Elemento de pila de combustible para placas bipolares en electromovilidad como representación esquemática

Pilas de combustible: materiales para placas bipolares de alto rendimiento

La pila de combustible como alternativa a la tecnología de baterías en vehículos electrificados es cada vez más importante. Esto se debe, entre otras cosas, a la Estrategia Nacional del Hidrógeno del gobierno alemán de junio de 2020. En las pilas de combustible para la electromovilidad, la clave es la alta eficiencia combinada con un diseño compacto. Para estos dos aspectos, el material de acero de las placas bipolares empleadas desempeña un papel decisivo. Para este uso, Waelzholz suministra flejes de acero de precisión de alta calidad a las empresas líderes de las aplicaciones móviles de pilas de combustible.

 

«Con nuestros materiales para las placas bipolares de las pilas de combustible de las aplicaciones móviles, nos movemos en ese difícil ámbito para conjugar la eficiencia, el espesor, la estabilidad y la deformabilidad», afirma Jan Ullosat, ingeniero de materiales de Waelzholz, resumiendo los requisitos que deben cumplir los aceros en este ámbito de aplicación. Los llamados stacks, los bloques de las pilas de combustible, en los automóviles, tienen unas 400 células para proporcionar la energía necesaria. Las células están separadas entre sí con placas bipolares, de modo que cada célula tiene una placa bipolar a la izquierda y otra a la derecha. Cada una de estas placas bipolares está formada por dos láminas. «Estamos hablando para un automóvil de unas 800 piezas de chapas integradas en una pila de combustible. Como el espacio para los elementos del vehículo es limitado, las placas tienen que ser lo más finas posible para que la estructura completa requiera el menor espacio para su instalación», explica Ralf Sauer, del departamento de ventas. 

La mejor estabilidad y deformabilidad gracias a procesos de fabricación optimizados

Ullosat especifica qué significa «lo más fino posible»: «Para esta aplicación somos capaces de producir flejes de acero de precisión inoxidables extremadamente finos, del orden de 75 a l100 µm. Para verlo con claridad: esto corresponde aproximadamente al grosor de un cabello humano. El reto consiste en combinar dos requisitos. Por un lado, el material debe ser fácil de conformar, ya que las placas bipolares tienen una estructura compleja de canales de gas, los llamados «campos de flujo». Por otro, se requiere una estabilidad dimensional muy alta de las placas, que viene determinada en gran medida por nuestro material y el diseño de las placas de nuestros clientes». La estabilidad dimensional es muy relevante para el uso en aplicaciones móviles, ya que toda la estructura de la pila de combustible se ve sometida a golpes y vibraciones durante la conducción. Según Ullosat, «las placas bipolares tienen una geometría muy compleja que proporciona estabilidad en su uso posterior. Para la consecución de estas geometrías, nuestros clientes requieren materiales con una resistencia extraordinaria a los complejos procesos de conformación. La forma de lograr esto es a través de una ruta de producción con procesos de tratamiento térmico y laminado especialmente coordinados para dar al fleje de acero de precisión extremadamente fino propiedades de conformado excepcionales. Suministramos a nuestro cliente un material absolutamente isotrópico que está literalmente creado para procesos de conformación complejos, incluso con radios de plegado reducidos». Otro requisito en relación con el conformado y el uso posterior es la planicidad: las placas bipolares cuentan con una estructura multidimensional con canales ultrafinos para el transporte de fluidos y gases. Una buena planicidad garantiza que estos canales puedan insertarse con precisión y exactitud en todo el formato de la placa. 

