- ¿Qué es la prueba de fugas de placas bipolares y por qué se hace?
- ¿Cuáles son los conceptos principales para la prueba de fugas de placas bipolares de pilas de combustible?
- ¿Qué tipo de placas se utilizan en las pilas de combustible?
- ¿Qué criterios y métricas clave de rendimiento se utilizan en las pruebas de fugas de placas bipolares?
- ¿Cuáles son los criterios clave de rendimiento de las placas bipolares?
- ¿Cómo se comparan las placas bipolares de metal con las placas bipolares de carbono?
- ¿Cómo pueden integrarse-las-pruebas-de-fugas-en-el-proceso-de-fabricación?
- ¿Por qué es importante la prueba de estanqueidad de placas bipolares?
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¿Qué es la prueba de fugas de placa bipolar y por qué se hace?
La placa bipolar es el componente principal de una pila de combustible y es la encargada de guiar la reacción química y el proceso dentro de la pila de combustible. La placa bipolar está formada por dos placas mono (ánodo y cátodo), ya sea de acero inoxidable y soldadas con láser o de grafito y pegadas. Las placas y membranas bipolares cuentan con tres circuitos: la zona de refrigeración entre las dos placas mono y el ciclo de oxígeno e hidrógeno. El circuito de refrigeración es el responsable de equilibrar la temperatura del proceso. Los circuitos de oxígeno e hidrógeno son los lados del ánodo y el cátodo de la placa bipolar y están compuestos por los puertos para suministrar el gas, los colectores y los dos campos de flujo. Por lo tanto, los flujos circulares individuales deben ser herméticos entre sí para garantizar un proceso eficaz. Esto significa que el circuito de hidrógeno y oxígeno deben estar sellados entre sí y con el circuito de refrigeración. Todas las conexiones y uniones de los tres circuitos entre sí deben cumplir con los altos requisitos de estanqueidad y deben comprobarse en consecuencia para detectar fugas. Por ello, es muy importante para el proceso que las placas bipolares de las pilas de combustible no presenten fugas y que ningún gas pueda desviarse del proceso previsto debido a fugas en las placas bipolares.
Ahora, la prueba de fugas de las placas bipolares de las pilas de combustible se ha introducido en el proceso de producción como parte del control de calidad. Después del prensado, el conformado y la soldadura, o el pegado, respectivamente, la prueba de fugas es el siguiente paso importante en el proceso de producción de una placa bipolar para obtener un resultado de alta calidad y cumplir con los altos requisitos de calidad en la fabricación compleja de pilas de combustible.
Esta prueba de fugas esencial de las pilas de combustible garantiza que todas las juntas cumplan con los requisitos de estanqueidad. Esto es crucial para un proceso estable, una alta eficiencia y la correspondiente durabilidad y seguridad.
¿Cuáles son los conceptos principales para la prueba de fugas de placas bipolares de pilas de combustible?
Dependiendo de los requisitos, las pruebas de fugas y de flujo de placas bipolares se pueden realizar con el medio de prueba aire o con un gas trazador como el helio.
Por lo general, se utilizan dos métodos básicos en una plataforma de prueba de fugas con aire como medio de prueba: medición de flujo o cambio/caída de presión. Ambos métodos básicos de prueba de fugas y aplicaciones tienen una cosa en común: la pieza de prueba primero se llena con aire hasta una determinada presión de prueba y luego se desconecta del suministro de aire comprimido. Después comienza el procedimiento de prueba de fugas propiamente dicho.
¿Qué tipo de placas se utilizan en las pilas de combustible?
Existen varios tipos de placas bipolares que difieren en material y forma. Debido al escaso aumento de la eficiencia y a la falta de métodos de producción de placas bipolares metálicas competitivas, en el pasado predominó la placa bipolar de grafito. Sin embargo, éstas presentan una desventaja decisiva en las aplicaciones técnicas en lo que respecta a la eficiencia volumétrica y gravimétrica en comparación con el diseño de las placas bipolares metálicas. Por ello, las placas bipolares metálicas de acero para pilas de combustible son muy demandadas en el mercado. Debido a las características corrosivas del material metálico, las placas bipolares metálicas se recubren con diversas sustancias, como el nitruro de cromo. A menudo se aplican mediante un proceso de tratamiento termoquímico.
