Crystec Technology Trading GmbH

1. Prensa a caliente al vacío para un mejor control del adhesivo y eficiencia: Grandes películas cortadas y el laminado en vacío permiten un mejor contacto entre capas y pueden aportar hasta aproximadamente un 13% más de eficiencia comparado con R2R en ciertas aplicaciones. R2R típicamente no puede mantener el vacío a lo largo de todo el recorrido de laminado.
2. Alineación precisa y distribución uniforme del calor: Los sistemas Vision Align asistidos por cámara y la prensa al vacío aseguran posicionamiento, temperatura y distribución de presión consistentes, minimizando defectos.
3. Eliminación de burbujas de aire en el GDL: El laminado S2S permite un mejor desaireado y, por tanto, capas difusoras de gas (GDL) de mayor calidad.
4. Diseño compacto y rentable: El laminado al vacío reduce los sistemas mecánicos de rollos y puede ser más compacto y económico en compra y operación.
5. Versatilidad y adaptabilidad: S2S es más flexible respecto a formatos, combinaciones de materiales y configuraciones personalizadas —ideal para aplicaciones automotrices y estacionarias.

En la fabricación de pilas de combustible, el proceso de laminado desempeña un papel decisivo en el rendimiento final y la eficiencia de la pila. Tradicionalmente se ha utilizado el proceso decal. En un procedimiento multi‑paso se aplican dos sub‑juntas, el material del electrodo dos veces (tejido de carbono) con una capa de catalizador (platino) y la membrana polimérica (Nafion®). Nafion® es un polímero sulfonado de tetrafluoroetileno desarrollado a finales de los años 60 y posteriormente mejorado por Walther Grot como una modificación del Teflón®. Este proceso requiere al menos tres pasos de máquina y proceso. Es un método de prensa a caliente con rodillos que permite el procesamiento continuo en atmósfera. A pesar de sus ventajas, el proceso decal tiene limitaciones, particularmente en lo relativo a la uniformidad y el control del laminado. La prensa mecánica utilizada en el decal puede introducir irregularidades en la presión y la temperatura a lo largo de la pila, afectando el rendimiento global.
Aquí la prensa a caliente al vacío Shindo destaca como una alternativa revolucionaria y ofrece ventajas significativas frente al proceso decal. Con la prensa a caliente al vacío, el proceso de laminado se optimiza y solo requiere una única máquina y un único paso de proceso. Esto reduce el tiempo de producción y la complejidad, haciéndolo más eficiente para los fabricantes de pilas de combustible.
La ventaja principal de la prensa a caliente al vacío radica en su capacidad para realizar la operación de prensa en condiciones de vacío. Esta condición de vacío controlada asegura una mejor uniformidad durante todo el proceso de laminado. La ausencia de fluctuaciones de la presión atmosférica, como en el proceso decal, permite una aplicación constante y precisa de presión y calor a la pila, resultando en una mejora del rendimiento global y de la durabilidad.

Nafion® es una marca registrada de The Chemours Company FC, LLC

1. Tecnología de prensado de membrana de vanguardia: Las máquinas Shindo incorporan una variedad de tecnologías patentadas, siendo la tecnología de prensado de membrana especialmente destacable. Esta tecnología avanzada permite la producción de membranas ultra‑finas de 10 µm, mejorando significativamente el rendimiento y la eficiencia de las pilas. Reducir el espesor desde los anteriores 20 µm minimiza la resistencia eléctrica y optimiza la difusión de gases, lo que mejora el rendimiento de la celda.
2. Ensayos técnicos y soporte: Shindo ofrece pruebas de proceso y materiales así como soporte al cliente más allá de la entrega para garantizar que los clientes reciban las máquinas y los procesos más adecuados a sus aplicaciones específicas. Este enfoque a medida genera confianza y apoya proyectos exitosos de producción de pilas de combustible.
3. Atención a clientes diversos: Las máquinas Shindo atienden a dos principales grupos de clientes: fabricantes automotrices que buscan stacks de pilas para vehículos eléctricos, y empresas productoras de hidrógeno que necesitan generación de energía in situ, por ejemplo parques eólicos en ubicaciones remotas, incluidas instalaciones offshore.
4. Excelente uniformidad mediante el prensado de membrana: El proceso S2S en las máquinas Shindo ofrece una uniformidad excepcional de presión y temperatura y supera lo que típicamente puede lograrse con procesos R2R. Esta uniformidad es esencial para fabricar pilas de combustible con rendimiento consistente y fiable.

El laminado sheet‑to‑sheet ha demostrado ser una tecnología revolucionaria en la fabricación de pilas de combustible y ofrece ventajas incomparables frente a los procesos roll‑to‑roll. Las máquinas Shindo, con sus innovaciones punteras y su compromiso con la excelencia técnica, lideran este proceso transformador. Mediante un control preciso del adhesivo, un alineamiento superior, la eliminación de bolsas de aire y una adaptabilidad rentable, las máquinas Shindo han revolucionado la producción de pilas de combustible. A medida que el mundo avanza hacia soluciones energéticas sostenibles, el futuro de la tecnología de pilas de combustible se presenta prometedor, impulsado por las máquinas Shindo y su dedicación a optimizar la eficiencia y el rendimiento de las pilas.

