Técnica innovadora para la inspección de calidad de las celdas de combustible

© Campus Schwarzwald

El hidrógeno producido con energía regenerativa es un portador de energía importante para la movilidad del futuro. La demanda de pilas de combustible que convierten el hidrógeno en energía eléctrica crecerá rápidamente en los próximos años. Investigadores del Fraunhofer IPA y del Campus Schwarzwald están desarrollando ahora, junto con varios socios industriales, una innovadora prueba de calidad que ahorra tiempo y dinero en la fabricación.

»La automatización en la producción de pilas de combustible aún está en pañales. Hasta ahora, la fabricación tiene un carácter más artesanal«, informa el Dr. Friedrich-Wilhelm Speckmann, jefe de grupo de tecnología del hidrógeno en el Fraunhofer IPA. »Si queremos que la transición energética tenga éxito y, sobre todo, que el hidrógeno verde se utilice como portador de energía en el transporte de carga pesada, necesitamos líneas de producción eficientes lo antes posible, así como pruebas de calidad rápidas y económicas para las pilas de combustible.«

Pero precisamente el control de calidad es hasta ahora el cuello de botella en la producción. Los robots pueden apilar las pilas de combustible rápida y precisamente, pero luego cada pila, llamada stack, debe conectarse a diferentes instrumentos de medición y verificarse. En el proyecto FastPeM — cuya abreviatura significa »Procedimiento de prueba acelerado para una producción en masa de pilas de combustible« — Speckmann y sus colegas del Campus Schwarzwald y socios industriales quieren desarrollar ahora un demostrador de banco de pruebas con el que se puedan determinar rápida y eficientemente las propiedades electroquímicas de un stack mediante tecnologías innovadoras.

»El Campus Schwarzwald es el lugar ideal para este proyecto, ya que aquí se está construyendo una planta de apilamiento totalmente automática«, destaca el investigador. Y Stefan Bogenrieder, director del Campus Schwarzwald, añade: »El centro de investigación para la economía circular inteligente del hidrógeno en el norte de Schwarzwald ofrecerá ventajas y experiencia en fabricación masiva de pilas de combustible a empresas y municipios regionales y supraregionales.« Está contento de que también haya comenzado la subproyecto FastPEM.

Prueba acelerada de línea de producción

En la planta piloto, un brazo robótico apila las capas: cada pila de combustible consta de dos electrodos delgados con una membrana entre ellos, así como una placa bipolar por la que se suministran hidrógeno y oxígeno del aire. En 15 minutos, se forma un paquete de unas 400 celdas que puede comprimirse y tensarse. »Dado que en este demostrador cada paso de fabricación se documenta digitalmente, disponemos de una gran cantidad de datos que podemos usar para garantizar la calidad«, explica Speckmann.

La prueba de una pila terminada es actualmente relativamente lenta: primero hay que comprobar si el stack es hermético o si el gas que entra a presión en las celdas se escapa. Luego, hay que determinar la curva de rendimiento, que muestra en qué voltajes se produce qué densidad de corriente. »En el proyecto FastPeM queremos investigar cómo optimizar estos procesos, por ejemplo, combinando ambos pasos«, explica el ingeniero.

Ahorrar tiempo con gemelos digitales

Las técnicas virtuales jugarán un papel clave: la planta de producción y el equipo de prueba estarán equipados con tecnología de medición que alimentará en tiempo real datos de sensores a un modelo de simulación. El gemelo digital que surge no solo modela los procesos, sino también cada componente en detalle. Con base en este conjunto de datos, se pueden predecir las propiedades electroquímicas de celdas individuales y stacks completos. »Las curvas de rendimiento calculadas virtualmente solo necesitan ser verificadas mediante mediciones puntuales. Se pueden evitar largas series de mediciones, probablemente sea suficiente realizar mediciones individuales. Si estas coinciden con las predicciones, no se requieren más pruebas«, explica Speckmann. El tiempo de proceso puede reducirse significativamente si se realiza con éxito.

Para las empresas que fabrican pilas de combustible, este ahorro de tiempo sería una ganancia real. Sin embargo, todavía falta un tiempo para que los resultados estén disponibles: el proyecto FastPeM, que comenzó el 1 de junio, durará hasta 2027. Entonces, también estará listo el banco de pruebas para la producción en masa de pilas de combustible.

Ficha técnica

H2BlackForest con un financiamiento total de aproximadamente 7,2 millones de euros

Para ampliar la innovación regional y promover un desarrollo urbano y regional sostenible, la política regional de la Unión Europea dispone en total de 80 millones de euros del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) en la competencia »RegioWIN 2030«. El centro de investigación para la economía circular inteligente del hidrógeno »H2BlackForest« del Fraunhofer IPA, del IFF de la Universidad de Stuttgart y del Campus Schwarzwald ha sido reconocido como un proyecto emblemático de la región de Nordschwarzwald. En total, se han aprobado 4,8 millones de euros para el proyecto en el período de financiación 2021–2027. Otros 2,4 millones de euros provienen de fondos estatales. Sumando las contribuciones propias de los socios participantes, el alcance total de la investigación asciende a 12 millones de euros. La autoridad administrativa del concurso es el Ministerio de Alimentación, Agricultura y Protección del Consumidor (MLR).