수소 기술이 에너지 전환의 핵심이 되기 위해서는 광범위한 적용을 향한 결정적인 발걸음이 필요합니다.그러나 오랫동안 기다려온 이러한 혁신을 가로막는 주요 요인은 고가의 재료 비용과 연료 전지 및 전해조의 복잡한 제조 공정입니다.

Fraunhofer 레이저 기술 연구소 ILT는 이러한 문제를 해결하고 비용 효율적이고 확장 가능한 솔루션을 개발하기 위해 열심히 노력하고 있습니다.~에하이프셀 2024슈투트가르트의 아헨 기반 연구소는 홀 4, 스탠드 4E51에서 선구적인 혁신을 선보일 예정입니다.생산 공정동시에 훨씬 더 경제적이고 지속 가능합니다.

레이저 기반 전극 건조: 연료 전지 생산의 에너지 효율성, 속도 및 공간 절약

에 대한 수요로는연료세포가 성장함에 따라 생산 공정을 보다 효율적으로 만드는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다.그러나 핵심 과제는 고분자 전해질막(PEM) 연료 전지의 막 전극 조립체(MEA)용 습식 도포 전극층을 건조시키는 것입니다.일반적으로 이 공정은 대형 대류 오븐에서 수행되는데, 이는 많은 양의 에너지를 소비하고 생산 홀에서 상당한 공간을 차지합니다.

Fraunhofer ILT는 이러한 문제를 해결하는 레이저 보조 건조 기술을 개발했습니다.전극을 선택적으로 노출시키는 레이저를 사용하면 건조 시간이 몇 분에서 몇 초로 단축됩니다.이러한 건조 시간의 급격한 감소는 특히 롤투롤 공정에서 생산 속도를 크게 향상시킵니다.

또한 이 공정은 기존 가스 구동 연속 오븐에 비해 에너지 요구 사항을 줄입니다.또한 레이저 시스템은 공간을 훨씬 적게 차지하므로 생산 라인을 더욱 콤팩트하고 유연하게 만들 수 있습니다.

"막 전극 장치 생산을 위한 레이저 기반 롤투롤 공정을 개발함으로써 우리는 연료 전지 제조 공정을 보다 효율적으로 만드는 중요한 단계를 밟고 있습니다. 레이저 보조 건조 기술을 통해 우리는 새로운생산 속도를 높일 뿐만 아니라 최적화하는 표준에너지 효율공간 활용도가 중요합니다."라고 Fraunhofer ILT의 박막 처리 그룹 Manuella Guirgues는 설명합니다.

분리판용 부식 방지 코팅: 연료 전지 생산의 효율성 향상 및 비용 절감

특히 PEM 연료전지의 경우, 연료전지 내의 공격적인 화학적 조건은 생산에 새로운 과제를 제기합니다.금속분리판(BPP)을 부식으로부터 보호하는 것은 전지의 수명뿐만 아니라 전체 연료전지 스택의 효율성에도 필수적입니다.

진공 상태에서 BPP를 화학적 또는 물리적 기상 증착으로 코팅하면 비용이 상승하고 생산 속도가 느려집니다.Fraunhofer ILT는 에너지 집약적인 진공 공정 없이도 금속 분리판에 전기 전도성 및 내부식성 마감 처리를 달성하기 위해 스프레이 코팅과 레이저 빔 가공을 결합하는 공정을 연구하고 있습니다.

이러한 접근 방식은 비용 효율적인 재료를 사용하여 생산 비용을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연속 제조 공정에 더 잘 통합될 수 있습니다.프로세스의 높은 확장성은 성장하는 PEM 연료 전지 시장에 효율적으로 서비스를 제공하는 데 도움이 됩니다.

고온 기능화 그룹의 Julius Funke는 "우리의 레이저 기반 부식 방지층 생산 방법은 기존 진공 공정에 대한 효율적이고 비용 효과적인 대안을 제공합니다. 이를 통해 생산 속도를 높이고 확장성을 향상시킬 수 있으며 이는 요구 사항을 충족하는 데 중요합니다.PEM 연료전지에 대한 수요가 증가하고 있습니다."

더블빔 용접 및 성형공구 수리를 통한 연료전지 생산 최적화

더블빔 용접은 다른 곳에서도 생산 속도를 높이는 데 사용될 수 있습니다.이 프로세스는 두 개의 레이저 빔을 동시에 사용하여 금속 양극판을 용접합니다. 이 기술은 솔기 품질을 저하시키지 않으면서 사이클 시간을 거의 50% 단축합니다.

두 개의 빔을 사용하여 한 지점에서 용접하면 용융 풀 역학이 선택적으로 영향을 받아 용접 속도를 높이고 험핑과 같은 일반적인 결함을 피할 수 있습니다.이 프로세스를 통해 증가하는 수소 기술 수요를 충족하는 더 빠르고 효율적인 생산이 가능해집니다.

금속 BPP의 생산은 또한 사용되는 공구강의 수명으로 인해 방해를 받습니다.공구는 높은 기계적 부하로 인해 마모되기 쉽습니다.ILT가 취한 접근 방식은 비용 집약적인 공구강을 구조용 강철로 교체하고 EHLA(극고속 레이저 클래딩)를 사용하여 고품질 마모 방지 코팅을 적용하는 것입니다.

기존 공구강에 비해 코팅된 공작물은 미끄럼 마찰 마모 저항이 10배 이상 증가한 것으로 나타났습니다. 또한 EHLA 공정을 통해 공구의 손상된 부분을 수리할 수 있어 공구를 조정하고 재사용할 수 있습니다.이 기술은 도구의 사용 수명을 크게 연장하여 생산 비용을 절감하고 제조의 지속 가능성을 높입니다.

Fraunhofer ILT는 연료전지 부품 제조를 위한 프로세스 체인을 보다 효율적으로 만들기 위해 다양한 프로세스를 개발하고 있습니다.여기에는 BPP를 정밀하게 다듬고 미디어 공급 구멍을 직접 절단하는 고속 절단이 포함됩니다.

혁신적인 접근 방식은 레이저를 기반으로 금속 BPP에 미세 구조를 도입하는 것입니다. 이는 전기 접촉 저항을 줄이고 연료 전지 작동 중에 접촉 영역에서 물을 대체합니다.

아헨 연구진은 또한 연료 전지 생산을 더욱 자동화하고 효율성을 높이기 위해 복합 BPP 및 MEA의 구조화 및 용접을 집중적으로 연구하고 있습니다.

제공자:Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT