Bipolarplatten-Dichtheitsprüfung

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Was ist eine Bipolarplatten-Dichtheitsprüfung und warum wird sie durchgeführt?

Die Bipolarplatte selbst ist die Hauptkomponente eines Brennstoffzellenstapels und ist für die Steuerung der chemischen Reaktion und des Prozesses innerhalb der Brennstoffzelle verantwortlich. Die Bipolarplatte besteht aus zwei Monoplatten (Anode und Kathode), die entweder aus rostfreiem Stahl bestehen und per Laser zusammengeschweißt oder aus Graphit gefertigt und zusammengeklebt sind. Bipolarplatten und -membranen verfügen über drei Kreisläufe: den Kühlbereich zwischen den beiden Monoplatten sowie den Sauerstoff- und Wasserstoffkreislauf. Der Kühlkreislauf ist für den Ausgleich der Prozesstemperatur verantwortlich. Die Sauerstoff- und Wasserstoffkreisläufe sind die Anoden- und Kathodenseite der Bipolarplatte und bestehen aus den Anschlüssen für die Gaszufuhr, den Verteilern und den beiden Strömungsfeldern. Daher müssen die einzelnen Kreisläufe dicht sein, um einen effektiven Prozess zu gewährleisten. Das bedeutet, dass der Wasserstoff- und der Sauerstoffkreislauf gegeneinander und gegen den Kühlkreislauf abgedichtet sein müssen. Alle Verbindungen und Anschlüsse der drei Stromkreise untereinander müssen den hohen Anforderungen an die Dichtheit genügen und sind entsprechend auf Dichtheit zu prüfen. Daher ist es für den Prozess sehr wichtig, dass die Bipolarplatten der Brennstoffzelle leckfrei sind und kein Gas aufgrund von Leckagen an den Bipolarplatten den vorgesehenen Prozess umgehen kann.

Die Dichtheitsprüfung von Brennstoffzellen-Bipolarplatten wird nun als Teil der Qualitätssicherung in den Produktionsprozess eingeführt. Nach dem Pressen bzw. Umformen und Schweißen bzw. Kleben ist die Dichtheitsprüfung der nächste wichtige Schritt im Produktionsprozess einer Bipolarplatte, um ein qualitativ hochwertiges Ergebnis zu erzielen und die hohen Anforderungen bei der Herstellung komplexer Brennstoffzellenstapel zu erfüllen.

Diese wichtige Dichtheitsprüfung der Brennstoffzelle stellt sicher, dass alle Verbindungen die Anforderungen an die Dichtheit erfüllen. Dies ist entscheidend für einen stabilen Prozess, eine hohe Effizienz und eine entsprechende Haltbarkeit und Sicherheit.

Was sind die wichtigsten Konzepte für die Dichtheitsprüfung von Bipolarplatten für Brennstoffzellen?

Je nach Anforderung kann die Dichtheits- und Durchflussprüfung von Bipolarplatten mit dem Prüfmedium Luft oder mit einem Tracergas wie Helium durchgeführt werden.

Im Allgemeinen werden auf einer Dichtheitsprüfplattform mit Luft als Prüfmedium zwei grundlegende Methoden angewandt: Durchfluss- oder Druckänderungs-/Abfallmessung. Beide grundlegenden Dichtheitsprüfverfahren und Anwendungen haben eines gemeinsam: Das Prüfteil wird zunächst bis zu einem bestimmten Prüfdruck mit Luft gefüllt und dann von der Druckluftversorgung getrennt. Danach beginnt das eigentliche Dichtheitsprüfverfahren.

Welche Arten von Platten werden in Brennstoffzellenstacks verwendet?

