La transición hacia un abastecimiento energético neutro desde el punto de vista climático exige la expansión de las energías renovables. El uso del hidrógeno también está cobrando protagonismo, por lo que se requieren soluciones tecnológicas por parte de la industria. Rehm Thermal Systems realiza esta aportación a varios niveles.
En el campo de la electrónica de potencia, la soldadura en fase vapor en vacío se ha establecido como una tecnología de proceso fiable, por ejemplo, para módulos en inversores o estaciones de carga. Al limitar la temperatura de soldadura, se protegen los componentes sensibles a la temperatura. Al mismo tiempo, el vacío de los sistemas Condenso permite juntas de soldadura de gran superficie con una baja proporción de poros para una conexión térmica óptima, lo que aumenta la vida útil del conjunto.
La ampliación de la cartera de productos de Rehm supondrá una nueva contribución al desarrollo de la infraestructura de hidrógeno para un suministro energético europeo independiente. Con competencias básicas en el rango de temperaturas de -40 °C - 1200 °C, la empresa ofrece sistemas para la aplicación de materiales y soluciones de producción térmica para componentes de electrolizadores y pilas de combustible, escalables y altamente automatizados. Este campo de aplicación está estrechamente vinculado a la electrónica de potencia, en particular debido a requisitos comparables para la integración de sistemas eléctricos y la tecnología de procesos.
Tipos de pilas de combustible y electrolizadores
Existen varios tipos de pilas electroquímicas, las más comunes de las cuales son las pilas PEM (membrana de intercambio protónico) y las pilas SO (óxido sólido), que pueden funcionar como pilas de combustible y electrolizadores. En la electrólisis, la energía eléctrica se utiliza para obtener hidrógeno y oxígeno a partir del agua, mientras que en la pila de combustible tiene lugar el proceso inverso. La reacción del hidrógeno y el oxígeno en el agua con la liberación de energía eléctrica tiene lugar en la membrana de la pila de combustible. Aquí es donde las pilas difieren, lo que da lugar a temperaturas de funcionamiento diferentes para los dos tipos: las pilas PEM funcionan a 60 - 80 °C, las pilas SO a 600 - 1000 °C - razón por la cual las primeras son móviles y las segundas estacionarias.
Estructura y componentes de las pilas
En las pilas de combustible PEM, la placa bipolar (BPP) realiza tareas centrales: Conduce los gases de reacción, conduce la electricidad y conecta los polos de la célula. En las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) se utiliza en cambio una placa de interconexión (ICP), que asegura la conexión eléctrica de las células y la distribución de los gases. Ambos tipos de placa deben cumplir elevados requisitos de conductividad eléctrica, estanqueidad al gas y estabilidad térmica. Para garantizar estas funciones, reciben revestimientos específicos. La membrana correspondiente (polimérica en el caso de la PEM y cerámica en el de la SOFC) también recibe un revestimiento funcional. Para garantizar la funcionalidad de las capas, se siguen procesos de producción térmica definidos con precisión en cada caso.
Un BPP consta de dos mitades metálicas estampadas que se sueldan entre sí. El reborde del borde exterior de la placa sirve de receptáculo contorneado para la junta y garantiza un efecto de muelle definido (véase la Fig. 1). Esto garantiza que la función de sellado se mantenga de forma fiable incluso bajo estrés térmico y mecánico. Las juntas separan los medios, estabilizan mecánicamente e impiden la penetración incontrolada de partículas extrañas en la célula, así como el escape de productos de reacción.
El material de sellado de las células PEM consiste en siliconas o elastómeros. Como las pilas SO tienen una temperatura de funcionamiento más alta, se utiliza una pasta de vidrio para la junta, que se ablanda a altas temperaturas y crea una conexión estanca entre los componentes. A diferencia del BPP, el ICP no consta de dos mitades estampadas, sino de una pieza maciza de acero especialmente diseñada para un nivel de temperatura más elevado.
El campo de flujo integrado de las placas es un patrón de canales en relieve que guía los gases uniformemente a través de la superficie de la célula y permite la eliminación de agua y calor (véase la Fig. 1). El revestimiento de las BPP metálicas protege contra la corrosión, crea estabilidad mecánica y garantiza la conductividad eléctrica. En el caso de los BPP de grafito, esto no suele hacerse, ya que el grafito cumple naturalmente estos requisitos. Como sólo puede utilizarse acero ferrítico para ICP, se aplica un revestimiento denominado óxido conductor mixto (MCO) para que el cromo del acero no entre en contacto con la célula. Además, tanto la membrana cerámica de las pilas SO como el MEA (Membrane Electrode Assembly) de las pilas PEM reciben un recubrimiento para mejorar su conductividad y reactividad.
