Kunststoff-Zellrahmen für Wasserstoff-Elektrolyseure

Die Wasserstoffproduktion macht den Schritt von Pilotprojekten zur industriellen Serienfertigung. Dabei steigt der Bedarf an skalierbaren und kosteneffizienten Produktionskonzepten. Eine zentrale Rolle spielt der Zellrahmen – ein großes, präzises und chemisch beständiges Bauteil im Elektrolyseur. Das Unternehmen ENGEL unterstützt diesen Zukunftsmarkt mit Maschinentechnologie und Anwendungskompetenz für die Industrialisierung von Wasserstoffkomponenten.

Übergang zur industriellen Fertigung

Elektrolyseure spalten mit elektrischer Energie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Der Zellrahmen im Stack übernimmt dabei mehrere Funktionen: Er unterstützt den Aufbau des gesamten Stacks, steuert die Medienführung und Abdichtung und trägt zur mechanischen Stabilität über die Lebensdauer des Systems bei.

Viele Wasserstoffprojekte befinden sich derzeit in einer Übergangsphase von der Prototypenfertigung zur wiederholgenauen industriellen Produktion. Dieser Schritt stellt neue Anforderungen an Bauteildesign, Materialauswahl und Prozessstabilität.

Bei dieser Industrialisierung kann das Spritzgießen eine entscheidende Rolle spielen. Das Verfahren bietet hohe Reproduzierbarkeit, viel Gestaltungsfreiheit, Möglichkeiten zur Funktionsintegration sowie Potenzial für wirtschaftliche Serienproduktion bei steigenden Stückzahlen.
Bei Zellrahmen genügt es nicht, ein bestehendes Design einfach in ein Spritzgießwerkzeug zu übertragen. Von Anfang an müssen Werkstoff, Bauteildesign, Werkzeugkonzept, Maschinentechnik und Prozessentwicklung aufeinander abgestimmt werden.

Technische Kunststoffe im Einsatz

Anspruchsvolle Umgebungsbedingungen prägen den Einsatz von Elektrolyseur-Komponenten: Je nach Technologie wirken Temperatur, Druck, Wasser oder alkalische Medien wie KOH auf sie ein, weshalb der langfristigen Werkstoffperformance zentrale Bedeutung zukommt.
Zu den relevanten Werkstofffamilien für Wasserstoffanwendungen zählen Hochleistungsthermoplaste wie PPS, PSU, PPSU und PEEK, die Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit, mechanische Leistungsfähigkeit und Verarbeitbarkeit vereinen.
Technisch bedeutsam ist zudem der Einsatz von Glasfaserverstärkung: In alkalischen Umgebungen droht den Verstärkungsfasern im Zeitverlauf ein Angriff durch das umgebende Medium. Bildet sich dabei ein durchgängiger Pfad durch das Bauteil, kann eine Kettenreaktion einsetzen, in deren Verlauf die Fasern fortschreitend aufgelöst werden – mit der Folge, dass die strukturelle Stabilität des Bauteils über die Zeit sinken kann.
Eine sorgfältige Wahl von Verstärkungsgrad und Bauteildesign begrenzt diesen Effekt auf eine oberflächennahe Schicht, während der Kernbereich des Werkstoffs weitgehend unberührt bleibt. Als zentrale werkstofftechnische Herausforderung gilt daher das Gleichgewicht zwischen mechanischer Leistungsfähigkeit und langfristiger chemischer Stabilität.

Drei Elektrolyseur-Technologien

Mehrere Elektrolyseur-Technologien befinden sich derzeit am Wasserstoffmarkt in Weiterentwicklung. Für ihren dynamischen Betrieb und kompakte Systemdesigns bekannt sind PEM-Elektrolyseure (Protonenaustauschmembran) – besonders relevant dort, wo die Energiezufuhr aus erneuerbaren Quellen schwankt.
Als etablierte und robuste Technologie gelten hingegen AEL-Elektrolyseure (alkalische Elektrolyseure), vor allem in größeren industriellen Anwendungen.
Ein aufstrebendes Technologiefeld stellen AEM-Elektrolyseure (Anionenaustauschmembran) dar: Sie verbinden Aspekte membranbasierter und alkalischer Systeme und könnten neue Möglichkeiten für künftige Stack-Designs eröffnen.
Unterschiedlich fallen dabei die Anforderungen an Zellrahmen, Werkstoff und Fertigungsprozess je nach Technologie aus.

