Für die komplexen Prüfaufgaben im Bereich der Bipolarplatten von Brennstoffzellen haben die Ingenieure jetzt eine neue Anlage entwickelt und gebaut, die die Prüfungen an den drei Kreisläufen unmittelbar hintereinander erledigt. Die Herausforderung, den Heliumuntergrund bei der Prüfung mit der Vakuummethode in den Griff zu bekommen, hat Maceas durch zahlreiche konstruktive Maßnahmen gelöst. Ein weiterer wichtiger Faktor war die neue, intelligente I∙Zero-Softwarefunktion, mit der Inficon den Untergrund aus den Messdaten seines Helium-Prüfgeräts LDS3000 erstmals dynamisch herausrechnet.

Die Bedeutung der Bipolarplatten in einer Brennstoffzelle

Während Battery Electric Vehicles (BEV) den benötigten Strom in großen Traktionsbatterien speichern, erzeugen Fuel Cell Electric Vehicles (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 konzipiert. 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.

Folgen von Dichtheitsproblemen

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.

Worthmann und Maceas

Seit ihrer Gründung 1995 ist die Worthmann Maschinenbau GmbH ein Spezialist für
Dichtheitsprüfung und Automatisierung. Das Unternehmen hat seinen Sitz im niedersächsischen Barßel-Harkebrügge, unweit von Oldenburg. Kernkompetenzen liegen in der Helium-Dichtheitsprüfung und Ultraschall-Gasblasen-Detektion im Wasserbad. Der entsprechende Geschäftsbereich firmiert als Maceas GmbH, eine hundertprozentige Tochter von Worthmann. Die Spezialisten von Worthmann und Maceas sorgen durch kundenspezifische Automatisierungslösungen für reibungslose Qualitätssicherungsprozesse in der industriellen Serienproduktion. Einen besonderen Fokus legt das Unternehmen auf die Entwicklung der nachhaltigen E-Mobilität – auf Dichtheitsprüfaufgaben im Zusammenhang mit Wasserstoff- und Batterie-Technologie.

Die Vakuum-Methode als Ausgangspunkt

Bereits 2019 haben sich die Ingenieure bei Worthmann und Maceas mit dem Thema Dichtheitsprüfung der Bipolarplatte technisch auseinandergesetzt. Ende 2020 erhielt Maceas dann den ersten Kundenauftrag, eine Dichtheitsprüfanlage für die Bipolarplatten von Brennstoffzellen zu entwickeln und zu bauen. Als Basis dafür wählten die Maceas-Ingenieure das Dichtheitsprüfgerät LDS3000 von Inficon. Die Inficon GmbH aus Köln ist ein weltweit tätiger Hersteller von Instrumenten und Geräten für die Dichtheitsprüfung. „Prüfgasverfahren spielen bei uns heute eine immer größere Rolle“, erklärt Daniel Schönbohm, Vertriebsleiter bei Worthmann und Maceas. „Unsere Erfahrungen mit Inficon sind durchweg positiv.

Schon seit vielen Jahren nutzen wir für integrale Dichtheitsprüfungen mit dem Helium-Vakuum-Prinzip den LDS3000, der für den Einbau in industrielle Prüfanlagen konzipiert ist. Ein großer Vorteil der Vakuumprüfung mit dem LDS3000 sind die kurzen Taktzeiten. Ein weiteres Inficon-Gerät, den XL3000flex, setzen wir bei der Schnüffellecksuche ein, wenn es darum geht, Leckstellen exakt zu lokalisieren.“

Die neue Dichtheitsprüfanlage ist erweiterbar

Die beiden Vakuumkammer-Werkzeuge in jedem Modul gestatten eine Helium-Dichtheitsprüfung von zwei Bipolarplatten gleichzeitig. © Maceas

Den neuen Heliumlecktester für Bipolarplatten hat Maceas modular konzipiert. Eine Anlage besteht wenigstens aus einem Hauptmodul, das auch einen Schaltschrank und die Bedienelemente umfasst. In die eigentliche Prüfkammer werden typischerweise jeweils zwei Bipolarplatten eingelegt. Bei einem einfachen Hauptmodul, das meist für Kleinserien oder Prototypen gedacht ist, geschieht dies in der Regel noch manuell. Auf Knopfdruck startet die Prüfung, und der obere Teil der Vakuumkammer fährt 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.

Maceas arbeitet hier nicht mit reinem Heliumgas, schon aus Kostengründen und um den Heliumuntergrund geringer zu halten. Die Anlage selbst stellt ein Prüfgasgemisch her, dessen Heliumkonzentration nur 10 Prozent beträgt. 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.

Ein unerwarteter Helium-Peak

Bereits das natürliche Vorkommen von Helium in der Luft stellt ein gewisses Problem dar, wenn man es als Prüfgas verwenden möchte. 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 stießen die Entwickler bei Maceas in Sachen Helium-Untergrund auf unerwartete Probleme. „Wir hatten keinen kontinuierlich fallenden und dann stabilen Helium-Untergrund, sondern überraschende Peaks“, berichtet Daniel Schönbohm.

