Ätzen: Kosteneffiziente Herstellung von Bipolarplatten für PEM- und SOEC-Elektrolyseure

Was sind Elektrolyseure?
Elektrolyseure verwenden Strom aus Windenergie, Solarenergie und hydroelektrischen Quellen, um Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der so entstehende grüne Wasserstoff kann in vielen Bereichen als Energiequelle eingesetzt werden: in Bussen und PKW, in Generatoren, Heizungen und in Industrieanlagen.

Viele moderne Niedertemperatur-Elektrolyseursysteme bestehen aus Modulen, sogenannten Stacks, die auf der Proton-Austausch-Membran-Elektrolysetechnologie (Proton Exchange Membrane, PEM) oder Festoxid- (SOEC) Elektrolysetechnologie basieren. Ein wichtiger Bestandteil des Stacks ist die Bipolarplatte, die verschiedene wichtige Funktionen erfüllt.

Bipolarplatten weisen präzise gefertigte, oft komplexe Kanäle auf, die Wasser gleichmäßig im Elektrolyseur-Stack verteilen. Sie dienen hauptsächlich dazu, den Elektrolyseur zu kühlen, der Anodenseite Reaktionsgase zuzuführen und den Wasserstoff und die Gase abzuführen, die während der Reaktion entstehen.

Bipolarplatten gehören zu den wichtigsten Elektrolyseur-Bauteilen, zählen aber gleichzeitig auch zu den teuersten. Das fotochemisches Ätzverfahren bietet mechanischen Konstrukteuren eine attraktive Alternative für eine kosteneffiziente Fertigung.

Innovative Herstellung von Bipolarplatten
Bei Elektrolyseuren kamen bislang Kohlenstofffasern oder Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz, da sie eine hohe Chemikalienbeständigkeit bieten. Zwar haben kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoffe und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe viele positive Eigenschaften, doch weisen sie eine geringe mechanische Festigkeit und eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Hinzu kommen hohe Zerspanungskosten.

Metalle erhalten für gewöhnlich den Vorzug bei der Herstellung von Bipolarplatten, da sie geringe Kosten, eine hohe Chemikalienbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften vereinen. Jedoch müssen sie den Betriebsbedingungen bei der Herstellung von Wasserstoff standhalten.

Eine der einfachsten Möglichkeiten, mit denen Konstrukteure die Margen bei Elektrolyseuren erhöhen können, ist die Neugestaltung der Fertigungsprozesse von Bauteilen wie der Bipolarplatte.

Fotochemisches Ätzen ist wahrscheinlich der vielseitigste aller Blechbearbeitungsprozesse. Dank des subtraktiven Verfahrens kann so gut wie jedes Metall geätzt werden. Auch korrosionsbeständige Sondermetalle wie Titan können kosteneffizienter als mit anderen Verfahren bearbeitet werden.

Was ist fotochemisches Ätzen?
Fotochemisches Ätzen ist ein zerspanendes Verfahren für Blech, bei dem Ätzmittel zum Einsatz kommen, um hochgenaue Präzisionskomponenten aus nahezu jedem Metall zu fertigen. Es stellt eine Alternative zum herkömmlichen Stanzen und Laserschneiden dar.

Die geometrische Komplexität und die präzisen Toleranzen, die sich durch chemisches Ätzen erzielen lassen, machen es nicht nur zu einem attraktiven Herstellungsverfahren – in einigen Fällen ist es die einzige Technologie, mit der erfolgsentscheidende und sicherheitsrelevante Metallkomponenten gefertigt werden können.

Die Fertigung von Elektrolyseur-Bipolarplatten hochskalieren
Das fotochemische Ätzen bietet Herstellern erhebliche Vorteile bei der Fertigung von Fluidik-Komponenten wie Bipolarplatten für Brennstoffzellen. Ineffizienzen werden reduziert, eine hohe Präzision wird ermöglicht und die Markteinführungszeit verkürzt.
Die Werkzeugherstellung beim Stanzen und Hydroforming ist häufig langsam und unwirtschaftlich. In manchen Fällen kann sie Monate in Anspruch nehmen und Entwicklungszeiten erheblich verlängern. Neben der längeren Projektdauer kann die Prototypenfertigung komplexer Kanalkonfigurationen mit herkömmlichen Methoden leicht mehrere zehn- bis hunderttausende Euro verschlucken.

