Cómo la tecnología de membranas está impulsando la comercialización de pilas de combustible en la industria automotriz

Por Simon Cleghorn, especialista global de productos, WL Gore & Associates

Sin duda, el hidrógeno es fundamental para nuestro futuro de energía limpia y, como una de las principales aplicaciones posteriores del hidrógeno, la tecnología de celdas de combustible está madurando día a día. Tanto es así que en WL Gore & Associates (Gore), el hidrógeno impulsa nuestra visión global de un sistema de energía sostenible y bajo en carbono. Y en ninguna parte es esto más obvio que en el sector del transporte, un actor clave en la adopción del hidrógeno como fuente de energía.

La pila de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) es fundamental para hacer realidad este potencial futuro, utiliza una tecnología de membrana que, con la experiencia adecuada, puede acelerar la comercialización de los FCEV al mejorar drásticamente el rendimiento y la confiabilidad de las pilas y sistemas de celdas de combustible.

Actualmente, existen dos tecnologías que pueden reducir la huella de carbono del transporte: los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) y los vehículos eléctricos de batería (BEV).

Con un rápido tiempo de reabastecimiento de combustible de 3 a 5 minutos, un alcance extendido de más de 400 millas y una infraestructura de hidrógeno disponible en rápida expansión, los vehículos impulsados por celdas de combustible están ganando una increíble cantidad de tracción y abriendo nuevas posibilidades para el futuro de la movilidad.

Mirando más profundamente los diversos tipos de tecnologías de celdas de combustible, las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) ofrecen muchas posibilidades prometedoras para aplicaciones automotrices. Así que echemos un vistazo a algunos de los muchos beneficios y las razones por las que el sistema de pila de celdas de combustible PEM es una gran solución para los vehículos.

En comparación con las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) y las celdas de combustible de metanol directo (DMFC), la celda de combustible PEM de hidrógeno ofrece alta densidad de potencia, bajo peso y volumen, y una atractiva ventana de temperatura de funcionamiento que no requiere precalentamiento antes de la operación (Figura 1) .

Esto permite a los fabricantes de automóviles ofrecer una cartera más amplia de productos alimentados por celdas de combustible, desde automóviles de pasajeros hasta vehículos comerciales y camiones de logística de largo alcance. Esta versatilidad superior ha permitido que las pilas y sistemas de celdas de combustible PEM representen la participación de 64% en el mercado de celdas de combustible (Figura 2).

Los beneficios potenciales de la tecnología de celdas de combustible PEM hacen que sea fundamental para los fabricantes de automóviles invertir. Sin embargo, la tecnología debe ser comercialmente viable y competitiva para lograr economías de escala. Por lo tanto, para obtener una aceptación generalizada, los ingenieros de pilas de combustible deben asociarse con expertos en tecnología de membranas y juntos optimizar el PEM, la pila y el sistema para satisfacer las necesidades de comercialización de los FCEV en tres amplias categorías:

1. Desempeño confiable – Comprender las características de durabilidad y densidad de potencia de PEM y cómo aprovechar la tecnología de membrana para un rendimiento óptimo en la pila y el sistema.
2. Apoyo técnico – Garantizar soluciones aptas para el uso, experiencia técnica y soporte de servicio para cumplir con los objetivos del programa de vehículos.
3. Seguridad de suministro – Mantener una cadena de suministro confiable de componentes y materiales de combustible de hidrógeno para lograr calidad, consistencia y producción escalable.

Desempeño confiable

El PEM en una celda de combustible separa el hidrógeno del aire (oxígeno), transporta protones desde el ánodo al cátodo y evita que los electrones entren en cortocircuito en la celda. Esto convierte al PEM en un componente esencial de la conversión de hidrógeno en energía en la pila de combustible. Para operar de manera confiable y brindar un excelente rendimiento a altas temperaturas y condiciones potencialmente secas, los PEM en una pila de celdas de combustible para automóviles deben tener una alta conductancia de protones (que permita la densidad de potencia), ser resistentes a la degradación química y fallas mecánicas, y demostrar una baja permeabilidad al gas.

Utilizando PEM más delgados, los ingenieros pueden reducir la resistencia de protones mientras aumentan el transporte de agua y mejoran el rendimiento, especialmente a baja HR (humedad relativa). Sin embargo, los PEM tradicionalmente más delgados pueden afectar las propiedades mecánicas y, por lo tanto, comprometer la vida útil de la celda de combustible.

Además, los PEM más delgados pueden generar aumentos en el cruce de gases y una menor eficiencia del combustible, así como una mayor concentración de radicales nocivos que aceleran la degradación química, lo que reduce la vida útil del producto.

Estas compensaciones se pueden reducir significativamente al microreforzar el PEM con politetrafluoroetileno expandido o ePTFE. Desarrollada a partir de décadas de experiencia en ingeniería de materiales, la tecnología PEM reforzada con compuestos de Gore se basa en una combinación de ePTFE de alta ingeniería, ionómeros de alto rendimiento y aditivos de membrana patentados para combatir la degradación química. El resultado es un diseño de producto duradero y de baja resistencia para requisitos de aplicación específicos (Figura 3). Los esfuerzos continuos de I+D en materiales y diseños de PEM, así como pilas y sistemas de celdas de combustible, deben adoptar un enfoque holístico para comprender sus interacciones y compensaciones para optimizar el rendimiento y el costo de la aplicación final.

