Brennstoffzellenfahrzeug So funktionieren Dichtheitsprüfungen für Brennstoffzellen

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Gerade für Nutzfahrzeuge ist die Brennstoffzelle eine interessante Option, wenn es um nachhaltige Mobilität geht. Auf die Hersteller entsprechender Komponenten – von Bipolarplatten bis zu Wasserstofftanks – kommen dabei neue Anforderungen an die Dichtheitsprüfung und Qualitätssicherung zu.

Bei Automobilzulieferer Bosch geht man davon aus, dass bis 2030 20 Prozent aller Elektrofahrzeuge weltweit ihren Antriebsstrom per Brennstoffzelle generieren. Vor allem für Nutz- und Langstreckenfahrzeuge stellt die Brennstoffzelle eine bedeutende Alternative zu einem rein elektrischen Antrieb dar.

Die Bipolarplatten der Brennstoffzelle

Fuel Cell Stacks sind das Herz von Brennstoffzellenfahrzeugen (Fuel Cell Electric Vehicle – FCEV). Sie 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 enthält zwei Hohlräume für die Prozessgase Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie meist eine interne Kühlschleife. Abgehend von den Hohlräumen der Prozessgasführung werden die Prozessgase Wasserstoff und Luftsauerstoff über das sogenannte Flow Field großflächig an die Membrane der Membran-Elektroden-Einheit geleitet. Der entsprechende Hochtemperatur-Kühlkreislauf hat die Funktion, eine optimale Prozesstemperatur des gesamten Brennstoffzellensystems aufrechtzuerhalten. Im Wesentlichen ergeben sich daraus für eine Brennstoffzelle vier Versagensmodi:

• 1. Wasserstoffverlust generell,

• 2. Crossover-Lecks zwischen Anode und Kathode oder Overboard-Lecks an Dichtungen – mit einer unkontrollierten Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff,

• 3. Kühlflüssigkeitsverlust, der die Effizienz des Fuel Cell Stacks verringert und zur Beschädigung führt,

• 4. Wasserstoffaustritt in den Kühlkreislauf wirkt korrosiv, beeinträchtigt wegen der Gasblasen die Effizienz der Flüssigkeitskühlung und kann die Pumpe beschädigen.

Aus den Fehlerszenarien ergeben sich konkrete Anforderungen an die Leckrate. Gegen den Wasserstoffaustritt – sowohl nach außen als auch in den Kühlkanal – ist das Gesamtsystem gegen Leckraten im Bereich von 10^-3 bis 10^-5 mbar·l/s zu prüfen. Wasserstoff ist bekanntlich leicht brennbar und in dem breiten Konzentrationsbereich zwischen vier und 73 Prozent Wasserstoff in Luft zündfähig. Einige Hersteller von Brennstoffzellen beziehen sich auf die Norm DIN EN IEC 62282-2, deren jüngste Fassung im April 2021 veröffentlicht wurde. Die Norm behandelt die Sicherheit von Brennstoffzellenmodulen, allerdings beschäftigt sie sich erklärtermaßen nicht mit Anwendungen von Brennstoffzellen in Straßenfahrzeugen. Die DIN EN IEC 62282-2 spezifiziert für einen gesamten Brennstoffzellenstack eine Wasserstoff-Grenzleckrate von 5 cm³/min und schreibt vor, dass der Anwender für eine gute Belüftung der Brennstoffzelle zu sorgen hat. Da dies beim Einbau in ein Straßenfahrzeug aber nicht immer gewährleistet werden kann – man denke nur an ein Fahrzeug, das in einer Einzelgarage geparkt ist –, stellen automobile Anwendungen oft strengere Anforderungen an die Dichtheit.

Unabhängig davon, welche Leckrate für den gesamten Stack angesetzt wird, gilt: Weil ein kompletter Stack aus mehreren hundert Einzelzellen besteht, deren Leckraten in Summe betrachtet werden müssen, sind diese einzelnen Komponenten gegen Grenzleckraten zu prüfen, die nochmals zwei Dekaden kleiner sind. Besteht der Brennstoffzellenstack beispielsweise aus 350 Zellen und sollen die einzelnen Zellen mit Helium-Prüfgas auf ihre Dichtheit getestet werden, errechnet sich aus den Vorgaben der oben angegebenen Norm eine Helium-Grenzleckrate von circa 10^-4 mbar·l/s. Für strengere Vorgaben in automobilen Anwendungen können bei einzelnen Bipolarplatten auch Grenzleckraten bis in den Bereich von 10^-6 mbar·l/s notwendig sein.

Allerdings wird in Entwicklungsprojekten und in der wissenschaftlichen Forschung durchaus schon diskutiert, ob in Zukunft nicht noch kleinere Grenzleckraten bis hinab zu 10^-7 mbar·l/s sinnvoller wären.

