LaVa-Schweißen von Brennstoffzellen

Bipolarplatten erfordern spezielle Schweißtechnik: schnell, energieeffizient und spritzerfrei

Brennstoffzellen gelten als Schlüsseltechnologie der Energiewende. So eignen sie sich neben Lithium-Ionen-Batterien dazu, regenerative Energie in Form von Wasserstoff für den Einsatz in Elektroautomobilen nutzbar zu machen. Bipolarplatten übernehmen wichtige Funktionen innerhalb der Brennstoffzelle. Nach aktuellem Stand der Technik wird die jährliche Produktion von Bipolarplatten für Brennstoffzellen bei ca. 21 Millionen liegen.* Neben höchsten Qualitätsanforderungen werden außerdem hohe Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit der Komponenten – in diesem Fall insbesondere an den Prozess des Schweißens – gestellt. Hier bietet sich das Laserstrahlschweißen im Vakuum an, das unter geringem Energieaufwand eine hohe Produktivität in bester Qualität liefert.

Galvanische Brennstoffzellen wandeln die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Das Kernelement dieser Energiewandler bilden Bipolarplatten, die zu Stapeln – sogenannte Stacks – geschichtet sind.

Bipolarplatten als Herzstück von Brennstoffzellen

Bipolarplatten bestehen aus einer wasserstoffführenden Anodenplatte – negativer Pol – und einer Kathodenplatte – positiver Pol. Über diese Pole werden mehrere Zellen miteinander verbunden – sowohl physikalisch als auch elektrisch. Darüber hinaus sind Bipolarplatten in Brennstoffzellen dafür zuständig, Reaktionsgase in die Reaktionszone zu leiten. Dazu sind in die Platten auf beiden Seiten Strömungsprofile – Flowfields – eingepresst, durch die auf der einen Seite Wasserstoff strömt und auf der anderen Seite Luft zugeführt wird. Auf diese Weise regeln die Platten auch die Abfuhr von Wasserdampf und geben damit thermische sowie elektrische Energie ab.[1]

Welche Anforderungen gelten beim Schweißen von Brennstoffzellen?

Aufgrund des hohen Bedarfs an Bipolarplatten für Brennstoffzellen in der expandierenden Elektromobiltät ist es äußerst wichtig, die Platten schnell und mit möglichst geringem Aufwand zu schweißen. Dabei müssen allerdings jederzeit auch die hohen Qualitätsanforderungen eingehalten werden. Bei der Verwendung konventioneller Singlemode-Faserlaser treten ab einer Schweißgeschwindigkeit von ca. 700 mm/s Humping-Effekte auf. Die Qualität der Schweißnaht wird durch diesen Effekt unzureichend.

Mit LaVa-Schweißen hohe Anforderungen erfüllen

Durch das Laserstrahlschweißen im Vakuum (LaVa-Schweißen) lässt sich die benötigte Energie um bis zu 60 Prozent reduzieren. Dies ermöglicht ein praktisch verzugsfreies Schweißen. Darüber hinaus entstehen mit diesem innovativen Verfahren im Vakuum nahezu keine Poren und Spritzer.

Aufgrund der definierten Atmosphäre im Vakuum ist das Schweißen außerdem absolut oxidfrei möglich. So lassen sich störende Einflüsse einerseits beseitigen und andererseits lässt sich auch gezielt Einfluss auf die Schmelze durch Variation der Schutzgaszusammensetzung nehmen. Einen weiteren, wichtigen Mehrwert bietet die deutlich höhere Geschwindigkeit beim LaVa-Schweißen. Wird dabei ein Grobvakuum von ca. 100 mbar verwendet, ist ein schnelles Evakuieren innerhalb von wenigen Sekunden möglich. Mit der Verwendung eines Druckstufensystems lässt sich außerdem ein kontinuierlicher Bauteildurchlauf erreichen, sodass die Bipolarplatten „on the fly“ geschweißt werden können. Das Evakuieren als Nebenzeit entfällt damit komplett.

 

[1] https://www.springerprofessional.de/brennstoffzelle/werkstoffe/warum-ist-die-bipolarplatte-fuer-brennstoffzellen-so-wichtig-/17286820

 

 

* Häusler, A.: LASER BEAM MICROWELDING: RELIABLE AND DYNAMIC JOINING OF METALLIC BIPOLAR PLATES. Laserkolloquium Wasserstoff LKH2, Fraunhofer ILT, 09.09.2020. [Ga2]