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El Instituto Fraunhofer de Máquinas-Herramienta y Tecnología de Conformado IWU da un gran paso adelante en la reducción de costes y la producción en serie

Un nuevo sistema revoluciona la producción de placas bipolares gracias a la estampación en rollo

Redacción Interempresas28/05/2024

Los sistemas de pilas de combustible respetuosos con el clima, que en el futuro alimentarán máquinas como los vehículos, siguen siendo escasos y caros hoy en día. Ello se debe, entre otras razones, al complejo y costoso proceso de fabricación de placas bipolares, un componente clave en electrolizadores y pilas de combustible, necesario para muchos sistemas de hidrógeno. El Instituto Fraunhofer de Máquinas-Herramienta y Tecnología de Conformado IWU ha dado un gran paso adelante en la reducción de costes y la producción en serie de placas bipolares con la introducción de un innovador sistema de estampado en rollo: BPPflexRoll.

Las pilas de combustible de hidrógeno son muy eficientes. Utilizan hidrógeno y oxígeno para producir electricidad y alimentar máquinas como los vehículos ecológicos. Los electrolizadores invierten este proceso utilizando energía eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Ambos tipos de sistemas de hidrógeno requieren placas bipolares (BPP), que incluyen dos componentes clave de conversión: el conjunto de electrodos de membrana (MEA), en un sistema de pila de combustible, y la membrana recubierta de catalizador (CCM), en un electrolizador. En una pila de combustible, la estructura de doble pared de las placas bipolares permite que el oxígeno y el hidrógeno fluyan a ambos lados de la MEA mientras el agua enfría la pila. El problema es que el proceso actual de producción de placas bipolares es caro, lo que impide la aplicación de la tecnología del hidrógeno y, por tanto, por ejemplo, el uso generalizado y rentable de vehículos de pila de combustible propulsados por hidrógeno. Este potencial solo puede liberarse si se abarata el coste de la producción en serie de los componentes básicos implicados. Los investigadores de Fraunhofer IWU en Chemnitz, en colaboración con Profiroll Technologies GmbH, han desarrollado un prototipo de sistema de estampado en rollo: BPPflexRoll. La línea de producción ya está en marcha en Fraunhofer IWU. Ya está equipada con tecnología de control y un concepto operativo que se ajustan a una instalación industrial en puntos clave. El sistema consta de tres portabobinas y requiere un espacio de instalación de 4.500 x 3.300 mm.

Estampado en rollo de placas bipolares utilizando BPPflexRoll...
Estampado en rollo de placas bipolares utilizando BPPflexRoll. En la nueva tecnología desarrollada, la estructura de la placa bipolar es estampada por un par de rodillos. Foto: Fraunhofer IWU.

El procesamiento continuo sustituye a la producción discontinua por lotes

Una de las razones por las que las BPP metálicas son tan caras es que se producen en lotes discontinuos. “Cada placa bipolar consta de dos mitades de acero inoxidable. Las estructuras para el flujo de gas y la disipación de calor se estampan en las mitades mediante un proceso de conformado discontinuo y, a continuación, se unen. Nuestro sistema de gofrado en rollo tiene el potencial de sustituir estas cadenas de procesos discontinuos o pasos de producción por un proceso continuo. Sin paradas ni arranques, este proceso permitirá una producción de gran volumen unitario”, explica Stefan Polster, jefe del grupo de Procesado de Chapa Metálica y Diseño de Herramientas de Fraunhofer IWU. “Una de las principales ventajas del estampado en relieve es la mayor velocidad del proceso. Se pueden producir hasta 120 medias placas BPP por minuto”, señala Robin Kurth, director del grupo de máquinas de conformado de Fraunhofer IWU. Los investigadores esperan que este cambio en los métodos de producción reduzca a la mitad los costes de fabricación de las BPP.

En la tecnología recién desarrollada, la estructura de la placa bipolar se embute utilizando un par de rodillos, con la banda metálica delgada como una oblea corriendo continuamente entre ellos. Uno de los rodillos de formación se define como el punzón y el otro como la matriz. Dado que los rodillos utilizados para formar los canales de flujo sólo tienen aproximadamente una línea de contacto con la pieza, el conformado paso a paso puede reducir las fuerzas del proceso una media de diez veces en comparación con el estampado convencional. El resultado es una tecnología de máquina más pequeña y de menor coste. La flexibilidad es otra de las ventajas del sistema: El número de juegos de rodillos necesarios puede ajustarse individualmente en función de la geometría de las placas bipolares.

La principal ventaja de este método es la alta velocidad del proceso, que conduce a un aumento sustancial de la producción de cantidades unitarias...
La principal ventaja de este método es la alta velocidad del proceso, que conduce a un aumento sustancial de la producción de cantidades unitarias, economías de escala y, en última instancia, costes significativamente más bajos. Foto: Fraunhofer IWU.

Máquina de conformado cognitivo con sistema de supervisión integrado

Con el nuevo sistema piloto, los investigadores de Fraunhofer IWU también están dando un paso importante hacia las máquinas de conformado cognitivo, que pueden utilizar sensores y algoritmos inteligentes para supervisarse y controlarse a sí mismas. “A diferencia de los sistemas anteriores, en el futuro supervisaremos la calidad de la BPP en tiempo real capturando, consolidando y analizando los parámetros del proceso con sensores”, afirma Kurth. A continuación, los datos se procesarán y se podrán utilizar mediante soluciones en la nube. Las primeras placas bipolares producidas con la instalación ya se están probando en pilas de combustible en el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE de Friburgo.

Con BPPflexRoll, los investigadores están allanando el camino para la producción en serie de placas bipolares de alta eficiencia y bajo coste. En la feria de Hannover, del 22 al 26 de abril en el stand conjunto de Fraunhofer en el pabellón 2, stand B24, presentarán un rodillo como componente de BPPflexRoll, además de placas bipolares fabricadas con él.

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