Celdas de combustible: Laminado de hoja a hoja con vacío; Principio de funcionamiento; Ensamblaje; Fabricación.

Laminado de hoja a hoja: Revolucionando la producción de celdas de combustible
Crystec Technology Trading GmbH

Máquinas para la fabricación de celdas de combustible

Tecnología de celdas de combustible con Laminado al Vacío Preciso

Máquinas MEA para la fabricación de celdas de combustible
Máquina laminadora de hoja a hoja Shindo para celdas de combustible


Especificaciones
Método de suministro de película Tipo de alimentación de rollo
Corte Sistema de corte de placa (Sub-denso, MEA, GDL)
Tipo de alineación Alineación de visión (Prealineación, 2ª alineación, Alineación de perforación)

La tendencia global hacia fuentes de energía limpias y sostenibles ha impulsado avances significativos en la tecnología de celdas de combustible. En el mundo de las Celdas de Combustible de Membrana de Intercambio Proton (PEMFC), la precisión y eficiencia en la fabricación de componentes son vitales para lograr un rendimiento óptimo. Un elemento crucial en los bloques de celdas de combustible es la Asamblea de Electrodos de Membrana (MEA), que reúne los siguientes componentes: Placa de extremo del ánodo, Colector de corriente, Placa bipolar, Junta, Capa de difusión de gas (GDL), Sub-junta, Asamblea de electrodos de membrana (MEA), Placa de extremo del cátodo.

PEMFC de 7 capas

Entre los diversos métodos de fabricación, la laminación de hoja a hoja (S2S) se destaca como un enfoque transformador, y nuestro socio coreano Shindo Ltd. se ha convertido en la fuerza impulsora detrás de esta innovación. Ofreciendo configuraciones de 3 capas (electrodo + membrana; MEA), 5 capas (MEA + sub-junta) y 7 capas (MEA + sub-junta + capa de difusión de gas), las máquinas de Shindo han ganado prominencia en el mercado S2S, permitiendo a los fabricantes lograr un rendimiento excepcional en las celdas de combustible. A continuación, profundizaremos en las ventajas de la laminación de hoja a hoja sobre los métodos de rollo a rollo (R2R), explicando detalles técnicos y mostrando cómo las máquinas de Shindo están dando forma al futuro de la producción de celdas de combustible.

Ventajas de la laminación de hoja a hoja sobre el rollo a rollo

  1. Prensa de calor al vacío para un control de adhesivo mejorado y eficiencia: La Prensa de Calor al Vacío desarrollada por Shindo, utilizada en la laminación de hoja a hoja, implica el uso de películas y laminados grandes, lo que conduce a un control mejorado del adhesivo y una eficiencia de celda de combustible significativamente mayor, hasta un 13% más que los procesos R2R. Este método asegura un mejor contacto entre las capas, lo que resulta en un rendimiento más alto y celdas de combustible más duraderas. En R2R no es posible utilizar vacío.
  2. Alineación precisa y distribución uniforme de calor: Uno de los factores críticos en la fabricación de celdas de combustible es la alineación precisa de los componentes. Las máquinas de Shindo incorporan tecnología sofisticada de alineación de cámaras, asegurando una posición precisa de electrodos y juntas. Además, la prensa de vacío, un componente clave de las máquinas de Shindo, garantiza una distribución uniforme de calor y presión durante todo el proceso de laminación, minimizando defectos y maximizando la producción de celdas de combustible.
  3. Eliminación de burbujas de aire en capas de difusión de gas (GDL): Las capas de difusión de gas son fundamentales para el rendimiento de la celda de combustible, y la laminación de hoja a hoja facilita la eliminación de burbujas de aire que pueden generarse durante el proceso. El control superior sobre el entorno de laminación permite una mayor calidad de las GDL, lo que resulta en celdas de combustible más eficientes y confiables.
  4. Diseño compacto y económico: Las máquinas de Shindo utilizan laminación al vacío en lugar de rodillos mecánicos, lo que resulta en un diseño más compacto y económico. Esta característica de ahorro de espacio beneficia no solo a los fabricantes con espacio de producción limitado, sino que también reduce los costos de membranas, convirtiéndolo en una opción económica para la producción de celdas de combustible.
  5. Versatilidad y adaptabilidad: El proceso S2S ofrece una flexibilidad sin igual para adaptarse a diferentes tamaños y materiales de celdas de combustible. Las máquinas de Shindo pueden manejar fácilmente diversos materiales, convirtiéndolas en la opción preferida para fabricantes de automóviles y otras industrias que buscan soluciones personalizadas de celdas de combustible.