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Vakuummethode für die Linienfertigung

Um Kurzschlüsse zu vermeiden, muss das Kühlmedium im Hochtemperatur-Kühlkreislauf der Bipolarplatten eine geringe Leitfähigkeit aufweisen. In der Regel dient darum deionisiertes Wasser mit einem Frostschutzzusatz als Kühlflüssigkeit. Um zu vermeiden, dass diese Flüssigkeit aus dem Kühlkanal austritt, ist eine Dichtheitsprüfung gegen Leckraten im Bereich von 10^-3 bis 10^-4 mbar·l/s sinnvoll. Dies ist die übliche Größenordnung für Flüssigkeitsdichtheit, denn das Wasser selbst verschließt Lecks dieser Größe.

Für diese und andere Dichtheitsprüfaufgaben bei der Fertigung empfiehlt sich die prüfgasbasierte Vakuummethode. Sie verbindet hohe Zuverlässigkeit mit kurzen Taktzeiten und eignet sich darum besonders für Prüfaufgaben in der Fertigungslinie. Das Prüfteil wird dafür in eine Vakuumkammer gebracht, zunächst evakuiert und dann mit Helium beaufschlagt. Anhand des Prüfgases, das aus etwaigen Lecks in das Vakuum der Kammer austritt, ergibt sich die Leckrate des Prüfteils. Neben dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf, der die Bipolarplatten durchströmt, verfügen FCEV-Fahrzeuge auch über einen oder mehrere Niedertemperatur-Kühlkreisläufe, die elektrische Komponenten wie Antrieb, Wandler und Leistungselektronik in Temperaturbereichen von unter 60 °C halten. Sie werden mit einem herkömmlichen Wasser-Glykol-Gemisch betrieben und sind ebenfalls gegen Flüssigkeitsdichtheit zu prüfen.

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Die Vakuummethode dient auch dazu, die Bipolarplatten selbst auf Wasserstoffleckagen zu prüfen. Dabei wird der Wasserstoffhohlraum der Bipolarplatte abgedichtet, evakuiert und mit Helium gefüllt. In einer evakuierten Vakuumkammer kann dann ein Lecksuchgerät gegen Grenzleckraten von 10^-4 bis 10^-5 mbar·l/s testen. Ist im Vakuum der Kammer kein Helium nachweisbar, existieren keine Lecks – weder aus dem Wasserstoffhohlraum nach außen noch in den Kühlkanal hinein.

Detektiert das Gerät ein Leck, ist eine Ursachenforschung möglich. Man nutzt den Umstand, dass der Wasserstoffhohlraum der Bipolarplatte nach der Prüfung in der Vakuumkammer noch mit Helium befüllt und abgedichtet ist. Nun wird nur noch der Kühlkanal selbst an eine Vakuumpumpe angeschlossen. So lässt sich nachweisen, ob Helium ins Vakuum des Kühlkanals eindringt. Anderenfalls steht fest, dass das identifizierte Leck nach außen führt.

Tests montierter Fuel Cell Stacks

Nach dem Zusammenbau der Bipolarplatten zu kompletten Fuel Cell Stacks sind End-of-line-Tests erforderlich – wobei auch nach vorangehenden Zwischenschritten bereits Prüfungen sinnvoll sein können. Hier dient ebenfalls Helium als Prüfgas. Wollte man stattdessen mit Wasserstoff prüfen, entstünde das Risiko, dass die Brennstoffzelle bereits ungewollt Strom produziert. Auch aus Sicherheitsgründen verbietet sich Wasserstoff als Prüfgas, weil Groblecks im Wasserstoffkreislauf schnell zu zündfähigen Wasserstoffkonzentrationen von mehr als vier Prozent in Luft führen könnten.

Typische Helium-Grenzleckraten für die Dichtheitsprüfung an assemblierten Brennstoffzellenstacks liegen in der Praxis im Bereich von ungefähr 10^-3 bis 10^-5 mbar·l/s. Welche Grenzleckrate für den komplettierten Fuel Cell Stack tolerabel ist, hängt von der konkreten Einbausituation im Fahrzeug ab. Bei welcher Leckrate eine zündfähige Wasserstoffkonzentration von vier Prozent in Luft entstehen kann, ist eben nicht nur eine Frage der Dichtheit des Brennstoffzellenstacks, sondern auch eine des ihn umgebenden Volumens im Fahrzeug und des Luftaustauschs in dieser Umgebung.

Dichtheit der Wasserstoffrezirkulation

Weitere Dichtheitsprüfungen sind an Komponenten wie der Medienverteilerplatte einer Brennstoffzelle (die Wasserstoff, Luft und Kühlmittel leitet), an ihren diversen Ventilen, Pumpen und ihrer Wasserstoffrezirkulation erforderlich.

Brennstoffzellen führen den Membran-Elektroden-Einheiten ihrer Bipolarplatten Wasserstoff und Luftsauerstoff überstöchiometrisch zu. Bei der Reaktion zu Wasser bleiben daher jeweils Reste der beiden Gase übrig. Aus diesem Grund benötigen Brennstoffzellen eine Wasserstoffrezirkulation. Dabei durchlaufen die Prozessgase zunächst einen Wasserabscheider, der Wasserstoffanteil wird dann rezirkuliert und erneut verwendet. Auch bei den wasserstoffführenden Komponenten der Wasserstoffrezirkulation empfiehlt sich eine Prüfung gegen Leckraten im Bereich von 10^-4 bis 10^-6 mbar·l/s.