Fig. 1: Pila genérica ZSW HyFaB placa bipolar metálica PEM - fabricada por EKPO
Fabricación de la pila
Una vez cortada, estampada y limpiada la placa bipolar o ICP, se recubre el campo de flujo. En el caso de las PEM, esto se hace selectivamente mediante impresión por rodillo o dispensación o sobre toda la superficie mediante PVD. En el ámbito de las células de SO, el recubrimiento MCO del ICP suele realizarse mediante PVD o pulverización de plasma. La junta también se aplica en cada caso: para las células PEM mediante serigrafía, dispensación o moldeo por inyección, mientras que para las células SO se aplica generalmente mediante serigrafía o, en algunos casos, mediante dispensación. La dosificación ofrece un alto grado de flexibilidad para diferentes materiales, precisión y repetibilidad, y evita la formación de burbujas en el material. Este proceso está recogido en la cartera de Rehm con los sistemas Protecto. Los procesos de impresión y dispensación requieren un tratamiento térmico posterior. Una vez aplicado el material, las planchas se manipulan automáticamente en almacenes o soportes de producto apilados y se introducen en el sistema térmico. El PEM BPP se seca primero a 80 - 100 °C para expulsar los disolventes del material y evitar la formación de burbujas en la junta. A continuación, la junta debe vulcanizarse a 170 - 200 °C para conseguir una reticulación química completa. Este proceso térmico se traza como un perfil escalonado en una sola pasada. En el moldeo por inyección, también puede ser necesario un proceso de postcurado a 180 °C como máximo para optimizar la calidad. Para el procesamiento de BPP e ICP son adecuados los secadores de almacén con convección, que ofrecen una separación óptima de las zonas mediante mamparos y permiten crear perfiles escalonados (véase la fig. 2). Los almacenes o portaproductos apilados tienen espacio para cientos de paneles, de modo que en la producción de grandes volúmenes pueden conseguirse tiempos de ciclo bajos, de unos pocos segundos por panel.
En la producción industrial en serie se utiliza predominantemente la serigrafía para obtener una alta precisión en el recubrimiento de la membrana cerámica. Las capas funcionales se aplican una tras otra. Tras el proceso de impresión, cada capa se seca a 80 - 180 °C y, a continuación, se sinteriza a 900 - 1600 °C para crear una estructura celular funcional. Las membranas cerámicas requieren gradientes de temperatura más elevados, por lo que aquí se utilizan sistemas que combinan la radiación infrarroja con la convección. Los sustratos sensibles de 20 µm de grosor se guían sobre cintas trenzadas estabilizadoras de acero inoxidable o teflón.
Tras superar una prueba de calidad, las células se ensamblan para conseguir el rendimiento global deseado. Además, la conexión mecánica con placas de conexión se realiza mediante atornillado o sujeción para obtener una pila estanca y estable.
Fig. 2: Secadero de tambor con perfil escalonado para la producción de BPP e ICP
Escalabilidad de los procesos
Para diseñar líneas de producción modernas de forma eficiente, Rehm fabrica sistemas automatizados que permiten una producción repetible. Los sistemas térmicos son escalables de forma flexible y se adaptan a las necesidades de material y al volumen de producción. Cumplen los requisitos de la norma DIN EN 1539 y son más eficientes energéticamente que los hornos discontinuos convencionales gracias a las zonas de refrigeración separadas.
Mientras que en los proyectos greenfield se dispone de espacio suficiente, los centros de producción existentes (brownfield environments) se enfrentan cada vez más al reto de integrar nuevas líneas ahorrando espacio. La longitud de los sistemas térmicos puede variar en función del perfil de temperatura. Para hacer justicia al espacio limitado, la empresa también ofrece sistemas con guiado vertical del producto, con los que el espacio ocupado puede reducirse en un factor de diez.
Junto con sus socios, se diseñan conceptos de línea personalizados con distintos grados de automatización y variantes de trazabilidad. Ya en la fase de desarrollo y creación de prototipos, el Centro Tecnológico de la empresa está a su disposición para determinar los parámetros óptimos del proceso.
Conclusión
Los procesos de fabricación eficientes y personalizables son cruciales para satisfacer los crecientes requisitos de los sistemas energéticos basados en hidrógeno. Rehm Thermal Systems no sólo confía en tecnologías probadas, sino que también desarrolla soluciones a medida. Con vistas a cantidades cada vez mayores, nuevos conceptos de celdas y mayores niveles de automatización, se ofrece una sólida base tecnológica, hoy y en el futuro.
Sobre la persona
Jasmin Fuchs lleva más de cinco años en Rehm Thermal Systems. Como directora de ventas especializada en nuevos mercados, es la persona de contacto para soluciones de sistemas en la producción de electrolizadores y pilas de combustible, así como en tecnología médica. Sus responsabilidades incluyen el desarrollo del mercado global y la atención al cliente, así como diversos aspectos del desarrollo empresarial con el fin de desarrollar estratégicamente áreas innovadoras y orientadas al futuro.
