{"id":15535,"date":"2022-07-01T11:31:17","date_gmt":"2022-07-01T09:31:17","guid":{"rendered":"https:\/\/www.m-q.ch\/?p=16580"},"modified":"2022-07-01T15:06:06","modified_gmt":"2022-07-01T13:06:06","slug":"brennstoffzellen-dichtheitspruefaufgaben-bei-der-fertigung-von-fcev-komponenten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.organisator.ch\/de\/operational-excellence\/2022-07-01\/brennstoffzellen-dichtheitspruefaufgaben-bei-der-fertigung-von-fcev-komponenten\/","title":{"rendered":"Brennstoffzellen: Dichtheitspr\u00fcfaufgaben bei der Fertigung von FCEV-Komponenten"},"content":{"rendered":"
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F\u00fcr Nutz- und Langstreckenfahrzeuge sind Antriebe mit Brennstoffzellen eine interessante Option. Hersteller wie Honda, Hyundai und Toyota etwa bieten Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) an. Auch der Zulieferer Robert Bosch arbeitet derzeit an einem Brennstoffzellen-Stack, der vor allem schwerere und Nutzfahrzeuge antreiben soll. (Bild: Depositphotos.com)<\/figcaption><\/figure>\r\nFuel Cell Stacks sind das Herz von Brennstoffzellenfahrzeugen. Diese Stapel von Brennstoffzellen bestehen aus zwei Endplatten, zwischen denen mehrere Bipolarplatten geschichtet sind. Diese sind jeweils durch Membran-Elektroden-Einheiten (Membrane Electrode Assembly, MEA) getrennt. Die elektrisch leitenden Bipolarplatten haben die Aufgabe, die Anode einer Zelle mit der Kathode der anderen Zelle zu verbinden. Jede Bipolarplatte enth\u00e4lt zwei Hohlr\u00e4ume f\u00fcr die Prozessgase Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie meist eine interne K\u00fchlschleife. Abgehend von den Hohlr\u00e4umen der Prozessgasf\u00fchrung werden die Prozessgase Wasserstoff und Luftsauerstoff \u00fcber das sogenannte Flow Field gro\u00dffl\u00e4chig an die Membrane der Membran-Elektroden-Einheit geleitet. Der entsprechende Hochtemperatur-K\u00fchlkreislauf hat die Funktion, eine optimale Prozesstemperatur des gesamten Brennstoffzellensystems aufrechtzuerhalten. Im Wesentlichen ergeben sich daraus f\u00fcr eine Brennstoffzelle vier Versagensmodi:\r\n
    \r\n \t
  1. Wasserstoffverlust generell.<\/li>\r\n \t
  2. Crossover-Lecks zwischen Anode und Kathode oder Overboard-Lecks an Dichtungen \u2013 mit einer unkontrollierten Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff.<\/li>\r\n \t
  3. K\u00fchlfl\u00fcssigkeitsverlust, der die Effizienz des Fuel Cell Stacks verringert und zur Besch\u00e4digung f\u00fchrt.<\/li>\r\n \t
  4. Wasserstoffaustritt in den K\u00fchlkreislauf wirkt korrosiv, beeintr\u00e4chtigt wegen der Gasblasen die Effizienz der Fl\u00fcssigkeitsk\u00fchlung und kann sogar die Pumpe besch\u00e4digen.<\/li>\r\n<\/ol>\r\n

