Blick in die Lecktest-Station für Brennstoffzellen-Bipolarplatten (Prüflinge unkenntlich gemacht). Hier werden Kühlkanal, Wasserstoffkanal und Luftkanal auf Dichtheit überprüft.

Blick in die Lecktest-Station für Brennstoffzellen-Bipolarplatten (Prüflinge unkenntlich gemacht). Hier werden Kühlkanal, Wasserstoffkanal und Luftkanal auf Dichtheit überprüft. (Bild: Maceas)

Während batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) den benötigten Strom in großen Traktionsbatterien speichern, erzeugen Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) den Strom, mit dem sie ihre Elektromotoren speisen, selbst. Denn FCEVs führen in einem Tank Wasserstoff mit, aus dem sie in einer galvanischen Zelle – der Brennstoffzelle – Strom generieren. Bei der kontrollierten Reaktion von Wasserstoff und Luftsauerstoff entsteht als Abgas nur unproblematischer Wasserdampf. Das Herz von Brennstoffzellenfahrzeugen sind die Fuel Cell Stacks. In diesen Brennstoffzellen-Stacks sind zwischen zwei Endplatten oft hunderte Bipolarplatten geschichtet, die jeweils durch Membran-Elektroden-Einheiten getrennt sind. Diese elektrisch leitenden Bipolarplatten verbinden die Anode einer Zelle mit der Kathode der anderen Zelle. Eine Bipolarplatte ist jeweils mit zwei Hohlräumen für die Prozessgase Wasserstoff und Luftsauerstoff ausgestattet. Zudem enthält sie eine interne Hochtemperatur-Kühlschleife, um eine optimale Prozesstemperatur zu gewährleisten. Abgehend von den Hohlräumen der Prozessgasführung werden Wasserstoff und Luftsauerstoff über ein Flow Field großflächig an die Membrane der Membran-Elektroden-Einheit geleitet.

Vollautomatische Dichtheitsprüfung für Bipolarplatten im Video

Die Dichtheitsprüfung ist ein entscheidender Bestandteil der Qualitätssicherung für viele unterschiedliche Produkte und Prozesse, so auch bei der Bipolarplatte für die Brennstoffzelle und Elektrolyseure.

Dass in einer Bipolarplatte die beiden Prozessgasführungen und der Kühlmittelkreislauf zuverlässig dicht sind, ist für ihre Funktionssicherheit unverzichtbar. Denn ein Austreten von Wasserstoff – sei es durch Crossover-Lecks zwischen Anode und Kathode oder durch Overboard-Lecks an Dichtungen – könnte zu einer unkontrollierten Reaktion mit Sauerstoff führen. Tritt Wasserstoff in den Kühlkreislauf ein, besteht eine Korrosionsgefahr. Durch Gasblasen leidet dann die Effizienz der Kühlung, und auch der Pumpe droht eine Beschädigung. Tritt dagegen Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkreislauf aus, reduziert dies die Effizienz eines Fuel Cell Stacks und kann die Brennstoffzelle beschädigen. Um all diesen Versagensszenarien vorzubeugen, sind Dichtheitsprüfungen an jeder einzelnen Bipolarplatte erforderlich. Alle drei Kanäle – für Wasserstoff, Luftsauerstoff und Kühlmittel – müssen sowohl gegeneinander als auch nach außen zuverlässig dicht sein.

Integration der Lecktestung in eine Prüfanlage

Herausforderung bei der Prüfung auf Lecks in Bipolarplatten ist auch die Integration des Tests in eine industrielle Prüfanlage. Umgesetzt wurde dies zum Beispiel von Worthmann und Maceas, die dafür das Dichtheitsprüfgerät LDS3000 von Inficon einsetzten. In die Prüfkammer der Anlage werden typischerweise zwei Bipolarplatten eingelegt. Bei einem einfachen Hauptmodul, das meist für Kleinserien oder Prototypen gedacht ist, geschieht dies in der Regel noch manuell. Für Großserien ist der Prozess automatisierbar. Bei der Prüfung fährt der obere Teil der Vakuumkammer herunter und versiegelt die beiden Platten. Auch die Zu- und Abflüsse der Platten werden dabei verschlossen, sodass alle relevanten Volumina zunächst durch eine Vakuumpumpe evakuiert und dann bei Bedarf mit Prüfgas beaufschlagt werden können. Aus Kostengründen und um den Heliumhintergrund geringer zu halten kommt hier kein reines Heliumgas zum Einsatz. Das Prüfgasgemisch enthält nur zehn Prozent Helium. Um mit solch verdünntem Prüfgas testen zu können, muss die Anlage allerdings auch um den Faktor zehn empfindlicher sein als bei einer Prüfung mit reinem Helium. Die kleinste Grenzleckrate, gegen die die Anlage die Dichtheit der Bipolarplatten heute prüfen kann, liegt bei einem Helium-Volumenstrom von 1 ∙ 10-5 mbar∙l/s bei 10 Prozent Heliumanteil.

