开发燃料电池经济高效、高速生产的新方法
氢能技术要想成为能源转型的关键，就需要向广泛应用迈出决定性的一步。然而，阻碍这一期待已久的突破的主要因素是昂贵的材料成本以及燃料电池和电解器的复杂制造工艺。弗劳恩霍夫激光技术研究所 (ILT) 正在应对这些挑战，并努力开发具有成本效益和可扩展的解决方案。在斯图加特的Hy-fcell 2024展会上，这家位于亚琛的研究所将在 4 号展厅 4E51 展位展示开创性的创新成果，这些变革有助于使生产过程更加经济和可持续。
基于激光的电极干燥：燃料电池生产中的能源效率、速度和空间节省
随着对燃料电池的需求不断增长，提高生产流程效率变得越来越重要。然而，一个关键挑战仍然存在：干燥聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池中膜电极组件 (MEA) 的湿涂电极层。传统上，该过程在大型对流炉中进行，这会消耗大量能源并占用生产车间的相当大的空间。
弗劳恩霍夫 ILT 开发了一种激光辅助干燥技术来解决这些问题。使用激光选择性地暴露电极，可将干燥时间从几分钟缩短至几秒钟。干燥时间的大幅缩短显著提高了生产速度，尤其是在卷对卷工艺中。
此外，与传统的燃气连续炉相比，该工艺降低了能源需求。此外，激光系统占用的空间也小得多，这使得生产线更加紧凑和灵活。
“通过开发一种基于激光的卷对卷工艺来生产膜电极单元，我们朝着提高燃料电池制造工艺效率迈出了重要一步。借助我们的激光辅助干燥技术，我们制定了一项新标准，不仅可以提高生产速度，还可以优化能源效率和空间利用率，”弗劳恩霍夫 ILT 薄膜处理小组的 Manuella Guirgues 解释道。
双极板防腐涂层：提高燃料电池生产效率并降低成本
尤其是对于 PEM 燃料电池，燃料电池内的腐蚀性化学条件对生产提出了新的挑战。保护金属双极板 (BPP) 免受腐蚀不仅对电池的使用寿命至关重要，而且对整个燃料电池组的效率也至关重要。
当双极板在真空中通过化学或物理气相沉积进行涂覆时，成本会上升，生产速度也会减慢。弗劳恩霍夫 ILT 正在研究一种将喷涂与激光束加工相结合的工艺，以便在金属双极板上实现导电和耐腐蚀的表面处理——而无需耗能的真空工艺。
这种方法不仅可以通过使用具有成本效益的材料大幅降低生产成本，还可以更好地融入连续制造工艺中。该工艺的高度可扩展性有助于高效地服务于不断增长的 PEM 燃料电池市场。
高温功能化小组的 Julius Funke 强调说：“我们基于激光的防腐层生产方法提供了一种高效且经济的传统真空工艺替代方案。它可以加快生产速度并提高可扩展性，这对于满足日益增长的 PEM 燃料电池需求至关重要。”
通过双梁焊接和成型工具修复优化燃料电池生产
双光束焊接也可用于加速其他生产。该工艺使用两束激光同时焊接金属双极板，该技术可将周期缩短近 50%，同时不会影响接缝质量。
当使用两束激光在同一点进行焊接时，可以选择性地影响熔池动态，从而提高焊接速度并避免驼峰等常见缺陷。该工艺可实现更快、更高效的生产，满足日益增长的氢能技术需求。
金属 BPP 的生产也受到所用工具钢使用寿命的制约。由于机械负荷高，工具易磨损。ILT 采取的方法是使用结构钢替代成本高昂的工具钢，并使用超高速激光熔覆 (EHLA) 涂覆高质量耐磨涂层。
与传统工具钢相比，涂层工件的滑动摩擦耐磨性提高了 10 倍以上。EHLA 工艺还可以修复工具的受损区域，使工具能够改装和重复使用。该技术大大延长了工具的使用寿命，从而降低了生产成本并提高了制造的可持续性。
弗劳恩霍夫 ILT 正在开发多种工艺，以提高燃料电池组件制造工艺链的效率。其中包括高速切割，利用高速切割可以精确修整 BPP 并直接切割介质进料孔。
一种创新方法是利用激光将微结构引入金属 BPP，从而降低电接触电阻并在燃料电池运行期间将水从接触区排出。
亚琛大学的研究人员还在深入研究复合 BPP 和 MEA 的结构和焊接，以进一步实现燃料电池生产的自动化并提高其效率。
由弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 提供
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