a) Medición de caudal
El proceso de medición de flujo genera una señal de medición que es independiente del volumen del componente y del tiempo de medición, que corresponde a cualquier fuga que pueda estar presente. En la detección de fugas en pilas de combustible se puede utilizar el método de caudal másico o el método de caudal volumétrico, con el fin de detectar fugas en un componente específico.
b) Medición del cambio/caída de presión
La medición de los cambios de presión se basa en el principio de que las fugas se detectan por la presión diferencial. Si hay una fuga, se produce un cambio de presión que se puede convertir en una tasa de fuga utilizando el volumen de prueba y la duración de la medición.
En los procesos de prueba de fugas de pilas de combustible se utilizan los siguientes métodos: presión relativa/absoluta, presión diferencial o presión de acumulación.
En muchos casos y para determinados componentes, la prueba de fugas con aire como medio de prueba es muy eficaz y rentable, pero está limitada en la tasa de fugas que se puede detectar (para resultados fiables, máx. 10E-3 mbar*l/s); además, la duración de la prueba aumenta a medida que aumentan los requisitos para tasas de fugas más pequeñas. Además, los métodos de prueba con aire se ven fácilmente influenciados por cambios externos como fluctuaciones de temperatura o cambios de volumen.
c) Prueba de fugas de helio con espectrómetro de masas
Otro método de prueba de fugas es el uso de un gas trazador como el helio. El helio, un gas inerte, solo se encuentra en bajas concentraciones en el aire ambiente y no reacciona con otros gases. Además, la prueba de fugas mediante el sistema de detección de helio de placas de flujo se puede utilizar independientemente de los cambios de temperatura y volumen. Y eso requiere tiempos de ciclo rápidos con tasas de fuga muy bajas que se puedan detectar al mismo tiempo.
La prueba con helio se utilizó por primera vez en 1942 como parte del llamado Proyecto Manhattan. Este fue el nacimiento de la prueba de fugas con helio. Hoy en día, los comprobadores de fugas con helio se encuentran entre los métodos más establecidos y precisos de prueba de fugas en la producción en serie y en el laboratorio. Además de una prueba de fugas con helio integral en vacío, que requiere un alto vacío en el espectrómetro de masas, también se utiliza la prueba de fugas con helio bajo la atmósfera. La prueba de fugas con helio bajo la atmósfera se puede ejecutar mediante inhalación o utilizando el método de acumulación. La prueba de fugas con helio en una cámara de vacío puede detectar teóricamente tasas de fuga de hasta 10E-9 mbarl/s en un tiempo muy corto. En condiciones atmosféricas, el límite es una tasa de fuga de 10E-4 mbarl/s.
Todas las pruebas de fuga con helio tienen en común que se necesita un espectrómetro de masas. El espectrómetro de masas se utiliza para determinar tanto la composición cualitativa como cuantitativa de un objeto de prueba. Cualitativo significa que el espectrómetro de masas es capaz de detectar especialmente helio y cuantitativo significa que se detecta la cantidad exacta de helio. De esta manera, la tasa de fuga de un componente se puede determinar con mucha precisión.
En el caso del método de vacío con helio, tanto el componente como la cámara de prueba se evacuan hasta un cierto vacío. Una vez alcanzado el vacío, se debe realizar una comprobación de fondo de helio para detectar cualquier resto de helio y ponerlo a cero. A continuación, el componente se llena con helio hasta la presión de prueba especificada. A continuación, se mide la fuga en la cámara utilizando el espectrómetro de masas, que está conectado a la cámara de vacío. De esta manera, se mide la tasa de fuga de un componente hacia el exterior (dentro de la cámara de vacío). Una estación de prueba de fugas de vacío con helio semiautomática para placas bipolares se utiliza con frecuencia en escenarios de fin de línea (EoL), lo que ahorra tiempo y mano de obra al tiempo que maximiza la calidad y la consistencia del producto durante el proceso de producción de celdas de combustible.
