Celle a combustibile: Attività di test di tenuta nella produzione di componenti FCEV

Gli stack di celle a combustibile sono il cuore dei veicoli a celle a combustibile. Questi stack di celle a combustibile sono costituiti da due piastre terminali tra le quali sono stratificate diverse piastre bipolari. Questi sono separati da gruppi di elettrodi a membrana (MEA). Le piastre bipolari elettricamente conduttive hanno il compito di collegare l'anodo di una cella al catodo dell'altra cella. Ogni piastra bipolare contiene due cavità per i gas di processo idrogeno e ossigeno atmosferico e solitamente un circuito di raffreddamento interno. Partendo dalle cavità per i gas di processo, l'idrogeno e l'ossigeno atmosferico vengono condotti su un'ampia superficie verso la membrana dell'unità elettrodo a membrana attraverso il cosiddetto campo di flusso. Il corrispondente circuito di raffreddamento ad alta temperatura ha la funzione di mantenere una temperatura di processo ottimale dell'intero sistema di celle a combustibile. In sostanza, ciò si traduce in quattro modalità di guasto per una cella a combustibile:

1. Perdita di idrogeno in generale.
2. Perdite di crossover tra anodo e catodo o perdite in mare in corrispondenza delle guarnizioni - con una reazione incontrollata tra idrogeno e ossigeno.
3. Perdita di refrigerante, che riduce l'efficienza dello stack di celle a combustibile e provoca danni.
4. Le perdite di idrogeno nel circuito di raffreddamento hanno un effetto corrosivo, compromettono l'efficienza del raffreddamento a liquido a causa delle bolle di gas e possono persino danneggiare la pompa.

Pile di celle a combustibile e tenuta delle singole celle

Gli scenari di guasto determinano requisiti concreti per il tasso di perdita. Contro le perdite di idrogeno - sia verso l'esterno che nel canale di raffreddamento - l'intero sistema deve essere protetto da tassi di perdita dell'ordine del 10^-3 fino al 10^-5 mbar∙l/s deve essere testato. L'idrogeno è noto per essere altamente infiammabile e incendiabile nell'ampio intervallo di concentrazione tra il 4 e il 73% di idrogeno nell'aria. Alcuni produttori di celle a combustibile fanno riferimento alla norma DIN EN IEC 62282-2, la cui ultima versione è stata pubblicata nell'aprile 2021. Lo standard si occupa della sicurezza dei moduli di celle a combustibile, ma non delle applicazioni delle celle a combustibile nei veicoli stradali. La norma DIN EN IEC 62282-2 specifica un tasso di perdita limite di idrogeno di 5 cm³/min per un'intera pila di celle a combustibile e stabilisce che l'utente deve garantire una buona ventilazione della cella a combustibile. Tuttavia, poiché questo non può essere sempre garantito quando è installato in un veicolo stradale (si pensi a un veicolo parcheggiato in un garage per una sola auto), le applicazioni automobilistiche hanno spesso requisiti di tenuta più severi. Tuttavia, a prescindere dal tasso di perdita applicato all'intero camino, vale quanto segue: poiché un camino completo è costituito da diverse centinaia di singole celle i cui tassi di perdita devono essere considerati in totale, questi singoli componenti devono essere testati rispetto a tassi di perdita limite che sono di nuovo due decenni più piccoli. Se, ad esempio, lo stack di celle a combustibile è composto da 350 celle e le singole celle devono essere sottoposte a test di tenuta con gas di prova all'elio, un tasso di perdita limite dell'elio di circa il 10^-4 mbar∙l/s. Per le specifiche più severe nelle applicazioni automobilistiche, limitare i tassi di perdita fino a un intervallo di 10^-6 mbar∙l/s può essere necessario. Tuttavia, nell'ambito dei progetti di sviluppo e della ricerca scientifica, si sta già discutendo se in futuro sarà possibile limitare le perdite fino al 10 %.^-7 mbar∙l/s avrebbe più senso.

Il metodo del vuoto per la produzione in linea

Per evitare cortocircuiti, il mezzo di raffreddamento nel circuito di raffreddamento ad alta temperatura delle piastre bipolari deve avere una bassa conduttività. Di norma, come liquido di raffreddamento si utilizza acqua deionizzata con un additivo antigelo. Per evitare che il liquido fuoriesca dal canale di raffreddamento, è stata eseguita una prova di tenuta con percentuali di perdita dell'ordine del 10^-3 fino al 10^-4 mbar∙l/s è ragionevole. Questo è l'ordine di grandezza abituale per la tenuta dei liquidi, perché l'acqua stessa sigilla perdite di queste dimensioni. Per questo e altri test di tenuta nella produzione, si raccomanda il metodo del vuoto basato sul gas di prova. Combina un'elevata affidabilità con tempi di ciclo brevi ed è quindi particolarmente adatto per le attività di collaudo nella linea di produzione. Il pezzo in esame viene posto in una camera a vuoto, prima evacuata e poi pressurizzata con elio. Il tasso di perdita della parte in prova è determinato dal gas di prova che fuoriesce da eventuali perdite nel vuoto della camera. Oltre al circuito di raffreddamento ad alta temperatura che scorre attraverso le piastre bipolari, i veicoli FCEV dispongono anche di uno o più circuiti di raffreddamento a bassa temperatura che mantengono i componenti elettrici come il motore, i convertitori e l'elettronica di potenza entro intervalli di temperatura inferiori a 60° C. I circuiti di raffreddamento sono gestiti da un sistema convenzionale di acqua e glicole. Vengono utilizzati con una miscela convenzionale di acqua e glicole e devono essere testati anche per la tenuta dei liquidi.

