Grafito en lugar de oro: Capas finas para mejores coches de hidrógeno

Innovador recubrimiento para placas bipolares en células de combustible

02.10.2020 - Alemania

Los coches eléctricos que pueden ser llenados en cinco minutos, alcanzan rangos como un diesel y sin embargo conducen "limpiamente": Esto ya se está logrando con los vehículos de pila de combustible de hidrógeno hoy en día. Sin embargo, hasta ahora siguen siendo raros y caros. Aparte de los problemas de eficiencia, esto se debe, entre otras cosas, a un componente central: Las placas bipolares recubiertas de oro (BiP) en las pilas de combustible son caras y complejas de fabricar. El Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Vigas IWS Dresden, el grupo automovilístico alemán Daimler y la empresa siderúrgica finlandesa Outokumpu Nirosta han desarrollado una alternativa económica para la rápida producción en serie.
Con este fin, los científicos del Fraunhofer IWS han desarrollado una tecnología que facilita la producción continua de placas bipolares. En lugar de oro, recubren las placas bipolares con una capa muy fina de carbono. Este concepto es muy adecuado para la producción en masa y puede reducir significativamente los costes de fabricación. Además, contribuye al desarrollo de vehículos respetuosos con el medio ambiente.

Las pilas de combustible son alternativas tecnológicas prometedoras a los conceptos de las baterías

"Si la industria automovilística habla hoy en día de conceptos de conducción alternativos, normalmente significa conducción eléctrica por batería", explica el director del IWS, el Prof. Christoph Leyens. "Las pilas de combustible, sin embargo, podrían ofrecer una atractiva solución tecnológica para escenarios de aplicación como los camiones que requieren un largo alcance. Por lo tanto, trabajamos en estrecha colaboración con nuestros socios industriales a fin de permitir el uso de pilas de combustible más rentables y eficientes".

"Los ingenieros también son idealistas, y por eso nos apasiona especialmente este proyecto", subraya el Dr. Teja Roch, científico del IWS. "Estamos entregando una piedra angular para la movilidad climáticamente neutra más allá de los motores de combustión clásicos. Sin embargo, el proyecto sólo funcionará si el nuevo proceso es rentable en la práctica. "Nuestra tecnología ofrece el potencial de reducir significativamente los costes de producción de las células de combustible."
Una célula de combustible - ¿cómo funciona?

La coincidencia amplía las posibilidades de producción de grafito

La nueva técnica no requiere los típicos catalizadores metálicos o materias primas especiales para convertir el carbono en grafito cristalino

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Las pilas de combustible funcionan como mini centrales eléctricas: Se alimentan de hidrógeno y oxígeno y las utilizan para generar agua, electricidad y calor en una reacción química. Se pueden considerar varios diseños. Un modelo muy utilizado es la pila de combustible PEM. Las células de combustible PEM contienen pilas que consisten en muchas células individuales, cada una con una membrana de intercambio de protones (PEM) en el medio. A la derecha y a la izquierda de esta membrana hay electrodos con catalizadores, una capa de difusión de gas (GDL) y placas bipolares a ambos lados. El hidrógeno y el oxígeno fluyen a través de estas placas hacia la célula. Las placas consisten en dos medias placas de acero inoxidable cada una, sobre las que se estampan estructuras especiales para el flujo de gas y la disipación de calor en un proceso de formación y posteriormente se sueldan entre sí.

Sin embargo, como las superficies de acero sólo conducen la electricidad de forma deficiente, las placas bipolares suelen estar recubiertas de oro para evitar la formación de óxido. Pero sobre todo, el metal precioso asegura que la corriente pueda fluir fácilmente, lo que significa que la resistencia de contacto entre la capa de difusión de gas y la placa bipolar sigue siendo baja. "Sin embargo, se sabe que el oro es costoso", dice Teja Roch, esbozando un problema con esta solución frecuentemente utilizada. "Además, las placas de acero inoxidable para las placas son primero formadas y soldadas y posteriormente recubiertas en pilas. Este es un proceso bastante costoso y que requiere mucho tiempo".

Por lo tanto, los investigadores del IWS y sus socios de la industria automovilística y del acero han explorado nuevos caminos en el curso del proyecto conjunto "miniBIP II" financiado por el Ministerio Federal Alemán de Economía y Tecnología. En lugar de utilizar oro, han revestido las chapas de acero de aproximadamente 50 a 100 micrómetros (milésimas de milímetro) de espesor con una capa similar al grafito de sólo unos pocos nanómetros (millonésimas de milímetro) de grosor. Utilizan la deposición física de vapor (PVD) para este proceso. En esta tecnología, un arco eléctrico en una cámara de vacío vaporiza primero el carbono, que posteriormente se deposita en el acero inoxidable en una capa muy pura, uniforme y muy fina.

Los costos de revestimiento se reducen a la mitad

Incluso en la etapa de pre-serie, esta capa de carbono logra una resistencia de contacto similar a la del revestimiento de oro. En otras palabras, si los ingenieros mejoran aún más su proceso hasta la producción en masa, el revestimiento conducirá la electricidad al menos tan bien como el metal precioso, posiblemente incluso mejor - a la mitad del costo del revestimiento. Los científicos del Fraunhofer IWS están convencidos de que esto contribuirá a una nueva generación de pilas de combustible más eficientes con un mayor rendimiento eléctrico.

Además, la innovadora tecnología de Fraunhofer también promete una mayor velocidad de producción. La capa de carbono es tan extremadamente delgada que el proceso de revestimiento en sí mismo sólo lleva unos pocos segundos. Además, los productores de pilas podrán en el futuro recubrir rollos enteros de chapa metálica "sin parar" antes de su formación. Después de todo, el recubrimiento de Fraunhofer es tan duradero que puede soportar el proceso de formación y soldadura. "Esto permite un proceso de fabricación continuo y, por tanto, un rendimiento de producción mucho mayor que nunca", explica el Dr. Roch.

Los vehículos de pila de combustible con el alcance de un diésel

Esas células de combustible mejoradas y de menor costo son particularmente importantes para el uso móvil. Son especialmente adecuadas para los automóviles, autobuses y camiones de largo recorrido que no dañan el medio ambiente y que necesitan repostar rápidamente. Así pues, el proyecto "miniBIP II" contribuye a la estrategia recientemente reafirmada por el Gobierno Federal de convertir a Alemania en un pionero de las futuras tecnologías del hidrógeno. Algunos analistas de mercado, como IDTechEx y McKinsey, prevén que para 2030 ya habrá en las carreteras de todo el mundo varios millones de vehículos con tecnología de pilas de combustible. La Fraunhofer-Gesellschaft ha asumido este desafío. En una iniciativa conjunta, los institutos involucrados están aportando sus "conocimientos especializados para apoyar la era del hidrógeno". El Fraunhofer IWS también participa en esta red.

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