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- ¿Qué es la electrólisis PEM y cómo está estructurado un electrolizador PEM?
- ¿Cómo se diseñan y fabrican las placas bipolares para la electrólisis PEM?
- ¿En qué se diferencia el diseño de las células del electrolizador PEM del de las pilas de combustible y qué retos plantea?
- ¿Qué papel desempeñan los sistemas y materiales de sellado en la electrólisis PEM?
- ¿Qué materiales se utilizan para las placas bipolares y cómo está evolucionando el desarrollo de materiales?
- ¿Qué materiales se utilizan para las placas bipolares y cómo está evolucionando el desarrollo de los materiales?
- ¿Cómo influye la experiencia en fabricación en el rendimiento y la integración de sistemas?
¿Qué es la electrólisis PEM y cómo está estructurado un electrolizador PEM?
La electrólisis PEM (membrana de electrolito polimérico) es un proceso en el que el agua se divide en hidrógeno y oxígeno utilizando energía eléctrica, con una membrana de electrolito polimérico (PEM) que separa los dos electrodos (ánodo y cátodo).
El núcleo de la electrólisis PEM es la pila, que consta de varias celdas de electrólisis PEM, cada una de las cuales, a su vez, consta de un conjunto de membrana y electrodo (MEA) y dos placas bipolares (BPP) que lo rodean. Al igual que en las pilas de combustible PEM, las placas bipolares son el componente funcionalmente decisivo en los electrolizadores PEM. Distribuyen y recogen los medios de reacción, conducen corrientes eléctricas y sellan eficazmente los canales de los medios, así como la propia célula, entre sí y del exterior. Además, junto con el sello de la célula, desempeñan la importante tarea de sellar de forma segura el hidrógeno, parte del cual se produce a presiones superiores a 30 bar.
Por lo tanto, las placas bipolares están sujetas a requisitos extremos: deben ser resistentes a la corrosión, conductoras de electricidad y mecánicamente estables para soportar las exigentes condiciones de la electrólisis, ya que las altas temperaturas, las altas presiones y los altos voltajes de las celdas crean un entorno muy corrosivo. Al mismo tiempo, la producción de placas bipolares es un factor de coste decisivo en la electrólisis PEM.
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¿Cómo se diseñan y fabrican las placas bipolares para la electrólisis PEM?
El desarrollo y la fabricación de placas bipolares se basan en una amplia experiencia en tecnologías de pilas de combustible PEM. Las placas bipolares metálicas se utilizan ampliamente debido a sus ventajas en cuanto a rentabilidad, densidad de potencia y adecuación a condiciones de funcionamiento exigentes. Normalmente se producen mediante procesos de conformado de precisión, como el estampado, combinados con líneas de producción altamente automatizadas e integradas. Los conceptos avanzados de herramientas, como las matrices progresivas, permiten tiempos de ciclo mínimos y una producción escalable alineada con los estándares de la industria automovilística.
Fabricantes como EKPO Fuel Cell Technologies aplican estos enfoques en entornos de producción totalmente integrados, combinando tecnologías de conformado de metales, recubrimiento y sellado dentro de sus procesos de fabricación internos.
Entre los elementos funcionales clave de las placas bipolares se incluyen el sistema de sellado y el campo de flujo integrado. El campo de flujo consiste en estructuras de canales en relieve que permiten una distribución uniforme del agua y una eliminación eficiente del hidrógeno y el oxígeno. Para garantizar la durabilidad y el rendimiento, las placas metálicas se recubren para protegerlas contra la corrosión, al tiempo que se mantiene la conductividad eléctrica.
¿En qué se diferencia el diseño de las celdas de un electrolizador PEM del de las pilas de combustible, y qué retos plantea?
A diferencia de una pila de combustible, las celdas de un electrolizador no suelen estar construidas a partir de dos semiplacas soldadas herméticas. En su lugar, además de una placa bipolar con estructuras de canales, incluyen otras capas que se encargan de la descarga de gas y la distribución de la presión dentro de la celda. Dado que en el lado del hidrógeno hay una presión de 30 bar o más, la membrana debe estar soportada por las denominadas capas de transporte de presión (PTL). Junto con las estructuras de distribución de gas fabricadas con mallas, metales expandidos o estructuras sinterizadas porosas, esto da lugar a un diseño multicapa complejo que plantea varios retos en términos de coordinación, diseño y fabricación rentable.
Para abordar estos retos, los enfoques de diseño se centran en la integración funcional y la fabricación flexible. Por ejemplo, fabricantes como EKPO Fuel Cell Technologies desarrollan conceptos que combinan el soporte estructural, el sellado y la gestión del flujo en un menor número de componentes, lo que puede reducir la complejidad del sistema y simplificar el montaje.
¿Qué papel desempeñan los sistemas y materiales de sellado en la electrólisis PEM?
