水素技術がエネルギー転換の鍵となるためには、幅広い応用に向けて決定的な一歩を踏み出す必要があります。しかし、この待望の進歩を妨げる主な要因は、燃料電池と電解槽の高価な材料と複雑な製造プロセスの高コストです。

フラウンホーファーレーザー技術研究所 ILT は、これらの課題に取り組み、コスト効率が高く拡張性の高いソリューションの開発に熱心に取り組んでいます。でハイフセル2024シュトゥットガルトでは、アーヘンに拠点を置くこの研究所が、ホール 4、スタンド 4E51 で先駆的なイノベーションを発表します。生産工程かなり経済的でありながら、同時に持続可能です。

レーザーベースの電極乾燥: 燃料電池製造におけるエネルギー効率、速度、スペースの節約

需要としては燃料細胞の成長に伴い、生産プロセスをより効率的にすることがますます重要になってきています。しかし、高分子電解質膜 (PEM) 燃料電池の膜電極接合体 (MEA) に湿式塗布された電極層を乾燥させるという重要な課題が残っています。従来、このプロセスは大型の対流式オーブンで実行されていましたが、大量のエネルギーを消費し、生産現場でかなりのスペースを占めていました。

フラウンホーファー ILT は、これらの問題に対処するレーザー支援乾燥技術を開発しました。電極を選択的に露光するレーザーの使用により、乾燥時間が数分からわずか数秒に短縮されます。この乾燥時間の大幅な短縮により、特にロールツーロールプロセスにおける生産速度が大幅に向上します。

さらに、このプロセスでは、従来のガス動力の連続オーブンと比較して、エネルギー要件が削減されます。さらに、レーザー システムは必要なスペースが大幅に少ないため、よりコンパクトで柔軟な生産ラインが可能になります。

「膜電極ユニット製造用のレーザーベースのロールツーロールプロセスを開発することにより、当社は燃料電池製造プロセスの効率化に向けた重要な一歩を踏み出しています。当社のレーザー支援乾燥技術により、当社は新たな目標を設定しています。生産速度を向上させるだけでなく、最適化も実現する標準エネルギー効率と宇宙利用です」とフラウンホーファー ILT の薄膜処理グループの Manuella Guirgues 氏は説明します。

バイポーラプレートの防食コーティング: 燃料電池生産の効率を向上させ、コストを削減

特に PEM 燃料電池の場合、燃料電池内の攻撃的な化学条件が生産に新たな課題をもたらします。金属バイポーラ プレート (BPP) を腐食から保護することは、セルの耐用年数だけでなく、燃料電池スタック全体の効率にとっても不可欠です。

BPP を真空中で化学蒸着または物理蒸着でコーティングすると、コストが上昇し、生産が遅くなります。フラウンホーファー ILT は、エネルギー集約的な真空プロセスを必要とせずに、金属バイポーラ プレートに導電性と耐食性の仕上げを実現するために、スプレー コーティングとレーザー ビーム処理を組み合わせたプロセスに取り組んでいます。

このアプローチは、費用対効果の高い材料の使用により生産コストを大幅に削減できるだけでなく、連続製造プロセスへの統合を改善することもできます。プロセスの高い拡張性は、成長する PEM 燃料電池市場に効率的に対応するのに役立ちます。

高温機能化グループの Julius Funke 氏は、「当社のレーザーベースの腐食保護層製造方法は、従来の真空プロセスに代わる効率的かつコスト効率の高い方法を提供します。これにより、生産の高速化と拡張性の向上が可能になります。これは、PEM燃料電池の需要が増加しています。」

ダブルビーム溶接と成形ツールの修理による燃料電池生産の最適化

ダブルビーム溶接を使用して、他の場所での生産をスピードアップすることもできます。このプロセスでは、2 つのレーザー ビームを同時に使用して金属バイポーラ プレートを溶接します。この技術により、継ぎ目の品質を損なうことなくサイクル タイムがほぼ 50% 短縮されます。

2 つのビームを使用して 1 点で溶接すると、溶融プールのダイナミクスに選択的に影響を与えることができるため、溶接速度が向上し、ハンピングなどの典型的な欠陥が回避されます。このプロセスにより、水素技術の増大する需要を満たす、より迅速かつ効率的な生産が可能になります。

金属 BPP の製造は、使用される工具鋼の耐用年数によっても妨げられます。工具は機械的負荷が高いため摩耗しやすくなっています。ILT が採用したアプローチは、コストのかかる工具鋼を構造用鋼に置き換え、超高速レーザー クラッディング (EHLA) を使用して高品質の摩耗保護コーティングを適用することです。

従来の工具鋼と比較して、コーティングされたワークピースは滑り摩擦耐摩耗性が 10 倍以上向上しています。また、EHLA プロセスにより工具の損傷領域を修復できるため、工具を適応させて再利用することができます。このテクノロジーにより、工具の耐用年数が大幅に延長され、その結果、生産コストが削減され、製造における持続可能性が向上します。

フラウンホーファー ILT は、燃料電池コンポーネントを製造するプロセス チェーンをより効率的にするための多くのプロセスを開発しています。これらには、BPP を正確にトリミングし、メディア送り穴を直接カットする高速カットが含まれます。

革新的なアプローチは、金属 BPP へのレーザーベースの微細構造の導入であり、これにより電気接触抵抗が低減され、燃料電池の動作中に接触ゾーンから水を排除します。

アーヘンの研究者らは、燃料電池の製造をさらに自動化し、より効率的にするために、複合BPPとMEAの構造化と溶接についても集中的に研究している。

提供元フラウンホーファー研究所、レーザーテクニック ILT