El Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT acogió el primer Coloquio Láser LKH2 Hidrógeno virtual en septiembre de 2020. El tema central fueron las pilas de combustible y la cuestión de si en el futuro será posible producir placas bipolares cada segundo de forma fiable.
La Fraunhofer-Gesellschaft se centra constantemente en el hidrógeno, que muchos ven como el carbón del futuro, y ha aunado las fuerzas de 28 institutos en la "Red del Hidrógeno", en la que también participa el Fraunhofer ILT. Durante el coloquio, diez ponencias abarcaron numerosos aspectos de la producción de pilas de combustible, con especial atención al tratamiento de materiales por láser.
El factor decisivo para un uso más amplio de las pilas de combustible será reducir significativamente los costes de los conjuntos de electrodos de membrana (MEA) y las placas bipolares (BPP). El conjunto de electrodos de membrana (62%), con su elevada proporción de platino, y las BPP (30%) representan actualmente la mayor parte de los costes de una pila de combustible.
Para fabricar las placas bipolares, se sueldan las mitades de las placas y se apilan en un compuesto de pila, que no sólo conduce bien el calor y la electricidad, sino que también ofrece una protección muy fiable contra la fuga de agua, oxígeno y, sobre todo, hidrógeno. No sólo hay que soldar todo el contorno exterior, sino también las aberturas de entrada, los llamados puertos, para el agua, el oxígeno y el hidrógeno. El resultado es un total de entre 1,0 y 1,4 metros de cordón de soldadura por placa. A continuación presentamos brevemente las contribuciones al coloquio centradas en el tratamiento de materiales por láser.
Microsoldadura por haz láser: unión fiable y dinámica de placas bipolares metálicas, André Häusler, Fraunhofer ILT, Aquisgrán (D)
Al soldar con láser BPP en un proceso continuo de rollo a rollo, pueden producirse defectos incluso a bajas velocidades de avance, poniendo en peligro la estanqueidad de la unión (efecto de joroba). Al cambiar de la gama de infrarrojos cercanos (longitud de onda: 1070 nm) a la luz láser azul o verde visible (450 o 515 nm), el grado de absorción puede duplicarse hasta casi el 50% para un acero típico (DC04). Una trompeta TruDisk 1020 de 1 kW soldó mejor con luz láser verde. Actualmente se está investigando cómo influir en el flujo del baño de fusión y en la dinámica del ojo de la cerradura cambiando la longitud de onda y la fuente del haz para que no se produzca jorobado ni siquiera a altas velocidades de avance.
Soldadura por transmisión láser de termoplásticos para pilas de combustible de plástico, Maximilian Brosda, Fraunhofer ILT, Aachen (D) / Matthias Poggel, Leister Technologies Deutschland GmbH, Hagen (D)
Los componentes de plástico para pilas de combustible suelen ennegrecerse con negro de humo antes de la unión por láser, ya que suelen ser componentes transparentes con baja absorción. Como alternativa, el ponente presentó el proceso INNOCABS de dos etapas. En este proceso, el plástico también contiene el aditivo transparente INCA XX21, que se vuelve negro cuando incide sobre él el rayo láser pulsado. Estas zonas coloreadas localmente tienen un alto grado de absorción, que un láser CW utiliza para soldar en el segundo paso.
El láser como herramienta flexible para la producción económica de placas de microestructura, Fabian Kapp, Graebener Maschinentechnik GmbH & Co. KG, Netphen-Werthenbach (D)
Enfoque en la producción a gran escala: los sistemas escalables de Schuler están diseñados para la producción de hasta 50.000 pilas con unos 15 millones de placas bipolaresElfabricante de maquinaria desarrolla sistemas completos y escalables que pueden producir varios millones de placas al año Una especialidad particular es el hidroconformado, que también ha demostrado su eficacia con láminas de placa fina de 50 µm. La empresa prefiere cortar las láminas finas con láser, que, en comparación con el punzonado, permite un corte de alta precisión, sin salpicaduras y sin rebabas de contornos 2D y 3D a una velocidad de avance máxima de 2.000 mm/s. Si se requiere una calidad muy alta con un recorte sin rebabas y un filo de corte absolutamente limpio, la empresa utiliza la soldadura por fusión láser bajo gas de corte. Para unir las láminas extremadamente finas de 50 µm, Graebener confía en un láser CW, que suelda de forma continua, fiable y estanca al gas y no requiere más pasos de procesamiento.
Producción a gran escala de placas bipolares metálicas para pilas de combustible, Dr. Hermann Uchtmann, Schuler Group, Göppingen (Alemania) y Mathias Binder, Andritz Soutec AG
Dado que las bobinas de acero inoxidable (1.4404) sin revestimiento o con revestimiento previo han sido muy caras hasta ahora, el uso de prensas de transferencia debería reducir los costes al menos un 10 % en comparación con las prensas progresivas. Por ello, Schuler se decidió por la tecnología transfer para la producción a gran escala de BPP, para la que la empresa suministra la tecnología de conformado y la automatización.
La soldadura láser de Andritz Soutec AG en Neftenbach (Suiza) desempeña un papel importante en la producción a gran escala: actualmente se está construyendo un sistema escalable para la producción de placas bipolares para 50.000 pilas de combustible al año; esto corresponde a la soldadura de 50 BPP por minuto. Tres estaciones de soldadura láser, cada una con dos ópticas de escáner, producen cordones de soldadura de hasta 3,0 metros de longitud a una velocidad de 500 mm/s.
Conclusiones:
La diversidad de las presentaciones y los animados debates demostraron que aún queda mucho trabajo pionero por hacer en este campo. Está previsto crear una plataforma virtual para fomentar el intercambio de conocimientos. Las partes interesadas también recibieron aportaciones en el tercer Simposio Láser sobre Electromovilidad (LSE) del Fraunhofer ILT, celebrado los días 19 y 20 de enero de 2021, que tuvo lugar por primera vez como un evento digital que incluía una visita al laboratorio en directo.
Fuente: Fraunhofer ILT