Ventajas de la Prensa de Calor al Vacío sobre el Proceso de Decal en la Laminación de Celdas de Combustible

En la fabricación de celdas de combustible, el proceso de laminación juega un papel crucial en el rendimiento y eficiencia finales de la celda de combustible. Tradicionalmente, se utilizaba el proceso de Decal. En un proceso de varias etapas, se aplicaban dos sub-juntas, dos veces el material del electrodo (red de carbono) con una capa de catalizador (platino) y la membrana de polímero (Nafion®). Nafion® es un polímero de tetrafluoroetileno sulfonado (PTFE) desarrollado a fines de la década de 1960 y modificado por Walther Grot como una modificación del Teflón®. Este proceso requería al menos tres pasos en la máquina y en el proceso. Era un método de prensado en caliente con rodillos que permitía un procesamiento continuo en un entorno atmosférico. A pesar de sus ventajas, el proceso de Decal tiene limitaciones, especialmente en cuanto a la uniformidad y control del proceso de laminación. La prensa física utilizada en el proceso de Decal puede provocar irregularidades en la presión y temperatura a lo largo de la celda de combustible, afectando su rendimiento general.
Aquí es donde la Prensa de Calor al Vacío de Shindo se destaca como una alternativa revolucionaria, ofreciendo beneficios significativos sobre el proceso de Decal. Con la Prensa de Calor al Vacío, se optimiza el proceso de laminación de la celda de combustible y solo requiere un paso en la máquina y en el proceso. Esto reduce el tiempo y la complejidad de producción, haciéndolo más eficiente para los fabricantes de celdas de combustible.
La principal ventaja de la Prensa de Calor al Vacío radica en su capacidad para realizar el proceso de prensado en caliente en un entorno de vacío. Esta condición de vacío controlada asegura una mayor uniformidad durante todo el proceso de laminación. La ausencia de fluctuaciones de presión atmosférica, como en el proceso de Decal, permite una aplicación consistente y precisa de presión y calor a la celda de combustible, lo que conduce a un rendimiento y durabilidad mejorados.
Además, la Prensa de Calor al Vacío permite el tratamiento térmico mediante la composición del catalizador. Esta capacidad mejora la eficiencia y vida útil de la celda de combustible al optimizar las capas de catalizador (en el ánodo o cátodo) y conducir a mejores reacciones electroquímicas en la célula.

Máquinas Shindo: Innovaciones técnicas pioneras

  1. Tecnología de prensa de membrana de última generación: Las máquinas Shindo cuentan con una variedad de tecnologías patentadas, destacando la tecnología de prensa de membrana. Esta tecnología avanzada permite la fabricación de membranas ultradelgadas de 10 µm, mejorando significativamente el rendimiento y la eficiencia de las celdas de combustible. La reducción de la anterior grosor de 20 µm minimiza la resistencia eléctrica y optimiza la difusión de gas, resultando en un mejor rendimiento de la celda de combustible.
  2. Pruebas técnicas y soporte: Las máquinas Shindo van más allá de la venta de equipos al ofrecer pruebas técnicas y soporte para asegurar que los clientes obtengan las máquinas y procesos más adecuados para sus aplicaciones específicas. Este enfoque personalizado fortalece la confianza de los clientes y promueve el éxito de los proyectos de producción de celdas de combustible.
  3. Servicio a diversos clientes: Las máquinas Shindo atienden a dos grupos principales de clientes: fabricantes de automóviles que buscan baterías de celdas de combustible para vehículos eléctricos, y empresas productoras de hidrógeno que necesitan celdas de combustible para la generación de energía local, como turbinas eólicas en ubicaciones remotas, incluidas instalaciones en alta mar.
  4. Uniformidad sobresaliente mediante prensado de membrana: El proceso S2S en las máquinas Shindo ofrece una uniformidad excepcional de presión y temperatura, superando los resultados alcanzables con el proceso R2R. Esta uniformidad es crucial para la fabricación de celdas de combustible con un rendimiento constante y confiable.