Der wichtigste Unterschied zwischen herkömmlichen Zerspanungsprozessen und fotochemischem Ätzen ist, dass das Ätzverfahren ohne Stahlwerkzeuge auskommt. Stattdessen werden digitale Werkzeuge eingesetzt, die sich kostengünstig herstellen und anpassen lassen. So können Konstrukteure Design zu minimalen Kosten flexibel anpassen. Für gewöhnlich lassen sich fotochemisch geätzte Prototypen schnell und einfach zum Preis von einigen Hundert Euro herstellen, während herkömmliche Verfahren Investitionen von mehreren Tausend Euro erfordern. Die Kosten können noch weiter reduziert werden, indem sich die Kanaldichte erhöht wird und dünnere Bipolarplatten hergestellt werden.

Kanalkomplexität und -genauigkeit
Die Geometrie und das Design der Flusskanäle einer Bipolarplatte wirkt sich erheblich auf deren Leistung aus.

Die Komplexität oder Tiefe der Kanäle etwa wird durch die verbreiteten Stanz- und Hydroformingverfahren eingeschränkt. Hydrogeformte Bipolarplatten reißen leicht, da die Metallbleche beim Formen ausgedünnt werden. So stellen sich komplexere Designs als schwer realisierbar dar.

Beim Stanzen gibt es neben den Designschwierigkeiten noch weitere Herausforderungen: Es kann schwer sein, Geometrien genau wiederzugeben, da das Material Knicke und eine raue Oberfläche aufweist und zurückfedert. Kleinere und komplexere Flusskanäle erfordern eine höhere Presskraft, was zu einer erheblichen Steigerung der Anlagenkapitalkosten und deutlich längeren Durchlaufzeiten führt.

Mit fotochemischem Ätzen lässt sich eine nahezu unbegrenzte Teilekomplexität erzielen. Es können grat- und spannungsfreie, vollständig flache Teile mit höchster Konsistenz gefertigt werden, was bei Bipolarplatten besonders wichtig ist, da Ungenauigkeiten Probleme beim Kleben der Stacks verursachen können. Im Gegensatz zum CNC-Fräsen, Hydroformen und Stanzen werden durch fotochemisches Ätzen keine mechanischen oder thermischen Spannungen verursacht, die sich auf die Eigenschaften des Metalls auswirken. So kann eine Kanalgenauigkeit von bis zu ±0,020 mm erzielt werden.

Beim fotochemischen Ätzen wird Metall simultan entfernt, wodurch komplexe Kanäle, auch Flussfelder genannt, auf beiden Seiten der Platte geätzt werden können. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es Konstrukteuren, die Größe und Form der Kanäle anzupassen und ohne zusätzliche Kosten Sammler und Öffnungen hinzuzufügen.

Fotochemisches Ätzen: eine geeignete Alternative für die Elektrolyseur-Herstellung
Es gibt hunderte von Studien, die die Einschränkungen in Sachen Effizienz, Qualität und Kosten bei der Produktion von Bipolarplatten untersuchen. Dabei wird fotochemisches Ätzen selten als geeignete Alternative genannt. Wenn die Industrie mit der wachsenden Nachfrage nach Wasserstoff mithalten soll, müssen Alternativen zu den kostspieligen Bearbeitungsprozessen, besonders bei der Prototypenfertigung, gefunden werden.

Fotochemisches Ätzen ermöglicht es Konstrukteuren, Bipolarplatten innerhalb von Tagen, nicht von Monaten herzustellen. Gleichzeitig bietet es die Flexibilität, komplexe Bipolarplatten mit hoher Leistung herzustellen.