Jednym z podstawowych elementów elektrolizerów wykorzystujących membranę wymiany protonów PEM i ogniw paliwowych jest płyta bipolarna, której wydajna produkcja jest kluczem do udanej industrializacji. Dzięki zintegrowanej linii produkcyjnej German Fuel Cell Cooperation (GFC) prezentuje skalowalne podejście, które łączy doświadczenie trzech producentów maszyn.
Ogniwa paliwowe są opracowywane do różnych zastosowań od kilkudziesięciu lat i są już wykorzystywane funkcjonalnie. Jednak ich rozpowszechnianie i industrializacja są nadal w fazie prototypu i małych serii. W przypadku samego sektora mobilności przewiduje się wykładniczy wzrost liczby pojazdów z ogniwami paliwowymi (FCEV) do 2030 r., Wykres 1.
Wykres 1. Rozwój sprzedaży FCEV w oparciu o cele flotowe rozważanych państw (© Center Fuel Cell Industrialization 2021)
Ze względu na swoje właściwości ogniwa paliwowe z membraną wymiany protonów (PEMFC) dominują w szczególności w zastosowaniach związanych z mobilnością.
Budowanie stosu
Stosy PEMFC składają się ze stu komórek, które z kolei składają się z płyt dwubiegunowych (BPP), zespołu elektrody membranowej (MEA) i warstwy dyfuzji gazu (Gas Diffusion Layer; GDL) i związane z nimi uszczelnienia, rysunek 2.
Rysunek 2. Budowa ogniwa paliwowego z płytami bipolarnymi, warstwami dyfuzyjnymi gazu, zespołami elektrod membranowych (po lewej) i układaniem w celu utworzenia stosu (po prawej) (© German Fuel Cell Cooperation)
Liczba komórek, złożoność indywidualnego projektu poszczególnych komponentów w stosie i wykładniczy wzrost ilości stosów skutkują koncepcjami produkcyjnymi i instalacyjnymi: skalowalność i elastyczność systemów, a także redukcja czasu cyklu i kosztów produkcji. W przypadku samego elementu płyty bipolarnej, który zazwyczaj składa się z dwóch formowanych i spawanych półpłyt wykonanych z metalicznego materiału bazowego. Należy wziąć pod uwagę szeroki zakres wymagań, takich jak gaz i szczelność mediów, wysoka przewodność elektryczna i niska rezystancja styku, odporność na korozję i długa żywotność, niska waga i minimalne koszty produkcji.
Zróżnicowanie wymagań dotyczących komponentów, złożonych procesów produkcyjnych oraz szybko rosnących potrzeb w zakresie industrializacji i automatyzacji wymaga rozległego know-how. Dla średniej wielkości producentów maszyn stanowi to poważną przeszkodę, którą można pokonać łącząc różne rozwiązania. Taka jest właśnie motywacja GFC, fuzji trzech firm zajmujących się inżynierią maszyn: Von Ardenne, Weil Technology i Zeltwanger.
Łańcuch procesowy produkcji płyt bipolarnych i stosów
Szczegółowe badanie łańcucha procesu produkcji płyt bipolarnych i stosów, liczbę etapów produkcji i złożoność całego procesu ilustruje rysunek 3.
Rysunek 3. Cały łańcuch procesów łączy w sobie wiedzę w całym procesie produkcyjnym, od metalowej taśmy przez płytę bipolarną po stos ogniw paliwowych (© German Fuel Cell Cooperation)
Trzech producentów maszyn wnosi swoją specjalistyczną wiedzę na każdy z istotnych etapów produkcji, nie tracąc z oczu całego procesu produkcyjnego i licznych zagadnień, które muszą być odpowiednio i optymalnie skoordynowane.
Zintegrowana linia produkcyjna
Dla części łańcucha procesowego i z naciskiem na produkcję płyt bipolarnych z formowanych półarkuszy, GFC opracowała zintegrowaną linię produkcyjną. Łączy etapy procesu spawania laserowego, testowania szczelności i powlekania, rysunek 4.
Rysunek 4. Kompletna skoordynowana linia zapewnia jednoznaczną identyfikowalność poszczególnych płyt bipolarnych i ich parametrów produkcyjnych (© German Fuel Cell Cooperation)
Dzięki wydajności czterech milionów płyt bipolarnych rocznie z 250 dniami produkcyjnymi i typowemu rozmiarowi płyty 450×150 mm (675 cm²), koncepcja produkcji spełnia bieżące potrzeby przemysłu. W ramach pierwszej prostej rozbudowy linię można zwiększyć do ośmiu milionów płyt bipolarnych rocznie, podwajając systemy spawania i testowania szczelności. Linia produkcyjna GFC wykorzystuje skoordynowane interfejsy i inteligentną architekturę systemu komputerowego, dzięki czemu wdrażane są wszystkie wymagania Przemysłu 4.0, w tym połączenie z zewnętrznymi systemami realizacji produkcji (MES).
Zoptymalizowana technologia spawania laserowego
Obecnie preferowaną metodą łączenia dwóch części płyty bipolarnej jest spawanie laserowe, które stawia wysokie wymagania technologii mocowania i łączenia ze względu na niską grubość materiału.
