- ¿Cuáles son los pasos implicados en la producción de placas bipolares y cuáles son los métodos de fabricación más comunes?
- ¿Cómo se ensamblan las placas bipolares en una pila de combustible?
- ¿Cuáles son los diferentes defectos identificados en la fabricación de placas bipolares de metal y cuáles son las medidas comunes de control de calidad que se toman para superarlos?
- ¿Cómo se minimizan los impactos ambientales para la fabricación de placas bipolares metálicas?
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¿Cuáles son los pasos para la producción de placas bipolares y cuáles son los métodos de fabricación más comunes?
Lo que hace que las placas bipolares para aplicaciones de pilas de combustible y electrolizadores sean tan especiales es, en primer lugar, el gran número de placas necesarias para construir una pila. Además, las geometrías de las placas bipolares son muy complejas y plantean exigencias muy elevadas al componente. Esta constelación especial significa que una línea de producción para la fabricación en serie de las placas bipolares también debe cumplir requisitos especiales.
Una línea de producción completa para la fabricación en serie de placas bipolares metálicas incluye las siguientes secciones/pasos:
- Material: En función de la aplicación de la placa bipolar, debe definirse la materia prima. Deben tenerse en cuenta los requisitos mecánicos y eléctricos, así como químicos y térmicos de las aplicaciones previstas. La definición de la materia prima es el primer paso necesario y tiene un impacto significativo en todos los pasos subsiguientes.
- Recubrimiento: Dependiendo de la aplicación de la placa bipolar, existen dos métodos diferentes: pre-recubrimiento y post-recubrimiento. Pre-revestimiento significa que el material se reviste previamente en un proceso rollo a rollo. En el caso del posrevestido, el producto acabado (la placa bipolar metálica) recibe un revestimiento sólo después de que se hayan completado todos los pasos de producción.
- Geometría: la definición de la geometría de una placa bipolar metálica suele ser un proceso iterativo y se lleva a cabo en función de la aplicación prevista, la densidad de potencia prevista y los requisitos estequiométricos previstos para el proceso completo de conversión electroquímica de energía dentro de las celdas individuales y la pila completa. Además, deben conocerse y tenerse en cuenta las condiciones límite de todos los demás componentes, como la MEA, el GDL, el sellado y el concepto de pila. Estos tres requisitos – material, recubrimiento y geometría – son la base esencial para el diseño concreto de una línea de producción para la fabricación en serie de placas bipolares metálicas y, al mismo tiempo, ya incluyen los datos relevantes para todas las consideraciones económicas posteriores. Se podría decir que son la "huella genética" del diseño de la línea de producción.
- Formación: Para conformar el metal pueden utilizarse diversos procesos, como el hidroconformado, el estampado, la embutición profunda o el conformado rotativo. Dependiendo de la chapa y de los requisitos del proceso, se utiliza uno u otro método. Si se requiere velocidad, por ejemplo, el proceso rollo a rollo puede ser una buena opción, siempre que el diseño de la chapa no tenga tolerancias estrictas. Si, por el contrario, se requiere la máxima precisión, repetibilidad y las tolerancias más ajustadas en el proceso, el hidroconformado es el método elegido.
- Corte: Tras el conformado, la placa obtiene tanto su contorno como los colectores para la entrada de gas. Mediante el corte por fusión con láser se consigue una gran precisión y calidad. Esto es importante porque los bordes cortados de las placas se utilizan, entre otras cosas, como elementos de alineación en procesos posteriores y cualquier desviación entre el contorno de corte y las estructuras de canal formadas puede provocar problemas durante el funcionamiento de la pila de combustible o el electrolizador. Asimismo, la calidad de los bordes de corte tiene una gran repercusión en la calidad del producto final, ya que sólo un corte completamente libre de rebabas permite satisfacer las elevadas exigencias en cuanto a la vida útil total de una pila.
- Soldadura: Debido a la concepción del diseño de la pila, es posible que las placas individuales, es decir, ánodo y cátodo, tengan que soldarse entre sí. Esto requiere un posicionamiento perfecto de cada uno de los componentes, así como una sujeción sin holgura al 100% y una inyección de gas para lograr un resultado de soldadura ideal. Dado que este paso del proceso también requiere la máxima precisión con tiempos de ciclo cortos, la soldadura con tecnología de escáner láser es el método más adecuado.
- enderezado: el enderezado de las placas bipolares se realiza para eliminar el alabeo de la placa. Esto se debe a las tensiones residuales aplicadas tanto durante la producción del metal como durante su posterior procesamiento. Las placas enderezadas y planas no sólo permiten una manipulación más sencilla en los procesos posteriores y en el montaje de la pila, sino que también garantizan una mayor vida útil y eficacia de la pila.
- Limpieza: las placas monopolares y bipolares se limpian durante el proceso de producción para crear las condiciones ideales para los respectivos procesos posteriores. Además, hay una limpieza final de la placa bipolar metálica acabada después de haber pasado por todos los pasos de producción. A continuación, está “lista para apilarse”.
- Prueba de fugas: Según el diseño de la placa bipolar metálica, la prueba de estanqueidad (= índice de fugas) se realiza en la placa simple o en la placa bipolar soldada. Dependiendo de los requisitos definidos por el cliente, tanto para la tasa de fuga del componente individual como para el método de medición, la prueba se lleva a cabo como una prueba final al 100% utilizando diferentes métodos. Por ejemplo, un método simple de diferencia de presión con aire ambiente, una prueba de vacío o una prueba de fugas con helio. Teniendo en cuenta la trazabilidad necesaria para cada componente individual, al final de este paso del proceso se lleva a cabo el registro completo y la correlación entre el código de matriz de datos aplicado y el historial anterior del componente.
