Brennstoffzellen mit dem Laser präzise bearbeiten

Brennstoffzellen gelten als Hoffnungsträger für die Energiegewinnung der Zukunft. Insbesondere Automobilhersteller setzen auf die Vorteile, die ihnen Brennstoffzellen als Energielieferant für Elektromotoren bieten. Die Vision von einer sauberen und emissionsfreien Mobilität rückt damit in greifbare Nähe. Um Brennstoffzellen kosteneffizient und mit hoher Qualität massenmarkttauglich herstellen zu können, sind Laser zum Schneiden, Schweißen und Beschriften unverzichtbare Werkzeuge.

In einer Brennstoffzelle verbinden sich Wasserstoff und Sauerstoff in einer chemischen Reaktion zu Wasser. Die dabei frei werdende elektrische Energie kann direkt genutzt werden, um Elektromotoren anzutreiben. Während des gesamten Prozesses entstehen keine Abgase oder schädliche Emissionen – vorausgesetzt der verwendete Wasser- und Sauerstoff ist ebenfalls emissionsfrei her- bzw. bereitgestellt worden. Um Brennstoffzellen für den Massenmarkt herstellen zu können, ist eine ausgeklügelte Produktionstechnik essentiell. Denn die Herstellungskosten derzeit verfügbarer Brennstoffzellen sind zu hoch und damit die Fahrzeuge, die mit Brennstoffzellen betrieben werden, in der Anschaffung für den Endkunden zu teuer. Für mobile Anwendungen sind Brennstoffzellen auf Basis metallischer Bipolarplatten erste Wahl. Sie zeichnen sich durch ein geringes Gewicht und eine hohe Leistungsdichte aus, und sind daher prädestiniert für den mobilen Einsatz. Metallische Bipolarplatten sind – neben der Membran-Elektroden-Einheit – das zentrale Element der Brennstoffzelle. Der   Herstellungsprozess der metallischen Bipolarplatten ist sehr komplex und von besonderer Bedeutung für die Funktion der Brennstoffzelle. Die Bipolarplatten werden aus zwei sehr dünnen Metallplatten – typischerweise 0,05 bis 0,2 mm – gefertigt. Die charakteristische Kanalstruktur (Flowfield) der Einzelplatten wird durch Tiefziehen oder Innenhochdruckumformung (Hydroforming) erzeugt. Im Anschluss werden die geformten Platten beschnitten, zur Bipolarplatte zusammengefügt und beschriftet. Aufgrund seiner zahlreichen Vorteile, spielt der Laser eine entscheidende Rolle in der Produktion von Brennstoffzellen.

Zuschneiden der metallischen Platten

Nach dem Umformprozess beschneidet der Laser die Platten an der Außenkontur und entfernt so überschüssiges Material. Ebenso bringt der Laser die sogenannten Ports ein, durch welche die beiden Reaktionspartner Wasser- und Sauerstoff in die Brennstoffzelle strömen. Neben einer hohen Schnittqualität und einer gratfreien Schnittkante ist eine hohe Schneidgeschwindigkeit unverzichtbar, um einen hohen Produktionsdurchsatz zu erreichen. Die hohe Schneidgeschwindigkeit darf jedoch nicht zu Lasten der Bauteilpräzision gehen, da sie für den Herstellungsprozess von großer Bedeutung ist. Nur präzise geschnittene Platten lassen sich später zu einem Stack stapeln, ohne dass sich die Fertigungstoleranzen negativ auswirken. Der Laser eignet sich beim Zuschneiden der Platten aufgrund seiner hohen Flexibilität besonders gut für die Produktion von Prototypen und Kleinserien. Designänderungen können Anwender einfach und schnell umsetzen. Dies ist ein großer Vorteil, denn viele Brennstoffzellendesigns und Bipolarplatten befinden sich derzeit noch in der Erprobung und Änderungen im Design sind häufig. Um in den dünnen Platten die präzisen Schnitte bei hoher Vorschubgeschwindigkeit zu erzielen, werden neben hochdynamischen Maschinen auch Laser hoher Strahlqualität, typischerweise Festkörperlaser
(Faser- oder Scheibenlaser) eingesetzt.

