Optimiertes Laserschweißen von Bipolarplatten

Neben Lithium-Ionen-Batterien eignen sich vor allem galvanische Brennstoffzellen dazu, regenerative Energie in Form von Wasserstoff für den Einsatz in Elektroautomobilen nutzbar zu machen. Dabei wandeln Brennstoffzellen die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Die jährliche Produktion von Brennstoffzellen liegt nach aktuellen Schätzungen bei ungefähr 21 Mill. Stück. Das Kernelement der Brennstoffzelle als Energiewandler bilden Bipolarplatten. Diese bestehen aus einer wasserstoffführenden Anodenplatte – dem negativen Pol – und einer Kathodenplatte – dem positiven Pol. Über die Platten sind mehrere Zellen sowohl physikalisch als auch elektrisch miteinander verbunden. In Brennstoffzellen haben Bipolarplatten die Aufgabe, Reaktionsgase in die jeweiligen Reaktionszonen zu leiten. Hierfür sind auf beiden Seiten Strömungsprofile eingepresst. Durch diese sogenannten Flowfields strömt auf der einen Seite Wasserstoff, auf der anderen wird Luft zugeführt. Auf diese Weise regeln die Platten auch die Abfuhr von Wasserdampf und geben damit thermische sowie elektrische Energie ab. Die Bipolarplatten werden zu Stapeln geschichtet, den sogenannten Stacks; zwischen den einzelnen Platten werden Membrane platziert, die einen Protonenaustausch zwischen Anoden- und Kathodenseite ermöglichen.

Bipolarplatten machen den Großteil des Gewichts von Brennstoffzellen aus, zudem beanspruchen sie bis zu 45 % der Produktionskosten der Zellen. Eine serienmäßige Produktion von Bipolarplatten in hohen Stückzahlen würde folglich für niedrigere Betriebskosten sorgen. Da ein sehr hoher Bedarf an Brennstoffzellen besteht, müssen die dafür notwendigen Bipolarplatten zudem schnell und mit möglichst geringem Aufwand nacharbeitsfrei geschweißt werden. Darüber hinaus besteht ein großer qualitativer Anspruch an die Komponenten und deren Fertigung. Beim konventionellen Atmosphärenprozess mit Singlemode-Faserlaser treten ab einer Schweißgeschwindigkeit von ca. 700 mm/s Humping-Effekte auf. Durch diese wird die Qualität der Schweißnaht unzureichend.

Das Lava-Schweißen ist für die Fertigung von Bipolarplatten eine energiesparende Alternative zum herkömmlichen Laserschweißen für eine hochwertigere Schweißung mit geringerem Energieaufwand und gesenkten Betriebskosten. Zudem werden prozessbedingte Oxidationen oder die Aufnahme von Gasen aus der Atmosphäre zuverlässig vermieden, was das Lava-Verfahren zusätzlich für das Fügen von Titanplatten prädestiniert. Damit kann die Beständigkeit gegenüber Korrosion ohne zusätzliche kosten- und zeitintensive Nacharbeit signifikant verbessert werden. Das Lava-Verfahren bietet insgesamt einen stabileren und besser beherrschbaren Schweißprozess: Durch ein kleineres und gleichzeitig stabileres Schweißbad lassen sich bei einer geringeren Laserleistung tiefere und qualitativ hochwertigere Schweißnähte erzeugen. Da Schweißspritzer und Poren vermieden werden, wird die Schweißnahtqualität weiter gesteigert. Außerdem ist ein praktisch verzugsfreies Schweißen möglich, da sich die für den Schweißprozess benötigte Energie um bis zu 60 % reduzieren lässt. Dies ist besonders bei den für Bipolarplatten üblicherweise verwendeten 80 μm dicken Edelstahlfolien von großem Vorteil. Da die Atmosphäre im Vakuum definiert ist, lassen sich zudem störende Einflüsse beseitigen. Auf diese Weise kann, durch die Variation der Schutzgaszusammensetzung, auch gezielt Einfluss auf die Schmelze genommen werden.

Einen weiteren wichtigen Mehrwert für die Produktion von Bipolarplatten für Brennstoffzellen bietet das Lava-Schweißen mit erhöhter Geschwindigkeit. Mit einem Grobvakuum von ca. 100 mbar ist ein schnelles Evakuieren innerhalb von wenigen Sekunden möglich. Wird ein Druckstufensystem verwendet, lässt sich außerdem ein kontinuierlicher Bauteildurchlauf erreichen. Somit können die Bipolarplatten „on the fly“ geschweißt werden – und das Evakuieren als Nebenzeit entfällt komplett. Dadurch können in kurzer Zeit sehr viele Bipolarplatten geschweißt werden, um der hohen Nachfrage nachzukommen.