    Brennstoffzellen-Stacks und die Dichtheit der einzelnen Zellen<\/strong><\/h3>\r\nAus den Fehlerszenarien ergeben sich konkrete Anforderungen an die Leckrate. Gegen den Wasserstoffaustritt \u2013 sowohl nach au\u00dfen als auch in den K\u00fchlkanal \u2013 ist das Gesamtsystem gegen Leckraten im Bereich von 10-3 <\/sup>bis 10-5<\/sup> mbar\u2219l\/s zu pr\u00fcfen. Wasserstoff ist bekanntlich leicht brennbar und in dem breiten Konzentrationsbereich zwischen 4 und 73 Prozent Wasserstoff in Luft z\u00fcndf\u00e4hig. Einige Hersteller von Brennstoffzellen beziehen sich auf die Norm DIN EN IEC 62282-2, deren j\u00fcngste Fassung im April 2021 ver\u00f6ffentlicht wurde. Die Norm behandelt die Sicherheit von Brennstoffzellenmodulen, allerdings besch\u00e4ftigt sie sich erkl\u00e4rtermassen nicht mit Anwendungen von Brennstoffzellen in Stra\u00dfenfahrzeugen. Die DIN EN IEC 62282-2 spezifiziert f\u00fcr einen gesamten Brennstoffzellen-Stack eine Wasserstoff-Grenzleckrate von 5 cm\u00b3\/min und schreibt vor, dass der Anwender f\u00fcr eine gute Bel\u00fcftung der Brennstoffzelle zu sorgen hat. Da dies beim Einbau in ein Stra\u00dfenfahrzeug aber nicht immer gew\u00e4hrleistet werden kann \u2013 man denke nur an ein Fahrzeug, das in einer Einzelgarage geparkt ist \u2013, stellen automobile Anwendungen oft strengere Anforderungen an die Dichtheit. Aber unabh\u00e4ngig davon, welche Leckrate f\u00fcr den gesamten Stack angesetzt wird, gilt: Weil ein kompletter Stack aus mehreren hundert Einzelzellen besteht, deren Leckraten in Summe betrachtet werden m\u00fcssen, sind diese einzelnen Komponenten gegen Grenzleckraten zu pr\u00fcfen, die nochmals zwei Dekaden kleiner sind. Besteht der Brennstoffzellen-Stack beispielsweise aus 350 Zellen und sollen die einzelnen Zellen mit Helium-Pr\u00fcfgas auf ihre Dichtheit getestet werden, errechnet sich aus den Vorgaben der oben angegebenen Norm eine Helium-Grenzleckrate von circa 10-4<\/sup> mbar\u2219l\/s. F\u00fcr strengere Vorgaben in automobilen Anwendungen k\u00f6nnen bei einzelnen Bipolarplatten auch Grenzleckraten bis in den Bereich von 10-6<\/sup> mbar\u2219l\/s notwendig sein. Allerdings wird im Kontext von Entwicklungsprojekten und in der wissenschaftlichen Forschung durchaus schon diskutiert, ob in Zukunft nicht noch kleinere Grenzleckraten bis hinab zu 10-7<\/sup> mbar\u2219l\/s sinnvoller w\u00e4ren.\r\n
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    Schematische Darstellung des Aufbaus einer einfachen Brennstoffzelle. (Bild: Depositphotos.com)<\/figcaption><\/figure>\r\n

    Die Vakuummethode f\u00fcr die Linienfertigung<\/strong><\/h3>\r\nUm Kurzschl\u00fcsse zu vermeiden, muss das K\u00fchlmedium im Hochtemperatur-K\u00fchlkreislauf der Bipolarplatten eine geringe Leitf\u00e4higkeit aufweisen. In der Regel dient darum deionisiertes Wasser mit einem Frostschutzzusatz als K\u00fchlfl\u00fcssigkeit. Um zu vermeiden, dass diese Fl\u00fcssigkeit aus dem K\u00fchlkanal austritt, ist eine Dichtheitspr\u00fcfung gegen Leckraten im Bereich von 10-3<\/sup> bis 10-4<\/sup> mbar\u2219l\/s sinnvoll. Dies ist die \u00fcbliche Gr\u00f6\u00dfenordnung f\u00fcr Fl\u00fcssigkeitsdichtheit, denn das Wasser selbst verschlie\u00dft Lecks dieser Gr\u00f6\u00dfe. F\u00fcr diese und andere Dichtheitspr\u00fcfaufgaben bei der Fertigung empfiehlt sich die pr\u00fcfgasbasierte Vakuummethode. Sie verbindet hohe Zuverl\u00e4ssigkeit mit kurzen Taktzeiten und eignet sich darum besonders f\u00fcr Pr\u00fcfaufgaben in der Fertigungslinie. Das Pr\u00fcfteil wird daf\u00fcr in eine Vakuumkammer gebracht, zun\u00e4chst evakuiert und dann mit Helium beaufschlagt. Anhand des Pr\u00fcfgases, das aus etwaigen Lecks in das Vakuum der Kammer austritt, ergibt sich die Leckrate des Pr\u00fcfteils. Neben dem Hochtemperatur-K\u00fchlkreislauf, der die Bipolarplatten durchstr\u00f6mt, verf\u00fcgen FCEV-Fahrzeuge auch \u00fcber einen oder mehrere Niedertemperatur-K\u00fchlkreisl\u00e4ufe, die elektrische Komponenten wie Antrieb, Wandler und Leistungselektronik in Temperaturbereichen von unter 60\u00b0 C halten. Sie werden mit einem herk\u00f6mmlichen Wasser-Glykol-Gemisch betrieben und sind ebenfalls gegen Fl\u00fcssigkeitsdichtheit zu pr\u00fcfen.\r\n

