Durchbruch Wasserstoff-Systeme: Elektronenstrahl ermöglicht schnelleres und kostengünstigeres Schweißen von Bipolarplatten

© Fraunhofer IWU

Chemnitz – Mit Hilfe von Elektrolyseuren kann unter Einsatz von Strom Wasserstoff erzeugt werden. Allerdings benötigen schon kleine Elektrolyseure eine Vielzahl an Bipolarplatten (BPP), bei dem Herstellungsverfahren werden die Bipolar-Halbplatten durch Fügen zu einer fertigen Bipolarplatte verschweißt. In Zukunft soll dieser Prozess deutlich schneller ablaufen können.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU haben ein Verfahren für hochwertige Schweißverbindungen bei geringerer Bearbeitungszeit entwickelt. Zum Einsatz kommt das Elektronenschweißen, das wesentliche Vorteile gegenüber dem Laserschweißen hat.

Standard: Laserstrahlscannerschweißen ist zuverlässig, aber langsam
Zum Fügen der wenige zehntel Millimeter dünnen metallischen Bipolarplatten setzen die meisten Hersteller derzeit auf das Laserstrahlscannerschweißen. Hier kommt gebündeltes Licht zum Einsatz. Ein Spiegel lenkt den Laserstrahl und führt ihn entlang der gewünschten Fügestellen.

Dieses Verfahren funktioniert laut dem IWU zuverlässig; die Mechanik zur (Ab-) Lenkung des Laserstrahls, insbesondere der Spiegel, begrenzt aufgrund seiner Massenträgheit jedoch die Schweißgeschwindigkeit. Für eine Bipolarplatte von der Größe eines DIN A4-Blatts sind jedoch Schweißnähte mit einer Gesamtlänge von mehr als einem Meter auszuführen, sodass die Schweißgeschwindigkeit maßgeblich für die Fertigungszeit und damit die entstehenden Kosten ist.

Elektronenstrahlschweißen deutlich schneller und flexibler – ohne träge Lenkungsmechanik
Beim Elektronenstrahlschweißen sind Elektronen das Medium – mehrere elektromagnetische Linsen steuern die negativ geladenen Teilchen, welche mit bis zu zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit auftreffen und die beiden Werkstücke miteinander verschmelzen. Dieses Verfahren kommt ohne träge Lenkungsmechanik aus, sodass der Elektronenstrahl verzögerungsfrei geführt werden kann.

Auch die Flexibilität steigt laut IWU: Dank der Möglichkeit zur schnellen Ablenkung des Strahls lassen sich mehrere Prozesszonen gleichzeitig bearbeiten, wo bislang eine Fügestelle nach der anderen „abgearbeitet“ werden muss. Selbst Vor- und Nachwärmprozesse können nahezu gleichzeitig erfolgen.

Das IWU-Forscherteam um Dr. Frank Riedel experimentiert mit einer parallelen Bearbeitung von fünf Zonen (Schmelzbädern). Riedel ist sich sicher: „Bei der Mehrbadtechnik geht noch viel mehr.“

Aus qualitativer Sicht spricht außerdem für diese Technik, dass sie unter Vakuumbedingungen zum Einsatz kommt. Diese garantieren konstante Bedingungen ohne äußere störende Schwankungen von Luftdruck oder Luftfeuchtigkeit. Das ist besonders wichtig, denn ein einziger Hohlraum, Loch oder jede andere Unregelmäßigkeit in der Schweißnaht führt zur Undichtigkeit des gesamten Bauteils. Projektleiter Patrick Urbanek: „Mit der Vakuumtechnik können wir äußere Einflussfaktoren ausschließen und die aus heutiger Sicht höchstmögliche Schweißnahtqualität erzielen.“

Erste Elektronenstrahlanlage – Kleinserie ab 2025 geplant
Die Elektronenstrahlanlage, mit der das Team um Urbanek nun im Rahmen des vom Bundesministerium für Forschung und Bildung lancierten Ideenwettbewerbs „Wasserstoffrepublik Deutschland“ forscht, ist die erste Maschine dieser Art. Die Firma Steigerwald entwickelte die Funktionsumfänge der Anlage nach genauer Maßgabe des Fraunhofer IWU.

Im laufenden Jahr 2024 legt das Chemnitzer Forscherteam den Schwerpunkt auf die weitere Entwicklung der Technologie, deren Reife für die Kleinserienfertigung ab 2025 erreicht sein dürfte. Die neue Anlage ist zudem integraler Bestandteil der Referenzfabrik.H2, mit der die Grundlagen für die industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen erreicht werden sollen.

Die Referenzfabrik.H2 basiert auf den Forschungs- und Entwicklungsprojekten des Fraunhofer IWU und weiterer Fraunhofer-Institute.