Fazit
Entscheidend ist nicht allein der Werkstoff, sondern sein Zusammenspiel mit Dichtungsdesign und Betriebsbedingungen. Die Werkstoffauswahl für Wasserstoffanwendungen sollte sich auf belastbare Prüfdaten stützen. Die Untersuchungen von Angst+Pfister schaffen dafür eine wachsende Datengrundlage unter definierten Wasserstoffbedingungen.
Jüngere Alterungstests in 100 Prozent Wasserstoff zeigen bei den untersuchten Werkstoffen überwiegend geringe Veränderungen der Materialeigenschaften. Neue DVGW-Permeationsprüfungen mit weicheren Elastomeren von 70 bis 75 Shore A erweitern die Datenbasis und bestätigen, dass die Permeation nicht allein vom Polymertyp, sondern auch von der jeweiligen Materialrezeptur beeinflusst wird.
Für Angst+Pfister bilden diese Prüfdaten die Grundlage, um vorhandene Materialien gezielt auszuwählen und gemeinsam mit Kunden anwendungsspezifische Dichtungslösungen zu entwickeln.
Häufig gestellte Fragen (FAQs)
Wie unterscheidet sich die Wasserstoffpermeation bei Elastomer-Dichtungen grundlegend von anderen Gasleckagen?
Die Wasserstoffpermeation in Elastomer-Dichtungen wird vor allem durch die schnelle Diffusion bestimmt. Aufgrund seiner geringen Molekülgrösse bewegt sich Wasserstoff leicht durch das freie Volumen zwischen den Polymerketten in der Gummimatrix. Anstatt sich im Inneren des Elastomers anzusammeln, diffundiert Wasserstoff (H₂) mit deutlich höheren Raten durch den Dichtungskörper als grössere Moleküle wie Stickstoff oder Methan. Um die Permeation zu minimieren, sind Polymere mit hoher Vernetzungsdichte, speziellen Füllstoffen und engen Molekülgittern erforderlich, die den Gastransport unter dynamischen und statischen Drücken hemmen.
Können 70-ShA-Elastomere in Wasserstoffanwendungen sicher eingesetzt werden oder sind 90-ShA-Verbindungen zwingend erforderlich?
Während 90-ShA-Mischungen (Shore A) traditionell für extreme Hochdruckanwendungen (700–1000 bar) spezifiziert werden, um eine hohe Extrusionsfestigkeit zu gewährleisten, bestätigen neuere empirische DVGW-Permeationsprüfungen, dass speziell formulierte 70-ShA-Elastomere eine hohe Betriebssicherheit in Wasserstoffsystemen mit niedrigem bis moderatem Druck bieten. Weichere 70-ShA-Dichtungen bieten eine hervorragende Anpassungsfähigkeit, geringere erforderliche Kontaktkräfte im Einbauraum und eine verbesserte Dichtheit auf unregelmässigen Dichtflächen. Nach der Validierung durch standardisierte DVGW-Permeationstests zeigen diese weicheren Verbindungen stabile Permeationsraten und eine hervorragende elastische Rückstellung, ohne die Systemintegrität zu gefährden.
Warum sind 100 Prozent Wasserstoff-Alterungstests notwendig, wenn bereits theoretische Materialdaten vorliegen?
Theoretische Materialdaten und Standard-Luft- oder Stickstoff-Wärmealterungstests berücksichtigen nicht die einzigartige chemische und physikalische Wechselwirkung zwischen reinem Wasserstoff und Elastomermatrizen unter Druck und Temperatur. Langzeit-Alterungstests im Autoklaven in einer 100-Prozent-H₂-Atmosphäre untersuchen, wie sich der längere Kontakt mit Wasserstoff auf Materialeigenschaften wie Härte, Volumen, Modul, Zugfestigkeit und Bruchdehnung auswirkt. Empirische Auslagerungstests zeigen, wie sich die Materialeigenschaften unter definierten Wasserstoffbedingungen über längere Zeit verändern, und liefern Ingenieuren damit validierte Daten anstelle rein theoretischer Annahmen.
Wie lösen PTFE-Dichtungen wie MupuSeal® die Risiken von Hochdruck-Wasserstoffleckagen und schneller Gasdekompression?
MupuSeal® wurde für anspruchsvolle Hochdruckanwendungen entwickelt und kombiniert das spezielle PTFE-Compound Kefloy 121 mit einem PEEK-Federelement und einem Eck-Stützring gegen Extrusion. Die Konstruktion kommt ohne metallische und elastomerische Dichtungselemente aus. Damit entfallen Wasserstoffversprödung metallischer Dichtungselemente und schnelle Gasdekompression von Elastomeren. Die Lösung absolvierte mit Wasser 100’000 Druckzyklen von 30 auf 1000 und zurück auf 30 bar. Im Wasserstofftest folgten 60’000 Zyklen von über 950 auf 500 und zurück auf über 950 bar.
Wie lässt sich die Materialvalidierung für Wasserstoffdichtungen auf CO₂- und CCUS-Anwendungen übertragen?
Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) stellen Dichtungssysteme vor unterschiedliche Herausforderungen. Wasserstoff zeichnet sich durch hohe Diffusions- und Permeationsraten aus, während sich CO₂ – im Gegensatz zu H₂ – im Polymer löst, wodurch es zu Quellung kommt und die Beständigkeit gegen schnelle Gasdruckentlastung (RGD) besonders wichtig wird. Erfahrungen mit Werkstoffen, Prüfverfahren und der Dichtungsauslegung aus Wasserstoffanwendungen können daher zur Entwicklung von Lösungen für CO₂ und CCUS genutzt werden. Die Eignung eines Werkstoffs muss jedoch zusätzlich für das jeweilige Medium und die spezifischen Betriebsbedingungen geprüft werden.
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Über die Autoren
Peter Schäfer ist Senior Engineering Leader bei Angst+Pfister und spezialisiert auf Dichtungstechnik. Sein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Validierung von Dichtungslösungen und Werkstoffen für anspruchsvolle Anwendungen, insbesondere im Bereich Wasserstoff.
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