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Montag, 05 Juli 2021 11:59

LKH2-Laserkolloquium Wasserstoff

von Redaktion
Geschätzte Lesezeit: 2 - 4 Minuten
Maßvoll: Der Maschinenbauer Graebener entwickelt komplette, skalierbare Anlagen, die mehrere Millionen Bipolar-Platten pro Jahr fertigen können Maßvoll: Der Maschinenbauer Graebener entwickelt komplette, skalierbare Anlagen, die mehrere Millionen Bipolar-Platten pro Jahr fertigen können

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT lud im September 2020 zum ersten virtuellen LKH2-Laserkolloquium Wasserstoff ein. Im Mittelpunkt stand die Brennstoffzelle und die Frage, ob es künftig möglich sein wird, im Sekundentakt Bipolarplatten prozesssicher zu fertigen.

Die Fraunhofer-Gesellschaft setzt konsequent auf Wasserstoff, den viele als die Kohle der Zukunft ansehen und bündelte die Stärke von 28 Instituten im „Netzwerk Wasserstoff“, bei dem auch das Fraunhofer ILT mitmacht. Im Rahmen des Kolloquiums behandelten zehn Vorträge viele Aspekte der Herstellung von Brennstoffzellen mit einem großen Fokus auf die Lasermaterialbearbeitung.

Entscheidend für den breiteren Einsatz von Brennstoffzellen wird sein, die Kosten für Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Bipolarplatten (BPP) deutlich zu senken. Die meisten Kosten einer Brennstoffzelle entfallen aktuell auf die Membran-Elektroden-Einheit (62 %) mit ihrem hohen Anteil an Platin und auf die BPP (30 %).

Zur Herstellung der Bipolarplatten werden Plattenhälften verschweißt und in einem Stackverbund gestapelt, der nicht nur thermisch und elektrisch gut leitet, sondern sehr zuverlässig vor dem Entweichen von Wasser, Sauerstoff und vor allem von Wasserstoff schützt. Es müssen nicht nur die komplette Außenkontur, sondern u.a. auch die Eingangsöffnungen, die sogenannten Ports, für Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff geschweißt werden. Insgesamt ergibt das pro Platte rund 1,0 bis 1,4 Meter Schweißnaht. Nachfolgend werden Beiträge des Kolloquiums mit Schwerpunkt Lasermaterialbearbeitung kurz vorgestellt.

Laser beam microwelding: Reliable and dynamic joining of metallic bipolar plates, André Häusler, Fraunhofer ILT, Aachen (D)

Beim Laserschweißen von BPP im kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle Verfahren kann es bereits bei niedrigem Vorschub zu Fehlstellen kommen, die die Dichtigkeit der Naht gefährden (Humping-Effekt). Durch Wechsel vom nahen Infrarotbereich (Wellenlänge: 1070 nm) zum sichtbaren blauen oder grünen Laserlicht (450 bzw. 515 nm) kann bei einem typischen Stahl (DC04) eine Verdoppelung des Absorptionsgrades auf fast 50 Prozent erreicht werden. Am besten schweißte ein 1 kW-Trumpf TruDisk 1020 mit grünem Laserlicht. Gegenstand weiterer Untersuchungen ist aktuell, wie sich Schmelzbadströmung und Keyholedynamik durch Änderung der Wellenlänge und der Strahlquelle so beeinflussen lassen, dass auch bei hohen Vor- schüben kein Humping auftritt.

Laser transmission welding of thermoplastics for plastic-based fuel cells, Maximilian Brosda, Fraunhofer ILT, Aachen (D) / Matthias Poggel, Leister Technologies Deutschland GmbH, Hagen (D)

Kunststoffkomponenten für Brennstoffzellen werden vor dem Fügen mit dem Laser oft mit Ruß eingeschwärzt, da es sich häufig um transparente Bauteile mit geringer Absorption handelt. Als Alternative stellte der Vortragende das zweistufige INNOCABS-Verfahren vor. Bei diesem enthält der Kunststoff das ebenfalls transparente Additiv INCA XX21, das sich beim Auftreffen des gepulsten Laserstrahls schwarz verfärbt. Diese lokal eingefärbten Stellen besitzen einen hohen Absorptionsgrad, den im zweiten Schritt ein CW-Laser zum Verschweißen nutzt.

The laser as a flexible tool for the economical production of microstructure plates, Fabian Kapp, Graebener Maschinentechnik GmbH & Co. KG, Netphen-Werthenbach (D)

Großserie im Visier: Die skalierbaren Schuler-Anlagen sind ausgelegt für eine Produktion von bis zu 50.000 Stacks mit rund 15 Millionen BipolarplattenGroßserie im Visier: Die skalierbaren Schuler-Anlagen sind ausgelegt für eine Produktion von bis zu 50.000 Stacks mit rund 15 Millionen BipolarplattenDer Maschinenbauer entwickelt komplette, skalierbare Anlagen, die mehrere Millionen Platten pro Jahr fertigen können Eine besondere Spezialität ist das Innenhochdruckumformen, das sich auch bei 50 µm dünnen Plattenfolien bewährt hat. Dünne Folien schneidet das Unternehmen bevorzugt mit dem Laser, der im Vergleich zum Stanzen das hochpräzise, spritzer- und gratfreie Schneiden von 2D- und 3D-Konturen mit maximal 2.000 mm/s Vorschub ermöglicht. Wenn sehr hohe Qualität mit gratfreiem Beschnitt mit absolut sauberer Schneidkante gefragt ist, verwendet das Unternehmen das Laserschmelzschweißen unter Schneidgas. Zum Fügen der extrem dünnen 50 µm-Folien setzt Graebener auf einen CW-Laser, der kontinuierlich zuverlässig und gasdicht schweißt und ohne weitere Bearbeitungsschritte auskommt.

Large-scale production of metallic bipolar plates for fuel cells, Dr. Hermann Uchtmann, Schuler Group, Göppingen (D) und Mathias Binder, Andritz Soutec AG

Da unbeschichtete bzw. vorbeschichtete Edelstahlcoils (1.4404) bisher sehr teuer sind, sollen die Kosten durch den Einsatz von Transferpressen im Vergleich zu Folgeverbundpressen um mindestens 10 % gesenkt werden. Daher entschied sich Schuler bei der Großserienproduktion von BPP für Transfertechnik, für die das Unternehmen die Umformtechnik und Automation liefert.

Eine wichtige Rolle bei der Großserienproduktion übernimmt das Laserschweißen der Andritz Soutec AG aus Neftenbach (Schweiz): Aktuell entsteht eine skalierbare Anlage für die Produktion von Bipolarplatten für jährlich 50.000 Brennstoffzellenstacks; das entspricht dem Verschweißen von 50 BPP pro Minute. Drei Laserschweißstationen mit je zwei Scanneroptiken erzeugen mit einer Geschwindigkeit von 500 mm/s bis zu 3,0 m lange Schweißnähte.

 

 

Fazit:

Die Vielfalt der Referate und die diskussionsfreudigen Nachfragen zeigten, dass auf diesem Gebiet noch viel Pionierarbeit ansteht. Um den Know-how-Austausch zu fördern, ist der Aufbau einer virtuellen Plattform geplant. Input erhielten Interessenten außerdem auf dem dritten Lasersymposium Elektromobilität (LSE) des Fraunhofer ILT am 19. und 20. Januar 2021, das zum ersten Mal als digitale Veranstaltung inklusive einer Live Laborführung stattfand.

Quelle: Fraunhofer ILT

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