    Pr\u00fcfung der Bipolarplatte auf Wasserstofflecks<\/strong><\/h3>\r\nDie Vakuummethode dient auch dazu, die Bipolarplatten selbst auf Wasserstoffleckagen zu pr\u00fcfen. Dabei wird der Wasserstoffhohlraum der Bipolarplatte abgedichtet, evakuiert und mit Helium gef\u00fcllt. In einer evakuierten Vakuumkammer kann dann ein Lecksuchger\u00e4t gegen Grenzleckraten von 10-4<\/sup> bis 10-5<\/sup> mbar\u2219l\/s testen. Ist im Vakuum der Kammer kein Helium nachweisbar, existieren keine Lecks \u2013 weder aus dem Wasserstoffhohlraum nach au\u00dfen noch in den K\u00fchlkanal hinein. Detektiert das Ger\u00e4t allerdings ein Leck, ist eine weitere Ursachenforschung m\u00f6glich. Dabei nutzt man den Umstand, dass der Wasserstoffhohlraum der Bipolarplatte nach der Pr\u00fcfung in der Vakuumkammer noch mit Helium bef\u00fcllt und abgedichtet ist. Allerdings wird jetzt nur noch der K\u00fchlkanal selbst an eine Vakuumpumpe angeschlossen. So l\u00e4sst sich nachweisen, ob Helium ins Vakuum des K\u00fchlkanals eindringt. Anderenfalls steht fest, dass das urspr\u00fcnglich identifizierte Leck nach au\u00dfen f\u00fchrt.\r\n

    Tests montierter Brennstoffzellen-Stacks<\/strong><\/h3>\r\nNach dem Zusammenbau der Bipolarplatten zu kompletten Fuel Cell Stacks sind End-of-line-Tests erforderlich \u2013 wobei auch nach vorangehenden Zwischenschritten bereits Pr\u00fcfungen sinnvoll sein k\u00f6nnen. F\u00fcr all diese Tests an montierten Fuel Cell Stacks dient ebenfalls Helium als Pr\u00fcfgas. Wollte man stattdessen mit Wasserstoff pr\u00fcfen, entst\u00fcnde das Risiko, dass die Brennstoffzelle bereits ungewollt Strom produziert. Auch aus Sicherheitsgr\u00fcnden verbietet sich Wasserstoff als Pr\u00fcfgas, weil Groblecks im Wasserstoffkreislauf schnell zu z\u00fcndf\u00e4higen Wasserstoffkonzentrationen von mehr als 4 Prozent in Luft f\u00fchren k\u00f6nnten. Typische Helium-Grenzleckraten f\u00fcr die Dichtheitspr\u00fcfung an assemblierten Brennstoffzellen-Stacks liegen in der Praxis im Bereich von ungef\u00e4hr 10-3<\/sup> bis 10-5<\/sup> mbar\u2219l\/s. Welche Grenzleckrate f\u00fcr den komplettierten Fuel Cell Stack tolerabel ist, h\u00e4ngt entscheidend auch von der konkreten Einbausituation im Fahrzeug ab. Bei welcher Leckrate eine z\u00fcndf\u00e4hige Wasserstoffkonzentration von 4 Prozent in Luft entstehen kann, ist eben nicht nur eine Frage der Dichtheit des Brennstoffzellen-Stacks, sondern auch eine des ihn umgebenden Volumens im Fahrzeug und des Luftaustauschs in dieser Umgebung. Auch diese Faktoren gilt es bei der Festlegung einer sinnvollen Leckrate zu ber\u00fccksichtigen.\r\n

    Dichtheit der Wasserstoffrezirkulation<\/strong><\/h3>\r\nWeitere Dichtheitspr\u00fcfungen sind an Komponenten wie der Medienverteilerplatte einer Brennstoffzelle (die Wasserstoff, Luft und K\u00fchlmittel leitet), an ihren diversen Ventilen, Pumpen und ihrer Wasserstoffrezirkulation erforderlich. Brennstoffzellen f\u00fchren den Membran-Elektroden-Einheiten ihrer Bipolarplatten Wasserstoff und Luftsauerstoff \u00fcberst\u00f6chiometrisch zu. Das hei\u00dft: Bei der Reaktion zu Wasser bleiben jeweils Reste der beiden Gase \u00fcbrig. Aus diesem Grund ben\u00f6tigen Brennstoffzellen eine Wasserstoffrezirkulation. Dabei durchlaufen die Prozessgase zun\u00e4chst einen Wasserabscheider, der Wasserstoffanteil wird dann rezirkuliert und erneut verwendet. Auch bei den wasserstofff\u00fchrenden Komponenten der Wasserstoffrezirkulation empfiehlt sich eine Pr\u00fcfung gegen Leckraten im Bereich von 10-4<\/sup> bis 10-6<\/sup> mbar\u2219l\/s.\r\n