A continuación ofrecemos un panorama general de los principios de funcionamiento de varios tipos de pilas de combustible y de la fabricación de celdas PEMFC. Las pilas de combustible son elementos galvánicos que convierten la energía química en energía eléctrica mediante un proceso electroquímico reversible. Un combustible suministrado de forma continua reacciona con un oxidante. Dado que el vector energético no se almacena en la celda, la capacidad y la potencia pueden escalarse de forma independiente. Las reacciones redox se producen espacialmente separadas en el ánodo y en el cátodo y pueden así convertirse en energía eléctrica en lugar de térmica. Los reactivos más utilizados son hidrógeno (H2) y oxígeno (O2); sus reacciones subyacentes se muestran a continuación. Estas reacciones redox pueden ser catalizadas en medio ácido o básico.

Reacciones básicas (ácido / alcalino)

En ambas reacciones catalizadas, ácida y alcalina, el gas hidrógeno (H₂) en el ánodo se convierte liberando electrones. En el medio ácido se forman iones hidronio (H₃O⁺), mientras que en el medio alcalino se forman iones hidróxido (OH^-) que se convierten en agua (H₂O). En el cátodo, el oxígeno (O₂) se convierte en agua (H₂O) (catálisis ácida) o en iones hidróxido (OH^-) (catálisis alcalina). Así, para la reacción redox global en ambos sistemas catalíticos, el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar agua.

Aunque el hidrógeno y el oxígeno son la combinación más común en pilas de combustible, otros portadores de hidrógeno como el metanol (CH₃OH), el butano (C₄H₁₀) o el gas natural (>75% metano) también pueden utilizarse como combustibles. El hidrógeno se almacena con frecuencia químicamente en forma de amoníaco (NH₃) y puede dividirse térmicamente in situ en un generador de hidrógeno. El generador de H₂ (ammonia cracker) descompone el amoníaco en hidrógeno y nitrógeno según la siguiente ecuación:

2 NH₃ → H₂ + 3 N₂

Dependiendo del tipo de pila, puede ser necesario separar el nitrógeno en un proceso aparte.

Una pila de combustible típicamente consta de dos electrodos recubiertos con catalizador y un electrolito (conductor iónico). Los electrodos son principalmente sistemas a base de metal o carbono con gran área superficial (por ejemplo, fieltro de carbono). Se emplean catalizadores como rutenio o platino. El electrolito sirve para separar espacialmente los reactivos mientras permite el transporte de carga entre los electrodos. Tanto electrolitos líquidos como sólidos son posibles.

La oxidación espacialmente separada de un combustible que contiene hidrógeno puede realizarse de varias maneras. Los tipos de pilas se diferencian principalmente por la temperatura de operación, los electrolitos utilizados y los combustibles suministrados y las reacciones redox correspondientes. Las pilas de baja temperatura (LT‑FC) operan a temperaturas de hasta aproximadamente 200 °C, mientras que las pilas de alta temperatura (HT‑FC) comienzan alrededor de 700 °C. Debido a la temperatura, las pilas de baja temperatura típicamente requieren catalizadores basados en metales del grupo del platino y son sensibles a impurezas como el monóxido de carbono. Las pilas de alta temperatura a menudo pueden usar catalizadores más económicos como el níquel y por lo general alcanzan mayores eficiencias. Además, las pilas se distinguen por los electrolitos empleados. Estos incluyen membranas de electrolito polimérico (por ejemplo PEMFC), electrolitos alcalinos acuosos (por ejemplo AFC), electrolitos ácidos acuosos (PAFC), electrolitos de líquido iónico (pila de carbonato fundido — MCFC) y electrolitos sólidos (por ejemplo SOFC cerámico de óxido).
Los tipos de pilas más comunes se listan en la tabla siguiente con sus propiedades.

Los dos tipos de pilas más prometedores hoy en día son la pila de electrolito polimérico y la pila de óxido sólido.

La pila de electrolito polimérico (PEMFC), también llamada pila de intercambio protónico, típicamente opera a 10–100 °C (PEMFC de baja temperatura) o 130–200 °C (PEMFC de alta temperatura), dependiendo de la membrana electrolítica utilizada. Ambas variantes pueden alcanzar eficiencias alrededor del 60% con hidrógeno puro (aprox. 48% con gas natural como combustible). En el cátodo, como se describe en el principio de funcionamiento para electrolito ácido, el hidrógeno (o una fuente de hidrógeno como un hidrocarburo) se oxida en el ánodo y el oxígeno del aire se reduce en el cátodo. El suministro continuo de agua al ánodo se logra por retro‑difusión a través de la membrana y mediante la humidificación de los reactivos.

