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Sind der Akku und die Brennstoffzelle dicht?

27. Januar 2022, 13:00 Uhr | Sandra Seitz, Inficon
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Alternative Antriebe werden nicht nur im Automobilbau immer populärer, sondern auch bei motorisierten Flurförderzeugen. Aber Traktionsbatterien und Brennstoffzellen müssen bei ihrer Herstellung sorgfältig auf Dichtheit geprüft werden.

Gabelstapler, die noch mit Treibgas (bzw. Staplergas) auf Propangasbasis betrieben werden, dürften über kurz oder lang aussterben. Elektrogabelstaplern mit Blei-Säure- oder Blei-Gel-Akkus steht ein ähnliches Schicksal bevor. Der Trend geht eindeutig zu modernen Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Batterien und wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen. Die praktisch wartungsfreien Lithium-Ionen-Batterien haben oft die dreifache Energiedichte herkömmlicher Bleiakkus und lassen sich zudem schneller und einfacher laden – ein wichtiger Vorteil in Mehrschicht-Einsatzszenarien.

Noch größere Ausdauervorteile hat ein Brennstoffzellenantrieb. Er führt seine Energie in einem Wasserstofftank mit sich, der sich innerhalb von Minuten betanken lässt. In der Brennstoffzelle entsteht dann aus dem Wasserstoff und Luftsauerstoff bei einer sogenannten kalten Verbrennung harmloses Wasse und Strom. Diese Energie wird meist in einer Traktionsbatterie von moderater Kapazität zwischengespeichert, bevor sie dazu dient, die Elektromotoren des Staplers anzutreiben.

Aber ob es um einen rein elektrischen Antrieb mit großen Lithium-Ionen-Batterien geht, oder ob eine Brennstoffzelle den Strom für die Elektromotoren des Staplers erzeugt – beide dieser modernen Antriebstechnologien halten für die Hersteller eigene Herausforderungen bereit, was Dichtheitsprüfungen im Produktionsprozess angeht.

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Dichtheit von Lithium-Ionen-Zellen

Die kleinste Einheit einer modernen Traktionsbatterie ist die einzelne Lithium-Ionen-Zelle. Auf jeder Fertigungsstufe dieser Zellen ist es wichtig, sicherzustellen, dass der brennbare Elektrolyt nicht aus der Zelle austritt – schon um die gewünschte Kapazität der Batterie über die Lebensdauer zu erhalten. Auch darf von außen kein Wasser in die Zellen eindringen, denn es könnte mit dem Elektrolyt zu Flusssäure reagieren. Die Gehäuse fester Lithium-Ionen-Zellen – dazu zählen prismatische, Rund- und auch Knopfzellen – werden darum in einer Vakuumkammer mit Helium als Prüfgas auf ihre Dichtheit getestet, oft gegen Grenzleckraten von 10-6 mbar∙l/s. Fertig befüllte Zellen auf ihre Dichtheit zu prüfen, war bis vor Kurzem noch schwierig.

Inzwischen gibt es allerdings eine Methode, mit der sich die diversen Elektrolyt-Lösungsmittel, die in den Zellen zum Einsatz kommen – Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) oder Ethylmethylcarbonat (EMC) –, direkt nachweisen lassen, wenn sie durch Lecks in eine Vakuumkammer austreten. Die Helium-Äquivalenzleckraten sind auch hier sehr klein und liegen bei 10-6 mbar∙l/s. Sogar weiche Pouch-Zellen, die bereits befüllt sind, lassen sich mit dieser Methode prüfen: in einer speziellen Vakuumkammer, die sich der empfindlichen Zelle flexibel anschmiegt.

Gehäusematerialien von Batteriepacks

In einem nächsten Schritt werden die Batteriezellen zu größeren Batteriepacks zusammengeschlossen. Schon wegen der Gefahr eines potenziell fatalen Kurzschlusses darf in das Gehäuse eines Batteriepacks von außen kein Wasser eindringen. Zudem ist es unerlässlich, sicherzustellen, dass aus der Kühlung, die im Batteriepack verbaut ist, kein Kühlmittel austritt.

In Sachen Gehäusedichtheit spielen Normen wie IP67 eine Rolle, was übrigens auch für die Gehäuse von Elektromotoren gilt. Die Norm verlangt, dass ein Bauteil nach einem halbstündigen Tauchbad in einem Meter Tiefe – also bei einem Differenzdruck von 0,1 bar – noch seine volle Funktionsfähigkeit bewahrt haben muss. Wie viel Wasser in diesem Szenario durch ein Leck dringt, hängt allerdings nicht nur von dessen Länge und Durchmesser ab, sondern auch vom Gehäusematerial. An Materialien wie Stahl oder ABS haften Wassertropfen recht gut, an Aluminium dagegen sehr schlecht. Im IP67-Szenario befinden sich bei einem Leckdurchmesser von rund 2 µm im Stahlgehäuse die Kräfte im Gleichgewicht: Bei 0,1 bar Druckdifferenz kann dann kein Wassertropfen ins Innere eindringen. Übersetzt in eine Helium-Äquivalenzleckrate hat eine Prüfung also gegen 10-3 mbar∙l/s zu erfolgen. Besteht das Gehäuse allerdings aus Aluminium, ergibt sich eine viel kleinere Grenzleckrate von 10-6 mbar∙l/s.


  1. Sind der Akku und die Brennstoffzelle dicht?
  2. Dichtheit von Batteriegehäuse und Batteriepack
  3. Dichtheit von Brennstoffzellen

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