Um ein Höchstmaß an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Umweltschutz zu gewährleisten, ist die Dichtheitsprüfung bei der Herstellung von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV) für den Automobilsektor von hoher Relevanz. Pfeiffer Vacuum begleitet Automobilhersteller in der Entwicklung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen seit den frühen Anfängen dieser Technologie und ist daher ein wichtiger Partner bei der Bereitstellung von Lösungen für die Lecksuche.
Sicherheit, Zuverlässigkeit und Umwelt
Die Dichtheitsprüfung ist für den FCEV-Markt von besonderer Bedeutung, da sichergestellt werden muss, dass die strengen Sicherheits- und Betriebsstandards erfüllt werden. So ist es obligatorisch, dass der Kraftstofftank als Wasserstoffspeicher und der Brennstoffzellenstapel (Stack), in dem Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe der sogenannten kalten Verbrennung in elektrische Energie umgewandelt werden, auf Lecks getestet werden. Doch nicht nur der Tank und der Stack an FCEVs werden während der Produktion mehrfach geprüft, sondern auch viele andere Komponenten. Dies gilt sowohl für die betriebs- und kühlmedienführenden Bauteile im Wasserstoffkreislauf als auch für die in allen FCEVs ebenfalls vorhandenen Batteriekomponenten.
Das richtige Verfahren der Dichtheitsprüfung finden
Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel als Herzstück eines FCEV stellen spezifische Herausforderungen an die Dichtheitsprüfverfahren. Die Länge aller Dichtungen innerhalb eines 120-kW-Brennstoffzellenstapels kann bis zu 1 km betragen und dies muss vollständig geprüft werden. Dieser Prozess wird zusätzlich dadurch erschwert, dass die Dimensionen der funktionsrelevanten Lecks für das menschliche Auge nicht mehr sichtbar sind. Eine einfache visuelle Prüfung reicht also nicht aus. Eine Reparatur ist erst dann möglich, wenn vorhandene Lecks lokalisiert sind.
Aufgrund der Risiken, die mit der Verwendung von Wasserstoff als brennbarem oder explosiblen Medium einhergehen, gilt die Lecksuche im Produktionsprozess von Brennstoffzellen als sicherheitsrelevanter Aspekt. Aktuell kommen in der Industrie eine Vielzahl an Dichtheitsprüfverfahren und Testgeräten zum Einsatz. Eine Hilfestellung bei der Auswahl von Verfahren geben Normen aus dem Bereich der Dichtheitsprüfung wie die DIN EN 1779 oder die DIN EN ISO 20485, in denen unterschiedliche Methoden zur Dichtheitsprüfung genannt und Verfahrenshinweise gegeben sind. Die Bandbreite der Methoden reicht dabei von Dichtheitsprüfverfahren mit Luft (Druckänderungs- und Durchflussverfahren) bis hin zu Spürgasverfahren mit Wasserstoff, Helium oder Gemischen der beiden selektiv nachzuweisenden Gase. „Der große Verdienst der bereits im Jahre 1999 veröffentlichten DIN EN 1779 ist die systematische Einteilung der wichtigsten industriell eingesetzten Dichtheitsprüfverfahren und die Entscheidungshilfe anhand von drei klaren Kriterien”, erklärt Dr. Rudolf Konwitschny, Lecksuch-Experte bei Pfeiffer Vacuum. Diese Kriterien sind:
- In welche Richtung strömt das Gas normalerweise, wenn es aus einem Leck austritt? Aus dem Objekt heraus oder in das Objekt hinein?
- Teste ich nur Komponenten eines Prüflings oder den Prüfling insgesamt?
- Prüfe ich integral oder lokalisierend? Die integrale Prüfung gibt Aufschluss darüber, ob Lecks vorhanden sind oder nicht. Lokalisierende Methoden können bestimmen, wo sich das Leck befindet.
Nach Anwendung dieser Entscheidungshilfen bleiben nach Norm sieben quantitative integrale Dichtheitsprüfverfahren auf der Basis von Luft oder Prüfgasen übrig, die potenziell für die Prüfung einer druckbeaufschlagten Komponente geeignet sind.
