水素燃料電池の可能性と課題
Coherent FL-ARMレーザにより、PEM燃料電池の主要部品であるバイポーラプレートの溶接をコスト効率よく行うことができます。
2022年9月16日、Coherent
燃費の良い車のエンジンが、排気として純水だけを出すとしたらどうでしょう。それを可能にするのが水素燃料電池です。そして、それはすでに存在しています。しかし、水素燃料電池を自動車の動力源として大規模に利用できるのは、まだ先の話です。実用化するには、他の技術と比べて実用的でコスト競争力のあるものにするために、かなりの技術やインフラを開発する必要があります。Coherentは、すでにファイバーレーザによる加工方法を開発し、その取り組みに貢献しています。
技術のセル化
水素燃料電池は、技術的にはプロトン交換膜型燃料電池（PEMFC）、または固体ポリマー型燃料電池と呼ばれます。電解質（電気を通す液体）で仕切られた正極と負極があり、正極に水素を、負極に酸素を供給します。負極に水素燃料、正極に空気（酸素を含む）が入ってきます。
燃料電池（膜電極接合体、MEAと呼ばれる）1台の発電量は1ボルト以下です。これでは、ほとんどの用途で少なすぎます。有用な出力レベルに達するために、1つの燃料電池の中で数百のMEAが電気的に接続されます。MEAは、セルの筐体の中に物理的に一緒に積み重ねられています。
その前に、各MEAは2枚の「バイポーラプレート」の間に封入されます。これはプレス加工された金属箔部品で、厚さは通常50 μmから100 μm程度です。通常はステンレスやチタンで作られています。バイポーラプレートは、個々のMEAを電気的に接続し、機械的な強度と剛性を与えるとともに、ガスや冷却液がその上を流れるように流路を形成しています。
バイポーラプレート同士は溶接で封止されています。この溶接は、水素漏れ試験に合格するような非常に高品質なものでなければなりません。そして、複数の切り込みを含む複雑な形状のバイポーラプレートにより、溶接経路が長く、カーブも多数存在します。
従来のファイバーレーザでは封入不能
燃料電池には非常に多くのバイポーラプレートが使用されるため、封止には高速性が要求されます。そうでないと、生産のボトルネックになりかねません。現在、経済的で実用的な車載用PEMFCの製造には、MEA封止プロセスで1 m/秒以上の溶接速度が必要とされています。
スキャニングシステムから照射されるファイバーレーザは、これらの速度以上の溶接を行うことができます。さらに、複雑な形状の溶接を行うこともできます。しかし、その送り速度で提供される溶接品質は良いとは言えません。
特に、従来のファイバーレーザは、バイポーラ板を高速で溶接する際に「ハンプ」が発生しやすいという問題がありました。ハンプとは、溶融池の乱れが再凝固してできた溶接部の小さな凸凹のことです。この乱れは、非常に速いビームの動きによって直接引き起こされます。
ハンプは突き出るから問題なのです。そのため、組み立ての際にMEAを十分に近づけることができません。
HighLight FL-ARMがハンプの問題を解消
Coherentラボのテストでは、適切に設定されたモード可変ビーム（ARM）ファイバーレーザが、ハンピングの問題を解決することが実証されました。具体的には、Coherent HighLight FL4000CSM-ARM（シングルモード中心ビーム、4 kWレーザ）により、ステンレス製バイポーラプレートを1.2 m/秒以上の速度でハンピングなしに溶接することがえきます。これは、従来のファイバーレーザに比べ50%の高速化を実現しています。今回のテストでは、Coherent HIGHmotion 2Dリモートレーザ溶接ヘッドを使ってレーザを照射しました。
ARMファイバーレーザは、高速で移動する溶接溶融池の周囲の乱流を排除することで、ハンプの問題を回避しています。これは、モード可変ビームアーキテクチャを活用することで実現されています。
具体的には、目標速度で完全溶け込みのキーホール溶接ができるように、中心ビーム出力を高く設定します。しかし、リングビームは、材料を溶かし、流すことはできても、溶接のキーホールを作るほどの出力はありません。
これにより、センタービームの周囲には、溶融した材料が減速して層流（非カオス）する領域ができます。さらに、左右対称の丸いARMレーザビームは、どの方向へ向けても常に同じように溶接します。そのため、カーブを曲がったり、方向を変えたりしても、溶接の特性が変わることはありません。この点が、スポットが対称でない他のマルチビームファイバーレーザに対する強みとなっています。
もちろん、燃料電池を普及させるためには、他にもさまざまな課題があります。このほか、バッテリー製造の問題、水素や白金（水素原子を陽子と電子に分離するための触媒として使用）の調達など、さまざまな課題があります。また、消費者が便利に燃料を入手できるように、水素の「ガソリンスタンド」ネットワークを整備する必要もあります。しかし、HighLight FL-ARMレーザと、Coherentラボが持つバイポーラプレート溶接に有効な加工方法の知識により、その道のりの重要な障害を1つ回避することができています。