Conclusión

La laminación de hoja a hoja ha demostrado ser una tecnología innovadora en la fabricación de celdas de combustible, ofreciendo ventajas incomparables sobre los métodos de rollo a rollo. Las máquinas Shindo lideran este proceso transformador con sus innovaciones revolucionarias y su compromiso con la excelencia técnica. Con un control preciso del adhesivo, alineación superior, eliminación de burbujas de aire y adaptabilidad económica, las máquinas Shindo han revolucionado la producción de celdas de combustible. A medida que el mundo avanza hacia soluciones de energía sostenible, el futuro de la tecnología de celdas de combustible parece prometedor, impulsado por las máquinas Shindo y su dedicación a la optimización de la eficiencia y rendimiento de las celdas de combustible.


Línea

Principio de funcionamiento de una celda de combustible

A continuación, le ofrecemos una visión general del funcionamiento de diferentes celdas de combustible, así como la fabricación de celdas PEMFC. Las celdas de combustible son elementos galvánicos que convierten la energía química a través de un proceso electroquímico reversible en energía eléctrica. En este proceso, un combustible continuamente suministrado reacciona con un agente oxidante. Dado que el portador de energía no se almacena en la celda, la capacidad y la potencia son escalables de forma independiente. Las reacciones redox que tienen lugar se producen espacialmente separadas en el ánodo y la cátodo y pueden convertirse así en energía eléctrica en lugar de calor. Los componentes más comúnmente utilizados son el hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2), cuyas reacciones subyacentes se muestran a continuación. Estas reacciones redox pueden ocurrir catalizadas tanto ácidas como básicas.


Electrólito Ácido

Electrólito Básico

Ánodo: 2 H2+ 4 H2O → 4 H3O+ + 4 e-
Cátodo: O2+ 4 H3O+ + 4 e- → 6 H2O
Ánodo: 2 H2 + 4 OH- → 4 H2O + 4 e-
Cátodo: O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-
Total: 2 H2+ O2 → 2 H2O Total: 2 H2+ O2 → 2 H2O

Tanto en la reacción catalizada ácida como en la alcalina, el gas de hidrógeno (H2) se convierte en la anodización liberando electrones. En un medio ácido, esto da como resultado agua protonada (H3O+), mientras que en el medio alcalino, los iones hidroxilo (OH-) se convierten en agua (H2O). En el cátodo, el oxígeno (O2) se convierte en agua (H2O) (catalizado ácidamente) o en iones hidroxilo (OH-) (catalizado alcalinamente). Para la reacción redox total, esto resulta en ambos sistemas catalíticos en la conversión de hidrógeno y oxígeno en agua.

Aunque el oxígeno y el hidrógeno son la combinación más utilizada en una celda de combustible, también se pueden utilizar otros portadores de hidrógeno como el metanol (CH3OH), butano (C4H10), o gas natural (>75% de metano) como combustibles. A menudo, el hidrógeno también se almacena químicamente en forma de amoníaco (NH3). Esto se puede dividir térmicamente en un generador de hidrógeno in situ. El generador de H2, también llamado escindidor de amoníaco o craqueador de amoníaco, divide el amoníaco en hidrógeno y nitrógeno, como se ilustra en la siguiente ecuación:

2 NH3 → H2+ 3 N2

Según el tipo de célula de combustible, el nitrógeno puede tener que ser separado en un proceso separado.

Estructura de una celda de combustible

La celda de combustible consta generalmente de dos electrodos recubiertos con un catalizador y un electrolito (conductor de iones). Como electrodos se utilizan principalmente sistemas basados en metal o carbono con una gran superficie (por ejemplo, fieltro de carbono (CF)). Como catalizador se utiliza, por ejemplo, rutenio o platino. El electrolito sirve para la separación espacial de los productos y al mismo tiempo permite el transporte de carga entre los electrodos. Pueden ser utilizados electrolitos tanto líquidos como sólidos.

