Fotochemisches Ätzen als smarte Alternative

Brennstoffzellen gelten aktuell als eine der effizientesten Optionen zur Energiewandlung. Damit einhergehend wächst die globale Nachfrage nach immer leistungsstärkeren und gleichzeitig möglichst kostengünstigen Brennstoffzellen. Mit fotochemischem Ätzen, wie Precision Micro es anbietet, können Hersteller diesen Ansprüchen gerecht werden.

23. Oktober 2019
Fotochemisches Ätzen als smarte Alternative
Die filigranen Kanal- und Rillenstrukturen bipolarer Platten lassen sich mit fotochemischem Ätzen hervorragend umsetzen. (Bild: Precision Micro)

Brennstoffzellen werden durch die Stapelung von präzisen und in ihrer Oberflächenbeschaffenheit äußerst komplexen bipolaren Platten hergestellt. Durch die Strukturen, bestehend aus Rillen oder Kanälen, strömen flüssige oder gasförmige Medien, beispielsweise Wasserstoff oder Methanol. Durch die chemischen Reaktionen wird elektrische Energie gewonnen. Die Oberflächenstrukturen können durch CNC-Bearbeitung, Hydroforming und Stanzen hergestellt werden. Diese Bearbeitungsverfahren sind jedoch in ihrer Leistung und Skalierbarkeit nach wie vor problematisch, da sie sich in Form von Graten negativ auf die Oberflächenbeschaffenheit auswirken können und unter Umständen Belastungen hervorrufen.

Edelstahl gewinnt an Bedeutung

Auch die Materialauswahl ist diskutabel: Bislang werden Brennstoffzellen häufig aus CNC-bearbeitetem Graphit oder Graphit-Compound hergestellt – die Materialien sind vergleichsweise teuer, hoch durchlässig und nur bedingt für die Massenproduktion geeignet. Der stetig wachsende Bedarf an Brennstoffzellen beeinflusst folglich nicht nur die Verfahrens- sondern auch die Materialauswahl. Vergleichsweise leicht zu bearbeitende, langlebige und kostengünstige Materialien wie Edelstahl gewinnen zunehmend an Bedeutung. Der Werkstoff weist verschiedene Eigenschaften auf, die ihn für die Herstellung von bipolaren Platten für Brennstoffzellen prädestinieren: unter anderem inhärente Festigkeit, chemische Stabilität, Kosteneffizienz und eine verhältnismäßig einfache Verarbeitung in der Massenproduktion. Fotochemisches Ätzen ist zur Bearbeitung von Metallen eine auf vielen Ebenen der Brennstoffzellenherstellung smarte Alternative zu anderen Produktionstechnologien.

Fotochemisches Ätzen: Zeit- und kosteneffizient bei individueller Gestaltung

Zunächst entstehen bei der Bearbeitung von Metallen zur Herstellung bipolarer Platten mit fotochemischem Ätzen geringe, nur dreistellige Einstiegskosten. Zum Vergleich: Bei der Bearbeitung durch Hydroforming liegen diese Kosten oft im sechsstelligen Bereich und sind damit extrem höher. Zusätzlich liegt die Umsetzungsdauer neuer Prototypen bei fotochemischem Ätzen bei wenigen Wochen – im Vergleich zu bis zu 36 Wochen mit anderen Verfahren. Durch die Ätztechnik werden feinste Kanalstrukturen ermöglicht, auch beidseitig, die außerdem grat- und spannungsfrei sind und somit keine weiteren Bearbeitungsprozesse mehr erfordern. Das Verfahren erreicht eine Genauigkeit von ± 0,025 mm.

Das Materialspektrum, das mit fotochemischem Ätzen bearbeitet werden kann, ist enorm umfangreich. Damit können Brennstoffzellen individuell und auf den jeweiligen Kundenbedarf abgestimmt konstruiert werden. Da beim fotochemischen Ätzen die Werkzeuge digital erstellt werden, ist es möglich, direkt vom Prototypen ausgehend über die Vorserie in die Serienproduktion zu gehen, sofern keine Änderungen am Design mehr vorgenommen werden müssen. Doch auch diese sind dank der digitalisierten Technik – gerade im Vergleich zu anderen Verfahren – extrem schnell umsetzbar: Die Vorlaufzeit beläuft sich beim fotochemischen Ätzen nicht auf Monate (wie bei manch anderem Verfahren), sondern auf Tage. Der Komplexität der Teile sind dabei fast keine Grenzen gesetzt.