El sellado es fundamental para separar los medios, estabilizar mecánicamente la célula y evitar fugas de los productos de reacción. Los materiales de sellado suelen basarse en elastómeros especialmente desarrollados que se adaptan a las condiciones de funcionamiento de la electrólisis PEM. En algunos casos, estos materiales se desarrollan y optimizan internamente, como hacen empresas como ElringKlinger y EKPO.
Mediante el diseño integral de placas bipolares con elementos estructurales como marcos de soporte o capas de transporte de presión, se pueden mejorar aún más los conceptos de sellado. El uso de tecnologías de sellado basadas en cordones, conocidas en aplicaciones de pilas de combustible, permite un sellado estable a alta presión y puede simplificar la distribución de agua y gas dentro de la célula. El diseño preciso de los sistemas de sellado, respaldado por la experiencia en materiales y los conocimientos técnicos de fabricación, tiene un impacto directo en la seguridad operativa y la vida útil.
Ejemplo: placa bipolar de EKPO
¿Qué materiales se utilizan para las placas bipolares y cómo está evolucionando el desarrollo de materiales?
Actualmente, el titanio se utiliza ampliamente para las placas bipolares debido a su resistencia a la corrosión. Sin embargo, se está trabajando en el desarrollo de materiales más rentables, como el acero inoxidable combinado con recubrimientos adecuados.
Los recubrimientos superficiales desempeñan un papel crucial en la protección contra la corrosión, al tiempo que garantizan una alta conductividad eléctrica. Los fabricantes con experiencia en materiales y tecnologías de recubrimiento, como EKPO Fuel Cell Technologies, están trabajando para hacer posible esta transición de materiales de cara a futuras aplicaciones.
¿Qué materiales se utilizan para las placas bipolares y cómo está evolucionando el desarrollo de materiales?
En comparación con otras tecnologías de electrólisis, la electrólisis PEM se caracteriza por un menor espacio ocupado, una mayor dinámica durante los cambios de carga y una alta presión de salida de hidrógeno.
Debido a su alta densidad de potencia, flexibilidad y escalabilidad, la electrólisis PEM es especialmente adecuada para sistemas con disponibilidad de electricidad fluctuante. Por lo tanto, resulta muy adecuada para su integración con fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar.
Las posibles aplicaciones de la electrólisis PEM son diversas. La tecnología se utiliza, por ejemplo, para:
- La descarbonización de diversas industrias: el hidrógeno procedente de la electrólisis PEM se utiliza de muchas maneras, por ejemplo, en la industria química, el procesamiento de metales, la producción de vidrio y la producción de alimentos.
- Movilidad eléctrica: La electrólisis PEM suministra hidrógeno verde para vehículos de pila de combustible y permite una movilidad sin emisiones con largas autonomías y tiempos de repostaje cortos, incluyendo aplicaciones en camiones o barcos.
- Almacenamiento de energía: Los electrolizadores PEM también pueden utilizarse para la producción descentralizada de hidrógeno. La electrólisis PEM convierte el excedente de electricidad procedente de fuentes renovables en hidrógeno, que luego puede almacenarse y reconvertirse en electricidad cuando sea necesario o utilizarse directamente.
¿Cómo influye la experiencia en fabricación en el rendimiento y la integración de sistemas?
La experiencia en fabricación desempeña un papel clave a la hora de hacer posibles los sistemas de electrolizadores PEM de alto rendimiento. Esto incluye capacidades en conformado, estampado, soldadura, recubrimiento y procesamiento de elastómeros. Algunos fabricantes, como EKPO Fuel Cell Technologies, combinan estas capacidades dentro de entornos de producción integrados y aplican estándares de la industria automovilística para garantizar la calidad y la escalabilidad.
Además, un profundo conocimiento del diseño de las pilas electroquímicas permite la integración funcional de múltiples componentes en un menor número de piezas. Esto puede reducir la complejidad, simplificar la fabricación de pilas, mejorar la calidad y minimizar los errores relacionados con el montaje. Estos enfoques contribuyen a mejorar tanto el rendimiento técnico como la eficiencia económica de los sistemas de electrolizadores PEM.
Contenido aportado por EKPO Fuel Cell Technologies GmbH
EKPO Fuel Cell Technologies (EKPO) es una empresa conjunta líder en el campo del desarrollo y la producción a gran escala de pilas de combustible para la movilidad neutra en CO2. Somos un proveedor de servicio completo de pilas de combustible y componentes utilizados en camiones, autobuses, vehículos comerciales ligeros, pero también en SUV y turismos de mayor tamaño, así como para aplicaciones ferroviarias y marítimas. Nos basamos en la experiencia en industrialización de dos proveedores automovilísticos internacionales consolidados: ElringKlinger y OPmobility. Nuestro objetivo está claramente definido: el desarrollo y la producción a gran escala de pilas de combustible de alto rendimiento destinadas a impulsar la movilidad neutra en CO2, ya sea por carretera, ferrocarril, agua o fuera de carretera.
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