Geringes Gewicht und Volumen, gute Kaltstartfähigkeit sowie eine vergleichsweise günstige Serienproduktion sind Vorteile, mit denen metallische Bipolarplatten aufwarten können. Die Kernelemente von Brennstoffzellenstacks übernehmen mit der Medienversorgung, elektrischen Anbindung und Kühlung entscheidende Aufgaben. Wie gut sie diese erfüllen, hängt unter anderem von der Sauberkeit des Materials sowie der gefügten Platte ab. Um eine möglichst effektive und wirtschaftliche Reinigung zu ermöglichen, hat Ecoclean Untersuchungen mit verschiedenen Verfahren durchgeführt.
Brennstoffzellen zählen zu den Schlüsseltechnologien für die Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben und spielen auch bei der Energiewende als stationäre Energiequelle eine wesentliche Rolle. Kern eines Brennstoffzellensystems sind zu Stapeln (Stacks) verschaltete Bipolarplatten, die aus Anode und Kathode mit einer dazwischenliegenden protonenleitfähigen Folie bestehen.
Bipolarplatten erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Sie verbinden die Anode einer Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle physikalisch und elektrisch. Zuständig ist die Bipolarplatte auch für die Zuführung der Reaktionsgase Wasserstoff (Anodenseite) und Luft (Kathodenseite). Die Platten verfügen dafür auf beiden Seiten über eingearbeitete Strömungsprofile (Flowfield), deren Gestaltung entscheidend für den Wirkungsgrad des gesamten Aggregats ist. Darüber hinaus regeln die Bipolarplatten die Abgabe von elektrischer Energie und den Abtransport von Wasserdampf. Eine weitere Funktion besteht im Wärmemanagement.
Insbesondere bei Fahrzeuganwendungen überzeugen metallische Bipolarplatten durch geringes Gewicht und Volumen sowie gute Kaltstartfähigkeit; für den Wirkungsgrad spielt auch die Sauberkeit eine wichtige Rolle (Bild: Ecoclean GmbH)
Die Fertigung der Platten erfolgt aus unterschiedlichen Materialien, wie hochkonzentriertes Grafit, Grafit-Kunststoff-Mischungen sowie Metallen. Insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen bieten metallische Bipolarplatten Vorteile, wie ein geringes Gewicht und Volumen und eine gute Kaltstartfähigkeit. Darüber hinaus bieten metallische Bipolarplatten das Potential für eine vergleichsweise kosteneffiziente Serienproduktion, die durch Skaleneffekte noch verbessert werden kann.
Sauberkeit sichert Beschichtungsqualität und Wirkungsgrad
Die Fertigung der Anode und Kathode von metallischen Bipolarplatten erfolgt überwiegend aus 0,1 mm bis 0,2 mm dünnen Folien aus Edelstahllegierungen. Das Material wird üblicherweise von einem Coil abgewickelt, dessen Oberflächen aus der Herstellung mit unterschiedlichen Walz- und Ziehfetten, Ölen, Emulsionen und nicht bekannten Fremdstoffen verunreinigt sind. Im nächsten Schritt werden die Anoden- und Kathodenfolien mechanisch oder im Hydroforming präzise umgeformt und die Außenkonturen, beispielsweise durch Stanzen oder Lasern, geschnitten. Aus diesen Prozessen verbleiben ebenfalls Reste der Bearbeitungsmedien (Öle und/oder Emulsionen) auf den Platten. Beim anschließenden Fügen der Anoden- und Kathodenplatte, was häufig in einem Laserschweißprozess erfolgt, entstehen Schmauchspuren und Oxide. Abschließend werden die Bipolarplatten beschichtet. Spätestens davor ist ein Reinigungsschritt erforderlich, um eine homogene Beschichtung mit guter Haftfestigkeit sicherzustellen.
Durch die Ausstattung mit mehreren Düsen lässt sich mit der CO2-Schneestrahlreinigung die gesamte Oberfläche von Bipolarplatten zügig und mit einem guten Ergebnis reinigen (Bild: Ecoclean GmbH)
Bei eng gepackten Brennstoffzellen, mit denen auf kleinstem Raum eine hohe Leistung erzielt werden soll, empfiehlt es sich, bereits vor dem Fügen eine Reinigung durchzuführen. Sie verhindert, dass Verunreinigungen zwischen Anode und Kathode eingeschlossen werden, die sich durch die unweigerlich entstehende hohe Wärmeentwicklung lösen und die Mikrostrukturen der Flowfields verstopfen können. Dies würde zu einer Verringerung des Wirkungsgrads führen. Gleichzeitig reduziert der zwischengeschaltete Reinigungsschritt die Oberflächenverschmutzung aus Schmauch und Oxiden durch den Laserschweißprozess.
