DICHTHEITSPRÜFUNG VON KOMPONENTEN

Wasserstofftanks
TECHNISCHE HERAUSFORDERUNG
Brennstoffzellenfahrzeuge (FCVs) verwenden typischerweise Typ IV-Tanks
zur Wasserstoffspeicherung. Tanks vom Typ IV sind Verbundtanks ausKohlefaser mit einer Polymerauskleidung. Die Speicherdrücke liegentypischerweise im Bereich von 350 - 700 bar.
Die Sicherheitsvorschriften (ISO/TS 15869) verlangen, dass Wasserstofftanks
auf Leckage/Permeation geprüft werden. Leck-/Permeationsrate werden als
Normalliter H2 / Zeit [in Std.] / Volumen des Tanks gemessen.
Permeationsraten werden als Normalliter H2/Zeit in Std./Volumen des Tanks
gemessen. Verschiedene Normen definieren leicht unterschiedliche maximal
zulässige Permeationsraten. Jede Leckrate, die höher ist als die maximal
zulässige Permeationsrate, gilt als Leck. Typische maximal zulässige
Permeationsraten liegen im Bereich von 10-2 mbarꞏl/s Dekade. Hersteller
erreichen jedoch oft Permeationsraten von etwa zehnmal niedrigerer
Permeation, d.h. im Bereich von 10-3 mbarꞏl/s. Daher werden
Leckratengrenzwerte im Bereich 10-3 ... 10-2 mbar l/s festgelegt.

DIE INFICON-LÖSUNG

Integrale Prüfung des Tankkörpers

Verbundtanks vom Typ IV werden
typischerweise für die Wasserstoffspeicherung in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet.

Die erforderlichen Leckraten könnten dazu verleiten, dass diese mit einer
Druckprüfung (Druckabfall) festgestellt werden könnten. Dies erweist sichjedoch aufgrund des relativ großen Volumens der Teile als unmöglich. Jedeminimale Temperaturänderung während des Testzyklus - selbst mit
Temperaturkompensation - führt zu einer vergleichsweise großen
Druckänderung, die entweder ein falsches positives Ergebnis verursacht oderein potenzielles Leck verdeckt.
Der
Vakuumkammertest
unddieAkkumulationsprüfung,
fürTankprüfanwendungen
imProduktionsprozess,unterscheidensichgeringfügig in der Prüfzeit und den Investitionskosten. Die Wahl zwischen den
beiden Methoden sollte basierend auf der Größe des Prüfmusters, demverwendeten Prüfgasgemisch und der Prüfanwendung getroffen werden.
Daher werden Wasserstofftanks in der Großserienfertigung typischerweise
mittels Helium-Vakuumkammer-Dichtheitsprüfung getestet. Aufgrund desgroßen Volumens der Tanks und der relativ großen zulässigen Leckraten wird
als Spürgas typischerweise mit Luft vermischtes Helium verwendet. Der
Wasserstofftank wird dazu zunächst mit einer kleinen Menge Helium gefüllt
und anschließend mit Luft auf Betriebsdruck aufgefüllt, so dass das
entstehende Gasgemisch im Tank etwa 5 - 10% Helium enthält. Der
Wasserstofftank wird dann in einer Vakuumkammer platziert und die Kammerevakuiert. Sobald der Endvakuumdruck erreicht ist, wird ein LDS3000
Dichtheitsprüfgerät zur Vakuumkammer zugeschaltet und aus dem
Wasserstofftank austretendes Helium vom LDS3000 erfasst. Die GrenzLeckrate muss an die verwendete Heliumkonzentration im Spürgas angepasst
werden. Das eingesetzte Spürgas kann für nachfolgende Tests
zurückgewonnen werden.

Wasserstoff-Tankkörper werden fürhohe Durchsatzfertigung mittels
Vakuumkammertest integral getestet.

DICHTHEITSPRÜFUNG VON KOMPONENTEN
WASSERSTOFFTANKS

Bei der Produktion von Kleinserien können Wasserstofftanks auch durch
Akkumulationstests geprüft werden. Bei der Akkumulationsprüfung kannentweder Helium verwendet werden, das in der Regel wiederum mit Luftgemischt wird, um Kosten zu sparen, oder Formiergas, ein nicht brennbarer
5%iger Wasserstoff in einer 95%igen Stickstoffgasmischung. Der
Wasserstofftank wird zunächst mit der erforderlichen Menge an Spürgas gefüllt.
Der Wasserstofftank wird dann in eine Akkumulationskammer eingelegt. ImFalle
eines
Lecks
verursacht
das austretende
Spürgas einen
Konzentrationsanstieg in der Akkumulationskammer. Dieser Konzentrationsanstieg wird von einem LDS3000 AQ Dichtheitsprüfgerät erfasst und beiÜberschreiten einer Leckrate wird ein Alarm ausgelöst. Die Schwellenleckratemuss an die verwendete Heliumkonzentration im Spürgas angepasst werden.
Das eingesetzte Spürgas kann für nachfolgende Tests zurückgewonnenwerden.

Wasserstoff-Tankkörper werden fürKleinserien mittels Akkumulationsprüfung integral getestet.

Dichtheitsprüfung von montierten Wasserstofftanks
Nachdem der Tankkörper mit Fittings, Anschlüssen und Sensoren assembliert
wurde, werden diese Verbindungen auf Lecks geprüft, typischerweise durch
Wasserstoff-Schnüffeln. Auch Schweißnähte verschiedener Teilkörper können
auf diese Weise getestet werden.
Für die Schnüffelprüfung wird der assemblierte Wasserstofftank mit Formiergas
gefüllt - einem unbrennbaren 5%igen Wasserstoff in 95%iger Stickstoffgasmischung. Die Schnüffelsonde eines Sensistor Sentrac WasserstoffLecksuchgeräts wird dann entlang potentieller Leckstellen geführt. WennFormiergas aus einem Leck entweicht, wird es von der Schnüffelsonde erfasst
und das Lecksuchgerät gibt einen Alarm aus. Dadurch können die Lecks
genau lokalisiert und die Leckposition an etwaige Nacharbeitsplätze gemeldet
werden.

VORTEILE DER DICHTHEITSPRÜFUNG MIT SPÜRGAS

Hohe Zuverlässigkeit der Leckerkennung
Wiederholbarer und reproduzierbarer Prozess
Ergebnisse rückführbar auf nationale Standards
Kein Einfluss von Temperatur oder Feuchtigkeit
Abwägung von Kosten und Produktivität möglich

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Vormontierte Wasserstofftanks werden oft
durch Wasserstoff-Schnüffeln getestet.