Controllo della piastra bipolare per verificare l'assenza di perdite di idrogeno

Il metodo del vuoto viene utilizzato anche per verificare che le piastre bipolari non presentino perdite di idrogeno. In questo processo, la cavità di idrogeno della piastra bipolare viene sigillata, evacuata e riempita di elio. In una camera a vuoto evacuata, un rilevatore di perdite può essere testato rispetto a tassi di perdita limite del 10^-4 fino al 10^-5 mbar∙l/s. Se non è possibile rilevare elio nel vuoto della camera, non ci sono perdite, né dalla cavità dell'idrogeno verso l'esterno né nel canale di raffreddamento. Tuttavia, se il dispositivo rileva una perdita, è possibile effettuare ulteriori ricerche sulla causa. Ciò avviene sfruttando il fatto che la cavità di idrogeno della piastra bipolare è ancora riempita di elio e sigillata dopo il test nella camera a vuoto. Tuttavia, ora solo il canale di raffreddamento è collegato a una pompa del vuoto. In questo modo è possibile verificare se l'elio penetra nel vuoto del canale di raffreddamento. In caso contrario, è certo che la perdita originariamente identificata conduce all'esterno.

Prove di stack di celle a combustibile assemblate

Dopo che le piastre bipolari sono state assemblate in stack completi di celle a combustibile, sono necessari i test di fine linea, anche se i test possono essere utili anche dopo le precedenti fasi intermedie. Per tutti questi test su pile a combustibile assemblate, viene utilizzato anche l'elio come gas di prova. Se invece si volesse fare un test con l'idrogeno, ci sarebbe il rischio che la cella a combustibile stia già producendo elettricità involontariamente. Anche per ragioni di sicurezza, l'idrogeno non può essere utilizzato come gas di prova, perché gravi perdite nel circuito dell'idrogeno potrebbero portare rapidamente a concentrazioni di idrogeno infiammabile superiori al 4% nell'aria. I tassi di perdita limite di elio tipici per le prove di tenuta di stack di celle a combustibile assemblati nella pratica sono dell'ordine di circa il 10^-3 fino al 10^-5 mbar∙l/s. Il tasso di perdita tollerabile per l'intero stack di celle a combustibile dipende anche in modo decisivo dalla specifica situazione di installazione nel veicolo. Il tasso di perdita al quale può verificarsi una concentrazione di idrogeno infiammabile del 4% nell'aria non dipende solo dalla tenuta dello stack di celle a combustibile, ma anche dal volume che lo circonda nel veicolo e dal ricambio d'aria in questo ambiente. Anche questi fattori devono essere presi in considerazione per determinare un tasso di perdita ragionevole.

Tenuta del ricircolo dell'idrogeno

Sono necessarie ulteriori prove di tenuta su componenti come la piastra di distribuzione dei fluidi di una cella a combustibile (che conduce idrogeno, aria e refrigerante), le varie valvole, le pompe e il ricircolo dell'idrogeno. Le celle a combustibile forniscono idrogeno e ossigeno atmosferico in modo superstoichiometrico alle unità elettrodiche a membrana delle loro piastre bipolari. Ciò significa che durante la reazione per la formazione dell'acqua rimangono residui di entrambi i gas. Per questo motivo, le celle a combustibile richiedono il ricircolo dell'idrogeno. In questo processo, i gas di processo passano prima attraverso un separatore d'acqua, la frazione di idrogeno viene poi ricircolata e riutilizzata. È inoltre consigliabile testare i componenti del ricircolo dell'idrogeno che trasportano l'idrogeno in presenza di tassi di perdita dell'ordine del 10^-4 fino al 10^-6 mbar∙l/s.

Limiti di permeazione per i serbatoi di idrogeno

I serbatoi di idrogeno installati nei veicoli FCEV sono per lo più i cosiddetti serbatoi di tipo IV, realizzati in materiali compositi. Tali serbatoi per autovetture sono solitamente progettati per resistere a pressioni di esercizio fino a 700 bar. I serbatoi di idrogeno per autobus, molto più grandi, sono progettati per resistere a pressioni di esercizio di 350 bar. I requisiti di tenuta dei serbatoi di idrogeno derivano da una serie di norme internazionali che definiscono i tassi di permeazione massimi consentiti. Per un serbatoio di idrogeno per autovetture con una capacità di 30 l e una pressione di 700 bar, ad esempio, i limiti di permeazione della norma ISO 15869 B.16 comportano un tasso di perdita limite di elio di 2,3 ∙ 10^-2 mbar∙l/s. Nella pratica, tuttavia, i serbatoi di idrogeno spesso non vengono testati solo in base agli standard, ma anche a fronte di tassi di perdita dell'ordine del 10^-3 mbar∙l/s. Questo perché qualsiasi tasso di perdita misurato che superi l'inevitabile permeazione del materiale stesso è necessariamente indice di una perdita reale.

