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Brennstoffzellenkomponenten und ihre hermetische Dichtheit

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Während in Lithium-Ionen-Batterien wegen potenzieller Brandgefahr kein Wasser eindringen darf, ist bei der Brennstoffzelle vor allem das Austreten von Wasserstoff zu vermeiden. Bei der Fertigung von Brennstoffzellen ist daher eine Dichtheitsprüfung der relevanten Komponenten unabdingbar. Ein Anwenderbericht.

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Die Automobilbranche erforscht derzeit diverse Alternativen zum Verbrennungsmotor.
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(Bild: Clipdealer)

Neben Fahrzeugen mit Traktionsbatterien rückt aktuell auch die Brennstoffzelle in den Fokus. Bosch hat zur IAA 2019 angekündigt, bis zum Jahr 2022 den „Bosch-Stack“ auf den Markt bringen zu wollen. Im ersten Schritt sollen schwere Nutzfahrzeuge und stationäre Speicher mit der neuen Brennstoffzellen-Technologie ausgerüstet werden. Der Sondermaschinenbauer Robert Bosch Manufacturing Solutions GmbH hat eine Dichtheitsprüfanlage entwickelt, die Bosch heute für Brennstoffzellenkomponenten einsetzt. Das heliumbasierte Verfahren nutzt eine Akkumulationskammer und verwendet als Prüfgerät den LDS3000 AQ des Herstellers Inficon aus Köln.

Die Ingenieurin Franziska Seitz war maßgeblich an der Entwicklung der neuen Prüfanlage beteiligt – sie leitete das Entwicklungsteam bei Robert Bosch Manufacturing Solutions in Stuttgart. Das Besondere an dem LDS3000 AQ: Er ermöglicht eine zuverlässige und schnelle Dichtheitsprüfung mit Helium in einer simplen Akkumulationskammer. Die Prüfanlagen, die jetzt in den Produktionsstätten von Bosch im saarländischen Homburg im Einsatz sind, hat das Team von Seitz neu entwickelt. „Dabei kamen uns die Erfahrungen mit einem anderen Dichtheitsprüfgerät von Inficon zugute: dem T-Guard“, erläutert Seitz.

Heliumprüfung in der Akkumulationskammer

Die seit langem bekannte und vielfach eingesetzte Prüfung mit Helium unter Vakuumbedingungen kann hochgenau messen, setzt aber die Evakuierbarkeit des Prüflings auf ein Vakuum von circa 10 mbar voraus. Zudem wird hier, insbesondere bei großen Prüfkammern, aufwendige Vakuumtechnik benötigt. Als eine Alternative zur Vakuummethode haben die Spezialisten von Inficon schon vor mehr als zehn Jahren die sogenannte Akkumulationsprüfung entwickelt. Bei dieser Methode befindet sich das Prüfteil in einer simplen Akkumulationskammer, in der atmosphärischer Druck herrscht.

Tritt dort aus etwaigen Lecks eines Prüfteils Helium aus, akkumuliert es in der Kammer und kann so nachgewiesen werden. Weil die Akkumulationsprüfung ohne aufwendige Vakuumtechnik auskommt, hat sie auch Kostenvorteile. Speziell für Helium-Prüfungen in einer simplen Akkumulationskammer hat Inficon seinen T-Guard Sensor entwickelt. „Seit 2009 haben wir mit dem T-Guard schon diverse Prüfanlagensysteme zur Produktreife gebracht“, berichtet Seitz, „unter anderem für die Dichtheitsprüfung an Gaseinblasventilen in unserem Geschäftsbereich Gasoline Systems in Bamberg.“

Akkumulationsprüfung mit dem Massenspektrometer

Zur Messe Control 2017 stellte Inficon ein neues, noch leistungsfähigeres Dichtheitsprüfgerät für seine Akkumulationsmethode vor: den modularen LDS3000 AQ. Das Gerät mit dem Zusatz AQ ist speziell für die Akkumulationsmethode ausgelegt, beruht allerdings auf dem LDS3000, der sich schon lange in Anlagen für die industrielle Vakuumprüfung bewährt. Während der T-Guard das Prüfgas Helium mit dem von Inficon patentierten Wise-Technology-Sensor nachweist, nutzen die Geräte der empfindlicheren LDS3000-Serie dazu ein Massenspektrometer.

