لكي تصبح تكنولوجيا الهيدروجين مفتاحاً للتحول في مجال الطاقة، فإنها تحتاج إلى اتخاذ خطوة حاسمة نحو التطبيق الواسع النطاق.
ولكن العوامل الرئيسية التي تعوق هذا الاختراق المنشود تتمثل في التكاليف المرتفعة للمواد الباهظة الثمن وعمليات التصنيع المعقدة لخلايا الوقود وأجهزة التحليل الكهربائي.
يسعى معهد فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر ILT إلى معالجة هذه التحديات والعمل بجد لتطوير حلول فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير.
في معرض Hy-fcell 2024 في شتوتجارت، سيعرض المعهد في آخن ابتكارات رائدة في القاعة 4، الجناح 4E51، وهي تحولات تساعد في جعل عمليات الإنتاج أكثر اقتصادية واستدامة في نفس الوقت.
تجفيف الأقطاب الكهربائية باستخدام الليزر: كفاءة الطاقة والسرعة وتوفير المساحة فيإنتاج خلايا الوقود
مع تزايد الطلب على خلايا الوقود، أصبح من المهم بشكل متزايد جعل عمليات الإنتاج أكثر كفاءة، ومع ذلك، لا يزال هناك تحدٍ رئيسي: تجفيف طبقات الأقطاب الكهربائية المطبقة بالرطوبة لتجميع الأقطاب الكهربائية الغشائية (MEA) في خلية وقود غشاء الإلكتروليت البوليمري (PEM) تقليديًا، تتم هذه العملية في أفران الحمل الحراري الكبيرة، والتي تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة وتشغل مساحة كبيرة في قاعة الإنتاج.
لقد طورت شركة Fraunhofer ILT تقنية تجفيف بمساعدة الليزر تعالج هذه المشكلات.
استخدام الليزر، الذي يعرض الأقطاب الكهربائية بشكل انتقائي، يقلل من وقت التجفيف من عدة دقائق إلى بضع ثوانٍ فقط.
يؤدي هذا الانخفاض الكبير في وقت التجفيف إلى زيادة سرعة الإنتاج بشكل كبير، وخاصة في عملية اللفة إلى اللفة.
علاوة على ذلك، تعمل هذه العملية على تقليل متطلبات الطاقة مقارنة بالأفران المستمرة التي تعمل بالغاز التقليدية.
بالإضافة إلى ذلك، يتطلب نظام الليزر مساحة أقل بكثير، مما يتيح خط إنتاج أكثر إحكاما ومرونة.
“من خلال تطوير عملية لفافة تعتمد على الليزر لإنتاج وحدات أقطاب الغشاء، فإننا نتخذ خطوة مهمة نحو جعل عمليات تصنيع خلايا الوقود أكثر كفاءة، من خلال تقنية التجفيف بمساعدة الليزر، نضع معيارًا جديدًا لا يزيد من سرعة الإنتاج فحسب، بل يحسن أيضًا من كفاءة الطاقة واستخدام المساحة”، كما توضح مانويلا جيرجس من مجموعة معالجة الأغشية الرقيقة في معهد فراونهوفر للتكنولوجيا.
طلاءات الحماية من التآكل للألواح ثنائية القطب: زيادة الكفاءة وخفض التكاليف في إنتاج خلاياالوقود
وبشكل خاص مع خلايا الوقود المصنوعة من غشاء التبادل البروتوني، تشكل الظروف الكيميائية العدوانية داخل خلية الوقود تحديات جديدة للإنتاج.
حماية الصفائح ثنائية القطب المعدنية (BPP) من التآكل ليس ضروريًا فقط لعمر خدمة الخلية، بل وأيضًا لكفاءة مجموعة خلايا الوقود بأكملها.
عندما يتم طلاء BPPs بالترسيب الكيميائي أو الفيزيائي للبخار في الفراغ، ترتفع التكاليف ويتباطأ الإنتاج.
