Optisches Inspektionssystem 3D-Inspektion für Bipolarplatten bei der Brennstoffzelle

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Mit einem speziellen optischen Inspektionssystem ist es erstmals möglich, Dickschichtprozesse in der Brennstoffzellenproduktion im nassen Zustand und in Echtzeit zu inspizieren. Das System basiert auf der Kombination eines 3D-Sensors mit einer speziellen Software.

Energie aus Brennstoffzellen gilt als effiziente und saubere Energieversorgung der Zukunft, zum Beispiel im Nutzfahrzeugbau, als stationäre Energiequelle für Industrieanlagen, für mobile Arbeitsgeräte und vieles mehr. Bis 2030 soll der deutsche Wasserstoffmarkt ein Umsatzvolumen von 17 Mrd. Euro erreichen und 70.000 Arbeitsplätze finanzieren.

Vor allem der PEM-Brennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran (PEM) als Elektrolyt verwendet, wird ein hoher Marktanteil prognostiziert. Eine niedrige Betriebstemperatur, eine höhere Leistungsdichte und eine schnelle Inbetriebnahme sind entscheidende Vorteile gegenüber anderen Brennstoffzellentechnologien.

Der Aufbau von Brennstoffzellen

Leistungsstarke Brennstoffzellen bestehen aus oft hunderten übereinander gestapelten Zellen, den Stacks. Die wichtigsten Komponenten sind die Bipolarplatten und die MEA (Membrane Electrode Assembly). Die MEA ist eine Membran, die sich zwischen zwei Elektroden (Anode und Kathode) befindet. Die Elektroden enthalten einen Katalysator, der für die elektrochemische Energieumwandlung in der Brennstoffzelle sorgt. Bipolarplatten hingegen sind elektrische Leiter, die zwischen den einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstapels angeordnet sind und eine elektrische Verbindung zwischen den MEAs herstellen. Sie ermöglichen die effiziente Verteilung von Gasen und Flüssigkeiten in der Brennstoffzelle und tragen somit zur Leistungsfähigkeit und Effizienz der Brennstoffzelle bei.

Bipolarplatten sorgen für eine effiziente Stromverteilung und Gasdiffusion. Sie sind chemisch und mechanisch stabil und haben eine gute elektrische Leitfähigkeit. Die Produktion erfordert eine präzise Metallbearbeitung, Beschichtungstechniken wie Siebdruck und ein hochwertiges Prüfverfahren. Damit entspricht jede Platte den geforderten Standards und kann in der Brennstoffzelle effektiv funktionieren. Die Fertigung erfolgt in verketteten Produktionslinien, die am Ende eine Brennstoffzelle bilden.

In den Produktionslinien werden asynchrone Druckverfahren eingesetzt, bei denen mehrere Platten parallel verarbeitet werden. Ein Beispiel: Während eine Platte noch gedruckt wird, wird bereits die nächste Bipolarplatte eingefahren. Nach dem Durchlauf durch den Trockenofen wird sie gewendet und als Stapel zwischengelagert oder direkt einem zweiten Druckschritt zugeführt. Die schnellen Automatisierungslinien in der Serienfertigung erreichen derzeit Taktzeiten von vier Sekunden für ein Substrat. In der Doppelspur sind es zwei Sekunden.

Brennstoffzellen-Produktionslinie mit 3D-Nassinspektion

Schnelle Inline-Prozesse erfordern eine präzise Inspektionstechnik, um Serienfehler und hohe Ausschussraten frühzeitig zu erkennen und möglichst zu vermeiden. Wickon Hightech hat hierfür ein Inspektionssystem entwickelt, das den nassen Zustand in 3D prüfen kann. Wettbewerbssysteme können dies bisher nur zweidimensional. In der Serienfertigung werden die einzelnen Prozessschritte nacheinander inline durchgeführt und mit der Technologie von Wickon Hightech in 2D und/oder 3D kontrolliert. Die Herstellung von metallischen Bipolarplatten umfasst typischerweise folgende Schritte

• 1. Vorbereitung des Metalls: Die Metallplatten mit bis zu 200 mm x 500 mm werden im Coil-Verfahren gestanzt

• 2. Reinigung

• 3. Laserbeschriftung DMC- zur Qualitätskontrolle und Rückverfolgbarkeit (beidseitig auf den Einzelblechen)

