Wasserstoff gilt als ein Schlüsselelement der Energiewende, als vielfältig einsetzbare Alternative zu fossilen Energieträgern. Im Fokus steht dabei die Brennstoffzelle als Energiequelle. Kernelement einer Brennstoffzelle sind die Bipolarplatten. Diese müssen dicht sein, damit kein Gas den Prozess durch Leckagen umgehen oder diesen negativ beeinflussen kann. Daher hat MACEAS, eine 100%ige Tochter der Worthmann Maschinenbau GmbH, eine innovative und zuverlässige Lösung für die Dichtheitsprüfung der Bipolarplatten entwickelt. In diesen Anlagen im Einsatz für die Sicherheit: ROBA®-linarstop Stangenbremsen von mayr® Antriebstechnik.
Ob Industrie oder Verkehr – klimafreundlich hergestellter Wasserstoff gilt als ein Schlüsselelement der Energie- und Mobilitätswende. Die Brennstoffzelle als Energiequelle steht dabei im Fokus. Sie erzeugt Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff (Luft). Kernelement der Brennstoffzelle wiederum sind die Bipolarplatten. Diese bilden zu Stapeln von 200-500 Stück geschichtet das Herz eines Brennstoffzellensystems. Sie haben unter anderem die Aufgaben, die Zellen elektrisch zu verbinden, das Gas über die Fläche der Platte zu verteilen genauso wie das Gas zwischen angrenzenden Zellen zu trennen und die Dichtung nach außen sowie die Kühlung zu gewährleisten. „Entscheidend ist, dass die Bipolarplatten dicht sind“, erklärt Daniel Schönbohm, Leiter Vertrieb bei der Worthmann Maschinenbau GmbH. „Kein Gas darf durch Leckagen den gewünschten Prozess umgehen oder negativ beeinflussen.“ Das mittelständische Maschinenbau-Unternehmen aus dem niedersächsischen Barßel nahe Oldenburg hat sich unter der Marke MACEAS auf die automatisierte Dichtheitsprüfung spezialisiert. „Wir bieten unseren Kunden sowohl standardisierte als auch maßgeschneiderte Lösungen mit unterschiedlichen Prüfverfahren an. Unser Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Helium-Dichtheitsprüfung und der Ultraschall-Gasblasen-Detektion im Wasserbad, gerne auch mit einer Vollautomatisierung“, beschreibt Daniel Schönbohm das Aufgabenfeld.
Zuverlässige Helium-Dichtheitsprüfung von Bipolarplatten
Die Helium-Dichtheitsprüfung gehört zu den etablierten und genauesten Verfahren der Dichtheitsprüfung sowohl im Labor als auch in der Serienproduktion. Damit lassen sich zuverlässig auch sehr kleine Leckagen detektieren und lokalisieren (je nach gewählten Verfahren – Helium-Vakuum, Helium-Schnüffeln oder Helium-Akkumulation). Das Prüfverfahren gilt dabei als schnell und prozesssicher und kann halbautomatisch, mit Teilehandling durch einen Werker oder vollautomatisch, z.B. mittels Handling-Roboter, erfolgen. Der Helium-Leckagetest erfolgt mit einem Hochvakuum im Massenspektrometer. „Innerhalb eines Testzyklus werden die unterschiedlichen Kreisläufe der Bipolarplatten – also der Kühlkanal sowie die Wasserstoff- und Sauerstoffseite – gegeneinander auf Dichtheit geprüft“, erläutert Daniel Schönbohm. „Immer zwei Platten können gleichzeitig in einer Vakuum-Kammer getestet werden.“ Für den Prüfvorgang an sich werden die Prüfteile in der unteren Hälfte der Prüfkammer über Zentrierpunkte positioniert und über ein Vakuum-System fixiert. Anschließend wird über die vertikale Verfahrachse die Kammer geschlossen und die Helium-Dichtheitsprüfung durchgeführt. Nach der Prüfung öffnet die Kammer wieder und die getesteten Teile können manuell oder mittels Roboter entnommen werden. Die effektive Taktzeit beträgt 12 s für eine Doppelstation, die Kapazität liegt somit bei max. 300 Teilen in der Stunde. Der Aufbau der Prüfanlagen ist dabei modular konzeptioniert. Das bedeutet, bei Bedarf kann das Hauptmodul, das den Schaltschrank und die Bedienelemente enthält, um weitere Module ergänzt werden, passend zu den jeweiligen Produktionszahlen.
Sicherheit für Mensch und Maschine
In den Prüfanlagen sind Linearbremsen von mayr® Antriebstechnik im Einsatz, um die vertikalen Verfahrachsen abzusichern und zuverlässig in Position zu halten. „Beim Verschließen der Kammern über Vakuum ist ein hoher Kraftaufwand nötig“, beschreibt Daniel Schönbohm die Anforderungen. „Die Bremsen sind allerdings von diesen Kräften entkoppelt. Die Herausforderung für die Bremsen besteht also nicht so sehr in der Belastung durch hohe Kräfte, sondern viel mehr in der Beanspruchung durch das häufige Auf- und Zufahren ca. alle 30 Sekunden. In den halbautomatischen Prüfanlagen dienen die Bremsen zusätzlich dem Werkerschutz. Wird die Lichtschranke durch eine Person durchbrochen, fallen die Bremsen zuverlässig ein.“ Die ROBA®-linearstop Sicherheitsbremsen von mayr® Antriebstechnik sind für diese dynamischen Bremsungen ausgelegt. Das Unternehmen hat die Bremsen als Sicherheitsbauteil nach der Maschinenrichtlinie (2006/42/EG) dafür freiwillig einer Baumusterprüfung unterzogen.
Sicherheit durch Fail-Safe-Prinzip
Die ROBA®-linearstop Bremsen sind Sicherheitsbremsen nach dem Fail-Safe-Prinzip. Das bedeutet, sie erzeugen die Bremskraft durch Druckfedern und sind im energielosen Zustand geschlossen. Die Linearbremsen eignen sich besonders für den Einsatz in schwerkraftbelasteten Achsen, da sie direkt an den Massen angebracht werden, die abgebremst bzw. gehalten werden sollen. Antriebselemente wie Zahnriemen, Kupplungen oder Spindelmuttern, die bei anderen Bremssystemen das Bremsmoment mit übertragen und Einfluss auf die Sicherheit haben könnten, gibt es hier nicht. Generell sind gerade bei vertikalen Achsen kurze Anhaltewege wichtig für die Sicherheit von Mensch und Maschine. Entscheidend für den Bremsweg sind dabei die Schaltzeiten der Bremse. Denn in der Zeit des freien Falls bis die Bremse schließt und die Verzögerung einsetzt, beschleunigt sich die Masse zusätzlich – unter Umständen so extrem, dass die zulässigen Werte der Bremse überschritten werden. Anwender sollten daher bei der Auswahl der Linearbremsen auf möglichst kurze, verifizierte Schaltzeiten achten – und auch darauf, dass diese Schaltzeiten über die gesamte Lebensdauer der Bremse eingehalten werden. Um in der jeweiligen Applikation größtmögliche Sicherheit zu erreichen und die projektierten Schaltzeiten über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten, hat mayr® Antriebstechnik die Linearbremsen mit einer zuverlässigen Schaltzustandskontrolle ausgestattet.
