Fraunhofer ISE demuestra capas de transporte ultrafinas para electrolizadores

Capa microporosa final en un sustrato de fibra de titanio después del proceso de serigrafía. En un paso posterior, las dos capas se sintran. La capa microporosa con una rugosidad superficial reducida permite una interfaz optimizada con la capa de catalizador. Como resultado, la carga de catalizador con iridio puede reducirse y son posibles membranas más delgadas. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

Pasta compuesta por polvo de titanio, disolvente y aditivos se aplica sobre la malla de impresión. A continuación, la pasta se extiende a través de la malla con la rasqueta de impresión como una capa delgada y microporosa sobre un sustrato de fibra de titanio. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein / Una pasta compuesta por polvo de titanio, disolvente y aditivos se aplica a la pantalla de presión. Luego, la pasta se extiende a través de la pantalla como una capa delgada y microporosa sobre un sustrato de fibra de titanio usando una espátula. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

La imagen de microscopía de escaneo láser muestra la reducción significativa de la rugosidad superficial. © Fraunhofer ISE / La imagen de microscopía de escaneo láser muestra la reducción significativa de la rugosidad superficial. © Fraunhofer ISE

Para la producción de hidrógeno verde mediante electrólisis, las membranas de intercambio de protones (PEM) son una de las tecnologías más prometedoras. Para reducir los costes de materiales y fabricación de los electrolizadores PEM, el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE investiga procesos de producción escalables. Ahora, por primera vez, se ha logrado fabricar capas de transporte porosas ultrafinas de titanio mediante impresión en malla, reduciendo así los costes de los materiales catalizadores. Se utilizaron instalaciones escalables industriales. En la Hannover Messe (31.03.-04.04., Hall 13, C41), el instituto mostrará, además de otras innovaciones, muestras de la capa de transporte microporosa optimizada. 

La electrólisis PEM es una tecnología central para la puesta en marcha del mercado de la economía del hidrógeno verde, ya que puede operarse con alta densidad de corriente y con una oferta de electricidad flexible procedente de energías renovables. Además de la membrana recubierta de catalizador, las capas de transporte porosas (Porous Transport Layers, PTL) son fundamentales para su rendimiento. »Como 'pulmón' de la membrana recubierta de catalizador, las PTL son responsables, entre otras funciones, del transporte de agua y gases. La optimización de las PTL y sus propiedades superficiales es un gran palanca para reducir costes y aumentar el rendimiento en la electrólisis PEM«, explica Stefan Bercher, director del proyecto en el Fraunhofer ISE.

Para mejorar las propiedades superficiales, se aplican capas microporosas de titanio (microporous layers, MPL) entre la capa PTL y la membrana recubierta de catalizador. Gracias a su baja rugosidad superficial, permiten el uso de capas catalizadoras con una carga de iridio significativamente reducida, ya que mejoran la unión y, por tanto, la utilización del catalizador. Además, facilitan el uso de membranas más finas, reduciendo las pérdidas ohmicas. Los objetivos del grupo de investigación del Fraunhofer ISE eran optimizar la MPL basada en titanio para que contactara de manera óptima con la capa de catalizador y que fuera lo más fina posible, ya que estos metales son algunos de los principales factores de coste en los electrolizadores. »En el Fraunhofer ISE contamos con décadas de experiencia en la fabricación y caracterización de componentes para la electrólisis PEM. Este conocimiento lo aplicamos en la ingeniería de interfaces para optimizar ambas capas de manera conjunta y no como hasta ahora, por separado«, explica Tom Smolinka, jefe del departamento de electrólisis e infraestructura de hidrógeno en el Fraunhofer ISE.

Prueba de concepto exitosa con proceso de impresión en malla

Para la impresión de las estructuras MPL ultrafinas, el Fraunhofer ISE utiliza el proceso de impresión en malla, con el que la institución tiene amplia experiencia en producción en el sector fotovoltaico. Dado que la impresión en malla permite un control preciso del grosor y la estructura de las capas, el equipo de proyecto ve un gran potencial en esta tecnología.

En series de pruebas, los investigadores examinaron si las PTL recubiertas con capas microporosas de transporte ofrecen mejores resultados que las disponibles comercialmente. Se optimizaron las diferentes etapas y parámetros del proceso de impresión, desde la preparación de la tinta con partículas de titanio, hasta la impresión en malla en instalaciones industriales y el sinterizado. Tras la caracterización de la MPL impresa sobre una PTL gruesa, se midieron especialmente la rugosidad superficial y la capacidad de rendimiento. »Pudimos imprimir capas muy finas, de unos 20 µm de grosor, y reducir la rugosidad superficial en un 46%. Esto mejora el contacto con la capa de catalizador, en la que se sigue reduciendo la carga de costoso metal precioso, el iridio«, señala Stefan Bercher. Esto es fundamental para alcanzar los objetivos europeos en materia de ahorro de materiales y puesta en marcha del mercado, a pesar de los recursos limitados. Ahora, el equipo de investigación busca socios industriales para seguir optimizando y adaptando la capa microporosa a capas de transporte porosas específicas del cliente.

Otras innovaciones del Fraunhofer ISE en Hannover Messe:

En el stand del Fraunhofer ISE, en el marco de la exposición »Hydrogen+ Fuel Cells Europe«, se podrán ver otras innovaciones:

Además de la fabricación de PTL y MPL, el Fraunhofer ISE investiga otros procesos específicos para la producción de unidades de membrana-electrodo (MEA) para electrolizadores y celdas de combustible, desde el laboratorio hasta la escala industrial. Los científicos y científicas poseen un amplio conocimiento en el desarrollo de procesos y tintas para impresión en malla y recubrimiento por chorro de cuchilla. En el stand, muestran diferentes diseños de MEA con menor carga de metales preciosos, fabricados con materiales comerciales.

La exposición en 3D »Infraestructura de hidrógeno« muestra una infraestructura local típica, cerrada, con producción, distribución y almacenamiento regional, así como puntos de conexión con infraestructuras nacionales e internacionales. Representa las amplias competencias del Fraunhofer ISE en toda la cadena de valor del hidrógeno.

Conferencias del Fraunhofer ISE en Hannover Messe

31 de marzo, 15:00-15:20 horas, Foro Público, Hall 13: Prof. Dr. Christopher Hebling: “De barreras a puentes: desafíos y soluciones del mercado global del hidrógeno”

1 de abril, 11:00-12:30 horas, Foro Técnico, Hall 13: Conferencias »Hidrógeno en Fraunhofer«

Sesión 1: Producción de hidrógeno »Rendimiento electroquímico y fabricación«: Stefan Bercher: »Optimización de la interfaz entre electrodo y PTL para aumentar el rendimiento electroquímico en celdas de electrólisis de agua PEM«