    Permeationsgrenzwerte f\u00fcr Wasserstofftanks<\/strong><\/h3>\r\nDie Wasserstofftanks, die in FCEVs verbaut werden, sind meist sogenannte Typ-IV-Tanks, hergestellt aus Verbundwerkstoffen. Solche Tanks f\u00fcr Pkw sollen \u00fcblicherweise Betriebsdr\u00fccken von bis zu 700 bar widerstehen. Die weit gr\u00f6\u00dferen Wasserstofftanks f\u00fcr Busse sollen Betriebsdr\u00fccken von 350 bar standhalten. Die Dichtheitsanforderungen f\u00fcr Wasserstofftanks entstehen aus einer Reihe von internationalen Normen, die maximal zul\u00e4ssige Permeationsraten definieren. Bei einem Pkw-Wasserstofftank mit 30 l Kapazit\u00e4t und 700 bar Druck ergibt sich beispielsweise nach den Permeationsgrenzwerten der ISO 15869 B.16 umgerechnet eine Helium-Grenzleckrate von 2,3 \u2219 10-2<\/sup> mbar\u2219l\/s. In der Praxis werden Wasserstofftanks aber oft nicht blo\u00df den Normen entsprechend gepr\u00fcft, sondern gegen Leckraten im Bereich 10-3<\/sup> mbar\u2219l\/s. Denn jede gemessene Leckrate, die die unvermeidbare Permeation des Materials selbst \u00fcbersteigt, ist notwendigerweise ein Indiz f\u00fcr ein reales Leck.\r\n

    Akkumulationspr\u00fcfung am Wasserstofftank<\/strong><\/h3>\r\nWenn an einen Wasserstofftank die erforderlichen Armaturen und Ventile angebracht sind, wird aus dem urspr\u00fcnglichen Tankk\u00f6rper das sogenannte Tankmodul. F\u00fcr die Vorpr\u00fcfung der Tankk\u00f6rper eignen sich sowohl die Vakuummethode mit Helium als auch die Akkumulationsmethode mit Formiergas. Bei letzterer beaufschlagt man das Pr\u00fcfteil mit einem unbrennbaren Gemisch aus 5 Prozent Wasserstoff und 95 Prozent Stickstoff, dem handels\u00fcblichen Formiergas. Aus der Pr\u00fcfgasmenge, die dann in einer einfachen Pr\u00fcfkammer aus dem Pr\u00fcfteil wieder austritt und dort im Laufe eines definierten Zeitraums akkumuliert, ergibt sich die Leckrate. Weil derzeit die Produktionszahlen noch nicht hoch genug sind, als dass sich die Vakuumpr\u00fcfung ihrer k\u00fcrzeren Taktzeiten wegen lohnen w\u00fcrde, wird oft noch diese Akkumulationsmethode angewandt. Gerade die gro\u00dfen Wasserstofftanks von Bussen, die Volumina von bis zu 1.700 l aufweisen, pr\u00fcft man in Akkumulationskammern mit bis zu 4.000 l Kammervolumen. Wegen der geringeren Pr\u00fcfgaskosten wird der Pr\u00fcfling dabei mit dem g\u00fcnstigeren Formiergas bef\u00fcllt. Allerdings mit einem Druck von 700 bar, weil die ansonsten deutlich kleineren Leckraten in der sehr gro\u00dfen Akkumulationskammer nicht nachweisbar w\u00e4ren. Wegen des hohen Pr\u00fcfdrucks gibt es in diesem speziellen Fall in der Akkumulationskammer auch einen Notauslass, der bei \u00dcberdruck \u00f6ffnet.\r\n

