レーザによる電極の乾燥: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

October, 10, 2024, Aachen--燃料電池の需要が増加しており、生産プロセスの効率化がますます重要になってきている。しかし、重要な課題は、高分子電解質膜(PEM)燃料電池の膜電極集合体(MEA)の湿式塗布電極層の乾燥である。従来、このプロセスは大型の対流式オーブンで行われており、生産ホールでは大量のエネルギーを消費し、かなりのスペースを占有する。

FraunhoferILTは、これらの問題に対処するレーザアシスト乾燥技術を開発した。電極を選択的に露出させるレーザを使用することで、乾燥時間が数分からわずか数秒に短縮される。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での生産速度が大幅に向上する。さらに、このプロセスにより、従来のガス駆動の連続オーブンと比較して、必要なエネルギーが削減される。さらに、レーザシステムは必要なスペースが大幅に削減されるため、よりコンパクトで柔軟な生産ラインが可能になる。

「膜電極ユニットの製造にレーザベースのロール・ツー・ロール・プロセスを開発することで、燃料電池製造プロセスの効率化に向けて重要な一歩を踏み出している。われわれのレーザアシスト乾燥技術により、生産速度を向上させるだけでなく、エネルギー効率とスペース利用を最適化する新しい基準を設定している」と、FraunhoferILTの薄膜処理グループのManuella Guirguesは説明している。

バイポーラプレート用腐食防止コーティング:燃料電池製造の効率向上とコスト削減
特にPEM燃料電池では、燃料電池内の厳しい化学的条件が生産に新たな課題をもたす。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も不可欠である。

BPPsを真空中で化学的または物理的な蒸着でコーティングすると、コストが上昇し、生産が遅くなる。FraunhoferILT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腐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ビーム処理を組み合わせたプロセスに取り組んでいる。

このアプローチは、費用対効果の高い材料を使用して生産コストを大幅に削減するだけでなく、連続製造プロセスにより適切に統合することもで可能。このプロセスの高いスケーラビリティは、成長するPEM燃料電池市場に効率的にサービスを提供するのに有用である。

High Temperature FunctionalizationグループのJulius Funkeは、「われわれのレーザベースの腐食防止層の製造方法は、従来の真空プロセスに代わる効率的で費用対効果の高い方法を提供する。これにより、より迅速な生産とスケーラビリティの向上が可能になり、これはPEM燃料電池の増大する需要を満たすために重要である」と強調している。

ダブルビーム溶接とフォーミングツールの修理による燃料電池生産の最適化
ダブルビーム溶接は、他の場所での生産をスピードアップするためにも使用できる。このプロセスでは、2つのレーザ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、シームの品質を損なうことなくサイクルタイムを約50%短縮する技術である。2つのビームを使用して1点で溶接すると、メルト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、溶接速度を高速化し、ハンプなどの一般的な欠陥を回避できる。このプロセスにより、水素技術の増大する要求を満たす、より迅速で効率的な生産が可能になる。

金属BPPsの生産は、使用される工具(ツール)鋼の耐用年数によっても妨げられる。ツールは、機械的負荷が高いため、摩耗しやすい。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施すことである。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、滑り摩擦摩耗抵抗が10倍以上向上する。EHLAプロセスでは、ツールの損傷した領域を修理することも可能にし、ツールを適合させて再利用できるようにする。この技術により、ツールの耐用年数が大幅に延び、生産コストが削減され、製造の持続可能性が向上する。

FraunhoferILTは、燃料電池部品の製造プロセスチェーンをより効率的にするために、いくつかのプロセスを開発している。これには、BPPsを正確にトリミングし、メディアフィード穴を直接カットする高速カットが含まれる。革新的なアプローチは、レーザベースの微細構造を金属BPPに導入することで、燃料電池の運転中に電気接触抵抗を減らし、接触ゾーンから水を置換することである。アーヘンの研究者は、燃料電池の生産をさらに自動化し、より効率的にするために、化合物BPPsやMEAsの構造化と溶接も集中的に調査している。