FUEL CELL WELDING

In a fuel cell, a continuously supplied fuel, for example hydrogen, reacts with an oxidizing agent such as oxygen from the air. Each individual cell consists of two plates, each with a gas distribution structure, separated by a membrane. In a polymer electrolyte fuel cell (PEM), the hydrogen is separated into H+-ions and electrodes. The H+-ions migrate through the membrane and react with the oxygen in the air to form water. The electrons flow through an external contact and deliver the desired electrical current. The end products of this chemical reaction are water, electricity, and heat. The electrochemical reaction in the fuel cell is also known as "cold combustion" and is
particularly efficient, clean and climate friendly.

Bipolar plates consist of a tightly welded metal anode and metal cathode (white in the picture) with gas distribution structures. Together with the membrane (MEA), they are the core components in fuel cells, which are layered in tightly compressed stacks and form the core of a fuel cell system. A stack can contain several hundred bipolar plates. As an integrated component, the plates carry out the following tasks: electrical connection of the cells, gas distribution across the surface of the plate, gas separation between adjacent cells, outward sealing, and cooling.

Der Einsatz moderner Laserablenkeinheiten in der Brennstoffzellentechnologie ist aufgrund seiner Schnelligkeit, Genauigkeit und Effektivität in der industriellen Produktion nicht nur ratsam, sondern ein großer Wettbewerbsvorteil. Berührungslos, kraft- und verschleißsfrei schneiden und schweißen Laser die Bipolarplatten mit äußerster Präzision. Im Herstellunsgprozess wirken Laser-Ablenkeinheiten als wahre Innovationstreiber, denn sie helfen Brennstoffzellen in Serie zu bringen. 

Im Detail sind vor allem drei Bereiche bei der Brennstoffzellenherstellung relevant: Schneiden, reinigen und schweißen. Beim Laserschneiden werden die geformten metallischen Halbplatten einer Bipolarplatte zur finalen Kontur beschnitten. Diese enthält neben einem Außenbeschnitt, auch komplexe Konturen innerhalb der Platte, wie z.B. die Öffnungen für die Gase. Dabei ermöglicht der Laser mit sehr feinen Spotdurchmessern einen gratfreien Beschnitt selbst komplexester Geometrien bei Materialstärken von bis zu 50μm.

Der Schweißprozess stellt in der Bipolarplattenherstellung einen wichtigen Fertigungsschritt dar, in dem sehr dünne Metallfolien mit filigranen Konturen gasdicht verschweißt werden müssen (siehe Grafik oben). Die lässt sich gegenüber anderen Verfahren mit einer Laser-Ablenkeinheit deutlich effizienter und wirtschaftlicher umsetzen. Dabei können sogenannte Singlemode-Laser mit einer entsprechenden Strahlqualität zur Erzeugung der gewünschten schmalen Schweißraupe zusammen mit Ablenkeinheiten einen Wärmeleitprozess oder auch einen Tiefschweißprozess ausführen. Alternativ kann der feine Laserstrahl mit dynamischen und schnellen Ablenkeinheiten zu einer spiralförmigen oder mit Hilfe der Software und Steuerelektronik auch zu einer belieben Lissajous-Figur geformt werden, um das gewünschte Schweißergebnis zu erzielen. 

Eine absolut dichte Verschweißung der Bipolarplatten stellt sicher, dass es zu keiner Durchmischung der Gase kommen kann. Denn nur ein Defekt in einem Stack von hunderten von Platten würde die gesamte Brennstoffzelle unbrauchbar machen. 

FAZIT: Durch den Einsatz von Ablenkeinheiten in Verbindung mit Lasertechnik entfallen bei der Brennstoffzellenherstellung vorgefertigte Werkzeuge wie Schneidmesser und Stanzen, die sehr schnell verschleißen und die Produktivität herabsetzen. Zudem sind diese Werkzeuge nicht wirklich vielseitig einsetzbar, wie das für Laser und Ablenkeinheiten mit Kontrollkarte und Software der Fall ist. Hersteller von Brennstoffzellen profitieren somit von einer gleichbleibend guten Qualität, mehr Produktivität im Sinne von höheren Stückzahlen bei gleichzeitig sehr geringen Wartungszeiten, Einsparung von Personalkosten und Abfall bei höchster Prozessstabilität. Größtes Plus aber ist die Flexibilität, denn über die Software können die Laserkomponenten an wirklich ALLE Anwendungen angepasst werden.   

• Highly practical, easily integrated: AXIALSCAN FIBER 30
• Control electronics and software that offer process-specific functions: SP-ICE 3, RAYGUIDE
• AXIALSCAN-50 DIGITAL II for the smallest spot