Neue Ansätze für die kosteneffiziente und beschleunigte Produktion von Brennstoffzellen

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Auf der internationalen Messe und Konferenz Hy-fcell, die am 8. und 9.
Oktober 2024 in Stuttgart stattfindet, zeigt das Fraunhofer-Institut für
Lasertechnik ILT den Expertinnen und Experten der Wasserstoff-Branche, wie
fortschrittliche Lasertechnologien dazu beitragen, den Weg für den
Durchbruch der Wasserstofftechnologie zu ebnen. Auf dem Stand 4E51 in
Halle 4 zeigt das Aachener Institut, welche Innovationen die steigende
Nachfrage nach Wasserstofftechnologie bedienen können und wie
Lasertechnologie die Effizienz erhöht, die Kosten senkt und die
Nachhaltigkeit der Brennstoffzellenproduktion verbessert.

Der Wasserstofftechnologie als Schlüssel für die Energiewende fehlt noch
ein entscheidender Schritt: ihre breite Anwendung. Vor allem die hohen
Kosten durch teure Materialien und aufwändige Fertigungsverfahren von
Brennstoffzellen und Elektrolyseuren bremsen den ersehnten Durchbruch.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT nimmt sich den
Herausforderungen an und arbeitet intensiv daran, kosteneffiziente und
skalierbare Lösungen zu entwickeln. Auf der Hy-fcell 2024 in Stuttgart
präsentiert das Aachener Institut in Halle 4, Stand 4E51 zukunftsweisende
Innovationen, die dazu beitragen, Produktionsverfahren erheblich
wirtschaftlicher und gleichzeitig nachhaltiger zu gestalten.

Laserbasierte Trocknung von Elektroden: Energieeffizienz, Geschwindigkeit
und Platzersparnis in der Brennstoffzellenproduktion

Mit der wachsenden Nachfrage nach Brennstoffzellen wird es immer
wichtiger, die Produktionsprozesse effizienter zu gestalten. Die Trocknung
der nass applizierten Elektrodenschichten für die Membran-Elektroden-
Einheit (MEA) in der Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle
bleibt dabei eine zentrale Herausforderung. Konventionell wird dieser
Prozess in großen Konvektionsöfen durchgeführt, die viel Energie
verbrauchen und beträchtlichen Platz in der Produktionshalle beanspruchen.

Das Fraunhofer ILT hat eine lasergestützte Trocknungstechnologie
entwickelt, die diese Probleme adressiert. Der Einsatz von Lasern, die die
Elektroden definiert belichten, verkürzt die Trocknungszeit von mehreren
Minuten auf wenige Sekunden. Diese drastische Reduktion der Trocknungszeit
ermöglicht eine deutliche Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit,
insbesondere im Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Darüber hinaus reduziert das
laserbasierte Verfahren den Energiebedarf im Vergleich zu herkömmlichen
gasbetriebenen Durchlauföfen. Zusätzlich benötigt das Lasersystem
wesentlich weniger Platz, was eine kompaktere und flexiblere
Produktionslinie ermöglicht.

»Die Entwicklung eines laserbasierten Rolle-zu-Rolle-Verfahrens für die
Produktion von Membran-Elektroden-Einheiten ist ein wichtiger Schritt, um
die Herstellungsprozesse von Brennstoffzellen effizienter zu gestalten.
Mit unserer lasergestützten Trocknungstechnologie setzen wir einen neuen
Standard, der nicht nur die Produktionsgeschwindigkeit erhöht, sondern
auch die Energieeffizienz und die Platznutzung optimiert«, erklärt
Manuella Guirgues von der Forschungsgruppe Dünnschichtverfahren am
Fraunhofer ILT.

Korrosionsschutzschichten für Bipolarplatten: Effizienzsteigerung und
Kostensenkung in der Brennstoffzellenfertigung

Insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen, stellen die aggressiven chemischen
Bedingungen innerhalb der Brennstoffzelle die Produktion vor neue
Herausforderungen. Der Schutz der metallischen Bipolarplatten (BPP) vor
Korrosion ist nicht nur essenziell für die Lebensdauer der Zelle, sondern
auch für die Effizienz des gesamten Brennstoffzellen Stacks.