PEMFC de baja temperatura

Las PEMFC de baja temperatura a menudo utilizan una membrana Nafion^®, un polímero sulfonado de tetrafluoroetileno. Cuando está hidratada, la membrana se vuelve conductora de protones. La conductividad aumenta con el contenido de agua. La membrana está recubierta en ambos lados por un electrodo poroso (típicamente a base de carbono) que contiene un catalizador, frecuentemente platino o mezclas como platino‑rutenio, platino‑níquel o platino‑cobalto. Se debe tener especial cuidado de que el monóxido de carbono (CO), que puede aparecer como subproducto al producir hidrógeno a partir de fuentes fósiles, no entre en la pila. Incluso concentraciones de CO alrededor de 10 ppm pueden envenenar el catalizador y afectar la reacción. El CO se une fuertemente a los sitios activos catalíticos en la superficie de la membrana. El CO puede eliminarse purgando la pila con gas inerte o hidrógeno puro. Se evita un alto contenido de CO mediante reacciones de desplazamiento y oxidación selectiva de CO.
En la reacción de desplazamiento, el CO puede convertirse en CO₂ e hidrógeno añadiendo vapor de agua en una reacción reversible:
CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂
El equilibrio se desplaza hacia los productos al aumentar la temperatura.
Los compuestos de azufre y el amoníaco en el gas combustible también son venenos para el catalizador y deben mantenerse en niveles de ppm bajos siempre que sea posible.

PEMFC de alta temperatura

Las PEMFC de alta temperatura típicamente usan una membrana de polibenzimidazol (PBI). Se dosifica ácido fosfórico en la matriz PBI para proporcionar conductividad protónica. No es necesario el dopado con agua como en las PEMFC de baja temperatura. A 130–200 °C las reacciones son menos sensibles al CO porque el CO se desorbe con mayor facilidad a temperaturas más altas, liberando los sitios catalíticos activos.

Ventajas de las PEMFC

• Muy buen comportamiento de arranque en frío
• Longevidad (> 10 años)
• Pueden apilarse en stacks
• Alta densidad de corriente
• Buena respuesta dinámica
• Baja temperatura de operación (PEMFC NT)
• Electrolito sólido (sin riesgo de fugas de líquidos)
• Electrolito resistente al CO₂

Desventajas de las PEMFC

• Sensibilidad a impurezas del combustible (CO, NH₃, compuestos sulfurados)
• Se requiere limpieza del gas natural reformado
• Catalizador costoso

Estado de desarrollo de las PEMFC

Actualmente, vehículos de series iniciales (coches, camiones y autobuses), pequeños sistemas y unidades CHP se operan con PEMFC. También existen aplicaciones para sustitución de baterías y electrónica (p. ej. alimentación de respaldo para portátiles). Aplicaciones espaciales y militares también están en desarrollo. Los rangos de potencia van de 5 a 250 kW.

La pila de óxido sólido (SOFC) opera a temperaturas de 650–1000 °C y por tanto pertenece a las pilas de alta temperatura. Característico de la tecnología SOFC es el electrolito cerámico de óxido sólido. El material más común es la circona estabilizada con itria (YSZ). Alternativamente, puede utilizarse gallato de lantano dopado (LSGM) o ceria dopada con gadolinio (CGO). Se pueden alcanzar eficiencias de hasta alrededor del 70%.
El electrolito, el corazón de la pila, puede producirse en forma de tubo o como membrana plana y se fabrica lo más delgado posible para permitir el transporte de iones oxígeno con bajo consumo energético. Los materiales de cátodo pueden ser perovskitas conductoras electrónicamente a base de manganeso, p. ej. La_0.8Sr_0.2MnO₃ (LSM). Estas son estables y presentan poco envejecimiento, pero son susceptibles al "envenenamiento" por cromo liberado de los componentes de acero inoxidable que conectan los stacks, lo que puede reducir significativamente la vida útil. Los materiales de ánodo son típicamente compuestos níquel‑YSZ (Ni‑YSZ).

Ventajas de las SOFC

• Menor coste de inversión (no requiere catalizadores caros)
• Pueden usar gas natural o metano además de hidrógeno
• Alta tolerancia a impurezas del combustible
• Alta eficiencia
• No requiere gestión del electrolito
• No corrosión de electrodos
• Electrolito sólido (sin fugas de líquidos)
• Electrolito resistente al CO₂

Desventajas de las SOFC

• Largo tiempo de arranque debido a las altas temperaturas
• Las altas temperaturas requieren materiales resistentes al calor
• Elevadas tensiones mecánicas y térmicas

Estado de desarrollo de las SOFC

Ya existen prototipos experimentales de plantas modulares para generación estacionaria de electricidad, con salidas de potencia de hasta alrededor de 250 kW.