يعمل Fraunhofer ILT على عملية تجمع بين الطلاء بالرش ومعالجة شعاع الليزر من أجل تحقيق تشطيب موصل للكهرباء ومقاوم للتآكل على الألواح ثنائية القطب المعدنية – دون الحاجة إلى عملية فراغ كثيفة الطاقة.
لا يمكن لهذا النهج أن يقلل بشكل كبير من تكاليف الإنتاج من خلال استخدام مواد فعالة من حيث التكلفة فحسب، بل يمكن أيضًا دمجه بشكل أفضل في عمليات التصنيع المستمرة.
تساعد قابلية التوسع العالية للعملية في خدمة السوق المتنامية لخلايا وقود PEM بكفاءة.
ويؤكد جوليوس فونكي من مجموعة الوظائف عالية الحرارة: “إن طريقتنا القائمة على الليزر لإنتاج طبقات الحماية من التآكل توفر بديلاً فعالاً وفعّالاً من حيث التكلفة لعمليات الفراغ التقليدية.
فهي تمكن من إنتاج أسرع وتحسين قابلية التوسع، وهو أمر بالغ الأهمية لتلبية الطلب المتزايد على خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني”.
تحسين إنتاج خلايا الوقود من خلال اللحام ثنائيالشعاع وإصلاح أدوات التشكيل
يمكن أيضًا استخدام اللحام ثنائي الشعاع لتسريع الإنتاج في أماكن أخرى.
تستخدم هذه العملية شعاعين ليزريين في وقت واحد للحام الألواح ثنائية القطب المعدنية، وهي تقنية تقلل من وقت الدورة بنحو 50% دون المساس بجودة اللحام.
عندما يتم استخدام الشعاعين في اللحام عند نقطة واحدة، يمكن التأثير على ديناميكيات حوض الذوبان بشكل انتقائي، مما يتيح سرعات لحام أعلى وتجنب العيوب النموذجية مثل الانحناء.
تتيح هذه العملية إنتاجًا أسرع وأكثر كفاءة يلبي المتطلبات المتزايدة لتكنولوجيا الهيدروجين.
كما أن إنتاج منتجات BPP المعدنية يتأثر أيضًا بعمر خدمة الفولاذ المستخدم في الأدوات.
فالأدوات معرضة للتآكل بسبب أحمالها الميكانيكية العالية. ويتلخص النهج الذي تتبناه شركة ILT في استبدال الفولاذ المستخدم في الأدوات الذي يتسم بارتفاع تكلفته بالفولاذ الهيكلي وتطبيق طلاءات عالية الجودة للحماية من التآكل باستخدام طلاء الليزر عالي السرعة (EHLA) .
بالمقارنة مع فولاذ الأدوات التقليدي، تظهر قطع العمل المطلية زيادة في مقاومة التآكل الناتج عن الاحتكاك الانزلاقي بعامل يزيد عن 10. تسمح عملية EHLA أيضًا بإصلاح المناطق التالفة من الأدوات، مما يتيح تكييف الأدوات وإعادة استخدامها.
تعمل هذه التكنولوجيا على إطالة عمر خدمة الأدوات بشكل كبير، مما يقلل بدوره من تكاليف الإنتاج ويزيد من الاستدامة في التصنيع.
تعمل شركة Fraunhofer ILT على تطوير عدد من العمليات لجعل سلسلة العمليات الخاصة بتصنيع مكونات خلايا الوقود أكثر كفاءة. وتشمل هذه العمليات القطع عالي السرعة، حيث يتم قطع BPPs بدقة ويتم قطع فتحات تغذية الوسائط مباشرة.
النهج المبتكر هو إدخال هياكل دقيقة في BPP المعدنية باستخدام الليزر، مما يقلل من مقاومة التلامس الكهربائي ويحرك الماء من منطقة التلامس أثناء تشغيل خلية الوقود.
ويقوم الباحثون في آخن أيضًا بإجراء أبحاث مكثفة حول هيكلة ولحام مركبات BPP وMEAs من أجل أتمتة إنتاج خلايا الوقود بشكل أكبر وجعلها أكثر كفاءة.