Phát triển các phương pháp tiếp cận mới để sản xuất pin nhiên liệu hiệu quả về chi phí và tốc độ cao
Bởi Petra Nolis, Viện Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Hàn chùm tia đôi của tấm lưỡng cực: Quy trình cải tiến này cho phép sản xuất pin nhiên liệu PEM nhanh hơn và hiệu quả hơn thông qua việc sử dụng hai chùm tia laser đồng thời. Nguồn: Fraunhofer ILT, Aachen, Đức
Để công nghệ hydro trở thành chìa khóa cho quá trình chuyển đổi năng lượng, công nghệ này cần phải có bước tiến quyết định hướng tới ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, các yếu tố chính kìm hãm bước đột phá được mong đợi này là chi phí cao của vật liệu đắt tiền và quy trình sản xuất phức tạp đối với pin nhiên liệu và bình điện phân.
Viện Công nghệ Laser Fraunhofer ILT đang giải quyết những thách thức này và nỗ lực phát triển các giải pháp hiệu quả về chi phí và có thể mở rộng quy mô. Tại Hy-fcell 2024 ở Stuttgart, viện nghiên cứu có trụ sở tại Aachen sẽ trình bày những cải tiến tiên phong tại Hội trường 4, Gian hàng 4E51, những chuyển đổi giúp cho quy trình sản xuất trở nên kinh tế hơn đáng kể và bền vững hơn cùng một lúc.
Sấy điện cực bằng laser: Hiệu quả năng lượng, tốc độ và tiết kiệm không gian trong sản xuất pin nhiên liệu
Khi nhu cầu về pin nhiên liệu tăng lên, việc làm cho quy trình sản xuất hiệu quả hơn ngày càng trở nên quan trọng. Tuy nhiên, vẫn còn một thách thức chính: sấy các lớp điện cực được áp dụng ướt cho cụm điện cực màng (MEA) trong pin nhiên liệu màng điện phân polyme (PEM). Theo thông lệ, quy trình này được thực hiện trong các lò đối lưu lớn, tiêu thụ rất nhiều năng lượng và chiếm nhiều không gian trong hội trường sản xuất.
Fraunhofer ILT đã phát triển một công nghệ sấy hỗ trợ bằng laser giải quyết những vấn đề này. Việc sử dụng tia laser, giúp phơi sáng các điện cực một cách chọn lọc, giúp giảm thời gian sấy từ vài phút xuống chỉ còn vài giây. Việc giảm đáng kể thời gian sấy này làm tăng đáng kể tốc độ sản xuất, đặc biệt là trong quy trình cuộn-cuộn.
Hơn nữa, quy trình này làm giảm nhu cầu năng lượng so với lò liên tục chạy bằng khí đốt thông thường. Ngoài ra, hệ thống laser cần ít không gian hơn đáng kể, cho phép dây chuyền sản xuất nhỏ gọn và linh hoạt hơn.
"Bằng cách phát triển quy trình cuộn-cuộn dựa trên laser để sản xuất các đơn vị điện cực màng, chúng tôi đang thực hiện một bước quan trọng hướng tới việc làm cho các quy trình sản xuất pin nhiên liệu hiệu quả hơn. Với công nghệ sấy hỗ trợ laser, chúng tôi đang thiết lập một tiêu chuẩn mới không chỉ làm tăng tốc độ sản xuất mà còn tối ưu hóa hiệu quả năng lượng và sử dụng không gian", Manuella Guirgues từ nhóm Xử lý màng mỏng tại Fraunhofer ILT giải thích.
Lớp phủ chống ăn mòn cho tấm lưỡng cực: Tăng hiệu quả và giảm chi phí trong sản xuất pin nhiên liệu
Đặc biệt đối với pin nhiên liệu PEM, các điều kiện hóa học khắc nghiệt bên trong pin nhiên liệu đặt ra những thách thức mới cho sản xuất. Việc bảo vệ các tấm lưỡng cực kim loại (BPP) khỏi bị ăn mòn không chỉ cần thiết cho tuổi thọ của pin mà còn cho hiệu quả của toàn bộ cụm pin nhiên liệu.