Es gibt verschiedene Arten von Bipolarplatten, die sich in Material und Form unterscheiden. Aufgrund geringer Effizienzgewinne und fehlender Produktionsmethoden für wettbewerbsfähige metallische Bipolarplatten dominierte in der Vergangenheit die Graphit-Bipolarplatte. Diese haben jedoch in technischen Anwendungen einen entscheidenden Nachteil hinsichtlich des volumetrischen und gravimetrischen Wirkungsgrades gegenüber der metallischen Bipolarplattenbauweise. Daher sind metallische Bipolarplatten für Brennstoffzellen aus Stahl auf dem Markt sehr gefragt. Aufgrund der korrosiven Eigenschaften des metallischen Materials werden metallische Bipolarplatten mit verschiedenen Substanzen wie Chromnitrid beschichtet. Diese werden häufig mit Hilfe eines thermochemischen Behandlungsverfahrens aufgebracht.

a) Durchflussmessung

Das Durchflussmessverfahren erzeugt ein vom Bauteilvolumen und der Messzeit unabhängiges Messsignal, das einer eventuell vorhandenen Leckage entspricht. Die Methode des Massendurchflusses oder des volumetrischen Durchflusses kann bei der Lecksuche in Brennstoffzellen eingesetzt werden, um Lecks in einem bestimmten Bauteil zu erkennen.

b) Messung der Druckänderung / des Druckabfalls

Die Druckänderungsmessung beruht auf dem Prinzip, dass eine Leckage durch Differenzdruck erkannt wird. Ein Leck verursacht eine Druckänderung, die mit Hilfe des Prüfvolumens und der Messdauer in eine Leckrate umgerechnet werden kann.

Bei der Dichtheitsprüfung von Brennstoffzellen werden die folgenden Verfahren eingesetzt: Relativ- / Absolutdruck, Differenzdruck oder Staudruck.

Die Dichtheitsprüfung mit Luft als Prüfmedium ist in vielen Fällen und bei bestimmten Bauteilen hocheffizient und kostengünstig, aber begrenzt in der feststellbaren Leckrate (für zuverlässige Ergebnisse max. 10E-3 mbar*l/s), außerdem steigt die Prüfdauer mit zunehmenden Anforderungen bei kleineren Leckraten. Weiterhin werden die Prüfverfahren mit Luft leicht durch äußere Veränderungen wie Temperaturschwankungen oder Volumenänderungen beeinflusst.

c) Helium-Lecktest mit Massenspektrometer

Eine weitere Methode der Dichtheitsprüfung ist die Verwendung eines Prüfgases wie Helium. Das Edelgas Helium kommt in der Umgebungsluft nur in geringen Konzentrationen vor und reagiert nicht mit anderen Gasen. Darüber hinaus kann die Dichtheitsprüfung mit dem Helium-Detektionssystem der Durchflussplatten unabhängig von Temperatur- und Volumenänderungen durchgeführt werden. Und das erfordert schnelle Zykluszeiten mit sehr geringen Leckraten, die gleichzeitig erkannt werden können.

Tests mit Helium wurden erstmals 1942 im Rahmen des so genannten Manhattan-Projekts durchgeführt. Dies war die Geburtsstunde des Helium-Lecktests. Helium-Dichtheitsprüfgeräte gehören heute zu den etabliertesten und genauesten Methoden der Dichtheitsprüfung in der Serienfertigung und im Labor. Neben einer integrierten Helium-Dichtheitsprüfung im Vakuum, die ein Hochvakuum im Massenspektrometer erfordert, wird auch eine Helium-Dichtheitsprüfung unter Atmosphäre durchgeführt. Die Dichtheitsprüfung von Helium unter Atmosphäre kann durch Schnüffeln oder mit der Akkumulationsmethode durchgeführt werden. Mit der Helium-Dichtheitsprüfung in einer Vakuumkammer können theoretisch Leckraten bis zu 10E-9 mbarl/s innerhalb kürzester Zeit festgestellt werden. Unter Atmosphäre liegt der Grenzwert bei einer Leckrate von 10E-4 mbarl/s.