Acero inoxidable con los más altos requisitos de pureza

Waelzholz utiliza una calidad especial de acero inoxidable para aplicaciones de pilas de combustible que, para conseguir aún más potencia eléctrica, es luego recubierto por los clientes. Ullosat aclara las ventajas del material de Waelzholz: «El revestimiento específico es en cada caso una cuestión muy individual del cliente y afecta de manera significativa al rendimiento de la pila de combustible. En cuanto a la topología de la superficie, ofrecemos todas las posibilidades gracias a nuestro material y nuestra experiencia. Podemos ajustar la rugosidad de la superficie del material tal y como la necesita el cliente para su revestimiento». Además, en caso de que el revestimiento se dañe durante los procesos de conformación o en el uso posterior, el material inoxidable de Waelzholz evita la corrosión de las placas bipolares. Para Ullosat, «este es un aspecto de seguridad importante ya que, si las placas se oxidaran, podría producirse el fallo de la célula individual y, posteriormente, el fallo total de todo el stack de la pila de combustible». El especialista en ventas, Sauer, añade otra ventaja del material: «Los fabricantes de pilas de combustible esperan que les suministremos materiales con un grado de pureza tremendamente elevado. La razón es que las inclusiones en el material podrían afectar negativamente a las características de deformación en este rango de bajo espesor de material. Con una inspección minuciosa de las materias primas que nos suministran, garantizamos el grado de pureza requerido de la mejor manera posible».

Asesoramiento y servicios de ingeniería

«La mayoría de nuestros clientes nos hacen partícipes ya desde las primeras fases del proceso de desarrollo de los productos», comenta Ullosat. «Con nuestra experiencia, los ayudamos a optimizar su proyecto y a aprovechar la mayor cantidad posible de grados de libertad. Esto es especialmente importante ahora en la fase pionera de las pilas de combustible para aplicaciones de movilidad. Además de dominar nuestros procesos fundamentales, nuestra habilidad más valiosa es nuestro profundo conocimiento técnico de todos los procesos iniciales y finales de la cadena de valor. De este modo, generamos un potencial que, en muchos casos, ofrece un verdadero valor añadido para el cliente».

Sauer completa esta afirmación: «Nuestro servicio comienza con la disponibilidad de los materiales de prueba iniciales. Tenemos existencias de bobinas de muestra de diferentes variantes de material para su uso en placas bipolares. Esto nos permite proporcionar a los clientes material de forma inmediata si están interesados. El tiempo es esencial para nuestros clientes, ya que la Estrategia Nacional del Hidrógeno alemana impulsará la necesidad de soluciones móviles de pilas de combustible».

Desea obtener más información sobre nuestros flejes de acero de precisión de alta calidad para placas bipolares de pilas de combustible? Aquí puede descargar nuestra ficha técnica.

Una sencilla explicación de las pilas de combustible

El hidrógeno es una excelente portador de energía cuyo potencial puede aprovecharse con la ayuda de pilas de combustible. ¿Quién no recuerda la explosión de oxihidrógeno de la clase de química en la cual el hidrógeno y el oxígeno se combinaban y encendían? Los átomos de hidrógeno y oxígeno se combinan de forma explosiva en una reacción en cadena para formar el producto de la reacción: el agua. En los gases hidrógeno y oxígeno se almacena más energía química que en el agua, y esta diferencia de energía se libera durante la reacción. Precisamente este elemento es la idea central de una pila de combustible: la reacción controlada y lenta de hidrógeno y oxígeno para formar agua libera energía que puede utilizarse como energía eléctrica, por ejemplo, para accionar un motor eléctrico.

Es así cómo funciona (*imagen): un componente de pila de combustible consta de dos cámaras separadas por una fina membrana. El H2 (hidrógeno) se introduce en la cámara izquierda; el O 2 (oxígeno), en la derecha. En el lado del ánodo (izquierda), el hidrógeno se divide en dos protones (carga +) y dos electrones (carga -) bajo la acción de un catalizador. La clave radica en que los protones (iones H+) pueden migrar a través de los poros de la membrana hacia el lado derecho (lado del cátodo). Al mismo tiempo, la membrana forma un aislante eléctrico para los electrones que, por tanto, no pueden pasar. Tienen que tomar un desvío: debido a la diferencia de potencial (provocada por la migración de protones del lado izquierdo al derecho), estos también fluyen hacia el cátodo del lado derecho a través de un circuito externo. A este circuito hay conectado un consumidor eléctrico que produce trabajo. Puede tratarse de un motor eléctrico. En el cátodo, el oxígeno suministrado (O2) se reduce por la absorción de electrones y forma agua H2O con los protones (iones H+).

* Imagen: Figura del componente de la pila de combustible

Si ahora combinamos muchas de estas pilas de combustible, obtenemos un bloque de pilas, el llamado stack. En los automóviles se utilizan stacks de unas 400 células de este tipo.