Apoyo técnico

Surgen requisitos de productos nuevos y diferentes a medida que pasamos de la investigación y el desarrollo de PEM a la producción y comercialización. Los proveedores de PEM deben tener la experiencia técnica y el conocimiento para respaldar las necesidades personalizadas y adecuadas para el uso de los fabricantes de automóviles.

Es importante que un proveedor de componentes posea una comprensión profunda de las posibles compensaciones de rendimiento de su componente y las posibles interacciones con otros componentes en la pila y el sistema de celdas de combustible. En el caso del PEM, Gore ha desarrollado métodos de prueba de modelado in situ (en celda de combustible) y ex situ para permitir la comprensión de estas interacciones y acelerar el diseño del producto.

Fundamentalmente, los principales proveedores de PEM deben poder realizar análisis electroquímicos in situ (en celdas de combustible) para determinar la causa del bajo rendimiento y/o la pérdida de energía a lo largo del tiempo que podría resultar de cambios en el material. Las herramientas de análisis post mortem ex situ deben estar fácilmente disponibles para los proveedores automotrices para diagnosticar los modos y mecanismos de falla de las pilas MEA/PEM devueltas al campo.

Para completar el cuadro de soporte técnico holístico, los proveedores de PEM deben tener recursos de análisis globales integrales para respaldar las investigaciones científicas de superficies, la caracterización térmica, mecánica y física, el análisis químico y la caracterización microestructural para la resolución de problemas complejos.

Seguridad de suministro

A medida que los fabricantes de automóviles pasan a la producción en masa de celdas de combustible, los fabricantes de PEM deben garantizar altos rendimientos de producción con productos consistentes de alto rendimiento, al tiempo que minimizan los costos del producto y los riesgos de calidad. Los proveedores de PEM con materias primas uniformes y tecnología de revestimiento de membrana de precisión pueden garantizar la uniformidad y la calidad al minimizar la variabilidad de una célula a otra (Figura 4). Esto permite a los fabricantes de pilas de celdas de combustible controlar con precisión la distribución del rendimiento tanto dentro de la celda como de celda a celda en la pila. Lo que resulta en mayores rendimientos de producción de pilas y menores costos, así como una vida útil mejorada de las pilas.

Otra consideración importante es el suministro de materias primas. Pocos fabricantes de PEM han establecido cadenas de suministro de materias primas probadas y fiables basadas en amplias colaboraciones de I+D y asociaciones comerciales seguras con subproveedores.

Es aún más difícil encontrar proveedores que puedan producir PEM de alto rendimiento en las cantidades necesarias para satisfacer la demanda de la industria. Entendiendo esto como crucial para el éxito, Gore aprovecha su experiencia en refuerzo de ePTFE y los recursos de la red global para garantizar la seguridad del suministro, la estabilidad del proceso y la consistencia de la calidad a escala.

Hacer que la tecnología de celdas de combustible sea comercialmente viable para el transporte de carga y más allá

Hoy en día, la tecnología de celdas de combustible se está desarrollando, implementando y probando de manera efectiva en FCEV para vehículos de pasajeros. Excelentes noticias, porque estos avances y aprendizajes allanan el camino para los muchos beneficios de la tecnología PEM en otros sectores de la industria del transporte. Hacer que la tecnología de celdas de combustible sea comercialmente viable también para la industria del transporte de carga.

Los desarrolladores de sistemas de celdas de combustible en aplicaciones comerciales ahora buscan modelos de colaboración similares para escalar su tecnología en función de los avances en la tecnología PEM de Gore.

Y los beneficios son claros: los camiones que funcionan con energía de hidrógeno limpio pueden usar pilas de celdas de combustible más livianas, lo que les brinda mayores capacidades de carga útil y eficiencias mejoradas, lo que resulta en un costo total de propiedad reducido, indicadores de rendimiento críticos en una industria altamente competitiva.

En resumen, creemos que los ingenieros de pila de celdas de combustible deben asociarse con expertos en tecnología de membranas para satisfacer las necesidades de comercialización de PEM, pila y sistema para FCEV en tres categorías amplias: rendimiento confiable, soporte técnico experto y seguridad en el suministro, lo que permite a los fabricantes de automóviles de todo tipo. estar preparados para un futuro impulsado por hidrógeno.

Si desea obtener más información sobre Gore y su GORE-SELECT^® Tecnología de membranas, visite https://www.gore.com/alt-energy.

WL Gore y asociados

WL Gore & Associates, miembro de apoyo del Hydrogen Council, es una empresa global de ciencia de materiales que transforma industrias y mejora vidas. A lo largo de su historia, Gore ha resuelto desafíos técnicos complejos en los entornos más desafiantes, desde el espacio exterior hasta los picos más altos del mundo y el funcionamiento interno del cuerpo humano. Actualmente genera $4.5 mil millones en ingresos anuales, con más de 12.000 empleados.