Anforderungen an Wasserstofftanks

Die Wasserstofftanks, die in FCEVs verbaut werden, sind meist sogenannte Typ-IV-Tanks, hergestellt aus Verbundwerkstoffen. Solche Tanks für Pkw sollen üblicherweise Betriebsdrücken von bis zu 700 bar widerstehen. Die weit größeren Wasserstofftanks für Busse sollen Betriebsdrücken von 350 bar standhalten. Die Dichtheitsanforderungen für Wasserstofftanks entstehen aus einer Reihe von internationalen Normen, die maximal zulässige Permeationsraten definieren.

Bei einem Pkw-Wasserstofftank mit 30 l Kapazität und 700 bar Druck ergibt sich beispielsweise nach den Permeationsgrenzwerten der ISO 15869 B.16 umgerechnet eine Helium-Grenzleckrate von 2,3 · 10^-2 mbar·l/s. In der Praxis werden Wasserstofftanks aber oft nicht bloß den Normen entsprechend geprüft, sondern gegen Leckraten im Bereich 10^-3 mbar·l/s. Denn jede gemessene Leckrate, die die unvermeidbare Permeation des Materials selbst übersteigt, ist notwendigerweise ein Indiz für ein reales Leck.

Wenn an einen Wasserstofftank die Armaturen und Ventile angebracht sind, wird aus dem ursprünglichen Tankkörper das sogenannte Tankmodul. Für die Vorprüfung der Tankkörper eignen sich sowohl die Vakuummethode mit Helium als auch die Akkumulationsmethode mit Formiergas. Bei letzterer beaufschlagt man das Prüfteil mit einem unbrennbaren Gemisch aus fünf Prozent Wasserstoff und 95 Prozent Stickstoff, dem Formiergas. Aus der Prüfgasmenge, die dann in einer einfachen Prüfkammer aus dem Prüfteil wieder austritt und dort in einem definierten Zeitraum akkumuliert, ergibt sich die Leckrate. Weil derzeit die Produktionszahlen noch nicht hoch genug sind, als dass sich die Vakuumprüfung ihrer kürzeren Taktzeiten wegen lohnen würde, wird oft noch diese Akkumulationsmethode angewandt. Große Wasserstofftanks von Bussen, die Volumina von bis zu 1.700 l aufweisen, prüft man in Akkumulationskammern mit bis zu 4.000 l Kammervolumen. Wegen der geringeren Prüfgaskosten wird der Prüfling dabei mit dem günstigeren Formiergas befüllt. Allerdings mit einem Druck von 700 bar, weil die ansonsten kleineren Leckraten in der großen Akkumulationskammer nicht nachweisbar wären. Wegen des hohen Prüfdrucks gibt es in diesem Fall in der Akkumulationskammer auch einen Notauslass, der bei Überdruck öffnet.

Auch nach dem Zusammenbau des Tankkörpers mit allen Armaturen – Befüll- und Auslassventile sowie Drucksensoren – sind noch Dichtheitsprüfungen erforderlich. Allerdings verwendet man hier üblicherweise die sogenannte Schnüffellecksuche.

Der fertige Tank wird entweder mit Helium oder Formiergas als Prüfgas befüllt und abgedichtet. Anschließend fährt man mit einer Schnüffelspitze an der Oberfläche des Tanks entlang. Dabei konzentriert man sich auf die neuralgischen Punkte, also die Verbindungsstellen zu den Armaturen. Die automatisierte, dynamische Schnüffellecksuche, bei der ein Roboterarm die Schnüffelspitze führt, vermeidet Fehler eines menschlichen Prüfers und garantiert maximalen Durchsatz. Allerdings sind dazu Lecksuchgeräte erforderlich, die einen hohen Gasfluss aufweisen. Ansonsten könnte der Roboterarm die Schnüffelspitze nicht schnell genug und auch nicht mit dem gebotenen Sicherheitsabstand über das Prüfteil hinwegbewegen. Typische Grenzleckraten bei diesen End-of-line-Prüfungen an fertigen Wasserstofftanks liegen im Bereich 5 · 10^-2 mbar·l/s.

Prüfung der Elektrokomponenten

Letztlich sind es Elektromotoren, die ein Brennstoffzellenfahrzeug bewegen. Auch die Lithium-Ionen-Batterien, die die Motoren speisen, sind ihrem Prinzip nach dieselben wie in Elektrofahrzeugen – wenngleich die Traktionsbatterie im FCEV weit kleiner ist und nur als Puffer fungiert. Auch hier existieren Dichtheitsprüfaufgaben. Aus Lithium-Ionen-Zellen etwa darf kein Elektrolyt austreten, und in die Zellen darf keine Luftfeuchtigkeit eindringen. Sonst könnte der Elektrolyt mit dem Wasser zu Flusssäure reagieren. Die Prüfaufgaben für die Batterien, Steuermodule und Elektromotoren von FCEVs sind dieselben wie bei Elektrofahrzeugen.

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* Sandra Seitz ist Market Manager Automotive Leak Detection Tools bei Inficon.

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