Brennstoffzellentechnologie: Laserbearbeitung von Bipolarplatten
Über die verschiedenen Verfahren, die herausforderungen in der Herstellung und die Vorteile der Laserbearbeitung
Dr. Jens Holtkamp | 11. Juli 2024 ᛫ 10 Min.
Bei den erneuerbaren Energien nimmt die Brennstoffzellentechnologie einen wichtigen Stellenwert ein. Eine wesentliche Komponente der Brennstoffzelle ist die Bipolarplatte, die eine zentrale Rolle in der Effizienz und Leistungsfähigkeit spielt. Die dabei eingesetzten Fertigungsverfahren haben einen großen Einfluss auf den Preis und damit auch die Möglichkeiten des Einsatzes in verschiedenen Anwendungsgebieten. In diesem Artikel werden Unterschiede und Einsatzmöglichkeiten von Laserverfahren im Bereich Brennstoffzellentechnologie beschrieben.
Was sind Bipolarplatten?
Als wesentlicher Bestandteil einer Brennstoffzelle erfüllt sie zwei Hauptfunktionen: Sie leitet Elektronen zwischen den Anoden und Kathoden und verteilt Gase gleichmäßig über die Oberfläche der Zelle. Das Material der Bipolarplatte hat dabei entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften und Herstellverfahren. Zum Einsatz kommen sowohl metallische als auch graphitbasierte Bipolarplatten. Beide Materialien haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, die sie für verschiedene Anwendungen geeignet machen.
Die Wahl zwischen metallischen und graphitbasierten Bipolarplatten hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der spezifischen Anforderungen der Brennstoffzellenanwendung, Kostenüberlegungen und den physikalischen Eigenschaften, die für die jeweilige Anwendung erforderlich sind. Während metallische Platten Vorteile in Bezug auf Leitfähigkeit, mechanische Stärke und Potenzial für Kosteneffizienz bieten, zeichnen sich graphitbasierte Platten durch ihre chemische Beständigkeit und thermische Stabilität aus.
Metallische Bipolarplatten
Materialien:
Häufig verwendete Metalle sind Edelstahl und Aluminium, die oft mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung versehen sind.
Vorteile:
- Höhere Leitfähigkeit: Metalle haben im Allgemeinen eine höhere thermische und elektrische Leitfähigkeit als Graphit, was zu einer effizienteren Stromübertragung führen kann.
- Mechanische Stärke: Metallische Platten sind robuster und widerstandsfähiger gegen mechanische Beanspruchung, was sie langlebiger macht.
- Geringere Dicke: Metallplatten können dünner hergestellt werden, was zu einem kompakteren Brennstoffzellenstapel führt und den gesamten Systemraum reduziert.
- Kosteneffizienz bei Massenproduktion: Die Herstellungskosten für metallische Bipolarplatten können bei großen Stückzahlen geringer sein, insbesondere durch Rollen-Bonding und Stanzverfahren.
Nachteile:
- Korrosionsanfälligkeit: Metalle sind anfälliger für Korrosion in der aggressiven chemischen Umgebung einer Brennstoffzelle, was die Lebensdauer beeinträchtigen kann, sofern sie nicht angemessen beschichtet oder behandelt werden.
- Herstellungskomplexität: Die Notwendigkeit von Korrosionsschutzbeschichtungen kann den Herstellungsprozess komplizierter und teurer machen.
Graphitbasierte Bipolarplatten
Materialien:
Diese Platten bestehen aus Graphit, einer Form von Kohlenstoff, der oft mit Kunstharzen gebunden ist, um die mechanische Stärke zu verbessern.
Vorteile:
- Chemische Beständigkeit: Graphit ist natürlich korrosionsbeständig gegenüber den chemischen Substanzen in Brennstoffzellen, was die Langlebigkeit erhöht.
- Hohe thermische Stabilität: Graphit hält hohen Temperaturen stand, was für die Wärmemanagement-Anforderungen der Brennstoffzellen wichtig ist.
Nachteile:
- Größere Dicke: Graphitplatten sind typischerweise dicker als metallische, was zu größeren Brennstoffzellenstapeln führt.
- Geringere mechanische Festigkeit: Graphit ist spröder und weniger mechanisch belastbar als Metall, was die Handhabung und Langlebigkeit beeinträchtigen kann.
- Höhere Kosten bei geringen Stückzahlen: Die Herstellungskosten von graphitbasierten Platten können höher sein, insbesondere bei kleineren Produktionsmengen.
Welche Vorteile bringt die Lasermaterialbearbeitung im Allgemeinen mit sich?
