Fabricación rentable de placas bipolares para electrolizadores PEM y SOEC

¿Qué son los electrolizadores?

Los electrolizadores utilizan energía eléctrica procedente de fuentes eólicas, solares o hidroeléctricas para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno verde producido puede utilizarse para alimentar desde autobuses y coches hasta generadores, sistemas de calefacción y maquinaria.

Muchos sistemas de electrolizadores modernos se construyen con módulos («pilas») basados en la tecnología de electrólisis de membrana de intercambio protónico (PEM) o de óxido sólido (SOFC). Y un componente fundamental del electrolizador PEM es la placa bipolar, que desempeña varias funciones importantes.

¿Qué son las placas bipolares?

Las placas bipolares cuentan con canales complejos fabricados con precisión que distribuyen el agua de manera uniforme en la pila de electrolizadores. Sus funciones principales consisten en refrigerar el electrolizador, suministrar gases reactivos a los lados anódicos y evacuar el hidrógeno y los gases producidos durante la reacción.

Aunque las placas bipolares son uno de los componentes más importantes del electrolizador, también son uno de los más costosos. El grabado fotoquímico ofrece una alternativa de fabricación viable para los ingenieros de diseño mecánico que buscan reducir estos costes.

Reinventar la fabricación de electrodos bipolares para electrolizadores

En el caso de los electrolizadores PEM y SOFC, tradicionalmente se han utilizado placas bipolares fabricadas en carbono o compuestos de carbono debido a su resistencia química. Aunque los compuestos de carbono-carbono y los compuestos de carbono-polímero presentan propiedades ventajosas, tienen una baja resistencia mecánica y una baja conductividad eléctrica, por no hablar de los elevados costes de mecanizado.

Por lo general, se prefiere utilizar metales para las placas bipolares debido a su bajo coste, su baja resistencia y sus buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, deben soportar las condiciones de funcionamiento que exige la producción de hidrógeno.

Una de las formas más sencillas que tienen los ingenieros de aumentar el margen de beneficio de los electrolizadores es revisar los procesos de fabricación de los componentes que los integran, como la placa bipolar.

El grabado fotoquímico es probablemente el más versátil de todos los procesos de mecanizado de chapa. Su naturaleza sustractiva permite grabar prácticamente cualquier metal y, por ello, los metales especiales resistentes a la corrosión, como el titanio, pueden mecanizarse de forma más rentable que con otros procesos.

¿Qué es el grabado fotoquímico?

El grabado fotoquímico es un proceso de mecanizado sustractivo de chapa metálica que utiliza agentes corrosivos para crear componentes de precisión complejos y de gran exactitud a partir de casi cualquier metal. Se trata de un proceso alternativo al estampado tradicional y al corte por láser.

La complejidad geométrica y las tolerancias que ofrece el grabado fotoquímico no solo lo convierten en un proceso de fabricación muy apreciado, sino que, en algunos casos, es la única tecnología adecuada para componentes metálicos críticos para la misión o la seguridad.

Cómo ampliar la producción de placas bipolares para electrolizadores

El grabado fotoquímico ofrece a los fabricantes enormes ventajas a la hora de producir componentes fluídicos complejos, como las placas bipolares. El proceso reduce las ineficiencias, pero mantiene la precisión y acorta los plazos de comercialización.

La fabricación de utillaje para el estampado y el hidroconformado puede resultar lenta y poco rentable, ya que a menudo lleva muchos meses, lo que alarga los plazos de desarrollo. Además, la creación de prototipos de configuraciones de canales complejas mediante métodos tradicionales puede suponer un coste de decenas, si no cientos, de miles de libras.

La diferencia fundamental entre el mecanizado tradicional y el grabado fotoquímico es que no se requieren herramientas físicas. En su lugar, se utilizan herramientas digitales, cuya producción y adaptación resultan económicas, lo que ofrece una mayor flexibilidad para optimizar los diseños a un coste mínimo. Los prototipos grabados fotoquímicamente pueden crearse de forma rápida y sencilla en series de cientos, en lugar de miles. Los costes también pueden reducirse aún más aumentando la densidad de los canales y fabricando placas bipolares más finas.

Problemas actuales en la fabricación de placas bipolares

La geometría y el diseño de los canales de flujo en una placa bipolar influyen enormemente en su rendimiento.

La complejidad y la profundidad de los canales se ven limitadas por los métodos de corte convencionales, como el estampado y el hidroconformado. Las placas bipolares hidroconformadas son propensas a romperse debido al adelgazamiento de las chapas metálicas durante el proceso de conformado. Por ello, los diseños más complejos pueden resultar complicados.

El estampado plantea dificultades de diseño durante el proceso de fabricación. Además, puede resultar complicado reproducirlo con precisión debido a las arrugas, la rugosidad de la superficie y la recuperación elástica del material. Los canales de flujo más pequeños y complejos requieren una mayor fuerza de estampado, lo que conlleva un aumento considerable del coste de inversión de la máquina y del tiempo de ciclo.

El grabado fotoquímico permite crear piezas de una complejidad prácticamente ilimitada. Cada componente está totalmente libre de rebabas y tensiones, es completamente plano y presenta una uniformidad extrema. Esto es importante en el caso de las placas bipolares, ya que las imperfecciones pueden comprometer la unión de la pila. A diferencia del mecanizado CNC, el hidroconformado y el estampado, el proceso de grabado fotoquímico no aplica ninguna tensión mecánica o térmica que pueda afectar a las propiedades del metal y alcanza una precisión en los canales de ±0,020 mm.

Además, el grabado químico elimina el metal de forma simultánea, lo que permite grabar canales complejos o campos de flujo en ambos lados de la placa. Esta versatilidad permite a los diseñadores variar el tamaño y la forma de los canales e incorporar colectores, distribuidores y orificios sin costes adicionales.

Grabado químico: una alternativa viable para la fabricación de electrolizadores

Cientos de artículos de investigación analizan la eficiencia, la calidad y las limitaciones económicas de la fabricación de placas bipolares. Sin embargo, la mayoría de ellos no consideran el grabado fotoquímico como un proceso viable. La única forma de que la industria pueda satisfacer la creciente demanda de producción de hidrógeno es ir más allá de los costosos procesos de mecanizado y la creación de prototipos.

El grabado fotoquímico permite a los ingenieros de diseño fabricar placas bipolares en plazos de entrega de días, en lugar de meses, al tiempo que ofrece la flexibilidad necesaria para crear placas bipolares complejas y de alto rendimiento.

Sube hoy mismo el diseño de tu placa bipolar para que lo evaluemos y te demos un presupuesto, o ponte en contacto con nosotrospara hablar de tu próximo proyecto.