氢技术要成为能源转型的关键，需要向广泛应用迈出决定性的一步。然而，阻碍这一渴望已久的突破的主要因素是燃料电池和电解槽的昂贵材料和复杂制造工艺的高成本。

弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 正在应对这些挑战，并努力开发经济高效且可扩展的解决方案。在Hy-fcell 2024在斯图加特，这家位于亚琛的研究所将在 4 号展厅 4E51 展台展示开创性的创新成果，这些变革有助于生产流程同时更加经济和可持续。

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

由于需求燃料随着细胞的生长，提高生产过程的效率变得越来越重要。然而，关键的挑战仍然存在：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，该过程在大型对流烘箱中进行，这会消耗大量能源并占用生产车间相当大的空间。

Fraunhofer 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，可以将干燥时间从几分钟缩短到几秒钟。干燥时间的大幅缩短显着提高了生产速度，特别是在卷对卷工艺中。

此外，与传统的燃气连续烘箱相比，该工艺降低了能源需求。此外，激光系统所需的空间大大减少，从而使生产线更加紧凑和灵活。

“通过开发基于激光的卷对卷工艺来生产膜电极单元，我们正在朝着提高燃料电池制造工艺效率迈出重要一步。凭借我们的激光辅助干燥技术，我们正在制定新的方法标准不仅提高了生产速度，而且还优化了能源效率和空间利用”，Fraunhofer ILT 薄膜处理小组的 Manuella Guirgues 解释道。

双极板的腐蚀防护涂层：提高燃料电池生产效率并降低成本

特别是对于 PEM 燃料电池，燃料电池内的恶劣化学条件给生产带来了新的挑战。保护金属双极板 (BPP) 免受腐蚀不仅对于电池的使用寿命至关重要，而且对于整个燃料电池堆的效率也至关重要。

当 BPP 在真空中采用化学或物理气相沉积进行涂覆时，成本会上升，生产也会减慢。Fraunhofer 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且耐腐蚀的表面处理，而无需采用能源密集型真空工艺。

这种方法不仅可以通过使用具有成本效益的材料显着降低生产成本，而且可以更好地集成到连续制造过程中。该工艺的高可扩展性有助于有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：“我们基于激光的腐蚀保护层生产方法为传统真空工艺提供了一种高效且经济高效的替代方案。它可以实现更快的生产并提高可扩展性，这对于满足对 PEM 燃料电池的需求不断增加。”

通过双束焊接和成型工具修复优化燃料电池生产

双束焊接也可用于加快其他地方的生产速度。该工艺同时使用两束激光束焊接金属双极板，该技术可将周期时间缩短近 50%，且不会影响接缝质量。

当两个光束用于一点焊接时，可以选择性地影响熔池动态，从而实现更高的焊接速度并避免驼峰等典型缺陷。该工艺可实现更快、更高效的生产，满足氢技术日益增长的需求。

金属 BPP 的生产还受到所用工具钢使用寿命的阻碍。这些工具由于机械负载高而容易磨损。ILT采取的方法是用结构钢替代成本密集型工具钢，并使用极高速激光熔覆（EHLA）涂敷高质量的磨损保护涂层。

与传统工具钢相比，涂层工件的滑动摩擦磨损性能提高了 10 倍以上。EHLA 工艺还可以修复工具的受损区域，从而使工具能够适应和重复使用。该技术显着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。

Fraunhofer ILT 正在开发多种工艺，以使燃料电池组件的制造工艺链更加高效。其中包括高速切割，可精确修剪 BPP 并直接切割介质进料孔。

一种创新方法是通过激光将微结构引入金属 BPP 中，从而降低接触电阻并在燃料电池运行期间排出接触区域的水。

亚琛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。

提供者：弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT