Verschiedene Verfahren stehen zur Auswahl Dichtheitsprüfungen bei der Brennstoffzellenproduktion

Die Dichtheit ist ein zentrales Qualitäts- und Sicherheitskriterium bei vielen Komponenten im Anoden-, Kathoden- und Kühlkreislauf einer Brennstoffzelle. Bei der Auswahl des Equipments für die Leckageprüfung hat der Anwender die Wahl.

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Pfeiffer Vacuum GmbH

Zukunftsmarkt Brennstoffzelle

Die Wasserstoffwirtschaft kommt in Schwung. Die Europäische Union und die Bundesregierung haben Programme zum Ausbau der Erzeugung, flächendeckenden Verteilung und umfassenden Nutzung von Wasserstoff aufgelegt, die nun in vielen Projekten umgesetzt werden.

Im Fokus der Wasserstoffnutzung steht die Brennstoffzelle – sowohl in stationären Anwendungen als auch in der Mobilität. Nach einer Studie des VDMA wird der Marktanteil von Brennstoffzellen-Fahrzeugen (FCEV) im Jahr 2030 auf bis zu sechs Prozent steigen und bis 2040 auf 12%, was einem Produktionsvolumen von zehn Millionen Fahrzeugen pro Jahr entspricht (Anmerkung). Für 2036 wird die Preisgleichheit von batterieelektrischen Pkw und FCEV avisiert.

Fokus: Die Dichtheit

Mit dem Bedarf an Brennstoffzellen werden auch die Produktionskapazitäten wachsen – und der Bedarf an leistungsfähiger Messtechnik für die Dichtheit der gefertigten Komponenten und kompletten Zellen. Einer der Gründe ist die Vermeidung eines zündfähigen Gemischs in der Umgebung der Brennstoffzelle. Außerdem finden entscheidende Produktionsschritte, insbesondere die Plasmaaktivierung und die Funktionalisierung von Oberflächen, unter Vakuum statt. Hier muss ebenfalls die Dichtheit – diesmal der Produktionsanlagen, nicht der Komponenten – gewährleistet sein.

Aus der Vielzahl von Anwendungsfällen für die Dichtheitsprüfung von Brennstoffzellen und ihren Komponenten werden hier vier „Use cases“ kurz vorgestellt.

Use Case 1: Beschichtung von Bipolarplatten

Eine Brennstoffzelle enthält metallische Bipolarplatten, die die Anode einer Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle verbinden. Die Oberflächen dieser Platten werden im Vakuum einer Plasmabeschichtung unterzogen, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern und den Kontaktwiderstand zu reduzieren. Die Dichtheit der Vakuumkammer wird mit einem klassischen Prüfgas-Ansprühtest durchgeführt. Der Detektor bei diesem lokalisierenden Vakuumverfahren ist ein Helium-Lecksucher.

Use Case 2: Lecksuche bei Brennstoffzellenstapeln

Nach dem Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels ist die Lecksuche entscheidend für den weiteren Produktionsablauf. Damit wird sichergestellt, dass keine einzige Zelle mechanische Beschädigungen aufweist. Als integrale Verfahren für die Dichtheitsprüfung des Stapels werden entweder Micro-Flow-Tests mit Luft oder eine Akkumulationsprüfung mit Helium durchgeführt. Soll eine eventuelle Leckage zusätzlich geortet werden, werden die integralen Verfahren mit einer Helium-Schnüffelprüfung ergänzt.

Use Case 3: Materialcharakterisierung

Bei der Speicherung von Wasserstoffgas muss die Freisetzung auf ein Niveau reduziert werden, das niemals eine potenziell gefährliche Wasserstoffkonzentration in der Luft erreicht. Deshalb müssen die Tankmaterialien und die in Brennstoffzellen verwendeten Dichtungen charakterisiert und auf Leckagen sowie auf ihr Permeationsverhalten (Gasdiffusion durch das Wandmaterial) geprüft werden. Das ist umso wichtiger, als große Mengen an Dichtungsmaterial verbaut werden. Ein 120-kW-Brennstoffzellenstapel kann Dichtungen mit einer Gesamtlänge von einem Kilometer enthalten.

Use Case 4: Wasserstoffkreislaufkomponenten

In Mobilitätsanwendungen muss der Wasserstoffaustritt auf ein Minimum reduziert werden. Deshalb sind viele Komponenten im Wasserstoffkreislauf, zum Beispiel Einspritzventile und Rezirkulationsgebläse (Anode Recirculation Blower/ ARB), auf Dichtigkeit zu prüfen. Das gilt auch für andere Komponenten des Luft-/Sauerstoffkreislaufs sowie für die Kühlung der Brennstoffzelle und der Leistungselektronik. Hier sind integrale und quantitative Dichtheitsprüfungen mit hoher Empfindlichkeit gefragt.

Die Auswahl des richtigen Prüfverfahrens

In jedem der vier Beispiele kann der Anwender aus verschiedenen Prüfverfahren auswählen. Das Spektrum reicht von Testmethoden mit Luft als Prüfgas (Druckabfallmessung und Micro-Flow) bis zu hochempfindlichen und automatisierten High-Speed-Verfahren wie der Helium-Lecksuche.

Dabei geht der Trend eindeutig zur Dichtigkeitsprüfung mit Prüfgasen wie Helium oder Wasserstoff. Denn die Entzündlichkeit des Wasserstoffs fordert eine prozesssichere, quantitative Dichtheitsprüfung. Das Aufteilen eines sicherheitsgetriebenen Leckraten-Budgets auf einzelne Komponenten bedeutet oftmals eine Unterschreitung der Nachweisgrenze von Druckänderungsverfahren mit Luft.

Alternative: Micro-Flow-Dichtheitsprüfung mit Luft

Als mögliche Alternative, die ohne Prüfgase wie Helium auskommt, bietet sich die Micro-Flow-Technologie von Pfeiffer Vacuum an. Sie arbeitet mit Luft als Prüfmedium und eignet sich nicht für höchste, aber immerhin für hohe Anforderungen an die Genauigkeit und auch für die Detektion von kleineren Leckraten.

Fazit: Für jede Prüfung das richtige Verfahren

Der kurze Überblick zeigt: Pfeiffer Vacuum hat für jede der sehr unterschiedlichen Anforderungen, die in der Wertschöpfungskette der Brennstoffzellenproduktion an Dichtheitsprüfungen gestellt werden, das richtige Prüfgerät und die passende Lösung. Das gilt nicht nur für die Technik, sondern auch für die Kosten.

Gerade bei der Planung von Produktionslinien kann Pfeiffer Vacuum als erfahrener Partner Hersteller von Brennstoffzellen sowie deren Komponenten bei der Umsetzung der spezifischen Dichtheitsanforderungen unterstützen.

Das Komplettpaket: Prüfgeräte plus Peripherie

Das Prüfgerät selbst stellt zwar das Herz der Dichtheitsprüfanlage dar, diese besteht jedoch auch aus diversen weiteren Bauteilen wie Vakuumpumpen, Totaldruckmessgeräten und Vakuumkomponenten, die alle zum Portfolio von Pfeiffer Vacuum gehören. Nach dem Motto des One-Stop-Shoppings kann der Anwender daher alle aufeinander abgestimmten Komponenten aus einer Hand beziehen. Zudem beraten die Experten von Pfeiffer Vacuum geräteunabhängig und können im Vorfeld einer Investitionsentscheidung auf Wunsch anwendungsbezogene (d.h.: nicht gerätebezogene) Machbarkeitsstudien durchführen und die Anwender in der Konfiguration von Mess- und Vakuumtechnik in der Brennstoffzellenproduktion unterstützen.

Weitere Informationen in den On-Demand-Webinaren von Pfeiffer Vacuum – zum Beispiel: „Fuel cell components – from regulations to industrial practice“.

Anmerkung

"Antrieb im Wandel – Auswirkungen der Brennstoffzellentechnologie auf den Maschinen- und Anlagenbau und die

Zulieferindustrie“. Studie von FEV Consulting im Auftrag des VDMA, 2020

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