Comparación de tipos de celdas de combustible

La realización de la oxidación espacialmente separada de un combustible rico en hidrógeno se puede lograr de diversas maneras. Las diferencias entre los tipos de celdas de combustible se deben principalmente a su temperatura de operación, los electrolitos utilizados y los combustibles suministrados, y las reacciones redox asociadas. Las celdas de combustible de baja temperatura (LT-FC) funcionan a temperaturas de hasta 200 °C, mientras que las celdas de combustible de alta temperatura (HT-FC) comienzan a partir de aproximadamente 700 °C. Debido a la temperatura, las celdas de combustible de baja temperatura suelen necesitar catalizadores basados en metales costosos del grupo del platino, y las impurezas en los gases de entrada, como el monóxido de carbono, pueden afectar significativamente el proceso. En las celdas de combustible de alta temperatura, a menudo son suficientes catalizadores más económicos, como el níquel, y la eficiencia suele ser más alta.

Además, las celdas de combustible se pueden distinguir por los electrolitos utilizados. Se utilizan membranas de electrolito polimérico (por ejemplo, celda de combustible de membrana de intercambio de protones PEMFC), electrolitos alcalinos acuosos (por ejemplo, celda de combustible alcalina AFC), electrolitos ácidos acuosos (celda de combustible de ácido fosfórico PAFC), líquidos electrolitos iónicos (celda de combustible de carbonato fundido MCFC), y electrolitos de estado sólido (por ejemplo, celda de combustible de cerámica de óxido SOFC). Los tipos de celdas de combustible más conocidos se enumeran en la siguiente tabla con sus características.

Nombre Tipo Electrolito Portador de carga Gas de combustión (Ánodo) Oxidante (Cátodo) Temperatura (°C) Eficiencia (%) Aplicación
Celda de combustible de membrana de polímero para hidrógeno (PEMFC) Celda de combustible de baja temperatura ácida Membrana polimérica conductora de protones (PEM) Ión hidronio (H3O+) Hidrógeno (H2) Oxígeno (O2) o aire; humidificado 60-70 Celda: 50-68 Vehículos de producción, Cogeneración, Suministro de electrónica
Celda de combustible de membrana de polímero para combustibles alternativos como metanol (DMFC), etanol (DEFC), etc. Celda de combustible de baja temperatura ácida Membrana polimérica conductora de protones (PEM) Ión hidronio (H3O+) Mezcla de metanol-agua (CH3OH-H2O)
Mezcla de etanol-agua (C2H5OH-H2O)
etc.
Oxígeno del aire (O2) 60-130 Celda: 20-30 Propulsión eléctrica, Uso de batería
Celda de combustible de óxido sólido (SOFC) Celda de combustible de alta temperatura ácida Electrolito cerámico de óxido
(ZrO2 + Y2O3)
Ión óxido (O2-) Hidrógeno (H2) Oxígeno del aire (O2) 800-1000 Celda: 60-65 Plantas de energía distribuida (hasta 250 kW)
Celdas galvánicas de combustible con electrolitos alcalinos, por ejemplo, (AFC) Celda de combustible de baja temperatura alcalina Solución acuosa al 30% de hidróxido potásico Ión hidroxilo (OH-) Hidrógeno puro (H2) Oxígeno puro (O2) 20-90 Celda: 60-70 Pequeñas instalaciones (hasta 150 kW); Propulsión de submarinos
Celdas galvánicas de combustible con electrolitos ácidos, por ejemplo, (PAFC) Celda de combustible de baja temperatura ácida Ácido fosfórico concentrado, por ejemplo Ión hidronio (H3O+) Hidrógeno (H2)
Oxígeno del aire (O2) 150-220 Celda: 55 Generación estacionaria de electricidad y calor

Los dos tipos de celdas de combustible más prometedores según el estado actual de la tecnología son la Celda de Combustible de Electrolito Polimérico y la Celda de Combustible de Óxido Sólido.

Celda de Combustible de Electrolito Polimérico (PEMFC)

La "celda de combustible de electrolito polimérico" (PEMFC), también conocida en alemán como Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones, a menudo se abrevia como PEFC (celda de combustible de electrolito polimérico). Este tipo de celda de combustible funciona dependiendo de la membrana de electrolito utilizada en el rango de temperatura de 10 a 100 °C (PEMFC de baja temperatura) o a 130 a 200 °C (PEMFC de alta temperatura). Ambas aplicaciones logran una eficiencia de aproximadamente el 60% con hidrógeno puro (aproximadamente el 48% con gas natural como combustible). En la cátodo, como se describe en el Principio de Funcionamiento bajo Electrólito Ácido, se lleva a cabo la reacción de hidrógeno o una fuente de hidrógeno como hidrocarburo en el ánodo y oxígeno, por ejemplo, del aire, en la cátodo. El suministro continuo de agua al ánodo se logra mediante una difusión hacia atrás a través de la membrana, así como la humidificación de los reactantes.