Das Heliumgas versteckte sich in der Anlage. „Diese Heliumquellen, die unsere Prüfung beeinträchtigten, waren in den Toträumen der Prüfkammer und auch in den Werkzeugen. Um all diese Heliumquellen zu beseitigen, haben wir neue Führungen konstruiert, die Ventiltechnik verändert und auch größere Turbomolekularpumpen verbaut.“ Neben den baulichen Maßnahmen an der Anlage kam Maceas dann noch zugute, dass Inficon gerade an einer neuen, verbesserten „I∙Zero“-Softwarefunktion für den LDS3000 arbeitete.

Den Helium-Untergrund dynamisch bestimmen

„Bei Inficon war diese Softwareerweiterung zur dynamischen Bestimmung des Helium-Untergrunds gerade in der Entwicklungspipeline“, berichtet Schönbohm. „Wir haben eine sehr gute, partnerschaftliche Zusammenarbeit mit den Applikationsingenieuren bei Inficon. Als sie von unserem Problem hörten, haben sie uns gleich angeboten, den neuen I∙Zero-Prototypen einzusetzen“, so Schönbohm weiter. „Auch das war ein wichtiges Element in unserem Kampf gegen den Helium-Untergrund.“ Die Wirkung praktisch aller am Markt verfügbaren Zero-Funktionen war bislang recht eingeschränkt.

Ein Grund 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.

I∙Zero-Funktion beschleunigt den Prüfzyklus

Der große Unterschied der neuen I∙Zero-Funktion, die Inficon bereits zum Patent angemeldet hat, besteht darin, dass sie keinen festen Heliumwert als Nullpunkt definiert. 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 Helium-Untergrunds 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. „Allerdings hatten wir für die Prüfung der komplexen Bipolarplatten schon einen höheren konstruktiven Aufwand zu betreiben“, sagt Schönbohm. „Immerhin muss unsere Anlage gleich drei Kanäle hintereinander prüfen – und zwar auf ihre Dichtheit untereinander und auf ihre Dichtheit nach außen.“

Drei Prüfvorgänge 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 10-prozentigem 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. „Das heißt, effektiv prüft unsere Anlage in einer Station alle 24 Sekunden eine Bipolarplatte“, sagt Schönbohm. „Jedes Hauptmodul lässt sich um ein Nebenmodul erweitern, was den Durchsatz nochmals verdoppelt. Dann sind wir bei einer effektiven Taktzeit von 12 Sekunden, also bei 300 Bipolarplatten pro Stunde.“ Die modulare Anlage lässt sich nicht nur bedarfsgerecht erweitern, auch eine robotergestützte, vollautomatische Beschickung ist möglich.

Maceas setzt dann Vakuum-Greifer und ein Vision-System ein, das die korrekte Orientierung der Platten sicherstellt. Der erste Kunde für den neuen Maceas-Helium-Lecktest für die Bipolarplatten der Brennstoffzelle war ein Hersteller in Schweden, der zweite ein Unternehmen in den USA, und der dritte Kunde war ein deutscher Zulieferer. Hier, bei der dritten Installation, geht es um Brennstoffzellen für Lkw – und damit nicht mehr um Bipolarplatten aus Metall, sondern um graphitische. Deren Vorteil ist die längere Lebensdauer: Während man bei Metallplatten von bis zu 10.000 Betriebsstunden ausgeht, haben graphitische Platten eine Lebensdauer von 20.000 bis 30.000 Stunden.

Gefördert: Prüfung von Tanks mit flüssigem Wasserstoff

Neben der Prüfung von Bipolarplatten und Brennstoffzellen widmet sich Maceas derzeit auch der Prüfung von kryogenen Wasserstofftanks. Diese gestatten es, Wasserstoff in flüssiger Form mitzuführen, bei einer Temperatur von minus 253 Grad Celsius. Das Konstruktionsprinzip solcher Tanks gleicht dem einer Thermosflasche: Ein mehrwandiger Aufbau mit einer isolierenden Vakuumschicht verhindert den Wärmeübergang. Das Projekt zur Dichtheitsprüfung dieser Tanks wird durch das Land Niedersachsen gefördert. In Zusammenarbeit mit einem Tier-1-Supplier errichtet Maceas derzeit eine Testanlage. Um das tiefe Vakuum in der Wand des Tanks dauerhaft zu erhalten, sind Tests gegen Grenzleckraten von 10^-6 bis 10^-7 mbar∙l/s erforderlich.

Maceas setzt hier wieder ein Helium-Lecksuchgerät des Typs LDS3000 ein. Auch in diesem Szenario könnte sich die neue I∙Zero-Funktion von Inficon als sehr nützlich erweisen. Für den Vertriebsleiter Daniel Schönbohm steht fest: „Mit I∙Zero schneller prüfen zu können, ist aus Perspektive der Zykluszeiten immer ein Vorteil.“ Alternativen Antrieben gehört die Zukunft. Moderne Dichtheitsprüfanlagen wie die von Maceas gestatten die Qualitätssicherung, die bei der industriellen Serienproduktion der neuen Antriebskomponenten unverzichtbar ist.