El dispositivo de prueba de fugas de helio puede, con las herramientas específicas, probar placas individuales (mono), así como placas bipolares y membranas. La característica especial de la placa bipolar es que se deben probar tres circuitos (refrigeración, oxígeno e hidrógeno) en un ciclo de prueba. Durante el ciclo de prueba, los diferentes circuitos de una placa bipolar se prueban entre sí de las siguientes maneras:
- Circuito de refrigeración al exterior
- Circuito de refrigeración al circuito de hidrógeno y al circuito de oxígeno
- Circuito de oxígeno al exterior
- Circuito de oxígeno al circuito de hidrógeno
- Circuito de hidrógeno al exterior
Las placas bipolares de la celda de combustible se colocan en la mitad inferior de la cámara de prueba sobre el sellado mediante puntos de localización. Luego, las piezas se fijan mediante un sistema de vacío integrado en la suite modular de prueba de fugas de la celda de combustible. Cada módulo puede probar dos piezas a la vez. Una vez que las piezas están cargadas y fijadas, la cámara se cierra y se ejecuta la prueba de fugas de helio como se describe. Después del ciclo de prueba, la cámara se abre y las piezas probadas se pueden sacar. La manipulación de las piezas se puede realizar de forma manual o, en una sala de prueba de fugas de pilas de combustible de gran volumen, se puede automatizar por completo.
¿Qué criterios y métricas de rendimiento se utilizan en la prueba de fugas de placas bipolares?
El requisito más importante para el material es una excelente conductividad eléctrica, que no disminuya significativamente a lo largo de la vida útil de los componentes. Los materiales del sustrato suelen ser grafito o metal. Existe una amplia gama de materiales de sustrato diferentes clasificados como sustratos de tipo metálico o no metálico. Los sustratos metálicos, por ejemplo, son de acero inoxidable, titanio o aluminio. Los distintos materiales ofrecen diferentes propiedades y ventajas para la funcionalidad de las placas. Dependiendo de la aplicación, ciertos materiales son más adecuados que otros.
¿Cuáles son los principales criterios de rendimiento de las placas bipolares?
Una placa bipolar en combinación con la MEA es responsable de la eficiencia de la pila. Sin embargo, una característica clave del rendimiento es la eficiencia de la pila en funcionamiento continuo. Dado que la placa bipolar se instala varios cientos de veces por pila, también existe una gran necesidad de placas bipolares que puedan fabricarse de forma económica y rápida en un proceso de producción en serie. Como ya se ha dicho, cuanto más finas sean las placas y más filigrana sea la estructura de los canales, mayor será la eficiencia de toda la pila de combustible. Esto también se traduce en un componente ligero, al utilizar menos material. Además, la durabilidad de las placas de las pilas de combustible tiene una importancia decisiva para el futuro desarrollo de la tecnología del hidrógeno.
¿Cómo se comparan las placas bipolares metálicas con las placas bipolares de carbono?
La placa bipolar debe cumplir diversos parámetros técnicos y de calidad para garantizar los requisitos de rendimiento, vida útil y fiabilidad deseados. Entre ellos se incluye la estanqueidad de las placas bipolares metálicas o de grafito soldadas o unidas. La prueba de fugas para las placas y membranas bipolares de las pilas de combustible debe estar diseñada específicamente para detectar dichas fugas y ofrecer una sensibilidad de detección suficiente.
Por lo general, una placa bipolar para pilas de combustible requiere una tasa de fuga límite de 10E-3 mbarl/s a 10E-4 mbarl/s. Es posible que los tres circuitos requieran tasas de fuga diferentes. El circuito de refrigeración, por ejemplo, puede probarse con mayor precisión que los circuitos de oxígeno e hidrógeno. Las tasas de fuga mencionadas son necesarias para alcanzar al menos una tasa de fuga total de aproximadamente 10E-1 mbarl/s a 10E-2 mbarl/s del conjunto de la pila total (por ejemplo, 0,0001 mbarl/s por BPP x 400 BPP en una pila = 0,04 mbarl/s para toda la pila de combustible, considerando que también se incluyen otros componentes en el conjunto de la pila).
Dependiendo del material, la presión de prueba de la prueba de fuga de la placa bipolar para la pila de combustible con helio está en el rango de 0,5 bar a 2 bar como valor absoluto en vacío. Si observa las presiones de prueba para las placas bipolares de los electrolizadores, también pueden ser mucho más altas.