    Schn\u00fcffellecksuche an kompletten Tanks mit allen Armaturen<\/strong><\/h3>\r\nAuch nach dem Zusammenbau des Tankk\u00f6rpers mit allen Armaturen \u2013 Bef\u00fcll- und Auslassventile sowie Drucksensoren \u2013 sind noch Dichtheitspr\u00fcfungen erforderlich. Allerdings verwendet man hier \u00fcblicherweise die sogenannte Schn\u00fcffellecksuche. Der fertige Tank wird dazu entweder mit Helium oder Formiergas als Pr\u00fcfgas bef\u00fcllt und abgedichtet. Anschlie\u00dfend f\u00e4hrt man mit einer Schn\u00fcffelspitze an der Oberfl\u00e4che des Tanks entlang. Dabei konzentriert man sich auf die neuralgischen Punkte, also die Verbindungsstellen zu den Armaturen. Die automatisierte, dynamische Schn\u00fcffellecksuche, bei der ein Roboterarm die Schn\u00fcffelspitze f\u00fchrt, vermeidet etwaige Fehler eines menschlichen Pr\u00fcfers und garantiert maximalen Durchsatz. Allerdings sind dazu Lecksuchger\u00e4te erforderlich, die einen besonders hohen Gasfluss aufweisen. Ansonsten k\u00f6nnte der Roboterarm die Schn\u00fcffelspitze nicht schnell genug und auch nicht mit dem gebotenen Sicherheitsabstand \u00fcber das Pr\u00fcfteil hinwegbewegen. Typische Grenzleckraten bei diesen End-of-line-Pr\u00fcfungen an fertigen Wasserstofftanks liegen im Bereich 5\u221910-2<\/sup> mbar\u2219l\/s.\r\n

    Dichtheit von Elektro- und Wasserstoffkomponenten<\/strong><\/h3>\r\nLetztlich sind es Elektromotoren, die ein Brennstoffzellenfahrzeug bewegen. Auch die Lithium-Ionen-Batterien, die die Motoren speisen, sind ihrem Prinzip nach dieselben wie in Elektrofahrzeugen \u2013 wenngleich die Traktionsbatterie im FCEV weit kleiner ist und nur als Puffer fungiert. Auch hier existieren Dichtheitspr\u00fcfaufgaben. Aus Lithium-Ionen-Zellen etwa darf kein Elektrolyt austreten, und in die Zellen darf keine Luftfeuchtigkeit eindringen. Sonst k\u00f6nnte der Elektrolyt mit dem Wasser zu Flusss\u00e4ure reagieren. Die Pr\u00fcfaufgaben f\u00fcr die Batterien, Steuermodule und Elektromotoren von FCEVs sind dieselben wie bei Elektrofahrzeugen. Aber auch die spezifischen Komponenten von Brennstoffzellenfahrzeugen erfordern eine sehr zuverl\u00e4ssige Dichtheitspr\u00fcfung. Zumal der Begriff Wasserstoff im Bewusstsein der \u00d6ffentlichkeit schnell mit dem Wort Gefahr assoziiert wird. Eine konsequente Qualit\u00e4tssicherung ist also unverzichtbar. Pr\u00fcfgasbasierte Verfahren sind der Weg dorthin.\r\n\r\nAutorin:<\/strong> <\/em>\r\nSandra Seitz<\/a> ist Market Manager Automotive Leak Detection Tools bei Inficon<\/a>. Weiterf\u00fchrende Informationen finden sich im E-Book <\/em>\u201eE-Mobilit\u00e4t: Dichtheitspr\u00fcfung f\u00fcr Fahrzeuge mit alternativen Antrieben\u201c. Es behandelt die vielf\u00e4ltigen Pr\u00fcfaufgaben bei der industriellen Fertigung von Komponenten f\u00fcr Battery Electric Vehicles (BEV), Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEV) und Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV). Das E-Book steht hier zum kostenlosen Download zur Verf\u00fcgung: https:\/\/www.inficon.com\/de\/maerkte\/automobilindustrie\/dichtheitspruefung-emobilitaet-elektroauto-brennstoffzelle<\/a><\/em>\n

    Dieser Beitrag erschien urspr\u00fcnglich auf m-q.ch - https:\/\/www.m-q.ch\/de\/brennstoffzellen-dichtheitspruefaufgaben-bei-der-fertigung-von-fcev-komponenten\/<\/a><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Fuel Cell Stacks sind das Herz von Brennstoffzellenfahrzeugen. Diese Stapel von Brennstoffzellen bestehen aus zwei Endplatten, zwischen denen mehrere Bipolarplatten geschichtet sind. Diese sind jeweils durch Membran-Elektroden-Einheiten (Membrane Electrode Assembly, MEA) getrennt. Die elektrisch leitenden Bipolarplatten haben die Aufgabe, die Anode einer Zelle mit der Kathode der anderen Zelle zu verbinden. 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