Dichtheitsprüfungen an Brennstoffzellenstacks sind schon aus Sicherheitsgründen unverzichtbar (Bild: Inficon)

29.10.2021 Qualitätssicherung bei FCEV-Komponenten

Dichtheitsprüfaufgaben bei der Fertigung von Brennstoffzellenfahrzeugen

von Dipl.-Ing. Sandra Seitz (INFICON GmbH)

Bei alternativen Antrieben gewinnt neben der reinen Elektromobilität auch die Brennstoffzellentechnologie an Bedeutung. Gerade für Nutz- und Langstreckenfahrzeuge ist die Brennstoffzelle eine interessante Option. Damit kommen auf die Hersteller der entsprechenden Komponenten – von Bipolarplatten bis zu Wasserstofftanks – neue Anforderungen an die Dichtheitsprüfung und Qualitätssicherung zu.

Fuel Cell Stacks (Bild 1) sind das Herz von Brennstoffzellenfahrzeugen. Die Brennstoffzellenstacks bestehen aus zwei Endplatten, zwischen denen mehrere Bipolarplatten geschichtet sind. Diese sind jeweils durch Membran-Elektroden-Einheiten (Membrane Electrode Assembly, MEA) getrennt. Die elektrisch leitenden Bipolarplatten haben die Aufgabe, die Anode einer Zelle mit der Kathode der anderen Zelle zu verbinden. Jede Bipolarplatte enthält zwei Hohlräume für die Prozessgase Wasserstoff und Luftsauerstoff sowie meist eine interne Kühlschleife. Abgehend von den Hohlräumen der Prozessgasführung werden die Prozessgase Wasserstoff und Luftsauerstoff über das Flow Field großflächig an die Membranen der Membran-Elektroden-Einheit geleitet. Der entsprechende Hochtemperatur-Kühlkreislauf hat die Funktion, eine optimale Prozesstemperatur des gesamten Brennstoffzellensystems aufrechtzuerhalten. Im Wesentlichen ergeben sich daraus für eine Brennstoffzelle vier Versagensmodi:

Wasserstoffverlust generell.
Crossover-Lecks zwischen Anode und Kathode oder Overboard-Lecks an Dichtungen – mit einer unkontrollierten Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff.
Kühlflüssigkeitsverlust, der die Effizienz des Fuel Cell Stacks verringert und zur Beschädigung führt.
Wasserstoffaustritt in den Kühlkreislauf wirkt korrosiv, beeinträchtigt wegen der Gasblasen die Effizienz der Flüssigkeitskühlung und kann sogar die Pumpe beschädigen.