September 2020
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT lud im September 2020 zum ersten LKH2-Laserkolloquium Wasserstoff ein. Im Mittelpunkt stand die Brennstoffzelle und eine spannende Frage: Wie gelingt es künftig, im Sekundentakt Bipolarplatten prozesssicher zu fertigen?
»Seit ihrer Erfindung vor rund 180 Jahren wird die Brennstoffzelle mit Hoffnungen versehen, die sie nie einlösen konnte. Steht jetzt der Durchbruch bevor? «, fragte Marc Lüttgemann im Jahr 2016 auf der Homepage des BDEW Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.. Der Wissenschaftsredakteur war sich zwar sicher, dass der Durchbruch kommt, aber nicht wann.
Die Brennstoffzellen-Zukunft voraussagen kann auch die Fraunhofer-Gesellschaft nicht, aber sie setzt konsequent auf Wasserstoff, den viele als die Kohle der Zukunft ansehen. Daher bündelte sie die Stärke von 28 Instituten im »Netzwerk Wasserstoff«, bei dem auch das Fraunhofer ILT mitmacht. Zusätzlich starteten die Aachener am 9. September 2020 das erste LKH2-Laserkolloquium Wasserstoff, das auch als virtuelle Veranstaltung etwa 55 Teilnehmer anlockte. Zehn Vorträge befassten sich mit vielen Aspekten der Herstellung von Brennstoffzellen mit einem großen Fokus auf die Lasermaterialbearbeitung.
Die Motivation ist hoch, denn bis zum Jahr 2030 soll sich die Jahresproduktion von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen um den Faktor 160 auf fast vier Millionen erhöhen. Damit würde der Bedarf an Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Bipolarplatten (BPP) auf etwa 800 Millionen wachsen. Dazu müssen die Kosten für Brennstoffzellen von aktuell 10.000 bis 40.000 Euro allerdings deutlich sinken, meint Dr. Christoph Baum, Geschäftsführer am benachbarten Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT. Die Abschätzung der Kosten falle allerdings schwer, weil es noch keine »klaren Marktpreise« gäbe. Serienmäßig würden in der Automobilindustrie nur Toyota und Hyundai Brennstoffzellen herstellen. Die meisten Kosten einer Brennstoffzelle entfallen aktuell auf die Membran-Elektroden-Einheit (62%) mit ihrem hohen Anteil an Platin und auf die BPP (30%).
Die Plattenhälften werden zu Bipolarplatten 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. Obwohl die Platten in der Regel nur so groß wie ein DIN A4-Blatt sind, fallen die Schweißnähte der beiden zu fügenden 100 µm dünnen Metallfolien lang aus. »Wir müssen nicht nur die komplette Außenkontur, sondern auch die Eingangsöffnungen, die sogenannten Ports, für Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff schweißen«, erklärt André Häusler, Teamleiter für das Mikrofügen von metallischen Werkstoffen am Fraunhofer ILT. »Hinzu kommen je nach Design noch Schweißungen in der Kanalstruktur, um die Konstruktion zu verstärken. Das ergibt pro Platte rund 1,0 bis 1,4 Meter Schweißnaht.«
Diese Aufgabenstellung untersuchte das Fraunhofer ILT im Rahmen von CoBiP, einem gemeinsamen Projekt mit dem Fraunhofer IPT, in dem eine kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Fertigung von metallischen BPP entsteht: Ein 1 kW-Faserlaser schweißte zwei 100 µm dicke, unbeschichtete Edelstahlfolien (1.4404) mit einem Vorschub von maximal 7.000 mm/s unter Argongas. Doch es kam bereits bei niedrigen Vorschüben zum Humping-Effekt, der aufgrund von Fehlstellen die Dichtheit der Naht stark gefährdet.