Alle Dichtheitsprüfungen mit Helium haben gemeinsam, dass ein Massenspektrometer erforderlich ist. Mit dem Massenspektrometer wird sowohl die qualitative als auch die quantitative Zusammensetzung eines Prüfobjekts bestimmt. Qualitativ bedeutet, dass das Massenspektrometer in der Lage ist, vor allem Helium nachzuweisen, und quantitativ bedeutet, dass die genaue Menge an Helium nachgewiesen wird. Auf diese Weise kann die Leckrate eines Bauteils sehr genau bestimmt werden.

Bei der Helium-Vakuum-Methode werden sowohl das Bauteil als auch die Prüfkammer bis zu einem bestimmten Vakuum evakuiert. Nach erreichen des Vakuums muss eine Helium-Hintergrundprüfung durchgeführt werden, um eventuell verbliebenes Helium zu erkennen und auf Null zu setzen. Anschließend wird das Bauteil bis zum angegebenen Prüfdruck mit Helium gefüllt. Die Leckage wird dann in der Kammer mit dem Massenspektrometer gemessen, das an die Vakuumkammer angeschlossen ist. Auf diese Weise wird die Leckrate eines Bauteils nach außen (innerhalb der Vakuumkammer) gemessen. Eine halbautomatische Helium-Vakuum-Dichtheitsprüfstation für Bipolarplatten wird häufig in EoL-Szenarien (End of Line) eingesetzt, um Zeit und Arbeit zu sparen und gleichzeitig die Qualität und Produktkonsistenz im Produktionsprozess der Brennstoffzelle zu maximieren.

Das Helium-Dichtheitsprüfgerät kann – mit den entsprechenden Werkzeugen – sowohl einzelne (Mono-) Platten als auch Bipolarplatten und Membranen prüfen. Die Besonderheit der Bipolarplatte besteht darin, dass drei Kreisläufe (Kühlung, Sauerstoff und Wasserstoff) innerhalb eines Prüfzyklus auf Dichtheit geprüft werden müssen. Während des Prüfzyklus werden die verschiedenen Schaltkreise einer Bipolarplatte auf folgende Weise gegeneinander auf Dichtheit geprüft:

  • Kühlkreislauf nach außen
  • Kühlkreislauf zum Wasserstoff- sowie zum Sauerstoffkreislauf
  • Sauerstoffkreislauf nach außen
  • Sauerstoffkreislauf zum Wasserstoffkreislauf
  • Wasserstoffkreislauf nach außen

Die Bipolarplatten der Brennstoffzelle werden in der unteren Hälfte der Prüfkammer mit Hilfe von Fixierpunkten auf der Dichtung positioniert. Die Teile werden dann mit einem in den modularen Brennstoffzellen-Dichtheitsprüfstand integrierten Vakuumsystem fixiert. Jedes Modul kann zwei Teile gleichzeitig auf Dichtheit prüfen. Sobald die Teile geladen und fixiert sind, schließt sich die Kammer, und der Helium-Lecktest wird wie beschrieben durchgeführt. Nach dem Prüfzyklus öffnet sich die Kammer und die geprüften Teile können entnommen werden. Die Handhabung der Teile kann manuell erfolgen oder in einer hochvolumigen Brennstoffzellen-Dichtheitsprüfanlage vollständig automatisiert werden.

Bipolarplatten-Dichtheitsprüfung

Welche wichtigen Leistungskriterien und Messgrößen werden bei der Dichtheitsprüfung von Bipolarplatten verwendet?

Die wichtigste Anforderung an das Material ist eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, die während der Lebensdauer der Bauteile nicht wesentlich abnimmt. Die Trägermaterialien sind in der Regel entweder Graphit oder Metall. Es gibt eine große Auswahl an verschiedenen Trägermaterialien, die als metallische oder nichtmetallische Trägermaterialien kategorisiert werden. Metallsubstrate sind zum Beispiel aus Edelstahl, Titan oder Aluminium gefertigt. Die verschiedenen Materialien bieten unterschiedliche Eigenschaften und Vorteile für die Funktionalität der Platten. Je nach Anwendung sind bestimmte Materialien besser geeignet als andere.