Zum Schweißen von Bipolarplatten ist das
Remote-Schweißen das bevorzugte Verfahren
Lasergeschnittene und -geschweißte Bipolarplatte mit Kanalstruktur und Medienports Bild: Maschinentechnik GmbH & Co. KG, Netphen-Werthenbach

Verbinden zweier geformter Platten

Jeweils zwei geformte Platten werden zu einer Bipolarplatte zusammengefügt. Wie beim Zuschneiden ist auch bei diesem Prozessschritt eine hohe Prozessgeschwindigkeit gefordert. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Verbindung eine hohe Festigkeit hat und gasdicht ist. Eine undichte Stelle an der Bipolarplatte macht die Brennstoffzelle und den kompletten Stack, in dem sich die Bipolarplatte befindet, unbrauchbar, da Wasser- und Sauerstoff unkontrolliert miteinander reagieren können. Ein Fahrzeug mit Brennstoffzellen benötigt etwa 400 Bipolarplatten, wodurch die Dichtigkeit zusätzlich an Bedeutung gewinnt. Die Schweißverbindungslänge pro Bipolarplatte beträgt etwa ein Meter. Hochgerechnet auf ein Fahrzeug mit Brennstoffzellen müssen etwa 400 Meter Schweißnaht prozesssicher gasdicht erzeugt werden. Daher müssen Fügeverfahren eingesetzt werden, die zuverlässig Schweißnähte mit höchster Qualität herstellen.

Dies beinhaltet einen geringen Wärmeeintrag für einen minimalen Verzug, um die Stapelbarkeit der Bipolarplatten zu gewährleisten. Zudem darf die Fügeverbindung keine Gefügeveränderungen im Grundmaterial erzeugen. Denn nur so kann die Bipolarplatte nach dem Fügen beschichtet, die elektrische Leitfähigkeit verbessert und vor Korrosion geschützt werden. Für diese Fügeaufgabe ist das Laser Remote-Schweißen das Verfahren der Wahl. Festkörperlaser wie Faser- oder Scheibenlaser werden dabei mit einer Scanneroptik kombiniert. Das Scannerschweißen ist heutzutage im Karosseriebau fest etabliert. Die Vorteile liegen auf der Hand: Mit zwei kleinen beweglichen Spiegeln wird der Laserstrahl blitzschnell auf dem Werkstück platziert, um einerseits Positionierzeiten zu minimieren und andererseits hohe  Vorschubgeschwindigkeiten zu realisieren. Laserleistungen von unter 1.000 Watt genügen, um bei Schweißnahttiefen von wenigen Zehntelmillimetern Schweißgeschwindigkeiten zu erreichen, die ein Vielfaches von 10 Metern pro Minute ermöglichen. Derzeit werden neue Verfahren in der Lasertechnik entwickelt, die mit derselben Ausrüstung nicht nur schweißen, sondern auch schneiden können. Erste Versuche an 0,1 mm dickem Edelstahl ermöglichen Schneidgeschwindigkeiten von 120 Metern in der Minute, wobei die Schnittqualität und Konturtreue der Bauteile noch nicht den hohen Ansprüchen genügen, die das klassische Laserschneiden erfüllt. Daher wird dieses Remote-Schneiden in der Serienfertigung von Bipolarplatten derzeit noch nicht eingesetzt, bietet aber ein großes Potential für die Zukunft.

Markieren der Bipolarplatten

Durch Markieren können an Bipolarplatten Marken- und Produktkennzeichnung aufgebracht werden, die eine Rückverfolgbarkeit ermöglichen. Neben einer hohen Prozessgeschwindigkeit steht hier die Langzeitbeständigkeit der Markierung im Vordergrund. Denn nur eine dauerhafte Markierung, die temperaturstabil und korrosionsbeständig ist, kann auch noch viele Jahre später erfolgreich zur Rückverfolgbarkeit genutzt werden. Laserbeschriften ist das vielseitigste und flexibelste Beschriftungsverfahren, das in der industriellen Produktion eingesetzt wird. Bei Metallen können mit dem Laser Anlassfarben erzeugt werden, indem die Werkstückoberfläche auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird. Die Werkstückoberfläche ändert ihre Farbe, bleibt dabei aber völlig eben, was die Korrosionsbeständigkeit gewährleistet. Der Laser bietet zudem die Möglichkeit, Seriennummern und andere individuelle Teileinformationen auf die Bipolarplatte direkt in der Produktionslinie aufzubringen. Dank der sehr guten Auflösung (bis 25 μm) ist die Markierung sehr präzise und von hoher Qualität. Wie auch bei den vorhergehenden Prozessschritten Laserschneiden und -schweißen ist keine Nacharbeit erforderlich. Da das Werkzeug Laser berührungsfrei arbeitet, verschleißt es nicht. In vielen Branchen hat sich der Laser bereits als wichtiges Werkzeug zum Trennen, Schweißen und Markieren etabliert. Von seinen Vorteilen profitiert auch die Fertigung von Brennstoffzellen. Lasertechnik ermöglicht eine qualitativ hochwertige sowie effiziente Produktion und hilft dabei, der emissionsfreien Mobilität der Zukunft ein Stück näher zu kommen.

Quelle: www.laser-magazin.de

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