Dichtheits-Prüfaufgaben bei der Fertigung von Brennstoffzellenfahrzeugen

Fuel Cell Stacks sind das Herz von Brennstoffzellenfahrzeugen (Bild 1). Die Brennstoffzellenstacks 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 (Bild 2):

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 sogar 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 4 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 – zum Beispiel bei einem Fahrzeug geparkt in einer Einzelgarage –, stellen automobile Anwendungen oft strengere Anforderungen an die Dichtheit.

Aber unabhängig davon, welche Leckrate für den gesamten Stack angesetzt wird, gilt: Weil ein kompletter Stack aus mehreren hundert Einzelzellen besteht, deren Leckraten in Summe zu betrachten sind, 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 im Kontext von 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 (Bild 3).

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.

Bipolarplatte auf Wasserstofflecks überprüfen

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 allerdings ein Leck, ist eine weitere Ursachenforschung möglich. Dabei wird der Umstand genutzt, dass der Wasserstoffhohlraum der Bipolarplatte nach der Prüfung in der Vakuumkammer noch mit Helium befüllt und abgedichtet ist. Allerdings wird jetzt 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 ursprünglich identifizierte Leck nach außen führt.

Test 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. Für all diese Tests an montierten Fuel Cell Stacks dient ebenfalls Helium als Prüfgas. Bei einer Prüfung mit Wasserstoff 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 4 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 entscheidend auch von der konkreten Einbausituation im Fahrzeug ab. Bei welcher Leckrate eine zündfähige Wasserstoffkonzentration von 4 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. Auch diese Faktoren gilt es bei der Festlegung einer sinnvollen Leckrate zu berücksichtigen.

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. Das heißt: Bei der Reaktion zu Wasser bleiben 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.

Permeationsgrenzwerte für Wasserstofftanks

Die in FCEVs verbauten Wasserstofftanks 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.

Akkumulationsprüfung am Wasserstofftank

Wenn an einen Wasserstofftank die erforderlichen 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 wird das Prüfteil mit einem unbrennbaren Gemisch aus 5 Prozent Wasserstoff und 95 Prozent Stickstoff beaufschlagt, dem handelsüblichen Formiergas. Aus der Prüfgasmenge, die dann in einer einfachen Prüfkammer aus dem Prüfteil 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 Vakuumprüfung ihrer kürzeren Taktzeiten wegen lohnen würde, wird oft noch diese Akkumulationsmethode angewendet. Gerade die großen Wasserstofftanks von Bussen, die Volumina von bis zu 1700 l aufweisen, wird in Akkumulationskammern mit bis zu 4000 l Kammervolumen geprüft. Wegen der geringeren Prüfgaskosten wird der Prüfling dabei mit dem günstigeren Formiergas befüllt. Allerdings mit einem Druck von 700 bar, weil die ansonsten deutlich kleineren Leckraten in der sehr großen Akkumulationskammer nicht nachweisbar wären. Wegen des hohen Prüfdrucks gibt es in diesem speziellen 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 kommt hier üblicherweise die sogenannte Schnüffellecksuche zum Einsatz (Bild 4). Der fertige Tank wird dazu entweder mit Helium oder Formiergas als Prüfgas befüllt und abgedichtet. Anschließend fährt der Prüfer mit einer Schnüffelspitze an der Oberfläche des Tanks entlang.

Interessant sind hier die neuralgischen Punkte, also die Verbindungsstellen zu den Armaturen. Die automatisierte, dynamische Schnüffellecksuche, bei der ein Roboterarm die Schnüffelspitze führt, vermeidet etwaige Fehler eines menschlichen Prüfers und garantiert maximalen Durchsatz. Allerdings sind dazu Lecksuchgeräte erforderlich, die einen besonders 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. (na)

Weiterführendes E-Book

„E-Mobilität: Dichtheitsprüfung für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben“ heißt ein umfassendes E-Book von Inficon. Es behandelt die vielfältigen Prüfaufgaben bei der industriellen Fertigung von Komponenten für 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 Verfügung: https://www.inficon.com/de/maerkte/automobilindustrie/dichtheitspruefung-emobilitaet-elektroauto-brennstoffzelle