27. März 2024 | Dem Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) ist ein Durchbruch bei Schweißverfahren für Elektrolyseurkomponenten gelungen: Sie nutzen mit Hilfe einer Elektronenstrahlanlage das Elektronenstrahlschweißen. Es erhöht den Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs und reduziert die Bearbeitungszeit und Fertigungskosten.
Einem Team des Fraunhofer IWU ist der Bau einer Elektronenstrahlanlage gelungen. Diese ermöglicht ein neues Schweißverfahren: Elektronenstrahlschweißen. Beim Elektronenstrahlschweißen werden Elektronen als Schweißmedium verwendet. Dabei steuern mehrere elektromagnetische Linsen die negativ geladenen Teilchen, welche mit bis zu zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit auftreffen und die beiden Werkstücke miteinander verschmelzen.
Elektrolyseure benötigen eine große Anzahl von Bipolarplatten (BPP), die die Wandlungskomponente CCM (Catalyst Coated Membrane) umschließen. Je hochwertiger die Schweißverbindung der Bipolarplatten, desto höher fällt der Wirkungsgrad des Systems aus.
Derzeit setzen die meisten Bipolarplatten-Hersteller auf das Laserstrahlscannerschweißen, bei dem gebündeltes Licht (Laser) zum Einsatz kommen. Ein Spiegel lenkt den Laserstrahl und führt ihn entlang der gewünschten Fügestellen. Die Mechanik zur (Ab-)Lenkung des Laserstrahls und der Spiegel begrenzt aufgrund seiner Massenträgheit jedoch die Schweißgeschwindigkeit. Für eine Bipolarplatte von der Größe eines DIN A4-Blattes sind Schweißnähte mit einer Gesamtlänge von mehr als 1 m auszuführen, sodass die Schweißgeschwindigkeit maßgeblich für die Fertigungszeit ist.
Abteilungsleiter Dr. Frank Riedel und Frank Schüßler, Steigerwald Strahltechnik GmbH, begutachten eine Bipolarplatte bei der Inbetriebnahme der ersten Elektronenstrahlanlage am Fraunhofer IWU. Sitzend: Sebastian Mülle (© Fraunhofer IWU)
Geringere Bearbeitungszeit
Das neue Verfahren kommt ohne träge Lenkungsmechanik aus, sodass der Elektronenstrahl verzögerungsfrei geführt werden kann und die Bearbeitungszeit dadurch deutlich sinkt. Auch die Flexibilität steigt: Dank der Möglichkeit zur schnellen Ablenkung des Strahls lassen sich mehrere Prozesszonen gleichzeitig bearbeiten, wo bislang eine Fügestelle nach der anderen abgearbeitet werden musste. Selbst Vor- und Nachwärmprozesse können nahezu gleichzeitig erfolgen.
Das Forscherteam am Fraunhofer IWU um Dr. Frank Riedel experimentiert mit einer parallelen Bearbeitung von fünf Zonen (Schmelzbädern). Riedel ist sich sicher: „Bei der Mehrbadtechnik geht noch viel mehr.“
Höhere Qualität dank Vakuum
Aus qualitativer Sicht spricht außerdem für diese Technik, dass sie unter Vakuumbedingungen zum Einsatz kommt. Diese garantieren konstante Bedingungen ohne störende Schwankungen von Luftdruck oder Luftfeuchtigkeit.
Die besondere Herausforderung beim Fügen von Bipolarplatten ist, dass auch nur ein einziger Hohlraum, ein Loch oder jede andere Unregelmäßigkeit in der Schweißnaht zur Undichtigkeit des gesamten Bauteils führen würde. Es wäre dann nicht mehr verwendbar. Projektleiter Patrick Urbanek: „Mit der Vakuumtechnik können wir äußere Einflussfaktoren ausschließen und die aus heutiger Sicht höchstmögliche Schweißnahtqualität erzielen.“
Die sogenannte 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. Am Bau und der Entwicklung der Elektronenstrahlanlage ist außerdem die Firma Steigerwald beteiligt.
Im aktuellen Kalenderjahr legt das Forscherteam den Schwerpunkt auf die weitere Entwicklung der Technologie. Die Reife für die Kleinserienfertigung soll ab 2025 erreicht werden. Die neue Anlage ist integraler Bestandteil der Referenzfabrik.H2, welche die Grundlagen für die industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen schaffen will.
