Photochemisches Ätzen von Bipolarplatten

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Wie funktioniert das photochemische Ätzen von Bipolarplatten?

Photochemisches Ätzen ist ein Verfahren, bei dem eine lichtempfindliche Beschichtung und UV-Licht verwendet werden, um ein Muster auf einem Metallblech zu erzeugen. Die strukturierte Beschichtung schützt das Metall, während eine chemische Lösung das Metall selektiv entfernt und die gewünschte Form zurücklässt. Dieses Verfahren kann zur Herstellung von Kanälen und anderen Merkmalen auf Bipolarplatten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure verwendet werden.
Bipolarplatten sind ein wesentlicher Bestandteil einer Brennstoffzelle, denn sie trennen die einzelnen Zellen und den Weg für Wasser und Gase, die auch zur Kühlung des Elektrolyseurs dienen. Sie werden in der Regel aus Graphit, Edelstahl oder Titan hergestellt. Metallplatten können teuer und schwierig mit mechanischen Methoden herzustellen sein.

Das Photochemisches Ätzen kann eine alternative Methode zur Herstellung von Bipolarplatten darstellen, die kostengünstiger und flexibler ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  1. Vorbereitung des Metallblechs: Ein dünnes Metallblech, z. B. Edelstahl, wird gereinigt und mit einem lichtempfindlichen Material, z. B. einem Trockenfilm-Fotoresist, beschichtet.
  2. Belichtung mit UV-Licht: Das Metallblech wird dann über eine Maske oder einen Digitaldrucker mit UV-Licht belichtet, um ein Muster zu erzeugen. Nach der Belichtung wird der unbelichtete Fotolack entfernt, so dass ein Muster aus blankem Metall und Fotolackfilm zurückbleibt.
  3. Chemisches Ätzen: Das Blech wird dann mit einer chemischen Lösung, z. B. einer Säure oder Lauge, besprüht, die das blanke Metall wegätzt. Die verbleibenden Bereiche des Blechs, die durch die Folie geschützt wurden, bilden die gewünschte Form und die Merkmale der Bipolarplatte.
  4. Reinigung und Endbearbeitung: Die Bipolarplatten werden anschließend gereinigt und endbearbeitet, um eventuelle Reste des Fotolackfilms zu entfernen und ihre Oberflächenqualität zu verbessern.

Mit diesem Verfahren können Bipolarplatten mit hoher Präzision, komplexen Geometrien und ausgezeichneter Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Außerdem ist es ein relativ schnelles und kostengünstiges Verfahren, was es zu einer attraktiven Option für die Massenproduktion macht.

Wie unterscheidet sich das Photochemisches Ätzen von anderen Methoden der Bipolarplattenherstellung?

Beim Photochemisches Ätzen verfahren wird das Metall auf beiden Seiten der Platten gleichzeitig abgetragen, so dass komplexe Kanäle mit unterschiedlichen Designs gleichzeitig geätzt werden können. Im Gegensatz zum Stanzen, Hydroforming oder Laserschneiden entstehen beim chemischen Ätzen keine mechanischen oder thermischen Spannungen auf den Platten, die die Stapelhaftung und den Flüssigkeitsfluss beeinträchtigen können. Darüber hinaus können digitale Musterwerkzeuge, die kostengünstig und schnell herzustellen sind, einfach und kostengünstig zur Optimierung von Designs angepasst werden. Es entstehen keine zusätzlichen Kosten durch eine höhere Designkomplexität oder mehr Funktionen.

Photochemisches ÄtzenStanzen/Stanzen/ HydroformingLaserCNC-Bearbeitung
EntwurfskomplexitätFeine Merkmale und komplexe GeometrienGrobe Merkmale; begrenzte Designkomplexität aufgrund von WerkzeugbeschränkungenFeine Merkmale und komplexe GeometrienFeine Merkmale und komplexe Geometrien
BandHochHochNiedrigNiedrig
ToleranzenHochNiedrigHochHoch
WerkzeugkostenNiedrigHochNiedrigNiedrig
StressKein StressSpannung an KantenThermische BelastungKein Stress
Grate Keine GrateTeilweise GrateGeschmolzene MetallschlackeKeine Grate
BeeinträchtigungenEinige Einschränkungen bei Teilen mit einer Dicke von mehr als 1 mmLange Vorlaufzeiten und hohe Kosten für die Herstellung von WerkzeugenKann nur ein Teil/Merkmal auf einmal bearbeiten; Schlacke an KantenIneffizient bei sehr dünnen Materialien

Welche Materialien können für die Herstellung von Bipolarplatten photochemisch geätzt werden?

Üblicherweise werden Bipolarplatten aus Aluminium, Edelstahl und Titan geätzt. Es gibt jedoch eine Reihe von Materialien, die ebenfalls geätzt werden können:

  • Refraktärmetalle – Molybdän, Wolfram, Titan, Hafnium
  • Reine Metalle – Kupfer, Nickel, Palladium
  • Legierungen – Rostfreie Stähle, Kovar, Phosphorbronze, Messing, Legierung 42
  • Sondermetalle – CuW, BeCu, CuMo
Photochemisches Ätzen

Welche Geräte werden üblicherweise für das photochemische Ätzen verwendet?