Khi BPP được phủ bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học hoặc vật lý trong chân không, chi phí tăng lên và sản xuất chậm lại. Fraunhofer ILT đang nghiên cứu một quy trình kết hợp lớp phủ phun với xử lý bằng tia laser để đạt được lớp hoàn thiện dẫn điện và chống ăn mòn trên các tấm lưỡng cực kim loại—mà không cần đến quy trình chân không tốn nhiều năng lượng.
Phương pháp này không chỉ có thể giảm đáng kể chi phí sản xuất thông qua việc sử dụng vật liệu tiết kiệm chi phí mà còn được tích hợp tốt hơn vào các quy trình sản xuất liên tục. Khả năng mở rộng quy mô cao của quy trình giúp phục vụ hiệu quả thị trường pin nhiên liệu PEM đang phát triển.
Julius Funke từ nhóm Chức năng hóa nhiệt độ cao nhấn mạnh, "Phương pháp dựa trên laser của chúng tôi để sản xuất lớp bảo vệ chống ăn mòn cung cấp một giải pháp thay thế hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho các quy trình chân không truyền thống. Phương pháp này cho phép sản xuất nhanh hơn và khả năng mở rộng quy mô được cải thiện, đây là yếu tố quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với pin nhiên liệu PEM".
Tối ưu hóa sản xuất pin nhiên liệu thông qua hàn chùm tia đôi và sửa chữa các công cụ tạo hình
Hàn chùm tia đôi cũng có thể được sử dụng để tăng tốc sản xuất ở những nơi khác. Quy trình này sử dụng hai chùm tia laser đồng thời để hàn các tấm lưỡng cực kim loại, một kỹ thuật giúp giảm thời gian chu kỳ gần 50% mà không ảnh hưởng đến chất lượng đường may.
Khi sử dụng hai chùm tia để hàn tại một điểm, động lực của vũng nóng chảy có thể bị ảnh hưởng một cách có chọn lọc, cho phép tốc độ hàn cao hơn và tránh các khuyết tật điển hình như uốn cong. Quy trình này cho phép sản xuất nhanh hơn và hiệu quả hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công nghệ hydro.
Việc sản xuất BPP kim loại cũng bị cản trở bởi tuổi thọ của thép công cụ được sử dụng. Các công cụ dễ bị mài mòn do tải trọng cơ học cao. Cách tiếp cận của ILT là thay thế thép công cụ tốn kém bằng thép kết cấu và áp dụng thép chất lượng cao
lớp phủ bảo vệ chống mài mòn lity sử dụng lớp phủ laser tốc độ cực cao (EHLA).
So với thép công cụ thông thường, các phôi được phủ có khả năng chống mài mòn do ma sát trượt tăng gấp hơn 10 lần. Quy trình EHLA cũng cho phép sửa chữa các khu vực bị hư hỏng của dụng cụ, cho phép các dụng cụ được điều chỉnh và tái sử dụng. Công nghệ này kéo dài đáng kể tuổi thọ của dụng cụ, từ đó giảm chi phí sản xuất và tăng tính bền vững trong sản xuất.
Fraunhofer ILT đang phát triển một số quy trình để làm cho chuỗi quy trình sản xuất các thành phần pin nhiên liệu hiệu quả hơn. Các quy trình này bao gồm cắt tốc độ cao, trong đó các BPP được cắt chính xác và các lỗ nạp vật liệu được cắt trực tiếp.
Một phương pháp tiếp cận sáng tạo là đưa các cấu trúc vi mô vào BPP kim loại dựa trên laser, giúp giảm điện trở tiếp xúc điện và đẩy nước ra khỏi vùng tiếp xúc trong quá trình vận hành pin nhiên liệu.
Các nhà nghiên cứu Aachen cũng đang nghiên cứu chuyên sâu về cấu trúc và hàn các BPP hợp chất và MEA để tự động hóa hơn nữa quá trình sản xuất pin nhiên liệu và làm cho nó hiệu quả hơn.
