Fraunhofer ISE perfecciona la producción escalable de MEA para pilas de combustible
Al desarrollar su plataforma, el Fraunhofer ISE se centró en procesos innovadores y continuos para construir conjuntos de electrodos de membrana. Esto se debe a que las altas tasas de producción son esenciales para reducir el coste de fabricación del componente central de las pilas de combustible en el futuro. La investigación de producción de las instalaciones de Fraunhofer tiene en cuenta toda la cadena de valor, incluido el control de calidad.
Para poner esto en contexto: Las MEA son el corazón de toda pila de combustible de membrana electrolítica de polímero (PEM), donde tiene lugar la conversión de energía química en eléctrica. Desde el punto de vista del Fraunhofer ISE, la producción acelerada y automatizada de este componente es cada vez más importante. Esto se debe, según el equipo del proyecto, a que "impulsados por la demanda de un transporte pesado y comercial libre de emisiones, los fabricantes de camiones están realizando actualmente importantes inversiones tanto en sistemas eléctricos de batería como en sistemas eléctricos de pila de combustible". "El volumen de producción previsto para el corazón electroquímico de la pila de combustible, el conjunto de electrodos de membrana (MEA), es de 1,2 millones de m² de superficie MEA activa al año para 20.000 camiones". Esta cantidad se basa en un supuesto de 30 m² de membrana y 60 m² de capa de catalizador por vehículo.
Según sus responsables, se necesitan entre 25.000 y 35.000 metros cuadrados de membrana recubierta de catalizador por gigavatio de capacidad adicional para el aumento de la electrólisis. "Sin embargo, estas cantidades no pueden alcanzarse con los procesos de fabricación actuales. Para el repunte previsto en el mercado, hay que adaptar los conceptos de planta existentes y desarrollar métodos de producción escalables", declararon los investigadores, esbozando la situación actual.
Por ello, la investigación de producción del Fraunhofer ISE analiza en profundidad cada paso del proceso de fabricación, desde el tratamiento del polvo de catalizador hasta la composición de la MEA de 7 capas, que consta de una membrana central y dos capas de catalizador, armazones de refuerzo y capas de difusión de gas. Se investiga la influencia del diseño y los parámetros del proceso, los materiales y la arquitectura de los componentes en el coste, la calidad y el rendimiento de la MEA.
Justo al principio de la cadena de valor, los científicos de Fraunhofer están investigando diversos procesos de mezcla para producir tintas catalizadoras. También están trabajando en el perfeccionamiento del recubrimiento de la membrana, el secado de la capa catalizadora y el marco de refuerzo, entre otras cosas. El Instituto Fraunhofer considera que la producción de las capas de catalizador, que se imprimen sobre una lámina de transferencia o directamente sobre la membrana, es un paso clave del proceso. Además del probado proceso de troquelado ranurado, sus investigadores pueden probar ahora también procesos de impresión rotativa o de huecograbado indirecto gracias a unidades de impresión intercambiables.
El objetivo principal es y sigue siendo la escalabilidad necesaria. Por ello, Fraunhofer ISE se está centrando principalmente en los procesos continuos de rollo a rollo. El objetivo concreto es una velocidad de producción de 10 metros por minuto, un valor que la industria puede manejar fácilmente, según los iniciadores.
Toda la cadena de producción se prueba en plantas piloto orientadas a la industria en el centro tecnológico del hidrógeno del Fraunhofer ISE. "Somos el único instituto de investigación del mundo que dispondrá de instalaciones de producción a escala industrial, incluyendo el análisis de microestructuras y la caracterización de MEAs en el banco de pruebas, lo que permite una rápida transferencia del laboratorio a la producción", comentó Ulf Groos, Jefe del Departamento de Pilas de Combustible del Fraunhofer ISE. Además de la investigación para la producción de MEAs para pilas de combustible, las plantas piloto también pueden utilizarse para MEAs de electrólisis (membrana de intercambio protónico y membrana de intercambio aniónico).
Las tecnologías de medición integradas en la planta también garantizan el control de calidad en línea. "A pesar del proceso continuo, podemos seguir los cambios en el proceso de producción y sus efectos en los pasos posteriores del proceso o en la calidad del producto. Desarrollamos un sistema de seguimiento y localización que marca e identifica regularmente los productos", explica la directora del proyecto, Linda Ney, del Fraunhofer ISE. Los MEA procesados en la planta piloto también se someten a pruebas de rendimiento en pilas de combustible en distintas condiciones de funcionamiento.
Este artículo se publicó por primera vez publicado por Cora Werwitzke para la edición alemana de electrive
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