Die HErausforderung der Herstellung
Die Herstellung von Bipolarplatten stellt aufgrund ihrer komplexen Strukturen und hohen Anforderungen an Präzision und Materialbeschaffenheit eine besondere Herausforderung dar. Jede Unregelmäßigkeit kann die Leistung der Brennstoffzelle erheblich beeinträchtigen.
Die Bearbeitung mit Laserstrahlung ist hochpräzise und effizient weshalb sie grundsätzlich sehr gut für die Herstellung von Bipolarplatten geeignet ist. Sie ist dabei mehr als nur eine innovative Fertigungstechnik; sie ist ein Sprungbrett zur Beschleunigung der Adoption von Brennstoffzellentechnologien. Durch die Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Reduzierung der Kosten von Brennstoffzellen kann die Technologie künftig wirtschaftlicher hergestellt und damit für ein breiteres Anwendungsfeld eingesetzt werden.
Dabei können verschiedene Laserverfahren eingesetzt werden:
LaserSchneiden
- Anwendung: Das Laserschneiden wird verwendet, um Bipolarplatten aus Metall- oder Graphitfolien zuzuschneiden. Es ermöglicht präzise Schnitte und die Realisierung komplexer Konturen mit engen Toleranzen, ohne das Material mechanisch zu belasten.
- Vorteile: Hohe Präzision und Flexibilität bei der Formgebung, minimale thermische Beeinflussung des Materials und geringer Materialverlust.
LaserAbtragen
- Anwendung: Dieses Verfahren wird eingesetzt, um Kanäle und Strukturen auf der Oberfläche der Bipolarplatten zu erzeugen, die für die Gasverteilung und den Feuchtigkeitstransport innerhalb der Brennstoffzelle notwendig sind.
- Vorteile: Möglichkeit zur Erzeugung sehr kleiner und präziser Mikrostrukturen, die mit herkömmlichen mechanischen Ansätzen schwer zu erreichen sind.
LaserSchweißen
- Anwendung: Laserschweißen kann eingesetzt werden, um einzelne Segmente von metallischen Bipolarplatten oder die Platten selbst mit anderen Komponenten der Brennstoffzelle zu verbinden.
- Vorteile: geringer thermischer Verzug, gute Automatisierbarkeit des Fertigungsprozesses.
Laser-Oberflächenmodifikation
- Anwendung: Oberflächen von metallischen Bipolarplatten können derart modifiziert werden, dass sich ihre Korrosionsbeständigkeit und die hydrophoben Eigenschaften verbessern.
- Vorteile: Erhöhung der Lebensdauer und Leistung der Brennstoffzelle durch verbesserte Oberflächeneigenschaften. Möglichkeit zur gezielten Modifikation ohne Beeinträchtigung der Grundmaterialien.
Weitere Informationen zu den Laserverfahren von Pulsar Photonics erhalten Sie hier.
Forschungsprojket AluBiPem
Zentrale Zielstellung des Projektes AluBiPEM ist der Einsatz von Aluminium als Substratwerkstoff für die Schlüsselkomponente Bipolarplatte. Der Einsatz von Aluminium ermöglicht es, Treibhausgasemissionen stark zu reduzieren. Weiterhin besitzt Aluminium materialintrinsische Vorteile in Bezug auf Dichte, Wärme- und elektrische Leitleitfähigkeit, die zu einer Verbesserung der Produktperformance führen. Daneben stellt das vorliegende Forschungsvorhaben die Industrialisierung und eine Reduktion der Produktionskosten in Aussicht. Diese wird durch die zentralen Verfahren Kalanderprägen, Beschichten, Laserstrukturieren und Galvanisieren realisiert. Alle vier Fertigungstechnologien weisen bereits einen hohen technologischen Reifegrad auf und bieten die Möglichkeit, neben einer batch-basierten Sheet-to-Sheet Fertigung für mittlere Stückzahlen Skaleneffekte für die industrielle Massenfertigung durch einen kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozess zu erzielen.
Weitere Verbundpartner sind neben Pulsar Photonics das fem Forschungsinstitut, das ZSW, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, SB Brutschin GmbH, Eloxal Höfler GmbH, Unicorn Engineering GmbH und Gramm Technik GmbH.
Das Verbundprojekt wird im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Förderrichtlinie wird durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.
Hier erhalten sie tiefergehende Informationen zu dem Forschungsprojekt AluNiPEM
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Mehr über den Autor:
Dr. Jens Holtkamp
Dr. Jens Holtkamp ist einer der drei Gründer und Geschäftsführer von Pulsar Photonics.
Nach dem Studium an der RWTH Aachen arbeitete er 10 Jahre am Fraunhofer ILT und leitete dort den Bereich der UKP-Lasermaterialbearbeitung. In 2013 gründete er zusammen mit Dr. Stephan Eifel und Dr. Joachim Ryll die Pulsar Photonics GmbH.