Test di accumulo sul serbatoio dell'idrogeno

Quando i raccordi e le valvole necessarie vengono collegati a un serbatoio di idrogeno, il corpo del serbatoio originale diventa il cosiddetto modulo del serbatoio. Sia il metodo del vuoto con elio che il metodo dell'accumulo con gas di formazione sono adatti per il test preliminare dei corpi dei serbatoi. In quest'ultimo caso, la parte di prova è esposta a una miscela non infiammabile di idrogeno al 5% e azoto al 95%, il gas di formazione disponibile in commercio. Il tasso di perdita viene calcolato in base alla quantità di gas di prova che fuoriesce dalla parte in esame in una semplice camera di prova e si accumula in un periodo di tempo definito. Poiché i numeri della produzione non sono ancora abbastanza elevati da rendere conveniente il test sottovuoto grazie ai suoi tempi di ciclo più brevi, questo metodo di accumulo viene spesso ancora utilizzato. In particolare, i grandi serbatoi di idrogeno degli autobus, che hanno volumi fino a 1.700 l, vengono testati in camere di accumulo con un volume fino a 4.000 l. A causa dei costi inferiori del gas di prova, il provino viene riempito con il gas di formazione più economico. Tuttavia, a una pressione di 700 bar, perché i tassi di perdita altrimenti significativamente inferiori non sarebbero rilevabili nella camera di accumulo molto grande. A causa dell'elevata pressione di prova, in questo caso speciale è presente anche un'uscita di emergenza nella camera di accumulo, che si apre in caso di sovrapressione.

Rilevamento perdite Sniffer su serbatoi completi di tutti i raccordi

Anche dopo aver assemblato il corpo del serbatoio con tutti i raccordi, le valvole di riempimento e di scarico e i sensori di pressione, sono necessarie prove di tenuta. Tuttavia, in questo caso viene solitamente utilizzato il cosiddetto test di perdita con sniffing. Il serbatoio finito viene riempito con elio o gas di formazione come gas di prova e sigillato. Quindi un puntale sniffer viene spostato lungo la superficie del serbatoio. L'attenzione è rivolta ai punti nevralgici, cioè ai punti di connessione con gli impianti. Il rilevamento automatico e dinamico delle perdite dello sniffer, in cui un braccio robotico guida la punta dello sniffer, evita possibili errori da parte dell'ispettore umano e garantisce la massima produttività. Tuttavia, ciò richiede rilevatori di perdite con un flusso di gas particolarmente elevato. In caso contrario, il braccio robotico non sarebbe in grado di spostare il puntale dello sniffer sul pezzo da testare abbastanza velocemente o con la distanza di sicurezza richiesta. I tassi di perdita limite tipici per questi test di fine linea sui serbatoi di idrogeno finiti sono dell'ordine di 5∙10^-2 mbar∙l/s.

Tenuta dei componenti elettrici e dell'idrogeno

In definitiva, sono i motori elettrici a muovere un veicolo a celle a combustibile. Anche le batterie agli ioni di litio che alimentano i motori sono in linea di principio le stesse dei veicoli elettrici, anche se la batteria di trazione del FCEV è molto più piccola e funge solo da tampone. Anche in questo caso sono previsti compiti di verifica delle perdite. Le celle agli ioni di litio, ad esempio, non possono perdere elettrolito e l'umidità non può penetrare nelle celle. In caso contrario, l'elettrolita potrebbe reagire con l'acqua formando acido fluoridrico. I compiti di prova per le batterie, i moduli di controllo e i motori elettrici degli FCEV sono gli stessi dei veicoli elettrici. Ma i componenti specifici dei veicoli a celle a combustibile richiedono anche test di tenuta molto affidabili. Soprattutto perché il termine idrogeno viene rapidamente associato alla parola pericolo nella mente del pubblico. Una garanzia di qualità costante è quindi indispensabile. I metodi basati sui gas di prova sono la strada da seguire.

Autore:
Sandra Seitz è responsabile di mercato per gli strumenti di rilevamento delle perdite nel settore automobilistico. Inficon. Ulteriori informazioni sono disponibili nell'e-book "E-Mobility: test di tenuta per i veicoli a trazione alternativa". Copre le diverse attività di test coinvolte nella produzione industriale di componenti per veicoli elettrici a batteria (BEV), veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) e veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV). L'e-book può essere scaricato gratuitamente qui: https://www.inficon.com/de/maerkte/automobilindustrie/dichtheitspruefung-emobilitaet-elektroauto-brennstoffzelle