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Was sind die wichtigsten Leistungskriterien von Bipolarplatten?

Eine Bipolarplatte in Kombination mit dem MEA ist für die Effizienz des Stacks verantwortlich. Ein wesentliches Leistungsmerkmal ist jedoch die Effizienz des Stacks im Dauerbetrieb. Da die Bipolarplatte mehrere hundert Mal pro Stapel installiert wird, besteht auch ein großer Bedarf an Bipolarplatten, die kostengünstig und schnell in einem Serienproduktionsprozess hergestellt werden können. Wie bereits erwähnt, ist der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellenstapels umso höher, je dünner die Platten und je filigraner die Kanalstruktur sind. Dies führt auch zu einem leichten Bauteil, da weniger Material verwendet wird. Darüber hinaus ist die Haltbarkeit der Brennstoffzellenplatten von entscheidender Bedeutung für die weitere Entwicklung der Wasserstofftechnologie.

Wie sind Bipolarplatten aus Metall im Vergleich zu Bipolarplatten aus Kohlenstoff?

Die Bipolarplatte muss verschiedene technische und qualitative Parameter erfüllen, um die gewünschten Anforderungen an Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu erfüllen. Dazu gehört die Dichtheit der geschweißten oder geklebten Metall- /Graphit-Bipolarplatten. Die Dichtheitsprüfung für Bipolarplatten und Membranen von Brennstoffzellen muss speziell für die Erkennung solcher Leckagen ausgelegt sein und eine ausreichende Detektorempfindlichkeit aufweisen.

Normalerweise benötigt eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen eine begrenzte Leckagerate von 10E-3 mbarl/sbis 10E-4 mbarl/s. Die drei Kreisläufe können durchaus unterschiedliche Leckraten erfordern. Der Kühlkreislauf beispielsweise kann exakter geprüft werden als der Sauerstoff- und Wasserstoffkreislauf. Die genannten Leckraten sind erforderlich, um mindestens eine Gesamtleckrate von etwa 10E-1 mbar zu erreichen.l/s bis 10E-2 mbarl/s der gesamten Stapelanordnung (z. B. 0,0001 mbarl/s pro BPP x 400 BPP in einem Stapel = 0,04 mbarl/s für den gesamten Brennstoffzellenstapel, wobei zu berücksichtigen ist, dass auch andere Komponenten in der Stack-Baugruppe enthalten sind).

Der Prüfdruck der Bipolarplatten-Dichtheitsprüfung für Brennstoffzellen mit Helium liegt je nach Material im Bereich von 0,5 bar bis 2 bar als Absolutwert im Vakuum. Wenn man sich die Prüfdrücke für die bipolaren Platten der Elektrolyseure ansieht, können sie auch viel höher sein.
Ein weiterer wichtiger Prozessparameter ist die Zykluszeit. In Zukunft wird der wachsende Wasserstoffmarkt kürzere Zykluszeiten erfordern, um die steigende Nachfrage zu befriedigen und Größenvorteile im Hinblick auf die Kostenentwicklung zu nutzen.

Mit der derzeitigen Systemtechnik kann eine Zykluszeit von 12 Sekunden erreicht werden. Die Messzeit der Maschine beträgt 36 Sekunden plus die Handhabung der Komponenten, was eine Gesamtmesszeit von 48 Sekunden ergibt. Einige Stationen ermöglichen die gleichzeitige Prüfung von zwei Bipolarplatten. Bei einem solchen Aufbau können zwei parallele Stationen die Gesamtmesszeit auf 12 Sekunden reduzieren (48 Sekunden geteilt durch 4 = 12 Sekunden). Dieses Konzept kann leicht auf 2, 3 oder 4 Doppelstationen erweitert werden, um eine noch kürzere Zykluszeit von 6, 4 bzw. 3 Sekunden zu erreichen.