Abbildung 1: Auswahlkriterien der Dichtheitsprüfverfahren nach DIN EN 1779
Für eine integrale Dichtheitsprüfung kommen nach dieser Vorauswahl sowohl Verfahren mit Luft als auch Verfahren mit Prüfgasen in Betracht. Diese Entscheidung wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Die Verwendung von Luft in der Dichtheitsprüfung bietet die Vorteile, dass ein geringer apparativer Aufwand nötig ist, Luft im Vergleich zu Spürgasen kostengünstig und schnell verfügbar ist und günstige Testgeräte zum Einsatz kommen. Nachteile sind die beschränkte Nachweisempfindlichkeit (Leckageraten nach Norm bis minimal 1E-4 mbarl/s) und Einflussfaktoren wie Temperatur und Volumen. Die Stärken von Dichtheitsprüfungen mit Luft liegen in erster Linie in Anwendungen unter isothermen Bedingungen und mit kleinen Volumina.
„Eine Reihe von Dichtheitsprüfungen können z. B. mit der Differenzdruckmethode (die misst, wie viel Luft aus dem Prüfbehälter im Vergleich zu einem Referenzvolumen verloren geht) oder mit Durchflussmethoden durchgeführt werden“, sagt Konwitschny.
Diese Methoden werden auch in den Industrievorschriften ausdrücklich genannt. Die ISO 22734, die unter anderem Dichtheitsprüfungen an Elektrolyseuren beschreibt, führt aus, dass die Zellstapel einer gemeinsamen Druckprüfung unterzogen werden müssen, bei der die Sauerstoff- und Wasserstoffseiten der einzelnen Stacks an eine gemeinsame Druckquelle angeschlossen werden und simultan getestet werden. Auch die Prüfbedingungen sind in der Norm festgelegt: Der Druck sollte nicht unter dem maximalen Betriebsdruck liegen und die Prüfdauer sollte mindestens zwei Minuten betragen. Darüber hinaus werden genaue Temperaturbedingungen aufgeführt, aber es gibt keine Erklärung für den Einfluss dieser Parameter auf das Testergebnis. Laut Konwitschny ist dies ein wichtiger Aspekt, den die Hersteller beachten müssen.
Grundsätzlich treffen luftbasierte Dichtheitsprüfverfahren auf physikalische Grenzen. Die Temperatur ist dabei einer der wichtigsten Umgebungsparameter. Diese muss sehr genau eingehalten werden, denn je nach Größe und Volumen des zu prüfenden Teils kann dies einen großen Einfluss auf den Messwert eines Druckaufnehmers haben. Konwitschny erklärt: „Bei Teilen wie der Bipolarplatte einer Brennstoffzelle sprechen wir von einer Temperaturkonstanz im Bereich von 0,1 °C oder sogar darunter. Dies ist einer der Gründe, warum wir bei vergleichenden Messungen in unserem Applikationslabor eine breitere Streuung der Messwerte mit Durchflussverfahren im Vergleich zu Prüfgasverfahren ermittelt haben. Messmittel- und Prozessfähigkeit von Prüfgasverfahren sind nach unseren Erfahrungen überlegen. Mit dem Prüfgas Helium oder heliumhaltigen Gemischen erzielt man dabei wegen des niedrigeren und konstanteren Untergrundsignals im Vergleich zu Wasserstoff noch bessere Ergebnisse.“
Die Unmöglichkeit der perfekten Kontrolle der Prüfumgebung führt zusammen mit Spezifikationen für die Nachweisgrenze unterhalb von 1E-4 mbarl/s in vielen Anwendungen zwingend zum Einsatz von Prüfgasen. Spürgase wie beispielsweise Helium verursachen höhere Kosten als der Einsatz von Luft, haben aber den Vorteil, dass niedrigere Nachweisbarkeitsgrenzen und oftmals kürzere Taktzeiten möglich sind. Die Entscheidung zwischen Luft und Spürgas sollte also vor dem Hintergrund der vorherrschenden Rahmenbedingungen und der Anforderungen an die Dichtheitsprüfung getroffen werden.