Der Prozess des Photochemisches Ätzen erfordert spezielle Geräte, um präzise und genaue Ergebnisse zu erzielen. Zu den wichtigsten Geräten für das photochemische Ätzen gehören:

  1. Digitaler Direktbelichter: Digital Direct Imaging (DDI) ist ein fotolithografisches Verfahren, bei dem ein digitales Bild verwendet wird, um ein Muster auf einer Metallplatte oder einem anderen Material zu erzeugen. Beim traditionellen fotochemischen Ätzen wird ein Fotowerkzeug verwendet, um eine Maske des Musters auf einem Metallblech oder einem anderen Material zu erstellen. Mit DDI wird das Muster direkt auf den Bogen gedruckt, ohne dass eine Maske erforderlich ist.
  2. Werkzeuge zum Entwickeln und Ätzen: Entwicklungs- und Ätzwerkzeuge verfügen über Tanks, die die für den Ätzprozess verwendeten Chemikalien enthalten, und Sprühgeräte zum Auftragen der Chemikalien auf die Metallplatten. Der Entwickler wird verwendet, um den unbelichteten Fotolack vom Blech zu entfernen, während der Ätzer dazu dient, die belichteten Bereiche des Blechs aufzulösen.
  3. Sprühwaschanlage: Um alle verbleibenden Chemikalien und Rückstände zu entfernen, wird das Blech nach dem Ätzen mit einer Sprühwaschanlage abgespült.
  4. Trockner: Nach dem Spülen wird das Blech mit einem Trockner getrocknet, um die Bildung von Wasserflecken zu verhindern.
  5. Inspektionsgeräte: Prüfgeräte, wie z. B. digitale CMMs und Messgeräte, werden zur Überprüfung der Qualität und Genauigkeit der geätzten Teile eingesetzt.
  6. CNC- oder Laser-Maschinen: CNC- oder Lasermaschinen können verwendet werden, um die geätzten Bleche in die gewünschte Form und Größe zu schneiden.

Die für das fotochemische Ätzen verwendete Ausrüstung kann je nach den für das Endprodukt erforderlichen Materialien, Abmessungen und Toleranzen variieren.

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Was sind die Vorteile des photochemischen Ätzens und der Nutzen der Verwendung photochemisch geätzter Bipolarplatten in Brennstoffzellen?

Photochemisch geätzte (PCE) Bipolarplatten haben mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren für Brennstoffzellen-Bipolarplatten, darunter:

  • Kosteneffizienz: PCE ist viel schneller als die CNC-Bearbeitung und erfordert nicht den Zeit- und Kostenaufwand für die Herstellung von Stanz- oder Lochwerkzeugen. Das Ätzverfahren verwendet einen Direct Digital Imager (DDI) zur Abbildung von Bauteildesigns. DDI erspart den Zeit- und Kostenaufwand für die Herstellung eines fotografischen Negativs oder von Werkzeugen, bietet ein hohes Maß an Genauigkeit und Präzision, und die digitalen Bilder können schnell geändert werden, wenn Designänderungen erforderlich sind.
  • Hohe Präzision: PCE bietet eine sehr hohe Präzision und Wiederholbarkeit für Kanaltiefen und -breiten im Vergleich zum Stanzen oder Hydroforming, was für die Aufrechterhaltung eines ordnungsgemäßen Gas- und Kühlmittelflusses entscheidend ist.
  • Verbesserte Oberflächeneigenschaften: PCE kann Mikrotexturen auf der Oberfläche der Bipolarplatten erzeugen, die deren Oberflächeneigenschaften wie Benetzbarkeit, Haftung und Korrosionsbeständigkeit verbessern. Dies kann den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Brennstoffzelle verbessern.
  • Geringeres Gewicht: PCE kann dünne und leichte Bipolarplatten herstellen, die die Leistungsdichte der Brennstoffzelle verbessern und ihr Gewicht reduzieren.
  • Flexible Gestaltung: Die Schilder können auf beiden Seiten unterschiedlich gestaltet werden. Die Rückseite muss nicht spiegelbildlich zur Vorderseite des Schildes sein.
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Wie wird die Präzision des Ätzprozesses kontrolliert?

Die Präzision des photochemischen Ätzprozesses wird durch eine Kombination von Faktoren gesteuert, darunter das Design der Maske, die zur Definition des Musters verwendet wird, die Qualität des Fotolacks, die Ätzzeit und -intensität sowie die Chemie des Ätzmittels.

  1. Maskenentwurf: Die Präzision des Maskendesigns und die Auflösung des Musters werden durch computergestützte Design-Software (CAD) und die Präzision des DDI-Werkzeugs gesteuert.
  2. Fotoresist-Qualität: Fotolack ist ein lichtempfindliches Material, das zur Übertragung des Musters auf das Metallblech verwendet wird. Die Qualität des Fotolacks kann sich auf die Auflösung und Präzision des Musters auswirken, weshalb stets hochwertige Fotolacke verwendet werden, um eine präzise Musterübertragung zu gewährleisten.
  3. Ätzzeit und -intensität: Die Ätzzeit und die Intensität des Ätzvorgangs werden streng kontrolliert, um sicherzustellen, dass die Merkmale auf dem Metallblech präzise erzeugt werden. Dies ist besonders wichtig für die Breite und Tiefe der Rinnen und die Form der Rinnenwände.
  4. Chemie des Ätzmittels: Die Chemie des Ätzmittels wird kontrolliert, um sicherzustellen, dass es das Metall im gewünschten Muster selektiv auflöst, während der Rest des Blechs intakt bleibt.

Inhaltbeigetragen von Elcon Precision

Elcon Precision ist ein Hersteller von Präzisionskomponenten für viele kritische Bauteile. Seit über 60 Jahren haben wir uns auf fotochemisches Ätzen, keramische Metallisierung und gelötete Baugruppen spezialisiert. Für die Wasserstoffindustrie liefern wir photochemisch bearbeitete Bipolarplatten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen. Schicken Sie uns Ihre Fragen und Zeichnungen noch heute! Unsere Ingenieure arbeiten mit Ihnen zusammen, um Ihre Plattendesigns und Kosten zu optimieren, damit Sie vom Prototyp zur Serienfertigung gelangen.

Letzte Aktualisierung: 05.05.2023

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