Schon in seiner Standardauslegung verfügt das Gerät über eine niedrige Nachweisgrenze. Gleichzeitig sind die Kosten für die Akkumulationsprüfung mit dem neuen Gerät aber ähnlich niedrig wie bei einer simplen Luftprüfung. Im praktischen Einsatz ermittelt der LDS3000 AQ in kleinen Akkumulationskammern mit wenigen Litern freiem Volumen Leckraten im Bereich von 10-5 mbar∙l/s. Aufgrund dieser Sensitivität können nun dank der verbesserten Auswertung kleinste Leckraten auch in großen Kammervolumina geprüft werden.

Die Nachweisgrenze bei winzigen 2 ppb

„Der LDS3000 AQ ist dem günstigeren T-Guard in mancher Hinsicht überlegen“, sagt Seitz. Nachdem Bosch den LDS3000 AQ auf der Messe in Stuttgart kennengelernt hatte, ging es schon bald an die Konzeptionsphase für neue Prüfstände. „Von dem engen Austausch zwischen unseren Entwicklungsabteilungen haben beide Seiten profitiert: Inficon und Bosch“, berichtet Seitz. „Gleichzeitig konnten wir auf jahrelange Erfahrungen mit der Akkumulationsmethode zurückgreifen, um den neuen LDS3000 AQ in unseren Prüfstand zu integrieren. In Sachen Akkumulationskammer, Prozesshandling und Peripherie konnten wir die Synergien zum alten Gerät nutzen, vieles war Plug-and-Play.“ In der relativ großen Prüfkammer können 2 ppb (2 Heliumatome pro Milliarde) nachgewiesen werden. Und das messgerätefähig innerhalb weniger Minuten, obwohl die Untergrundkonzentration von Helium in der Atmosphäre 5 ppm (5 Atome pro Million) beträgt.

Auswertung im Bereich ppb

Bosch hat dazu ein Messsystem geschaffen, das nicht nur Lüftungs- und Verwirbelungseffekte in der Prüfkammer berücksichtigt, sondern das auch softwareseitig tief in die Rohdaten eintaucht, die der Sensor liefert. „Dadurch gelingt es uns, Konzentrationsveränderungen nachzuweisen, die noch um den Faktor 10 kleiner sind, als das, was der LDS3000 AQ standardmäßig ermittelt“, erläutert Seitz. So ist mit dem neuen Prüfgerät zugleich ein großer Schritt über die Nachweisgrenzen hinaus gelungen, die Bosch mit dem T-Guard erreicht hat. „Mit dem T-Guard lag unser Ziel für die Nachweisgrenze bei 0,2 ppm, während es jetzt beim LDS3000 AQ 0,002 ppm sind“, so Franziska Seitz. „Prototypische Messungen haben uns gezeigt, dass der LDS3000 AQ ein hundertfach kleineres Rauschband aufweist als der T-Guard.“

Die Auswertezeit hat sich, bei gleichem Aufbau, auf 1/75 verkürzt. Auch gegen Groblecks und eine Verseuchung der Prüfstation mit Helium ist das neue Gerät besser gewappnet, denn Vakuumpumpen schleusen das Prüfgas sofort wieder aus. „Der LDS3000 AQ ist nach einem Grobleck schnell wieder einsatzfähig – dagegen hat der T-Guard gleichsam ein Helium-Gedächtnis.“

Lieber Helium als Formiergas

Prinzipiell hat Inficon seinen LDS3000 AQ so ausgelegt, dass er wahlweise zwei verschiedene Prüfgase nutzen kann: Helium oder Formiergas. Das recht kostengünstige Formiergas ist ein unbrennbares Gemisch aus 95 Prozent Stickstoff und 5 Prozent Wasserstoff – wobei als eigentliches Prüfgas in diesem Gemisch der Wasserstoff dient. „Für unsere Zwecke und unsere Nachweisgrenzen ist Helium aber sinnvoller“, erklärt Seitz. Die atmosphärische Untergrundkonzentration von Helium ist stabil, im Gegensatz zu der von Wasserstoff. Wasserstoff absorbiert zudem an verschiedenen Materialien wie etwa an einigen Edelstählen und verhindert so ein stabiles Messen. „In dem Nachweisbereich, in dem wir uns bewegen, gibt es derzeit keine andere Option als die Heliumprüfung.“