- Sellado: Dependiendo del concepto de pila, a continuación se aplica el sellado. También hay diferentes métodos disponibles para este paso del proceso. Desde la aplicación del precinto por una sola cara o por las dos caras con un dispensador, pasando por la aplicación del precinto mediante serigrafía, hasta el proceso basado en herramientas mediante moldeo por inyección, se aplica el precinto necesario a la placa única o a la placa bipolar.
¿Cómo se ensamblan las placas bipolares en una pila de combustible?
El concepto de pila ya se define en la fase de diseño, junto con el diseño de las placas bipolares metálicas y todos los componentes necesarios. Forma otro componente de la “huella genética” ya que el concepto de pila define todas las condiciones funcionales, así como todas las condiciones económicas básicas.
Por lo general, el apilado se realiza según el principio de pick-and-place, ya que hay que combinar procesos continuos y discontinuos. Las placas bipolares metálicas se alinean utilizando características de índice y se apilan junto con los demás componentes, como membranas, capas de difusión de gas y, si es necesario, juntas, para formar una pila completa, prensada y acondicionada en un paso de proceso posterior.
Por lo general, el apilamiento se realiza según el principio de pick-and-place, ya que deben combinarse procesos continuos y discontinuos
Ejemplo: Línea de producción de placas bipolares
¿Cuáles son los diferentes defectos identificados en la fabricación de placas bipolares de metal y cuáles son las medidas comunes de control de calidad que se toman para superarlos?
- Material: El material base, suministrado como una banda de precisión en forma de bobina, puede variar en el espesor del material dependiendo del ancho de la banda. Esto debe corregirse en el proceso de producción. Además, el material base puede contener defectos mecánicos en forma de impresiones causadas por la suciedad en el proceso de laminado. Cuando se utiliza material precubierto, también puede haber defectos de recubrimiento y arañazos.
- Fugas: La estanqueidad del componente es el requisito previo más importante para el funcionamiento y se comprueba al 100% mediante una prueba de estanqueidad.
- Agrietamiento: Para el uso de pilas de combustible y electrolizadores, las placas bipolares metálicas se apilan y sujetan en pilas de a veces varios cientos de placas. Además de las placas bipolares, también se instalan componentes extremadamente flexibles y sensibles como membranas, capas de difusión de gas y juntas. Si las placas bipolares utilizadas no son planas sino alabeadas, se produce una distribución no homogénea de la presión entre los componentes cuando se presiona una pila, lo que repercute negativamente en la eficacia y la vida útil de la pila. Si las fuerzas transversales generadas son demasiado fuertes, se producen incluso microfisuras en los componentes sensibles, lo que puede provocar la rotura total de la pila.
- Contaminación: Cualquier tipo de contaminación de los componentes individuales puede provocar la degradación del MEA (conjunto de electrodos de membrana) y la rotura total de la pila de combustible o del electrolizador durante el funcionamiento, o una reducción significativa de la vida útil. Por lo tanto, cada paso del proceso debe ser examinado y diseñado con precisión, tanto en términos de limpieza, sino también en términos de la elección de los materiales de fijación.
¿Cómo se minimizan los impactos ambientales para la fabricación de placas bipolares metálicas?
Minimizar el impacto medioambiental de la producción de placas bipolares implica adoptar prácticas y tecnologías sostenibles en todo el proceso de fabricación. A continuación se presentan varias estrategias para reducir la huella medioambiental de la producción de placas bipolares:
- La selección de materiales desempeña un papel crucial en la reducción del impacto medioambiental, por lo que elegir los materiales adecuados con un menor impacto medioambiental es importante. Por ejemplo, considere el uso de metales reciclados en la producción de placas bipolares. El acero inoxidable reciclado puede reducir significativamente la demanda de nuevas materias primas. Materiales alternativos con menor energía incorporada e impacto medioambiental, como las aleaciones ligeras.
- Las placas bipolares de acero inoxidable reciclado pueden reducir significativamente la demanda de nuevas materias primas.
- Implantar procesos de fabricación eficientes desde el punto de vista energético. Esto puede incluir la optimización de la eficiencia de las máquinas, el uso de equipos energéticamente eficientes y la incorporación de fuentes de energía renovables en las instalaciones de producción. La cogeneración o los sistemas combinados de calor y electricidad (CHP) podrían ser una de las mejores opciones para maximizar la utilización de la energía y minimizar los residuos. Minimizar la generación de residuos mediante un uso eficiente de los materiales y programas de reciclaje dentro de las instalaciones de fabricación. Establezca sistemas para reciclar la chatarra y los materiales no utilizados, reduciendo la demanda global de materias primas y minimizando el impacto medioambiental asociado a la extracción y el procesamiento.
- Los sistemas de cogeneración o de producción combinada de calor y electricidad (CHP) podrían ser una de las mejores opciones para maximizar la utilización de la energía y minimizar los residuos.
- Implantación de medidas de conservación del agua para reducir su uso en el proceso de fabricación.
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Graebener® Bipolar Plate Technologies forma parte de Graebener® Maschinentechnik, una empresa familiar mediana de construcción de maquinaria con sedes en Netphen (Alemania) y Houston (EE.UU.), así como varios representantes internacionales. Durante 20 años, Graebener® ha sido una de las primeras empresas en centrarse en la investigación y el desarrollo de procesos de fabricación y máquinas para componentes de pilas de combustible y electrolizadores. La empresa se ha dedicado a establecer el estándar de calidad para las tecnologías de fabricación mediante el desarrollo de procesos y máquinas innovadores que ayudan a fabricar componentes de pilas de combustible y electrolizadores, como la placa bipolar metálica, que están hechos a medida, son integrables, escalables y, por lo tanto, económicamente eficientes.
Última actualización: 15.11.2023