Ein weiteres maßgebendes Auswahlkriterium für das Dichtheitsprüfverfahren sind Investitions- und laufende Kosten. „Wenn Sie Ihre Produktion mit geringen Stückzahlen beginnen, sind die anfänglichen Kosten für das Prüfsystem wichtig, weil Sie diese auf das Teil, das Sie produzieren wollen, aufteilen müssen. Bei einer Großserienproduktion sind die Kosten für ein Prüfgerät vernachlässigbar. Stattdessen sind Sie absolut auf Geschwindigkeit und Betriebskosten fokussiert: Sie brauchen ultrakurze Zykluszeiten“, führt Konwitschny aus.
Zudem stellt sich die Frage, was mit Bauteilen geschehen soll, welche bei der integralen Prüfung das festgelegte Gut/Schlecht-Kriterium überschreiten. Kann man wegen der Anforderungen einer Großserienproduktion den Verlust einer einzelnen Bipolarplatte vielleicht noch tolerieren, so ist ein Stack auf jeden Fall ein Bauteil, bei dem sich die Lecklokalisierung und die Nacharbeit lohnen. Für die Lokalisierung von Lecks sind nur Prüfgasmethoden praktikabel. Ein selektiver Nachweis an Luft ist nur mit spezifischen Spürgasen wie Helium möglich. In der Wasserstoffwirtschaft ist Helium wegen seiner chemischen und elektrischen Inertheit, Selektivität und Nachweisgrenze wasserstoffhaltigen Gasgemischen überlegen.
FCEV-Dichtheitsprüfsysteme von Pfeiffer Vacuum
Pfeiffer Vacuum ist weltweit das einzige Unternehmen, das Geräte sowohl für die Luft- als auch für die Spürgas-Lecksuche herstellt. Aufgrund dieses breiten Produktportfolios ist das Unternehmen in der Lage, seine Kunden objektiv und anwendungsspezifisch zu beraten hinsichtlich der richtigen Methodik der Dichtheitsprüfung von FCEV-Komponenten. Mit langjähriger Expertise und dem Mitwirken an entscheidenden Entwicklungen wasserstoffbetriebener Mobilität kann das Unternehmen die Anforderungen eines Kunden analysieren und mit den aktuellen Vorschriften in Einklang bringen.
So berät Pfeiffer Vacuum bei:
– der Auswahl der Lecksuchlösung für spezifische Anwendung(en)/Budgets
– der Bestimmung der optimalen Prozesse, Prüfkriterien und Ausrüstungsliste
– der Identifizierung möglicher Stellen, an denen immer wieder Lecks auftreten können
– der Gestaltung der Prüfprozesse zur objektiven Messung eines festgelegten Grenzwerts und
gegebenenfalls nachfolgender Lokalisierung von Leckstellen
– den Machbarkeitsstudien zur Lecksuche auf Anfrage
Mithilfe von Machbarkeitsstudien, die ein hohes Verständnis der technischen Anforderungen eines Produktes oder einer Anlage erfordern, wird das am besten geeignete Dichtheitsprüfverfahren ermittelt. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn neue Produkte vor ihrer Markteinführung stehen oder die Zykluszeiten der Dichtheitskontrolle bestehender Produkte optimiert werden sollen. Die Applikationsteams von Pfeiffer Vacuum bieten Machbarkeitsstudien sowohl während der Entwicklung von FCEV-Systemen als auch bei der Herstellung des Endprodukts an. Dies umfasst auch kundenspezifische Lösungen zur Kostenersparnis und Effizienzsteigerung der Dichtheitsprüfung.
Abbildung 2: Im hauseigenen Applikationslabor unterstützen die Pfeiffer Vacuum Applikationsexperten dabei, ein geeignetes Dichtheitsprüfverfahren zu entwickeln