Eine Verbesserung brachte der Wechsel vom nahen Infrarotbereich (Wellenlänge: 1070 nm) zum sichtbaren blauen oder grünen Laserlicht (450 bzw. 515 nm), das bei typischem Stahl (DC04) einen im Vergleich zum NIR-Laser doppelt so hohen Absorptionsgrad von fast 50 Prozent besitzt. Am besten schweißte ein 1 kW-Trumpf TruDisk 1020 mit grünem Laserlicht, der mit einem Fokusdurchmesser von 80 µm selbst bei 1.000 mm/s eine sehr gute Lasernaht erzeugte. Häusler: »Wir untersuchen aktuell, wie sich Schmelzbadströmung und Keyholedynamik durch Änderung der Wellenlänge und der Strahlquelle so beeinflussen lassen, dass auch bei hohen Vorschüben kein Humping auftritt.«
Doch wie lassen sich Kunststoffkomponenten für Brennstoffzellen mit dem Laser fügen? Experte für das Thema ist Maximilian Brosda, Mitarbeiter der Gruppe Mikrofügen am Fraunhofer ILT. Da es sich häufig um transparente Bauteile mit geringer Absorption handelt, werden sie oft mit Ruß eingeschwärzt. Als Alternative stellte der Wissenschaftler das zweistufige INNOCABS-Verfahren vor. Der Kunststoff enthält das ebenfalls transparente Additiv INCA XX21, das sich beim Auftreffen des gepulsten Laserstrahls schwarz verfärbt. Diese lokal eingefärbten Stellen besitzen eine hohen Absorptionsgrad, den im zweiten Schritt ein CW-Laser zum Verschweißen nutzt. Ähnlich arbeitet das ebenfalls zweistufige Clearweld-Verfahren, bei dem eine Infrarot-Absorberschicht zum Einsatz kommt. »Man erhält mit diesem Verfahren eine transparente Fügestelle«, erklärte Brosda. »Das Verfahren eignet sich besonders gut zum Aufbau von Biopolarplatten-Stacks.« Erprobt hat das Fraunhofer ILT die Methode an polymerbasierten BPP, die ein CO2-Laser zuschneidet und ein Diodenlaser (940 bis 980 nm) fügt.
Nahezu 20 Jahre Erfahrung in der Produktion von über 100.000 BPP kann der Sondermaschinenbauer Graebener Maschinentechnik GmbH & Co. KG, Netphen-Werthenbach vorweisen: Eine besondere Spezialität ist das Innenhochdruckumformen, das sich auch bei 50 µm hauchdünnen Plattenfolien bewährt hat. Der Maschinenbauer entwickelt komplette, skalierbare Anlagen, die mehrere Millionen Platten pro Jahr fertigen können.
Auch diese gerade mal haaresbreite dünnen Folien schneidet das Unternehmen bevorzugt mit dem Laser, für den laut Geschäftsführer Fabian Kapp im Vergleich zum Stanzen der hochpräzise, spritzer- und gratfreie Schnitt von 2D- und 3D-Konturen mit maximal 2.000 mm/s Vorschub spricht. Erfreut ist Kapp auch über die hohe Wiederholgenauigkeit, die vor allem bei der Produktion von Stacks eine wichtige Rolle spielt. 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 den CW-Laser mit maximal 800 mm/s und Fokusdurchmesser von 30 bis 50 µm, weil er wartungsarm, prozesssicher, robust ohne Zusatzwerkstoffe arbeitet. Kapp lobte den kontinuierlichen Prozess, weil er zuverlässig gasdicht schweißt und ohne weitere Bearbeitungsschritte auskommt.
Auch die Schuler Pressen GmbH aus Göppingen ist auf dem Gebiet Plattenproduktion aktiv. Im Detail sah sich das Unternehmen laut Dr. Hermann Uchtmann vom Technologie- und Innovationsmanagement die Materialkosten an, die mit 10 bis 15 €/kg für unbeschichtete bzw. vorbeschichtete Edelstahlcoils (1.4404) hoch ausfallen. Diese Kosten sollen sich durch den Einsatz von Transferpressen im Vergleich zu Folgeverbundpressen um mindestens 10% senken lassen, da der Grad der Materialausnutzung entsprechend höher ausfällt. Daher entschied sich Schuler für die Großserienproduktion von BPP für Transfertechnik, für die das Unternehmen die Umformtechnik und Automation liefert. Die Werkzeugtechnik stammt von der Schuler-Tochter AWEBA und die Lasertechnik von dem Schwesterunternehmen Andritz Soutec. Die skalierbaren Anlagen sind ausgelegt für eine Produktion von bis zu 50.000 Stacks (rund 15 Millionen Bipolarplatten). Die größten Anlagen des Typs BPL 50 formen mit einer Presskraft von bis zu 2.000 t bis zu 100 BPP-Hälften pro Minute, welche im Umformwerkzeug zu 50 BPP-Paaren pro Minute vorgefügt werden. Typische Platten sind laut Uchtmann aktuell 75 bis 100 µm dick.
Eine wichtige Rolle übernimmt das Laserschweißen der Andritz Soutec AG aus Neftenbach (Schweiz): Aktuell entsteht laut Mathias Binder, Leiter des Produktmanagements, 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.
Unterm Strich: Die Vielfalt der Referate und die diskussionsfreudigen Nachfragen zeigen, dass auf diesem Gebiet noch viel Pionierarbeit ansteht. Dr. Alexander Olowinsky, Gruppenleiter Mikrofügen am Fraunhofer ILT: »Um den Know-how-Austausch zu fördern, ist der Aufbau einer virtuellen Plattform geplant.« Input erhalten Interessenten außerdem auf dem dritten Lasersymposium Elektromobilität (LSE) des Fraunhofer ILT am 19. und 20. Januar 2021, das dann auch zum ersten Mal als digitale Veranstaltung inklusive einer Live Laborführung stattfinden wird.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT