Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Wasserstofftechnologie

Grüner Wasserstoff ist der Energieträger der Zukunft. Zu den potenziellen Anwendungsgebieten zählen die Mobilität sowie die Hausenergieversorgung auf Brennstoffzellenbasis. Für eine breite Marktdurchdringung bedarf es neben technologischen Weiterentwicklungen vor allem einer deutlichen Kostenreduktion entlang der Wertschöpfungsketten von Elektrolyseuren, Brennstoffzellen und deren Komponenten. Hochproduktive Laserverfahren spielen bei der Skalierung der Herstellungsprozesse eine entscheidende Rolle.

Laserstrahlschweißen von Bipolarplatten

Eines der Kernelemente einer Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte, die als metallische Variante meist aus zwei dünnwandigen Edelstahl- oder Nickelblechen besteht. Diese werden durch Laserstrahlschweißen wasserstoffdicht und reproduzierbar verbunden. Durch die Entwicklung von modularen Spannvorrichtungen und Anpassungen der Schweißgeometrien in Bezug auf Anordnung und Abfolge können Prozessfehler vermieden und der thermische Verzug der Platten geringgehalten werden.

Durch Anpassung der Wellenlängen und Strahlmodulationen lassen sich Vorschubgeschwindigkeiten von mehr als 1 m/s realisieren. In Kombination mit einer Inline-Prozesskontrolle stellt das Laserstrahlschweißen einen effizienten und sicheren Fertigungsprozess für die Hochrateproduktion von metallischen Bipolarplatten dar.

Beschichtung, Reparatur und additive Fertigung

Laserauftragschweißen kann Metallspuren zwischen 0,01 und 2 mm Schichtstärke hochpräzise auf nahezu jedem metallischen Grundwerkstoff in kürzester Zeit auftragen. Durch Überlagerung mehrerer Schweißraupen lassen sich flächige Beschichtungen für die Herstellung von Bipolarplatten oder funktionale Schichten auf Elektrolyseuren herstellen.

Werden mehrere Schichten übereinander auftraggeschweißt, kann das Verfahren auch flexibel für die Reparatur und die additive Fertigung genutzt werden.

Reduzieren von Übergangswiderständen

Der Übergangswiderstand zwischen Bipolarplatte und Gastransportschicht ist eine der Hauptursachen für Wirkungsgradverluste von PEM (Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzellen. Besonders bei Graphit-gefüllten thermoplastischen Compoundmaterialien bildet sich ein isolierender Kunststofffilm auf der Oberfläche, der die elektrische Anbindung der Gastransportschicht verhindert.

Laser entfernen diesen Film und legen das leitfähige Graphitfüllmaterial im Kontaktbereich zur Gastransportschicht frei. Anders als mechanische Schleifverfahren kann ultrakurz gepulste Laserstrahlung den Kunststoff selektiv entfernen, ohne das Füllmaterial zu beschädigen. Auch bei metallischen Bipolarplatten lässt sich der Übergangswiderstand verringern, indem Mikrostrukturen selektiv eingebracht werden.

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