Das richtige Verfahren wählen
Wesentliche Herausforderung bei der Reinigung von metallischen Bipolarplatten sind die meist unsichtbaren, chemisch-filmischen
Rückstände auf den Oberflächen. Es handelt sich dabei um Öle, Fette, Emulsionen und weitere Chemikalien, deren Zusammensetzungen häufig unbekannt sind. Diese unspezifischen Kontaminationen machen eine Reinigungslösung erforderlich, die deren zuverlässige und bedarfsgerechte Entfernung sicherstellt. Die Ecoclean GmbH hat dafür Untersuchungen mit der Laser-, der CO2-Schneestrahl-, der nasschemischen Lösemittelreinigung und dem Dampfstrahlen durchgeführt.
Sowohl durch das Reinigen mit dem Laser als auch mit der CO2-Schneestrahl lassen sich Schmauch und Oxide sowie chemisch-filmische Verunreinigungen und Partikel von den Schweißnähten der gefügten Bipolarplatten punktuell innerhalb weniger Sekunden gut entfernen. Bei der Reinigung der kompletten Oberflächen der Bipolarplatten werden mit beiden Verfahren ebenfalls gute Ergebnisse erzielt. Da mit dem Laser die Oberfläche Zeile für Zeile abgefahren werden muss, war die Reinigung zeitintensiv. Bei der Schneestrahlreinigung kann das System mit einer entsprechenden Anzahl von Strahldüsen ausgestattet werden, so dass eine zügige Bearbeitung der gesamten Oberfläche möglich ist.
Durch die nasschemische Reinigung mit Lösemittel im Flutverfahren konnten Öle und Fette sowie Partikel gut entfernt werden. Für die Abreinigung von Emulsionen, Schmauch und Oxiden ist das Verfahren dagegen nicht anwendbar. Eine nasschemische Tauchreinigung mit wasserbasierten Medien ist aufgrund der erforderlichen Trocknung nur bedingt und mit sehr hohem Aufwand möglich.
Sehr gute Ergebnisse wurden bei der Abreinigung filmisch-chemischer und partikulärer Verschmutzungen sowie von Schmauch und Oxiden mit dem Dampfstrahlen erreicht. Die Reinigungswirkung basiert bei diesem Verfahren auf dem Zusammenwirken von Dampf mit einem exakt auf die Reinigungsaufgabe abgestimmten Flüssigkeitsanteil, einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom und einem angepassten Düsenkonzept. Der Reinigungsprozess beanspruchte ebenfalls nur wenige Sekunden.
Reinigungsvalidierung mit verschiedenen Messtechniken
Die Kontrolle der Reinigungsergebnisse erfolgte anhand der Oberflächenspannung mit den Messtechniken Kontaktwinkelmessung und Testtinten, durch Fluoreszenzmessung sowie Infrarotspektroskopie.
Die Fluoreszenzmesstechnik erwies sich aufgrund nicht fluoreszierender Verunreinigungen als nicht geeignet. Bei den Eingangsmessungen der Oberflächenspannung zeigten die Bipolarplatten sehr unterschiedliche Verschmutzungswerte, die nach der Reinigung signifikant verringert waren. Eine generelle Aussage, ob das Bauteil die für den nächsten Prozessschritt erforderliche Sauberkeit aufweist, lässt sich nicht treffen. Es sind dafür entsprechend prozessspezifische Anforderungen zu ermitteln.
Die Analyse der IR-Spektroskopie zeigt, dass mit der Dampfreinigung die Rückstände der Referenzverschmutzung komplett entfernt wurden (Bild: Ecoclean GmbH)
Für die Infrarotspektroskopie wurden an den Proben (Coilabschnitte und Bipolarplatten) zunächst alle Rückstände entfernt, also eine Referenzsauberkeit hergestellt. Nach der mittels IR-Spektroskopie erfolgten Analyse der Oberflächen wurden die Proben mit einer Referenzverschmutzung verunreinigt, die Reinigung durchgeführt und danach erneut analysiert. Diese Analyse zeigte, dass mit der Dampfreinigung die filmisch-chemischen Verschmutzungen zuverlässig entfernt werden konnten.
Die Reinigungsversuche und -kontrollen führen die Experten für Bauteilreinigung und Oberflächenbearbeitung im Monschauer Testzentrum mit den genannten und auch weiteren Verfahren durch.
Automatisierte, in die Fertigungslinie integrierte Reinigung
Für einen effizienten Workflow kann die Reinigung vor dem Fügen und/oder dem Beschichten in Fertigungslinien integriert werden. Die Automatisierung lässt sich dabei optimal auf die spezifischen Anforderungen und Gegebenheiten der jeweiligen Produktionslinie anpassen. Doris Schulz
Text zum Titelbild: Die gute Reinigungswirkung der Dampfreinigung basiert auf dem Zusammenspiel von Dampf mit einem exakt auf die Reinigungsaufgabe abgestimmten Flüssigkeitsanteil, einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom und einem angepassten Düsensystem
(Bild: Ecoclean GmbH)