Die Beschichtung der BPP mittels chemischer oder physikalischer
Gasphasenabscheidung in Vakuumanlagen verursacht hohe Kosten und
verlangsamt die Produktion. Das Fraunhofer ILT arbeitet an einem
Verfahren, das eine Sprüh-Beschichtung mit einer Laserstrahlbearbeitung
kombiniert, um eine elektrisch leitfähige und korrosionsbeständige
Veredelung der metallischen Bipolarplatten zu erhalten – und das ohne
energieintensives Vakuumverfahren.

Dieser Ansatz ermöglicht nicht nur eine erhebliche Senkung der
Produktionskosten durch den Einsatz kostengünstiger Materialien, sondern
auch eine bessere Integration in kontinuierliche Fertigungsprozesse. Die
hohe Skalierbarkeit des Verfahrens trägt dazu bei, den wachsenden Markt
für PEM-Brennstoffzellen effizient zu bedienen.
Julius Funke von der Forschungsgruppe Hochtemperatur Funktionalisierung
betont: »Unsere laserbasierte Methode zur Herstellung von
Korrosionsschutzschichten bietet eine effiziente und kostengünstige
Alternative zu traditionellen Vakuumverfahren. Sie ermöglicht eine
schnellere Produktion und eine verbesserte Skalierbarkeit, was
entscheidend ist, um der steigenden Nachfrage nach PEM-Brennstoffzellen
gerecht zu werden.«

Optimierung der Brennstoffzellenproduktion durch Doppelstrahlschweißen und
Reparatur von Umformwerkzeugen

Ein anderer Ansatz, den Produktionsprozess an anderer Stelle zu
beschleunigen bietet das Doppelstrahlschweißen. Dieses Verfahren nutzt
zwei Laserstrahlen simultan, um die metallischen Bipolarplatten zu
verschweißen, was die Taktzeit um fast 50 Prozent reduziert, ohne die
Nahtqualität zu beeinträchtigen. Durch das Schweißen mit zwei Strahlen an
einer Stelle kann die Schmelzbaddynamik gezielt beeinflusst werden,
wodurch größere Schweißgeschwindigkeiten erreicht und typische Fehler wie
Humping vermieden werden. Dies ermöglicht eine schnellere und effizientere
Produktion, die den steigenden Anforderungen der Wasserstofftechnologie
gerecht wird.

Ein weiterer Aspekt in der Herstellung von metallischen BPP sind die
Standzeiten der verwendeten Werkzeugstähle. Die Werkzeuge sind aufgrund
ihrer hohen mechanischen Belastungen anfällig für Verschleiß. Ansatz ist,
kostenintensive Werkzeugstähle durch Baustähle zu ersetzen und diese mit
dem sogenannten Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA)
mit hochwertigen Verschleißschutzschichten zu versehen. Die beschichteten
Werkstücke zeigen, gegenüber konventionellen Werkzeugstählen, eine um über
einen Faktor 10 erhöhte Gleitreibverschleißfestigkeit. Das EHLA-Verfahren
erlaubt darüber hinaus, geschädigte Bereiche der Werkzeuge zu reparieren,
was eine Anpassung und Wiederverwendung der Werkzeuge ermöglicht. Durch
diese Technik wird die Lebensdauer der Werkzeuge signifikant verlängert,
was wiederum die Produktionskosten senkt und die Nachhaltigkeit in der
Fertigung steigert.

Das Fraunhofer ILT entwickelt einige Verfahren, um die Prozesskette zur
Herstellung von Brennstoffzellkomponenten effizienter zu gestalten. Dazu
gehört das Hochgeschwindigkeitsschneiden, mit dem die BPP präzise besäumt
und Medienzufuhrlöcher direkt geschnitten werden. Ein innovativer Ansatz
ist das laserbasierte Einbringen von Mikrostrukturen in die metallischen
BPP, die den elektrischen Kontaktwiderstand senken und das Wasser während
des Betriebs der Brennstoffzelle aus der Kontaktzone verdrängen. Auch das
Strukturieren und Schweißen von Compound-BPP und MEAs untersuchen die
Aachener intensiv, um die Fertigung von Brennstoffzellen weiter zu
automatisieren und produktiver zu gestalten.

Besuchen Sie uns auf der Hy-fcell 2024 am 8. und 9. Oktober in Stuttgart.
Sie finden uns in Halle 4, Stand 4E51. Lassen Sie sich von unseren
neuesten Entwicklungen inspirieren und diskutieren Sie mit unseren
Expertinnen und Experten über die Zukunft der Brennstoffzellenproduktion.