• 4. Schweißen der Einzelbleche

• 5. Wickon-Check 1: Vor dem Druck erfolgt eine Eingangskontrolle auf Homogenität, Risse, Verschmutzung, Wölbung, Struktur des Flowfields

• 6. Dichtheitsprüfung

• 7. Graphitisierung des Strömungsfeldes

• 8. Wickon-Kontrolle 2: 3D-Inspektion der nassen Graphitschicht auf dem Flowfield

• 9. Trocknungsprozess

• 10. beidseitiger Siebdruck der Dichtungsstrukturen

• 11. Wickon-Prüfung 3: 3D-Inspektion der Dichtungsstrukturen

• 12. Trocknung

• 13. Vulkanisation

• 14. Prüfung 4: Prüfung nach der Vulkanisation

Gängige Brennstoffzellen-Pasten dreidimensional prüfen

Das 3D-Inspektionssystem von Wickon Hightech ist vollständig in den Fertigungsprozess integrierbar. Dimensionierung, Konstruktion und Montage der optischen Elemente werden vom Hersteller übernommen, ebenso die Analyse- und Automatisierungssoftware sowie die Anbindung an das Kundennetzwerk. Mit einer Doppelspurmaschine und zwei Inspektionsköpfen laufen zwei Spuren unabhängig voneinander mit einer Inspektionszeit von vier Sekunden pro Spur.

Mit der Entwicklung von Wickon Hightech können alle gängigen Brennstoffzellen-Pasten dreidimensional geprüft werden – im nassen, getrockneten oder gesinterten oder vulkanisierten Zustand. Damit ist es dem tschechisch-deutschen Technologieunternehmen gelungen, die weltweit ersten Fertigungslinien für Brennstoffzellen mit einer funktionsfähigen 3D-Inspektion auszustatten.

Die folgende Tabelle zeigt die technischen Details des Inspketionssystems von Wickon Hightech:

Das optische System verwendet dazu eine Beleuchtung mit numerischer Apertur, die eine dreidimensionale Erfassung von feuchten und welligen Oberflächen ermöglicht. Gleichzeitig kann eine 3D- und eine 2D-Aufnahme in einem Scan durchgeführt werden. Die neu entwickelte Inspektionseinheit erzeugt in einer Scanbewegung Bildbreiten von 200 mm mit einer lateralen Auflösung von 15 µm. Aufgrund der sehr schnellen Kamera und der hellen Beleuchtung sind 35.000 Bilder pro Sekunde möglich, was einer Bildaufnahmezeit für 400 mm lange Bipolarplatten von 1,8 s für ein Doppelbild entspricht (aufgenommene Fläche 200 mm x 400 mm). Schichtdicken zwischen 5 µm und 30 µm sind damit abbildbar.

Bisher waren im laufenden Prozess nur 2D-Inspektionen möglich. Wickon Hightech ist es nun erstmals gelungen, die frisch gedruckten Pasten auch dreidimensional abzubilden. Dies bietet entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren:

• Vermessung der gedruckten Strukturen in Höhe, Breite und Struktur.

• Fehler werden erkannt, die ohne Inspektion erst später in der Prozesskette auftreten.

• Serienfehler werden direkt nach dem Druck erkannt und führen nicht zu massiver Nacharbeit oder Ausschuss.

• Prozesstrends, wie zum Beispiel Siebalterung, können frühzeitig erkannt werden und es kann zum richtigen Zeitpunkt in den Prozess eingegriffen werden. Es handelt sich also um einen geführten Eingriff.

60 Substrate pro Minute im Inspektionssystem

Schnelle Automatisierungslinien für die Serienfertigung von Brennstoffzellen-Stacks erreichen derzeit Taktraten von bis zu 15 Substraten pro Minute. Roman Wieser, Geschäftsführer von Wickon Hightech: „Die Automatisierungshersteller werden bald mit Taktraten von 60 Substraten pro Minute produzieren können – und Wickon kann das inline in 3D inspizieren“.

Wickon Hightech arbeitet mit zahlreichen namhaften Automatisierungsunternehmen zusammen und hat dort AOI-Systeme im Einsatz. Roman Wieser: „Wir sind frühzeitig in den Entwicklungsprozess eingebunden, um die Prozesslandschaft mitzugestalten. Der im Labor verifizierte Prozess kann dann direkt auf die Produktionslinie übertragen werden.

* Roman Wieser ist CEO bei Wickon Hightech.

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