Wasserstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf unserem Planeten. In der Transportindustrie wird er zunehmend als wichtige Quelle für Brennstoffzellen wahrgenommen. Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffes ohne Verbrennung direkt in nutzbare Energie - Strom und Wärme - um. Aufgrund ihrer Effizienz, ihrer schnellen Betankung und ihrer Langlebigkeit haben sie sich in letzter Zeit auf dem Markt für Elektrofahrzeuge durchgesetzt. Viele der größeren LKW-Hersteller setzen bereits heute auf Brennstoffzellen als Lösung für den Langstreckentransport von Gütern, um somit auch die Schadstoffemissionen reduzieren.

Wie funktionieren Wasserstoff-Brennstoffzellen?

Eine Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolytmembran. Der Wasserstoff wird über die negativ geladene Anode einer Brennstoffzelle zugeführt und der Sauerstoff über die positiv geladene Kathode. Protonen fließen durch den porösen Elektrolytmembran, während die Elektronen in einem externen Stromkreis von der Anode zur Kathode fließen und dabei einen elektrischen Strom und überschüssige Wärme erzeugen. An der Kathode verbinden sich die Protonen, Elektronen und der Sauerstoff zu Wassermolekülen. Da es keine beweglichen Teile gibt, arbeiten Brennstoffzellen geräuschlos und mit extrem hoher Zuverlässigkeit.

Die Hersteller von Brennstoffzellen müssen sich auf innovative Fertigungstechniken verlassen, um konstant hochwertige Bipolarplatten und Membrane mit kompakten Spezifikationen zu liefern. Bei Bipolarplatten können Qualitätsmerkmale wie Ebenheit, Form und Beschaffenheit der Kanäle den Durchfluss von Sauerstoff oder Wasserstoff behindern, was die Gesamtwirksamkeit des elektrochemischen Prozesses beeinträchtigt. Ebenheit und Form der Kanäle beeinflussen den effizienten Fluss von Gasen oder Flüssigkeiten durch die Brennstoffzelle. Darüber hinaus kann jede Abweichung vom Design zu einer Druckänderung führen, die den Materialfluss behindert und die Energieabgabe allmählich verringert.

Charakterisierung von Brennstoffzellenoberflächen

Bei Brennstoffzellen beeinflussen die Oberflächeneigenschaften den Wirkungsgrad und müssen innerhalb bestimmter Zielparameter gehalten werden. Um diese Herausforderungen zu meistern, verlassen sich die Hersteller auf die berührungslose optische Messtechnik. Bisher setzten die Hersteller CMMs (Koordinatenmesssysteme) ein, um die Ebenheit der Platten oder die Kanaltiefe zu überprüfen. Damit lassen sich jedoch nur einige Dutzend bis Hunderte von Punkten zur Erfassung der zu prüfenden Oberfläche erfassen, was einen erheblichen Zeitaufwand bedeutet. Hersteller, die berührungslose optische 3D-Profiler einsetzen, erreichen eine schnelle und wiederholbare bipolare Plattenkanalprüfung mit Millionen von Datenpunkten, die die gesamte Oberfläche mit hoher lateraler Auflösung erfassen.

Ein Beispiel für eine Platteninspektion ist das Zygo 0,5x ZWF-Objektiv mit seinem großen Sichtfeld (>30 mm). Durch flächiges Stitching einer ganzen Platte lassen sich die Kanaltiefe, Ebenheit der Kanäle und Versiegelung insgesamt bestimmen. Die Bestimmung der Kanaltiefe mit hoher Genauigkeit ermöglicht es den Konstrukteuren von Brennstoffzellenplatten auch, die Plattendicke zu minimieren und somit den gesamten Brennstoffzellenstapel zu optimieren und die Gesamtmasse zu reduzieren.

Da sich Brennstoffzellen an der Spitze der Innovation für Elektrofahrzeuge befinden, müssen bei ihrer Herstellung strenge Spezifikationen eingehalten werden. Optische Oberflächentopographie-Messgeräte, wie die berührungslosen optischen 3D-Profiler von Zygo, ermöglichen prozessbegleitende Messungen der Oberflächentextur und -form - eine wesentlich umfassendere, schnellere und kosteneffizientere Prüfung als CMM-Inspektionen. Da Ingenieure und Konstrukteure in der Automobilindustrie die Grenzen effizienter und sauberer Energiesysteme immer weiter verschieben, wird Zygo auch weiterhin mit den Herstellern der Automobilindustrie zusammenarbeiten, um präzise Messungen von Oberflächen zu ermöglichen und fundierte Erkenntnisse zu liefern.