Der nächste Schritt: die 10-Kubikmeter-Kammer

Seit Juli 2019 ist bei der Robert Bosch GmbH in Homburg die neue Anlage für die Akkumulationsprüfung von Brennstoffzellenkomponenten im Einsatz. Derzeit arbeitet Franziska Seitz mit ihrem Team aber schon an einer weiteren Prüfanlage mit einer Akkumulationskammer, mit einem Volumen von mehr als 10 Kubikmetern. Diesem Vorhaben liegen bereits Erfahrungen mit einer 3,5 m³ Prüfkammer mit dem T-Guard zugrunde. Den Sensor an die Kammer anzuschließen, ist das eine, die Auswertung aber ist die eigentliche Herausforderung. Bei einer Akkumulationskammer mit einem solch riesigen Volumen ist es naturgemäß noch schwieriger, kleinste Änderungen der Heliumkonzentration in der Luft der Kammer nachzuweisen. „Das ‚Massenspektrometer-in-Luft‘ hat diese Option eröffnet – der LDS3000 AQ“, sagt Seitz. Die neue Anlage mit der 10-Kubikmeter-Kammer soll in Q3/2020 marktreif sein. Neben dem Einsatz in der eigenen Brennstoffzellenfertigung kann man sich bei der Robert Bosch Manufacturing Solutions GmbH noch etliche andere Anwendungsszenarien für die neue Prüfanlage vorstellen, auch außerhalb des eigenen Unternehmens – auf Anfrage bietet der Sondermaschinenbauer seine Dichtheitsprüftechnik auch extern an.

Das Dichtheitsprüfgerät LDS3000 AQ.
Das Dichtheitsprüfgerät LDS3000 AQ.
(Bild: Inficon)

Großes Volumen macht noch flexibler

Die Prüfmöglichkeiten werden durch eine sehr große Akkumulationskammer noch universeller. „Wir können dann beispielsweise einen Container als Universalkammer nehmen und praktisch alles auf Dichtheit prüfen – vom kleinsten Ventil bis zum Komplettsystem“, betont Seitz, „und dies mit der extrem kleinen Nachweisgrenze von 2 ppb.“ Dabei hat die große Akkumulationskammer noch einen wichtigen Vorteil: Investitionssicherheit. Die 10-Kubikmeter-Kammer gibt dem Anwender maximale Flexibilität, denn der Umrüstaufwand bei verschiedenen Prüfteilen ist äußerst gering. Es sind nur andere Anschlüsse für den neuen Prüfling notwendig. „Diese mechanische Umrüstung dauert tatsächlich weniger als eine Minute“, sagt Seitz. Die Software erkennt das zu prüfende Produkt automatisch, etwa durch ein Barcode-Verfahren oder per Netzwerkanbindung, und lädt dann selbst die entsprechenden Prozesse.

Schnell auf die Straße gebracht

Bei der Robert Bosch Manufacturing Solutions GmbH hat man sich mit dem neuen Helium-Sensor intensiv auseinandergesetzt und so die technologischen Grenzen des LDS3000 AQ voll ausgeschöpft. Dabei kamen den Sonderanlagenbauern ihre Vorkenntnisse über den T-Guard, die Erfahrungen aus den unterschiedlichen mit ihm betriebenen Prüfanlagen und der enge Austausch mit Inficon zugute. „Unsere Erfahrungen mit der Akkumulationsmethode haben es uns viel leichter gemacht, den neuen Komponentenprüfstand schnell auf die Straße zu bringen“, sagt Franziska Seitz. Ihr Fazit ist entsprechend positiv: „Es war ein sehr erfolgreiches Projekt.“ Und mit der neuen, großen Akkumulationskammer steht der nächste wichtige Schritt für die Brennstoffzellenproduktion bei Bosch schon bevor.

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