Näher an der Wasserstoffrepublik Elektronenstrahl schweißt Bipolarplatten schneller und besser als Laser

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Je hochwertiger die Schweißverbindungen bei Bipolarplatten für Elektrolyseure sind, desto höher ist der Wirkungsgrad bei der Wasserstoffgewinnung. Das klappt jetzt noch besser ...

Elektrolyseure erzeugen mit Strom Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser. Bereits relativ kleine Elektrolyseure benötigen aber viele sogenannte Bipolarplatten (BPP), die die Wandlungskomponente CCM (Catalyst Coated Membrane) umschließen. Je hochwertiger die Schweißverbindung der Bipolarplatten, desto höher fällt der Wirkungsgrad des Systems aus. Und je schneller geschweißt werden kann, umso weniger kostet ein Elektrolyseur. Mit dem Elektronstrahlschweißen setzten Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) nun neue Maßstäbe, denn der Elektronenstrahl soll besser arbeiten als der Laser. Schauen wir, warum das so ist:

Laserstrahlschweißen von Bipolarplatten ist zu langsam

Zum Fügen der nur wenige Zehntel Millimeter dünnen metallischen Bipolarplatten setzen die meisten Hersteller derzeit auf das Laserstrahl-Scannerschweißen. Dabei wird gebündeltes Licht genutzt. Ein Spiegel lenkt den Laserstrahl und führt ihn entlang der gewünschten Fügestellen. Dieses Verfahren funktioniert zwar zuverlässig, doch die Mechanik zu gezielten Reflektion des Laserstrahls – insbesondere für die Spiegelauslenkung – begrenzt aufgrund seiner Massenträgheit die Schweißgeschwindigkeit, wie die IWU-Wissenschaftler erklären. Für eine Bipolarplatte von der Größe eines DIN-A4-Blatts seien nicht zuletzt Schweißnähte mit einer Gesamtlänge von über einem Meter auszuführen, sodass die Schweißgeschwindigkeit über die Produktivität bestimmt. Beim Elektronenstrahlschweißen sei das nicht so:

Vorteile des Elektronenstrahlschweißens für die Wasserstoffzukunft

Beim Elektronenstrahlschweißen sind Elektronen das Energie führende Medium. Mehrere elektromagnetische Linsen steuern dabei die negativ geladenen Teilchen, die mit bis zu zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit auf die zu schweißende Oberfläche auftreffen und so die beiden Werkstücke miteinander verschmelzen. Dazu braucht es keine massenträgen Systeme, sodass der Elektronenstrahl verzögerungsfrei und damit sehr flott geführt werden kann, wie es weiter heißt. Auch die Flexibilität steige, denn wegen der Möglichkeit zur schnellen Ablenkung des Elektronenstrahls ließen sich gleich mehrere Prozesszonen gleichzeitig bearbeiten, wo mit dem Laser aber bisher eine Fügestelle nach der anderen abgearbeitet werden musste. Selbst Vor- und Nachwärmprozesse könnten nahezu gleichzeitig erfolgen. Das Forscherteam am Fraunhofer IWU experimentiert dazu mit einer parallelen Bearbeitung von fünf Zonen (Schmelzbädern), denn deren Potenzial sei noch nicht ausgeschöpft. Aus qualitativer Sicht spricht außerdem für diese Technik, dass sie unter Vakuumbedingungen zum Einsatz kommt. Das garantiert konstante Bedingungen ohne störende Schwankungen von Luftdruck oder Luftfeuchtigkeit, wie man erfährt. Die besondere Herausforderung beim Fügen von Bipolarplatten ist nämlich, dass auch nur ein einziger Hohlraum, Loch oder jede andere Unregelmäßigkeit in der Schweißnaht das Bauteil ruinieren würde. Unter Vakuum sei die Gefahr sehr gering.

Steigerwald entwickelt einzigartige Elektronenstrahlanlage

Die sogenannte Elektronenstrahlanlage, mit der das betreffende IWU-Team nun im Rahmen des vom Bundesministeriums für Forschung und Bildung lancierten Ideenwettbewerbs „Wasserstoffrepublik Deutschland“ forscht, sei die erste Maschine dieser Art. Das Unternehmen Steigerwald Strahltechnik entwickelte die Funktionsumfänge nach genauer Maßgabe des IWU.

Dabei sei es erstmals gelungen, eine viele Funktionen und Möglichkeiten zur Prozessüberwachung sowie ein flexibles, für Forschungsaufgaben ausgelegtes Design in einer kompakten Maschine zu vereinen. Im aktuellen Kalenderjahr legen Chemnitzer, wie es weiter heißt, nun den Schwerpunkt auf die weitere Entwicklung der Elektronenschweißtechnik, deren Reife für die Kleinserienfertigung ab 2025 erreicht sein dürfte. Die neue Anlage ist integraler Bestandteil der „Referenzfabrik.H2“, welche die Grundlagen für die industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen schaffen soll.

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