W tym celu firma Weil Technology opracowała nowy moduł spawania laserowego, który łączy taśmy metalowe z dużą prędkością spawania: cela do spawania laserowego (LWC) z 4-stanowiskowym obrotowym stołem indeksującym współpracuje z technologią skanera dwupolowego dla wysokiej wydajności kilku milionów płyt. Dzięki rozwiązaniu osiąga się wysoki poziom stabilności procesu poprzez podzielenie wymaganej prędkości spawania między dwa skanery. Oba pola skanowania spawają równolegle do płyty z prędkością spawania ponad 1000 mm/s z dużym zakresem roboczym 500×350 mm. Jednocześnie inteligentna sekwencja spawania „ButterflyWeld” umożliwia optymalne symetryczne wprowadzanie ciepła, co zmniejsza zniekształcenia termiczne podczas procesu spawania.
Inną ważną rolę w opanowaniu procesu spawania odgrywa zautomatyzowana i powtarzalna technologia mocowania. W tym celu inżynierowie z Weil Techology opracowali zautomatyzowaną technologię mocowania specjalnie dla płyty bipolarnej. Dzięki zdobytej przez nas wiedzy na temat narzędzi klienci mogą otrzymywać kompleksowe rozwiązania.
Skalowalne testowanie szczelności
Aby zapewnić bezpieczną pracę i długą żywotność, stos ogniw paliwowych musi być uszczelniony. Aby zagwarantować szczelność bipolarnych płyt i stosów, Zeltwanger opracowuje zautomatyzowane i skalowalne systemy testowe, które są zwykle używane do testowania kanału chłodzącego, a także strony anodowej i katodowej płyty bipolarnej pod kątem wycieków. W zależności od wymagań stosowany jest proces próżniowy helu, który może wykryć szybkość wycieku do 1×10-5 mbar*l/s, albo procesy spadku ciśnienia na bazie powietrza. W tym celu firma Zeltwanger opracowała nie tylko prostą pojedynczą stację testową, ale także w pełni zautomatyzowaną stację testową ZED BPP 4-2, która osiąga wysokie czasy cyklu do 6 s, rysunek 5.
Rysunek 5. W pełni zautomatyzowana stacja testowa (© Zeltwanger)
Wysoka elastyczność i skalowalność tego systemu są możliwe dzięki zastosowaniu modułów testowych, które są ładowane i rozładowywane za pomocą automatycznego systemu przenoszenia lub taśmy transferowej. Załadunek płyt bipolarnych, które mają być poddane badaniu, odbywa się za pomocą systemu ładowania firmy Zeltwanger.
Elastyczna powłoka PVD
Liczne wymagania dotyczące metalowych płyt bipolarnych można spełnić tylko poprzez ukierunkowaną funkcjonalizację ich powierzchni, na przykład w celu zapewnienia wysokiego poziomu ochrony przed korozją i niskiej odporności na kontakt w tym samym czasie. W tym celu stosuje się tzw. procesy cienkowarstwowe, najlepiej PVD (Physical Vapour Deposition), rys. 6.
Wykres 6. Procesy PVD mogą być wprowadzane na różnych stanowiskach w całym łańcuchu procesowym (powlekanie taśmy metalowej przed produkcją poszczególnych BPP lub powlekanie po produkcji pojedynczych płyt – tzw. powlekanie wstępne lub końcowe) (© Von Ardenne)
W zintegrowanej linii produkcyjnej zaprezentowanej przez GFC zastosowano XEA|nova L. W procesie powlekania ten system wykorzystuje atomizację katodową lub rozpylanie magnetronowe w celu natychmiastowego pokrycia płytek bipolarnych po obu stronach. Przy typowym rozmiarze płyty 675 cm² na przenośniku można umieścić 40 płyt bipolarnych, które mogą być przetwarzane z czasem cyklu do 48 s, w zależności od rozwiązania powłoki. Oprócz odpowiednio elastycznej technologii systemowej, Von Ardenne oferuje również własne rozwiązanie dla złożonych technologii powlekania, które zostało opracowane w celu spełnienia wymagań rynku. Opiera się ono na metalicznej warstwie pośredniej i końcowej powłoce węglowej.
Umiejętności wykraczające poza inżynierię maszyn.
Oprócz czystego know-how w zakresie inżynierii mechanicznej i przemysłowej, firmy GFC mają jeszcze jedną wspólną cechę: Von Ardenne, Weil Technology i Zeltwanger mają odpowiednie możliwości badawczo-rozwojowe w swoich obszarach zastosowań i wspierają klientów jako partnerów w rozwoju technologii. W ten sposób zapewniają dalsze wsparcie dla szybkiego, ale jeszcze nieustandaryzowanego rozwoju technologicznego rozwijającego się rynku wodoru. Wszyscy trzej partnerzy GFC dysponują odpowiednim zapleczem do produkcji prototypów i serii testowych, aby móc towarzyszyć rozwojowi wewnętrznemu i rozwoju klientów.
Wniosek
Zintegrowana linia produkcyjna GFC stanowi punkt wyjścia dla inteligentnych i indywidualnie powiązanych koncepcji i demonstruje w szczególności możliwości trzech firm zajmujących się inżynierią maszyn. Firmy już pracują nad kolejnymi pomysłami dotyczącymi wielkości produkcji i czasów cyklu, a także stosowanych technologii. Na przykład dalszy rozwój procesu spawania oraz ciągłe i inteligentne monitorowanie parametrów procesu sprawi, że w przyszłości nie będzie już konieczności sprawdzania 100% płyt bipolarnych pod kątem wycieków natychmiast po spawaniu. Obniży to koszty inwestycji i produkcji oraz skróci osiągalne czasy cyklu. Opracowywane są również nowe metody jeszcze krótszych cykli testowych do testowania szczelności. Nawet procesy powlekania i materiały podlegają ciągłemu rozwojowi w celu zwiększenia ich wydajności poza wymaganiami przemysłowymi, a jednocześnie zwiększenia wydajności.
