Dichtheitsprüfung von Bipolarplatten
I∙ZERO ermöglicht Dichtheitsprüfung trotz schwankendem Heliumuntergrund
Ein Anwendungsbeispiel: Worthmann/MACEAS gelingt mit der neuen I∙ZERO-Funktion der Durchbruch bei seiner innovativen Dichtheitsprüfanlage für Bipolarplatten.
Die neue, von INFICON patentierte I∙ZERO-Funktion ist bahnbrechend. Denn bei einer Vakuumprüfung mit Helium als Prüfgas bestimmt sie den nach der Evakuierung verbleibenden Helium-Untergrund erstmals dynamisch – und nicht etwa statisch, wie alle bisherigen Zero-Funktionen es tun. Der neue Softwarealgorithmus von INFICON berücksichtigt die Entwicklung des Untergrunds jeweils in den vergangenen zwei Sekunden und extrapoliert auf dieser Basis ständig, wie hoch der Untergrund ist, der aus der aktuellen Helium-Messung herausgerechnet werden muss. Der positive Effekt: Mit I∙ZERO lässt sich nun
- schon viel früher messen, nach kürzerer Evakuierung
- gegen kleinere Leckraten prüfen, die in einem statisch ermittelten Untergrund einfach verschwinden würden.
- auch in Vakuumkammern, deren Totvolumen bei kleineren Prüfteilen sonst zu groß wäre
- kostensparend mit stark verdünntem Helium-Prüfgas.
Die dynamische Untergrundbestimmung findet ihre praktische Anwendung ebenso in Einsatzszenarien, bei denen eine Verseuchung des Untergrunds mit Helium nahezu unvermeidbar ist. Das Paradebeispiel liefert Worthmann Maschinenbau mit seiner Anlage für die Lecksuche an Bipolarplatten.
Ein unvermeidbarer Helium-Untergrund
Tatsächlich war die Worthmann Maschinenbau GmbH bzw. ihre Tochter MACEAS sogar einer der allerersten Anwender des neuen I∙ZERO Algorithmus – in Kombination mit dem LDS3000 Lecksucher von INFICON.
Für die komplexen Prüfaufgaben im Bereich der Bipolarplatten von Brennstoffzellen haben die Ingenieure von MACEAS für einen Kunden eine neue Anlage entwickelt und gebaut, die die Prüfungen an den drei Kreisläufen einer Bipolarplatte unmittelbar hintereinander erledigt. Bipolarplatten sind das Herzstück einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Zu Hunderten geschichtet bilden Bipolarplatten die sogenannten Brennstoffzellen-Stacks, die in Fahrzeuge eingebaut werden. Jede Bipolarplatte enthält drei Kanäle: zwei für die Prozessgase Wasserstoff und Sauerstoff und einen für den Kühlmittelkreislauf. Es ist unerlässlich, dass diese drei Kanäle sowohl nach außen als auch untereinander zuverlässig dicht sind.
Die modulare Dichtheitsprüfanlage für Bipolarplatten
Das neue Helium-Prüfsystem für Bipolarplatten hat MACEAS modular konzipiert. Eine Anlage besteht wenigstens aus einem Hauptmodul, das auch einen Schaltschrank und die Bedienelemente umfasst. Die Anlage lässt sich allerdings bedarfsgerecht erweitern, und auch eine robotergestützte, vollautomatische Beschickung ist möglich. In die eigentliche Prüfkammer werden typischerweise jeweils zwei Bipolarplatten eingelegt. Sind die beiden Bipolarplatten in der Anlage, 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. Schon aus Kostengründen und um den Helium-Untergrund geringer zu halten, arbeitet MACEAS hier nicht mit reinem Heliumgas: Die Anlage selbst stellt ein Prüfgasgemisch mit 10 Prozent Helium her. 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 mit dem LDS3000 Lecksucher von INFICON die Dichtheit der Bipolarplatten heute prüfen kann, liegt bei einer Helium_Leckrate von 1 ∙ 10-5 mbar∙l/s bei 10 Prozent Heliumanteil.
Überraschende Helium-Peaks bei der Evakuierung
Bei der Entwicklung des neuen Prüfsystems für Bipolarplatten erwies sich für MACEAS anfangs allerdings der Helium-Untergrund als Herausforderung: Es gab bei der Evakuierung keinen kontinuierlich fallenden und dann stabilen Helium-Untergrund, sondern überraschende Peaks. Als Heliumquellen identifizierte der Anlagenbauer die Toträume in der Prüfkammer und auch in den Werkzeugen. Um diese Heliumquellen zu beseitigen, setzte MACEAS einerseits auf bauliche Maßnahmen, konstruierte neue Führungen, veränderte die Ventiltechnik und verbaute größere Turbomolekularpumpen. Dass INFICON gerade an einem Prototypen von I∙ZERO arbeitete, war für den Anlagenbauer ein Glücksfall. Auch dadurch gelang es, den Helium-Untergrund in den Griff zu bekommen und die Evakuierungsdauer deutlich zu verkürzen. Vor jedem der insgesamt drei Prüfvorgänge an einer Bipolarplatte nimmt die Anlage heute eine dynamische und kontinuierliche Bestimmung der Helium-Untergrundkonzentration mithilfe der I∙ZERO-Funktion vor. Das Resultat: Taktzeiten, die so kurz wie möglich sind.
Taktzeiten von nur 12 Sek. – dank I∙ZERO
Der gesamte Prüfzyklus aus Beschickung der Anlage, drei Evakuierungen und drei Prüfprozessen dauert heute nur 48 Sekunden. Das heißt, die Anlage prüft effektiv in einer Station alle 24 Sekunden eine Bipolarplatte. Und weil sich jedes Hauptmodul um ein Nebenmodul erweitern lässt, verdoppelt sich der Durchsatz nochmals. Dies führt zu einer effektiven Taktzeit von 12 Sekunden – was 300 Bipolarplatten pro Stunde entspricht. Daniel Schönbohm, Vertriebsleiter bei Worthmann/MACEAS, bringt es so auf den Punkt: „Mit I∙ZERO schneller prüfen zu können, ist aus Perspektive der Zykluszeiten immer ein Vorteil.“
Wenn Sie mehr über die neue I∙Zero-Funktion des LDS3000 erfahren möchten, sehen Sie sich unser On-Demand-Webinar an oder wenden Sie sich an Ihren zuständigen Vertriebsmitarbeiter.