Otro parámetro de proceso importante es el tiempo de ciclo. En el futuro, el creciente mercado del hidrógeno requerirá tiempos de ciclo más cortos para satisfacer la creciente demanda y aprovechar las economías de escala con vistas al desarrollo de costos.
La tecnología del sistema actual puede lograr un tiempo de ciclo de 12 segundos. El tiempo de medición de la máquina es de 36 segundos más la manipulación de los componentes, lo que da como resultado un tiempo de medición total de 48 segundos. Algunas estaciones permiten probar dos placas bipolares simultáneamente. En una configuración de este tipo, dos estaciones paralelas pueden reducir el tiempo de medición total a 12 segundos (48 segundos divididos por 4 = 12 segundos). Este concepto se puede ampliar fácilmente a 2, 3 o 4 estaciones dobles, por ejemplo, para lograr un tiempo de ciclo aún más corto de 6, 4 o 3 segundos respectivamente.
¿Cómo pueden integrarse-las-pruebas-de-fugas-en-el-proceso-de-fabricación?
La prueba de estanqueidad como parte del control de calidad es un paso importante, necesario pero también costoso dentro del proceso de fabricación de placas bipolares. La prueba de estanqueidad de la placa bipolar se realiza normalmente después de la soldadura o el pegado y un proceso de limpieza adecuado. Asimismo, la prueba de estanqueidad también es posible después de aplicar el sellado del componente.
Se pueden realizar dos opciones. Por un lado, la manipulación manual de las piezas por uno o más trabajadores en la(s) estación(es) de prueba de estanqueidad o, por otro lado, un proceso de manipulación completamente automatizado.
El proceso completamente automatizado se puede realizar con la ayuda de un robot o mediante la conexión directa a la línea de producción. En este caso, las placas bipolares se introducen directamente en la estación de prueba de estanqueidad a través del sistema de transporte en los portapiezas correspondientes sin el paso intermedio con un robot.
¿Por qué es importante la prueba de fugas de placas bipolares?
Una pila de combustible consta principalmente de un ánodo y un cátodo. Por un lado se suministra gas hidrógeno a la pila de combustible y por el otro lado oxígeno (aire). Las partículas de hidrógeno con carga positiva pasan la membrana de gas entre el ánodo y el cátodo, mientras que los electrones con carga negativa no pueden pasar. Como las magnitudes eléctricas siempre intentan equilibrar la carga, los electrones con carga negativa fluyen a lo largo de las conexiones externas hacia el otro lado de la pila de combustible. Esta corriente eléctrica se puede utilizar para hacer funcionar un motor eléctrico o cargar una batería. Los iones de hidrógeno se unen con el oxígeno suministrado para formar agua o vapor que salen del proceso como escape.
La tecnología basada en hidrógeno desempeña un papel importante en los esfuerzos generales por reducir las emisiones en todo el mundo. La industria de las pilas de combustible de hidrógeno está hoy en la cúspide de la aceptación generalizada, y se espera un uso más generalizado de vehículos con pilas de combustible de hidrógeno en el futuro cercano. Las pilas de combustible se desarrollaron originalmente para la exploración espacial, y los métodos y procesos de prueba de fugas de placa bipolar desempeñarán un papel importante, también en la evolución de la industria espacial de la movilidad de hidrógeno.
Contenido aportado por Maceas
MACEAS es especialista en tecnologías de pruebas de fugas. Nuestra experiencia en pruebas de fugas totalmente integradas en líneas de producción es un beneficio para nuestros clientes. Nos centramos en pruebas de fugas con helio y en comprobadores de fugas ultrasónicos mediante detección de burbujas de gas por ultrasonidos, también para aplicaciones de hidrógeno como placas bipolares, pilas de combustible, recipientes de almacenamiento de hidrógeno y muchos otros componentes relacionados con el hidrógeno. Ubicados en el pequeño pueblo de Barßel-Harkebrügge, Baja Sajonia, en el noroeste de Alemania, suministramos y entregamos nuestros equipos de prueba de fugas a clientes de todo el mundo con un servicio excelente. MACEAS, como marca en tecnología de pruebas de fugas, es una filial al 100 % de Worthmann Maschinenbau GmbH.
Última actualización: 15.1.2023