Das Ätztechnikunternehmen Precision Micro mit Sitz in Birmingham (UK) verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung mit dem Verfahren sowie eine umfangreiche Expertise in der Verarbeitung unterschiedlicher Materialien. Vom Produktdesign über die Materialauswahl bis hin zur Verpackung stellt sich das Unternehmen stets auf die Kundenwünsche ein, die gerade bei der Produktion von Brennstoffzellen äußerst individuell sein können. Üblicherweise stellt der Ätzspezialist bipolare Platten mit einer Größe von bis zu 1.500 mm x 600 mm aus Edelstählen der Güten 316 und 904 her. Doch auch exotische und schwerer zu bearbeitende Metalle können geätzt werden, um ein geringeres Gewicht und Korrosionsbeständigkeit in Hochtemperatur-Brennstoffzellenanwendungen zu erreichen.

Komplexes Prozedere: Von Projektbeginn bis zum Versand

Der Brennstoffzellenmarkt ist hart umkämpft. Umso wichtiger ist es, schon vor Projektbeginn eine Vertrauensbasis zwischen den Produktionsparteien zu schaffen. Precision Micro garantiert seinen Kunden Geheimhaltung und setzt so die Grundlage für eine vertrauensvolle Zusammenarbeit von Projektbeginn an. Beispielsweise können Kunden und alle am Entwicklungsprozess beteiligten Parteien – vom Metalllieferanten über Vertreter des Ätzspezialisten bis hin zu Konstrukteuren, Einkäufern und Qualitätssicherungsbeauftragten – in Workshops gemeinsam Lösungen entwickeln, die am Ende zum gewünschten Produkt führen. Die Auswahl des Materials ist bei der Herstellung von Brennstoffzellen von vielen Faktoren abhängig: Hoch- oder Niedrigtemperaturbrennstoffzellen, solche, die mit dem Medium Wasserstoff arbeiten, andere, die mit Methanol betrieben werden und zahlreiche weitere Varianten. Gerade Temperatur und Medienbeschaffenheit haben großen Einfluss darauf, welches Ausgangsmaterial zur Herstellung bipolarer Platten geeignet ist. Die meisten Materialien – ausgenommen Titan, das aufgrund seiner Beschaffenheit äußerst robust ist – müssen zusätzlich beschichtet werden. Precision Micro experimentiert derzeit mit verschiedenen Beschichtungsverfahren, um diese schließlich optimal in die Produktionskette einbinden zu können. Auch Compound-Medien sind prozessierbar.

Da bipolare Platten äußerst empfindlich sind und vor allem plan ausgeliefert werden müssen, ist es eine Grundvoraussetzung auf Herstellerseite, den sicheren Transport während des Prozessdurchlaufs und der Auslieferung zu garantieren. In der Regel erhalten Hersteller wie Precision Micro dafür Umlaufverpackungen vom Kunden. Unter besonderen Umständen kann es außerdem notwendig sein, die bipolaren Platten gesondert in Wachspapier einzuschlagen, um Korrosion zu vermeiden, oder sie vor Auslieferung einzuölen.

Individuelle Betreuung über alle Prozessschritte

Auf der Suche nach optimalen Lösungen erarbeitet Precision Micro mit deutschsprachigen Ansprechpartnern die passgenaue Materialwahl, das Design und die Verpackung; beispielsweise bietet das Unternehmen auch eine Vakuumverpackung um Verunreinigungen vorzubeugen. Das Verfahren des fotochemischen Ätzens ist dabei stets kosten- und zeitoptimiert anwendbar – ein großer Vorteil auf dem umkämpften Markt.

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