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Teilereinigung: Metallische Bipolarplatten zuverlässig säubern

Metallische Bipolarplatten effektiv und effizient reinigen
Perfekte Sauberkeit für maximalen Wirkungsgrad

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Als Kernelemente von Brennstoffzellenstacks sind metallische Bipolarplatten unter anderem für den Medientransport oder die Kühlung entscheidend. Wie gut sie ihre Aufgabe erfüllen, hängt unter anderem von der Sauberkeit des Materials sowie der gefügten Platte ab. Welche Verfahren sich fürs effektive und wirtschaftliche Reinigen eignen, hat Ecoclean untersucht.

» Doris Schulz, Fachjournalistin in Korntal

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 – so genannten 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 elektrischer Energie und den Abtransport von Wasserdampf. Eine weitere Funktion besteht im Wärmemanagement.

Die Fertigung der Platten erfolgt aus unterschiedlichen Materialien wie hochkonzentriertes Grafit, Grafit-Kunststoff-Mischungen und Metallen. Insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen bieten metallische Bipolarplatten Vorteile. Sie liegen im geringen Gewicht und Volumen sowie einer guten Kaltstartfähigkeit. Darüber hinaus bieten metallische Bipolarplatten das Potenzial für eine vergleichsweise kosteneffiziente Serienproduktion, die durch Skaleneffekte noch verbessert werden kann.

Sauberkeit sichert Haftfestigkeit

Die Fertigung der Anode und Kathode metallischer Bipolarplatten erfolgt überwiegend aus 0,1 bis 0,2 mm dünnen Folien aus Edelstahllegierungen. Das Material wird üblicherweise von einem Coil abgewickelt, dessen Oberflächen nach 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 mittels Hydroforming präzise umgeformt und die Außenkonturen, etwa durch Stanzen oder Lasern geschnitten. Aus diesen Prozessen verbleiben ebenfalls Reste der Bearbeitungsmedien 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.

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 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 beim Reinigen metallischer Bipolarplatten sind die meist unsichtbaren, chemisch-filmischen Rückstände auf den Oberflächen. Es handelt sich dabei um Öle, Fette, Emulsionen und weitere Chemikalien, deren Zusammensetzung häufig unbekannt ist. Diese unspezifischen Kontaminationen machen eine Reinigungslösung erforderlich, die das zuverlässige und bedarfsgerechte Entfernen sicherstellt. Die Ecoclean GmbH hat dafür Untersuchungen mit der Laser-, der CO2-Schneestrahl- und der nasschemischen Lösemittelreinigung sowie dem Dampfstrahlen durchgeführt.

Sowohl mit dem Laser als auch mit der CO2-Schneestrahlreinigung lassen sich Schmauch und Oxide sowie chemisch-filmische Verunreinigungen und Partikel von den Schweißnähten der gefügten Bipolarplatten punktuell innerhalb weniger Sekunden gut entfernen. Beim Reinigen 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 CO2-Schneestrahlreinigung kann das System mit einer entsprechenden Anzahl von Strahldüsen ausgestattet werden, so dass ein zügiges Bearbeiten der gesamten Oberfläche möglich ist.

Durch die nasschemische Reinigung mit Lösemittel im Flutverfahren konnten Öle und Fette sowie Partikel gut entfernt werden. Fürs Abreinigen 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 beim Abreinigen 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.

Messtechniken für Validierung

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 dem Reinigen signifikant verringert waren. Eine generelle Aussage, ob das Bauteil die für den nächsten Prozessschritt nötige Sauberkeit aufweist, lässt sich nicht treffen. Es sind dafür entsprechend prozessspezifische Anforderungen zu ermitteln. 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. Das Ergebnis zeigte, dass mit der Dampfreinigung die filmisch-chemischen Verschmutzungen zuverlässig entfernt werden konnten.

Reinigungsversuche und -kontrollen führten die Experten für Bauteilreinigung und Oberflächenbearbeitung im Monschauer Testzentrum von Ecoclean mit den genannten und weiteren Verfahren durch.

Automatisiert und integriert

Für einen effizienten Workflow kann die Reinigung vor dem Fügen oder dem Beschichten in Fertigungslinien integriert werden. Die Automatisierung lässt sich dabei genau an die spezifischen Anforderungen und Gegebenheiten der jeweiligen Produktionslinie anpassen.

www.ecoclean-group.net

Kontakt:

Ecoclean GmbH
Hans-Georg-Weiss-Strasse 10
52156 Monschau
www.ecoclean-group.net

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