PEMFC de Baja Temperatura

En la PEMFC de baja temperatura, se utiliza comúnmente una membrana de polímero de Nafion®, un polímero de tetrafluoroetileno sulfonado (PTFE). Esta membrana adquiere un carácter ácido y se vuelve conductora de protones mediante la humidificación con agua. La conductividad aumenta en función del contenido de agua. La membrana está recubierta en ambos lados con un electrodo poroso fabricado principalmente de carbono, con una superficie grande, e incluye un catalizador, comúnmente platino o una mezcla de platino y rutenio, platino y níquel, o platino y cobalto. Es importante destacar que, a las temperaturas utilizadas aquí, no se permite que el monóxido de carbono (CO), que se produce como subproducto, por ejemplo, en la obtención de hidrógeno a partir de fuentes de petróleo fósil, ingrese a la celda de combustible. Esto es crucial, ya que incluso una concentración de 10 ppm de CO en la mezcla de gases puede actuar como veneno catalítico, ya que el CO, debido a su alta afinidad, ocupará demasiados centros catalíticos activos en la superficie de la membrana. Sin embargo, el CO perjudicial se puede eliminar nuevamente mediante el lavado de la celda de combustible con gas inerte o hidrógeno puro. La presencia de compuestos de azufre y amoníaco en el gas combustible también son venenos catalíticos y deben mantenerse en el rango de ppm bajo siempre que sea posible.

PEMFC de Alta Temperatura

En las celdas de combustible de electrolito polimérico de alta temperatura, la membrana de electrolito suele estar hecha de polibenzimidazol. Para garantizar la conductividad de protones, se utiliza la incorporación de ácido fosfórico en la matriz de polibenzimidazol. La incorporación de agua, como en la PEMFC de baja temperatura, no es necesaria aquí. Además, frente al veneno catalítico monóxido de carbono, las reacciones que ocurren a 130-200 °C son mucho menos sensibles, ya que el CO se desorbe más fuertemente a temperaturas más altas, liberando así los centros catalíticos activos.

Ventajas de la PEMFC

Desventajas de la PEMFC

Estado de Desarrollo de la PEMFC

Actualmente, se están utilizando celdas de combustible de electrolito polimérico en vehículos de producción en serie (automóviles, camiones y autobuses), instalaciones más pequeñas y sistemas de cogeneración. Además, se están desarrollando aplicaciones en el campo de las baterías y para alimentar dispositivos electrónicos (por ejemplo, portátiles). Las aplicaciones en la industria aeroespacial o militar también se están investigando y desarrollando. Se pueden lograr potencias de 5 a 250 kW.

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

The "solid oxide fuel cell" (SOFC), or Solid Oxide Fuel Cell, operates at temperatures ranging from 650 to 1000°C, making it a high-temperature fuel cell. Characteristic of SOFC technology is the solid electrolyte made of oxide ceramics. Most commonly used is Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ). Alternatively, strontium- and magnesium-doped lanthanum gallate (LSGM) or gadolinium-doped ceria (CGO) can also be employed. A high efficiency of up to 70% is achieved with this technology.
The electrolyte, as the core component of the fuel cell, is manufactured in the form of a tube or alternatively as a planar membrane. It is designed to be as thin as possible to ensure energy-efficient transport of oxygen ions. For the cathode material, electronically conductive perovskites based on manganese can be used, such as La0.8Sr0.2MnO3 (LSM). These exhibit high stability and low aging but are susceptible to "poisoning" with chromium, which can be released from elements connecting the stacks made of chrome steel, significantly reducing the lifespan. For the anode, on the other hand, compounds of nickel and yttria-stabilized zirconia (Ni-YSZ) are used.

Advantages of SOFC

Disadvantages of SOFC

Development Status of SOFC

Currently, there are experimental prototypes of block power plants for stationary power supply. Power outputs of up to 250 kW can be achieved.


Nafion® is a registered trademark of Chemours company FC LLC