Wie kann die Dichtheitsprüfung nahtlos in den Fertigungsprozess integriert werden?

Die Dichtheitsprüfung im Rahmen der Qualitätssicherung ist ein wichtiger, notwendiger, aber auch kostenintensiver Schritt im Herstellungsprozess von Bipolarplatten. Die Dichtheitsprüfung der Bipolarplatte wird in der Regel nach dem Schweißen oder Kleben und einem geeigneten Reinigungsverfahren durchgeführt. Ebenso ist die Dichtheitsprüfung auch nach dem Aufbringen der Bauteildichtung möglich.

Zwei Optionen können realisiert werden. Einerseits die manuelle Handhabung der Teile durch einen oder mehrere Mitarbeiter an der/den Dichtheitsprüfstation(en) oder andererseits ein vollautomatischer Handhabungsprozess.

Der vollautomatische Prozess kann mit Hilfe eines Roboters oder durch direkte Einbindung in die Produktionslinie durchgeführt werden. In diesem Fall werden die Bipolarplatten über das Fördersystem auf entsprechenden Werkstückträgern ohne den Zwischenschritt mit einem Roboter direkt in die Dichtheitsprüfstation zugeführt.

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Warum ist die Dichtheitsprüfung von Bipolarplatten wichtig?

Eine Brennstoffzelle besteht hauptsächlich aus einer Anode und einer Kathode. Auf der einen Seite wird der Brennstoffzelle Wasserstoffgas zugeführt, auf der anderen Seite Sauerstoff (Luft). Die positiv geladenen Teilchen des Wasserstoffs passieren die Gasmembran zwischen Anode und Kathode, während die negativ geladenen Elektronen nicht passieren können. Da elektrische Größen immer bestrebt sind, die Ladung auszugleichen, strömen die negativ geladenen Elektronen entlang der äußeren Anschlüsse auf die andere Seite der Brennstoffzelle. Dieser elektrische Strom kann zum Betrieb eines elektrischen Antriebs oder zum Laden einer Batterie verwendet werden. Die Wasserstoffionen verbinden sich mit dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser oder Dampf, die den Prozess als Abgas verlassen.

Die wasserstoffbasierte Technologie spielt eine wichtige Rolle bei den allgemeinen Bemühungen um eine weltweite Reduzierung der Emissionen. Die Wasserstoff-Brennstoffzellenindustrie steht heute an der Schwelle zur allgemeinen Akzeptanz und es wird erwartet, dass Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge in naher Zukunft in größerem Umfang eingesetzt werden. Brennstoffzellen wurden ursprünglich für die Weltraumforschung entwickelt, und die Methoden und Verfahren zur Dichtheitsprüfung von Bipolarplatten werden auch bei der Entwicklung der Wasserstoffmobilität in der Raumfahrtindustrie eine wichtige Rolle spielen.

Inhaltliche Beiträge von Maceas

MACEAS ist der Spezialist für Dichtheitsprüfungstechnologien. Insbesondere Ihre Erfahrung in der vollintegrierten Dichtheitsprüfung in Produktionslinien kommt ihren Kunden zugute. Maceas konzentriert sich auf Helium-Dichtheitsprüfungen und Ultraschall-Dichtheitsprüfungen mittels Ultraschall-Gasblasendetektion, auch für Wasserstoffanwendungen wie Bipolarplatten, Brennstoffzellenstapel, Wasserstoffspeicherbehälter und viele weitere wasserstoffbezogene Komponenten. Mit Sitz in dem kleinen Dorf Barßel-Harkebrügge, Niedersachsen im Nordwesten Deutschlands, liefern Sie Dichtheitsprüfgeräte mit einem hervorragenden Service an Kunden in der ganzen Welt aus. MACEAS als Marke in der Dichtheitsprüftechnik ist eine 100%ige Tochter der Worthmann Maschinenbau GmbH.

Letzte Aktualisierung: 15.1.2023

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