Präzision bei großformatigen Bauteilen

Zellrahmen sind meist große, flache Bauteile, die für die Funktion entscheidend sind. Sie müssen sehr genau in Maßhaltigkeit, Stabilität und Wiederholgenauigkeit sein. Ein zentrales Thema ist dabei der Verzug: Bei großformatigen Bauteilen können schon kleine Abweichungen die Montage, das Dichtverhalten und die Leistung des gesamten Stacks beeinflussen.
Moderne Verfahren wie das Spritzprägen (Injection Compression Moulding oder Coining) bieten für solche Bauteile Vorteile. Das Verfahren kann die Dimensionsstabilität verbessern und neue Möglichkeiten für große, flache Bauteile eröffnen.
Welches Prozesskonzept genau passt, hängt immer von Bauteilgeometrie, Werkstoff und Leistungsanforderungen ab. Deshalb sind frühe Versuche und anwendungstechnische Entwicklungen wichtig.

Versuchsmöglichkeiten im Technikum

ENGEL bietet Kunden die Möglichkeit, Entwicklungsprojekte durch praxisnahe Versuche zu unterstützen. Im Technikum können Kunden gemeinsam mit Anwendungstechnikern Materialien, Werkzeuge, Maschinenkonzepte und Prozessstrategien unter realitätsnahen Produktionsbedingungen testen.

Mit Maschinen, deren Schließkraft bis zu 55.000 kN reicht, lassen sich auch große Zellrahmen für Elektrolyseure nahe an den späteren Serienanforderungen testen.
Solche Versuche helfen dabei, das Verhalten der Bauteile besser zu verstehen, Prozesse zu verbessern und Risiken in der Entwicklung zu senken. Gerade bei Wasserstoffanwendungen, wo Zellrahmen hohe Qualität, Wiederholgenauigkeit und langfristige Leistungsfähigkeit brauchen, liefern praktische Tests eine solide Grundlage für Entscheidungen zur Industrialisierung und für Investitionen.

Plattenparallelität als Schlüsselfaktor

Für die Herstellung großer Zellrahmen für Elektrolyseure braucht es eine Maschinenplattform, die Stabilität, Präzision und Prozessflexibilität vereint. Bei großen, flachen Zellrahmen ist die Plattenparallelität einer der wichtigsten Faktoren. Schon kleine Abweichungen über eine große Werkzeugfläche können zu ungleichmäßigen Wanddicken, mehr Verzug und schwankender Bauteilqualität führen.
Die ENGEL duo Maschinenplattform regelt die Plattenparallelität sehr genau. Die Holme lassen sich während des Prozesses einzeln steuern und überwachen. Diese Möglichkeit ist vor allem beim Spritzprägen von großem Vorteil, weil eine gleichbleibende Parallelität während der Prägebewegung entscheidend für reproduzierbare Ergebnisse ist.
Zusammen mit stabiler Plastifizierung, wiederholgenauer Einspritzleistung und zuverlässiger Prozessüberwachung bildet sie die technische Grundlage für gleichbleibende Bauteilqualität über lange Produktionsläufe.

Dichtung und Funktionsintegration

Eine der wichtigsten Funktionen in einem Elektrolyseur-Stack ist die Abdichtung. Je nach Stack-Design brauchen Zellrahmen mehrere Dichtbereiche rund um Membranen, Medienkanäle und Außenkonturen.
Heute setzt man Dichtungskonzepte oft in eigenen Fertigungs- oder Montageschritten um. In künftigen industriellen Konzepten könnten integrierte oder automatisierte Dichtungslösungen immer wichtiger werden. Dazu zählen zum Beispiel nachträglich angespritzte Dichtungen, automatisiertes Dichtungshandling oder Mehrkomponentenlösungen.
Welche Lösung passt, hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab und muss sorgfältig geprüft werden. Entscheidende Faktoren sind dabei Materialverträglichkeit, Prozesstemperatur, Haftung und Langzeitbeständigkeit.

Unterstützung von der Machbarkeit bis zur Serie

EENGEL unterstützt Kunden mit Anwendungsberatung, Maschinen- und Prozess-Know-how sowie Versuchsmöglichkeiten im Technikum. Dazu kommen Expertise im Spritzprägen, genaue Plattenparallelitätsregelung für große Bauteile, Erfahrung im Spritzgießen großer Bauteile, Automation und Systemintegration sowie Unterstützung von der Machbarkeit bis zur Serienproduktion.
Bei Zellrahmen für Elektrolyseure geht es nicht nur darum, das Bauteil einmal herzustellen. Die eigentliche Aufgabe ist es, ein skalierbares, wiederholgenaues und wirtschaftlich tragfähiges Produktionskonzept für die Zukunft zu entwickeln.
Kunststoff-Zellrahmen können so zu einem wichtigen Baustein für die nächste Generation von Wasserstoffsystemen werden.

Quelle: https://www.engelglobal.com/de/at/unternehmen/media-center/news-presse/wasserstoff-elektrolyseure-kunststoff-zellrahmen-fuer-die-industrielle-wasserstoffproduktion