Schwerpunktthema: E-Mobility

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(Bild: Adobe Stock, Hüthig)

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Das sind die Folgen von Dichtheitsproblemen

Unerwarteter Helium-Peak

Bereits das natürliche Vorkommen von Helium in der Luft stellt ein gewisses Problem dar, wenn es als Prüfgas zum Einsatz kommen soll. Helium hat einen Anteil von 5 ppm in der Atmosphäre. Neben diesem natürlichen Untergrund sammelt sich gegebenenfalls auch Prüfgas in der Dichtheitsprüfanlage und um sie herum. Die Evakuierung der Vakuumkammer und der drei Prüfkreise reduziert den Helium-Untergrund vor der eigentlichen Messung. Inficon bietet auch schon länger eine sogenannte Zero-Funktion, um den Untergrund automatisch aus dem Messergebnis herauszurechnen. Dennoch kann es zu überraschenden Peaks kommen, die von versteckten Heliumquellen in der Anlage selbst herrühren können. Bei der Anlage von Maceas waren dies z. B. Toträume in der Prüfkammer und in den Werkzeugen. Gelöst wurde das Problem durch die Konstruktion neuer Führungen, die Veränderung der Ventiltechnik und den Verbau größerer Turbomolekularpumpen.

Offene Leckprüfkammer für Bipolarplatten. Der obere Teil der Vakuumkammer fährt für die Prüfung herunter und versiegelt beide Platten.
Offene Leckprüfkammer für Bipolarplatten. Der obere Teil der Vakuumkammer fährt für die Prüfung herunter und versiegelt beide Platten. (Bild: Maceas)

Wie die I-Zero-Funktion den Prüfzyklus beschleunigt

Bisherige Zero-Funktionen zum Herausrechnen des Heliumuntergrunds waren recht eingeschränkt. Ein Grund dafür ist, dass herkömmliche Lösungen sich einfach einen Punkt auf der fallenden Kurve wählen, den die Heliumkonzentration durch die Evakuierung beschreibt. Dieser Punkt dient dann als Nullpunkt der Messung. Die Folge: Gerade bei kleineren Grenzleckraten oder bei Vakuumkammern mit größerem Volumen lässt sich so erst nach einer vergleichsweise langen Evakuierungsphase sinnvoll messen – denn jede Leckrate unterhalb des definierten Nullpunkts bliebe sonst unerkannt.

Die I-Zero-Funktion von Inficon definiert keinen festen Heliumwert als Nullpunkt. Vielmehr analysiert sie kontinuierlich die Kurve, mit der der Helium-Untergrund während der Evakuierung und Prüfung fällt. Die jeweils vergangenen zwei Sekunden dienen dem Algorithmus dazu, das weitere Verhalten des Heliumuntergrunds zu extrapolieren. So werden erstmals Leckraten messbar, die ansonsten im Untergrund einfach verschwinden würden. Anders gesagt: Prozesssichere Dichtheitsprüfungen sind nun schon nach einer deutlich kürzeren Evakuierungsphase möglich. Durchsatz und Geschwindigkeit erhöhen sich spürbar. Abhängig vom Prüfteil und der Grenzleckrate, gegen die es getestet werden muss, wird es durch I∙Zero prinzipiell auch möglich, die Anlage für die Vakuumprüfung etwas weniger aufwendig auszulegen.

Drei Prüfungen in einem

Sind die beiden Bipolarplatten in die Anlage eingelegt, schließt sich ein Werkzeug um die zwei Platten. Dieses Werkzeug selbst bildet die Vakuumkammer für die Dichtheitsprüfung nach außen. Gleichzeitig gestattet es durch seine Dichtungen und Ventile, die relevanten Kanäle der Platte nacheinander selbst zu Vakuumkammern für die Prüfung zu machen. Nach der ersten Evakuierung wird zunächst der Kühlkanal – die größte Fläche in der Platte – bei Prüfdruck mit zehnprozentigem Helium im Helium-Luft-Gemisch gefüllt. Der Kühlkanal wird dann daraufhin geprüft, ob er gegen den Luftkanal, gegen den Wasserkanal und nach außen in die Kammer dicht ist. Bei der folgenden Prüfung des Luftkanals geht es um die Dichtheit gegenüber dem Wasserstoffkanal und nach außen. Und bei der abschließenden Prüfung des Wasserstoffkanals ist nur noch dessen Dichtheit nach außen zu testen. Denn bei metallischen Bauteilen sind etwaige Leckraten immer in beide Leckrichtungen identisch – eine Prüfung in eine Richtung ergibt also alle etwaigen Lecks in beide Richtungen. Vor jedem der insgesamt drei Prüfvorgänge findet immer wieder eine Ermittlung der Helium-Untergrundkonzentration mithilfe der I-Zero-Funktion statt, um die Taktzeiten so kurz wie möglich zu halten.

Taktzeiten bis hinab zu 12 Sekunden

Der gesamte Prüfzyklus aus Beschickung der Anlage, den drei Evakuierungen und den drei Prüfprozessen dauert heute nur noch 48 Sekunden. Effektiv prüft die Anlage alle 24 s eine Bipolarplatte. Bei Erweiterung des Hauptmoduls durch ein Nebenmodul lässt sich der Durchsatz nochmals verdoppeln. Dann beträgt die Taktzeit 12 s, also 300 Bipolarplatten pro Stunde. (na)

Der Beitrag beruht auf Unterlagen von Inficon und Maceas.

Die Autorin: Dr.-Ing. Nicole Ahner

Die Autorin: Dr. Nicole Ahner
(Bild: Hüthig)

Ihre Begeisterung für Hardcore-Physik und Materialentwicklung sorgte dafür, dass sie im Rahmen ihres Elektrotechnik-Studiums ihre wahre Berufung fand, die sie dann auch ins Zentrum ihres beruflichen Schaffens stellte: die Mikroelektronik und die Halbleiterfertigung. Nach Jahren in der Halbleiterforschung recherchiert und schreibt sie mittlerweile mit tiefem Fachwissen auch über elektronische Bauelemente. Ihr besonders Fables gelten Wide-Bandgap-Halbleitern, Batterien und Wasserstoff-Technologien und Materialentwicklung.

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