Экологичные системы топливных элементов, которые будут использоваться в транспортных средствах в будущем, в наши дни все еще редки и дороги. Для этого есть несколько причин, в том числе сложный и дорогостоящий процесс производства биполярных пластин — ключевого компонента электролизеров и топливных элементов, которые необходимы для многих водородных систем.

Институт станков и технологии формования Фраунгофера IWU сделал важный шаг к снижению затрат и массовому производству биполярных пластин, внедрив инновационную систему валкового тиснения: BPPflexRoll. Исследователи Фраунгофера представят один компонент системы на объединенном стенде Фраунгофера в зале 2, стенд B24, на выставке Hannover Messe 2024, которая пройдет с 22 по 26 апреля.

Водородные топливные элементы очень эффективны. Они используют водород и кислород для производства электроэнергии, приводя в действие машины, такие как экологически чистые транспортные средства. Электролизеры обращают этот процесс вспять, используя электрическую энергию для расщепления воды на водород и кислород. Для обоих типов водородных систем требуются биполярные пластины (BPP), которые включают в себя два ключевых конверсионных компонента: мембранно-электродный узел (MEA) в системе топливных элементов и мембрану с каталитическим покрытием (CCM) в электролизере.

В батарее топливных элементов структура биполярных пластин с двойными стенками позволяет кислороду и водороду течь к обеим сторонам МЭБ, в то время как вода охлаждает батарею. Проблема в том, что нынешний процесс производства биполярных пластин является дорогостоящим, что препятствует применению водородной технологии и, таким образом, например, широкому и экономически эффективному использованию транспортных средств на топливных элементах, работающих на водороде. Этот потенциал может быть раскрыт только в том случае, если стоимость массового производства основных компонентов будет снижена.

Исследователи из Fraunhofer IWU в Хемнице в сотрудничестве с Profiroll Technologies GmbH разработали прототип системы для валкового тиснения: BPPflexRoll. Производственная линия запущена и работает в Fraunhofer IWU. Он уже оснащен технологией управления и концепцией управления, которая по ключевым моментам соответствует промышленному объекту. Система состоит из трех рулонных стоек и занимает площадь для установки 4500 x 3300 мм.

Непрерывная обработка заменяет прерывистое серийное производство

Одна из причин такой дороговизны металлических БПП заключается в том, что они производятся прерывистыми партиями. «Каждая биполярная пластина состоит из двух половин из нержавеющей стали. Структуры для потока газа и рассеивания тепла выдавливаются на половинках в ходе прерывистого процесса формования, а затем они соединяются вместе. Наша система валкового тиснения может заменить эти прерывистые технологические цепочки. или производственные этапы с непрерывным процессом. Без остановок и запусков этот процесс позволит выпускать большие объемы продукции», — объясняет Стефан Польстер, руководитель группы обработки листового металла и проектирования инструментов в Fraunhofer IWU.

«Одним из основных преимуществ валкового тиснения является более высокая скорость процесса. Каждую минуту можно производить до 120 полуформ BPP», — отмечает Робин Курт, менеджер группы формовочных машин в Fraunhofer IWU. Исследователи надеются, что этот сдвиг в методах производства сократит затраты на производство BPP вдвое.

В новой технологии структура биполярной пластины выдавливается с помощью пары валков, между которыми непрерывно проходит тонкая металлическая полоса. Один из формовочных валков называется пуансоном, другой — матрицей. Поскольку ролики, используемые для формирования каналов потока, имеют примерно только один линейный контакт с заготовкой, поэтапное формование позволяет снизить технологические усилия в среднем в десять раз по сравнению с традиционным тиснением.

Это приводит к созданию более компактных и более дешевых машинных технологий. Гибкость – еще одно преимущество системы: количество необходимых комплектов роликов можно регулировать индивидуально в зависимости от геометрии биполярных пластин.

Когнитивная формовочная машина со встроенной системой мониторинга

С помощью новой пилотной системы исследователи из Fraunhofer IWU также делают важный шаг на пути к машинам когнитивного формирования, которые могут использовать датчики и интеллектуальные алгоритмы для мониторинга и управления собой. «В отличие от предыдущих систем, в будущем мы будем контролировать качество BPP в режиме реального времени, собирая, объединяя и анализируя параметры процесса с помощью датчиков», — говорит Курт. Затем данные будут обработаны и доступны для использования с помощью облачных решений. Первые биполярные пластины, произведенные на этом предприятии, уже проходят испытания в топливных элементах в Институте систем солнечной энергии Фраунгофера ISE во Фрайбурге.

С помощью BPPflexRoll исследователи прокладывают путь к массовому производству высокоэффективных и недорогих биполярных пластин. На выставке Hannover Messe с 22 по 26 апреля на объединенном стенде Fraunhofer в павильоне 2, стенд B24 будет представлен рулон в составе BPPflexRoll, а также изготовленные с его помощью биполярные пластины.