Perspektiven und Herausforderungen von Wasserstoff-Brennstoffzellen
Coherent den ARM FL-Lasern Coherent lassen sich die Schlüsselkomponenten von PEM-Brennstoffzellen – die Bipolarplatten – kostengünstig schweißen.
16. September 2022, Autor:Coherent
Stellen Sie sich vor, wie es wäre, wenn ein kraftstoffsparender Automotor ausschließlich reines Wasser als Abgas produzieren würde. Wasserstoff-Brennstoffzellen können dazu beitragen, diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen. Diese Technologie ist bereits verfügbar. Allerdings sind wir noch nicht bereit, Wasserstoff-Brennstoffzellen in großem Maßstab als Antrieb für Autos einzusetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen noch zahlreiche Technologien und Infrastrukturen entwickelt werden, damit sie im Vergleich zu anderen Technologien praxistauglich und kostengünstig sind.Coherent Faserlaserverfahren, um dieses Ziel zu erreichen.
Hervorragende Batterietechnologie
Technisch gesehen wird die Wasserstoff-Brennstoffzelle als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) oder Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle bezeichnet. Sie besteht aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten (eine leitfähige Flüssigkeit) voneinander getrennt sind. Wasserstoff wird an der Kathode zugeführt, Luft (die Sauerstoff enthält) an der Anode.
Eine einzelne Brennstoffzelle (auch als Membran-Elektroden-Einheit oder MEA bezeichnet) erzeugt eine Spannung von weniger als 1 V. Das ist für die meisten Anwendungen zu wenig. Um eine nutzbare Leistung zu erzielen, werden Hunderte von MEAs in einer einzigen Brennstoffzelle elektrisch miteinander verbunden. Die MEAs werden im Inneren des Zellgehäuses physisch übereinander gestapelt.
Zunächst einmal ist jede MEA zwischen zwei „Bipolarplatten“ eingeschlossen. Dabei handelt es sich um gestanzte Folienbauteile mit einer Dicke von in der Regel 50 bis 100 Mikrometern, die meist aus Edelstahl oder Titan gefertigt sind. Die Bipolarplatten ermöglichen die elektrische Verbindung der einzelnen MEAs, verleihen der Baugruppe eine gewisse mechanische Festigkeit und Steifigkeit und enthalten zudem eine Reihe von Kanälen, durch die Gas und Kühlflüssigkeit strömen können.
Die Bipolarplatten werden durch Schweißen miteinander verbunden. Dies erfordert eine sehr hohe Schweißqualität, die einer Wasserstoff-Dichtheitsprüfung standhalten muss. Zudem weisen die Bipolarplatten eine komplexe Form mit zahlreichen Aussparungen auf, was zu langen Schweißnähten mit vielen Kurven führt.
Herkömmliche Faserlaser erzielen keine optimale Schweißdichtung
Da in jeder Brennstoffzelle eine große Anzahl von Bipolarplatten zum Einsatz kommt, muss der Versiegelungsprozess sehr schnell ablaufen. Andernfalls könnte es zu Produktionsengpässen kommen. Derzeit wird geschätzt, dass für die wirtschaftliche Herstellung von PEMFCs für Automobilanwendungen eine Schweißgeschwindigkeit von über 1 Meter pro Sekunde beim MEA-Versiegelungsprozess erforderlich ist.
Faserlaser, die die Energie über einen Scanner-Tuner übertragen, können mit dieser Geschwindigkeit schweißen – oder sogar noch schneller. Zudem lassen sich mit diesen Lasern Schweißnähte in beliebig komplexen Formen erzeugen. Allerdings ist die Schweißqualität bei diesen Vorschubgeschwindigkeiten nicht besonders gut.
Insbesondere bei herkömmlichen Faserlasern kommt es beim Hochgeschwindigkeitsschweißen von Bipolarplatten häufig zur Bildung von „Buckeln“. Diese „Buckel“ sind kleine Erhebungen in der Schweißnaht, die entstehen, wenn sich die turbulenten Bereiche im Schmelzbad wieder verfestigen. Diese Turbulenzen werden direkt durch die sehr schnelle Bewegung des Strahls verursacht.
„Höcker“ stellen ein Problem dar, weil sie Erhebungen verursachen. Dies behindert die dichte Stapelung der MEA während des Montageprozesses.
ARM FL hat das „Hump“-Problem gelöst
Tests Coherent haben gezeigt, dass ein richtig konfigurierter, einstellbarer Ringmodulations-Faserlaser (ARM) das „Hump“-Problem lösen kann. Konkret bedeutet dies,istCoherent HighLight FL4000CSM-ARM(ein 4-kW-Laser mit singlemodigem Zentralstrahl) in der Lage, Edelstahl-Doppelplatten mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1,2 m/s zu schweißen, ohne dass dabei ein „Hump“ entsteht. Dies ist eine Geschwindigkeitssteigerung von 50 % gegenüber früheren Anwendungen mit Faserlasern. Bei diesen Tests wurde der Laserstrahl über den ferngesteuerten 2D-LaserschweißkopfCoherent bereitgestellt.
ARM-Faserlaser vermeiden das „Hump“-Problem, indem sie die Turbulenzen um das sich schnell bewegende Schweißbad herum beseitigen. Dies wird durch den Einsatz einer einstellbaren Ringmodulationsarchitektur erreicht.
Konkret bedeutet dies, dass die Leistung des zentralen Strahls so hoch eingestellt wird, dass bei der Zielgeschwindigkeit ein Vollschmelz-Punktschweißen erzielt wird. Der Ringstrahl hingegen führt nur gerade so viel Energie zu, dass das Material geschmolzen wird und fließen kann, reicht jedoch nicht aus, um ein Schweißloch zu bilden.
Dadurch entsteht ein Bereich um den zentralen Strahl herum, in dem das geschmolzene Material verlangsamt wird und laminar (nicht chaotisch) fließt. Darüber hinaus schweißt der symmetrische, kreisförmige Laserstrahl stets auf dieselbe Weise, unabhängig davon, in welche Richtung der ARM-Laserstrahl verläuft. Daher ändern sich die Schweißeigenschaften nicht, wenn der Strahl Kurven durchläuft oder die Richtung wechselt. Im Vergleich zu anderen Mehrstrahl-Faserlasern ohne symmetrischen Lichtfleck bietet dieser Lasertyp weitere Vorteile.
Natürlich gibt es noch viele weitere Herausforderungen beim Einsatz von Brennstoffzellen. Dazu gehören weitere Probleme bei der Batterieherstellung sowie die Beschaffung von Wasserstoff und Platin (das als Katalysator dient, um Wasserstoffatome in Protonen und Elektronen aufzuteilen). Außerdem müssen wir ein Netz von Wasserstoff-„Tankstellen“ aufbauen, um den Verbrauchern den Zugang zu Brennstoff zu erleichtern.Mit dem ARM FL-Laser und dem umfassenden Prozess-Know-how von Coherent hinsichtlich dessen effektiver Nutzung beim Bipolarplatten-Schweißen haben wir jedoch bereits eine wichtige Hürde in diesem Prozess genommen.
