氫技術要成為能源轉型的關鍵，需要朝廣泛應用邁出決定性的一步。然而，阻礙這項渴望已久的突破的主要因素是燃料電池和電解槽的昂貴材料和複雜製造流程的高成本。

弗勞恩霍夫雷射技術研究所 ILT 正在應對這些挑戰，並努力開發經濟高效且可擴展的解決方案。在Hy-fcell 2024在斯圖加特，這家位於亞琛的研究所將在 4 號展廳 4E51 展位展示開創性的創新成果，這些變革有助於生產流程同時更加經濟和永續。

基於雷射的電極乾燥：燃料電池生產中的能源效率、速度和空間節省

由於需求燃料隨著細胞的生長，提高生產過程的效率變得越來越重要。然而，關鍵的挑戰仍然存在：乾燥聚合物電解質膜（PEM）燃料電池中膜電極組件（MEA）的濕塗電極層。傳統上，該過程在大型對流烘箱中進行，這會消耗大量能源並佔用生產車間相當大的空間。

Fraunhofer ILT 開發了一種雷射輔助乾燥技術來解決這些問題。使用雷射選擇性地暴露電極，可以將乾燥時間從幾分鐘縮短到幾秒鐘。乾燥時間的大幅縮短顯著提高了生產速度，特別是在卷對卷製程。

此外，與傳統的燃氣連續烘箱相比，此製程降低了能源需求。此外，雷射系統所需的空間大大減少，從而使生產線更加緊湊和靈活。

「透過開發以雷射為基礎的捲對捲製程來生產膜電極單元，我們正在朝著提高燃料電池製造流程效率邁出重要一步。憑藉我們的雷射輔助乾燥技術，我們正在製定新的方法標準不僅提高了生產速度，而且還優化了能源效率和空間利用”，Fraunhofer ILT 薄膜處理小組的 Manuella Guirgues 解釋道。

雙極板的腐蝕防護塗層：提高燃料電池生產效率並降低成本

特別是對於 PEM 燃料電池，燃料電池內的惡劣化學條件為生產帶來了新的挑戰。保護金屬雙極板 (BPP) 免受腐蝕不僅對於電池的使用壽命至關重要，而且對於整個燃料電池堆的效率也至關重要。

當 BPP 在真空中採用化學或物理氣相沉積進行塗覆時，成本會上升，生產也會減慢。Fraunhofer ILT 正在研究一種將噴塗與雷射光束加工相結合的工藝，以便在金屬雙極板上實現導電且耐腐蝕的表面處理，而無需採用能源密集型真空工藝。

這種方法不僅可以透過使用具有成本效益的材料顯著降低生產成本，而且可以更好地整合到連續製造過程中。該工藝的高可擴展性有助於有效地服務於不斷增長的 PEM 燃料電池市場。

高溫功能化小組的Julius Funke 強調：「我們基於雷射的腐蝕保護層生產方法為傳統真空製程提供了一種高效且經濟高效的替代方案。它可以實現更快的生產並提高可擴展性，這對於滿足對 PEM 燃料電池的需求不斷增加。

透過雙束焊接和成型工具修復優化燃料電池生產

雙束焊接也可用於加快其他地方的生產速度。該工藝同時使用兩束雷射光束焊接金屬雙極板，該技術可將週期時間縮短近 50%，且不會影響接縫品質。

當兩個光束用於一點焊接時，可以選擇性地影響熔池動態，從而實現更高的焊接速度並避免駝峰等典型缺陷。此製程可實現更快、更有效率的生產，滿足氫技術日益增長的需求。

金屬 BPP 的生產也受到所用工具鋼使用壽命的阻礙。這些工具由於機械負載高而容易磨損。ILT採取的方法是以結構鋼取代成本密集工具鋼，並使用極高速雷射熔覆（EHLA）塗敷高品質的磨損保護塗層。

與傳統工具鋼相比，塗層工件的滑動摩擦磨損性能提高了 10 倍以上。該技術顯著延長了工具的使用壽命，從而降低了生產成本並提高了製造的可持續性。

Fraunhofer ILT 正在開發多種工藝，以使燃料電池組件的製造工藝鏈更加高效。其中包括高速切割，可精確修剪 BPP 並直接切割介質進料孔。

一種創新方法是透過雷射將微結構引入金屬 BPP 中，從而降低接觸電阻並在燃料電池運行期間排出接觸區域的水。

亞琛的研究人員也正在深入研究複合 BPP 和 MEA 的結構和焊接，以進一步實現燃料電池生產的自動化並提高其效率。

提供者：弗勞恩霍夫雷射技術研究所 ILT