Dünne Bleche für die Wasserstoffproduktion: Produktionstechnologien für die Serienfertigung

Um komplexe Geometrien und filigrane Flussfeldstrukturen auf Bipolarplatten hochpräzise herzustellen, müssen Werkzeugbauer Umformwerkzeuge in entsprechend genauen Bearbeitungsprozessen herstellen. Die Maßgenauigkeit dieser Werkzeuge liegt im einstelligen Mikrometerbereich und erreicht somit die Grenzen der Fertigungstechnik im Werkzeugbau. Am Fraunhofer IPT verwenden wir hochpräzise Mikrofräsmaschinen, um Formeinsätze und Strukturbauteile für Präzisionsumformwerkzeuge herzustellen.

Um die kostspieligen Werkzeuge möglichst lang einsetzen zu können simulieren und vermessen wir den Werkzeugverschleiß und verbessern dadurch die Werkzeugtechnik für Umformwerkzeuge zur Herstellung von Bipolarplatten. Unser Ziel ist es weiterhin, Zusatzfunktionen in das Werkzeug zu integrieren. Beispiele sind Erwärmungstechnologien zur Verbesserung der Umformqualität oder die Integration einer Inline-Qualitätsüberwachung.

Bipolarplatten im diskreten Prozess handhaben

Für viele Bearbeitungsschritte der Blechbearbeitung zum Beispiel beim Schneiden oder Fügen, ist eine geeignete intelligente Vorrichtungstechnik unerlässlich, um ein optimales Prozessergebnis zu erzielen. Sie gewährleistet eine hohe Prozesssicherheit und Skalierbarkeit der Produktion. Das Fraunhofer IPT entwickelt Vorrichtungen für verschiedene Bearbeitungsschritte in der Dünnblechbearbeitung. Dazu gehören das Spannen, Positionieren und Handling der Bauteile. Um auch anspruchsvolle Bearbeitungsvorgänge mit komplexen Bauteilen und Prozessen umzusetzen, nehmen wir alle Komponenten ganzheitlich in den Blick. Für uns ist die Vorrichtungstechnik ein Teilsystem einer verketteten Produktionslinie, bei der wir Toleranzen und Anforderungen vor- und nachgelagerter Prozessschritte berücksichtigen.

Bipolarplatten im kontinuierlichen Prozess handhaben

Im kontinuierlichen Produktionsprozess fördern wir das zugeführte Bandmaterial mit hoher Präzision, um die jeweiligen Fertigungsschritte in der gewünschten Qualität durchzuführen. Die wichtigsten Regelparameter sind dabei die Bahnspannung, die Geschwindigkeit und die Positionierung der Bahn.

Während wir die Bahnpositionierung in unseren Rolle-zu-Rolle-Anlagen mit marktüblichen Systemen vornehmen, regulieren wir die Bahnspannung und -geschwindigkeit mit einer eigenen Steuerung. Damit konnten wir Bahnspannungen bis zu 3000 N mit hoher Genauigkeit und Konstanz bei einer Bahngeschwindigkeit von 5 m/min erreichen. Die optimalen Bahnparameter sind stark von den einzelnen Fertigungsprozessen abhängig und derzeit Teil der am Fraunhofer IPT laufenden Forschungsarbeiten. 

Mit dem Laser bearbeiten: Bipolarplatten schneiden und schweißen

Mit dem Laser schneiden und schweißen wir Bipolarplatten aus Dünnblech. Die Prozessführung mit dem Laser beherrschen wir sowohl in diskreten als auch in kontinuierlichen Produktionsprozessen. Während sich bei der diskreten Fertigung einzelne Bleche nacheinander spannen und bearbeiten lassen, läuft bei der kontinuierlichen Blechbearbeitung eine Metallfolie über Rollen. So können die Bipolarplatten direkt hintereinander geschnitten und geschweißt werden. Beide Produktionsverfahren sind skalierbar und für die Serienfertigung geeignet.

Von Titan über Edelstahl bis hin zu Aluminium und Nickel –bis zu 0,02 mm dünne Materialien können wir handhaben und mit dem Laser bearbeiten. Präzise Schnitte und Schweißnähte lassen sich mit einem Laserspotdurchmesser von wenigen Mikrometern erzeugen.

Das Werkzeugdesign simulativ testen und den Verschleiß vorhersagen

In der industriellen Serienfertigung ist Werkzeugverschleiß ein wichtiger Kostenfaktor. Wir haben deshalb einen Prüfstand entwickelt, mit dem wir den Umformprozess messen und anhand dieser Daten den Werkzeugverschleiß vorhersagen können. In den Simulationen wird der Anpressdruck und der Gleitweg im Kontaktbereich berechnet. Auf diese Weise können wir einen Einblick in das Verschleißverhalten während der Blechumformung gewinnen und den Werkzeugverschleiß detailliert vorhersagen. Auf dieser Grundlage lässt sich die Prozesssicherheit erhöhen und eine kosteneffiziente Serienproduktion sicherstellen.

Durch ein modulares Werkzeugdesign und variable Prozessgeschwindigkeiten können wir verschiedene industrielle Prozesse und Randbedingungen abbilden.

Bipolarplatten reinigen

Für eine einwandfreie Funktion und Qualität von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen müssen die metallischen Bipolarplatten gereinigt werden. Am Fraunhofer IPT setzen wir auf die Ultraschallreinigung, mit der sich Partikel und Filme schonend und wirkungsvoll entfernen lassen. Dabei berücksichtigen wir die Eigenschaften der Bipolarplatten und passen die Temperatur, die Reinigungszeit und die Zusammensetzung des Mediums an.

Ziel ist eine reproduzierbare Oberflächenqualität, ohne die empfindlichen Strukturen der Bipolarplatten zu beschädigen. Nach der Reinigung trocknen wir die Bipolarplatten mit Heißluft korrosionsfrei und ohne Rückstände. Von uns entwickelte Verpackungen sorgen dafür, dass sich die Werkstücke kontaminationsfrei zwischenlagern und weiterverarbeiten lassen. Mit Messungen des Wasser-Kontaktwinkels (Water Contact Angle – WCA) oder mithilfe relativer Fluoreszenzeinheiten (Relative Fluorescence Unit – RFU) können wir Rückstände erfassen und die Reinigungsqualität der Bipolarplatten beurteilen.

Diese abgestimmte Prozesskette, bestehend aus Reinigung, Trocknung und Verpackung, legt die technologische Basis dafür, um die Werkstücke in Folgeprozessen wie der funktionalen Beschichtung oder der Dichtungsapplikation prozesssicher weiterzuverarbeiten.

Dichtungskontur aufbringen

Die Dichtungen bringen wird direkt auf die Bipolarplatten auf. Dies birgt gegenüber konventionellen Einlegedichtungen den Vorteil, dass die Dichtung fest an der Bipolarplatte haftet und während der weiteren Handhabung und Montage nicht verrutschen kann. Dichtungen lassen sich mit verschiedenen Verfahren auf metallische Bipolarplatten aufbringen. Das geeignetste Verfahren wählen wir anhand von Bauteilgröße, Dichtungsgeometrie und Ausbringungsmenge aus. Häufig verwendete Applikationsprozesse sind das Siebdruckverfahren und das Dispensieren. In verschiedenen Prozessrouten untersuchen wir die Eignung dieser Verfahren im Hinblick auf die Werkstoffe, die Prozessgeschwindigkeiten und die Genauigkeit der applizierten Dichtungen. Mit dem Siebdruck haben wir bereits 150 µm hohe Silikondichtungen mit geringer Oberflächenrauheit auf Bipolarplatten aufgebracht. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass sich auch höhere Dichtungen von über 400 µm mit dem Siebdruckprozess erzielen lassen.

Undichte Bipolarplatten, die in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen zum Einsatz kommen, führen zu reduzierter Leistungsfähigkeit und stellen ein Sicherheitsrisiko dar. Um dies zu vermeiden, führen Hersteller Dichtheitsprüfungen durch. Am Fraunhofer IPT nutzen wir ein Prüfgerät, das mithilfe eines Relativdruckverfahrens Leckageraten bestimmen kann. Um auch Bipolarplatten ohne eigene Dichtung zuverlässig testen zu können, verwenden wir geeignete Vorrichtungen: Ein Rahmenwerkzeug sorgt für die nötige Anpresskraft, während ein Abdichtwerkzeug sicherstellt, dass der Prüfkörper gegenüber der Umgebung abgedichtet ist.