Investigación pionera en microporosidad de titanio permite reducir costos y mejorar el rendimiento en la producción de hidrógeno verde. Las membranas de intercambio de protones (PEM) son una de las tecnologías más prometedoras para la producción de hidrógeno verde por electrólisis. Para reducir los costes de material y fabricación de los electrolizadores PEM, el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE investiga procesos de producción escalables. Ahora, por primera vez, ha conseguido producir capas de transporte porosas ultrafinas de titanio mediante un proceso de serigrafía, reduciendo así el coste de los materiales catalizadores. Se utilizaron equipos escalables estándar de la industria.

La tecnología de electrólisis PEM (Proton Exchange Membrane) se posiciona como un elemento clave para la expansión del mercado del hidrógeno verde gracias a su capacidad de operación a alta densidad de potencia y su flexibilidad ante el suministro variable de energías renovables. En este contexto, las capas de transporte poroso (PTL, por sus siglas en inglés) juegan un papel fundamental en el desempeño de la electrólisis PEM, al actuar como los “pulmones” de la membrana recubierta de catalizador, facilitando el transporte de agua y gases.

“Optimizar la PTL y sus propiedades superficiales es un factor decisivo para reducir costos y mejorar la eficiencia de la electrólisis PEM. Por ello, estamos centrando nuestros esfuerzos de investigación en esta capa”, explica Stefan Bercher, gerente de proyecto en Fraunhofer ISE.

Innovación en capas microporosas de titanio para mayor eficiencia

Con el objetivo de mejorar las propiedades superficiales de la PTL, Fraunhofer ISE ha desarrollado una innovadora aplicación de capas microporosas de titanio (MPL) entre la PTL y la membrana catalíticamente recubierta. Estas capas, gracias a su baja rugosidad superficial, permiten el uso de catalizadores con una carga significativamente reducida de iridio, al mejorar el contacto y la utilización del material. Además, posibilitan el empleo de membranas más delgadas, lo que contribuye a minimizar las pérdidas óhmicas.

“En Fraunhofer ISE contamos con décadas de experiencia en la fabricación y caracterización de componentes para la electrólisis PEM. Ahora estamos aplicando este conocimiento en ingeniería de interfaces para optimizar simultáneamente ambas capas en lugar de tratarlas por separado, como se hacía anteriormente”, señala Tom Smolinka, director del departamento de Electrólisis e Infraestructura de Hidrógeno en Fraunhofer ISE.

Impresión por serigrafía: avances en fabricación industrial

Para imprimir estas estructuras ultrafinas de MPL, el instituto está utilizando el proceso de serigrafía, una tecnología en la que tiene amplia experiencia en el sector fotovoltaico. Este método permite un control preciso del grosor y la estructura de las capas, lo que representa un gran potencial para su aplicación en electrólisis PEM.

Los investigadores han realizado pruebas comparativas entre PTLs recubiertas con capas microporosas y PTLs comerciales, optimizando cada etapa del proceso, desde la mezcla de tinta con partículas de titanio hasta la serigrafía y sinterización en equipos industriales convencionales. Como resultado, lograron imprimir capas ultrafinas de aproximadamente 20 µm y reducir la rugosidad superficial en un 46 %, lo que mejora el contacto del catalizador y reduce el uso de iridio.

“Estos avances son clave para alcanzar los objetivos europeos de reducción de materiales y lanzamiento al mercado a pesar de los recursos limitados”, concluye Bercher. Actualmente, el equipo de investigación busca socios industriales para seguir optimizando y adaptando la capa microporosa a requerimientos específicos de las PTLs comerciales.

Innovaciones de Fraunhofer ISE en Hannover Messe

Fraunhofer ISE presentará estas y otras innovaciones en la exhibición “Hydrogen+ Fuel Cells Europe” de Hannover Messe, donde destacará su trabajo en la producción de PTL y MPL, así como procesos personalizados para la fabricación de ensambles de membrana-electrodo (MEA) para electrolizadores y pilas de combustible. Los visitantes podrán conocer los desarrollos en serigrafía y recubrimiento por ranura para la producción industrial de MEAs con menor carga de metales preciosos.

Asimismo, se exhibirá un modelo 3D de “Infraestructura de Hidrógeno”, que representa un ecosistema local y autosuficiente con producción, distribución y almacenamiento regional de hidrógeno, junto con conexiones a infraestructuras nacionales e internacionales. Esta exposición refleja la experiencia integral de Fraunhofer ISE a lo largo de toda la cadena de valor del hidrógeno.

Con estos avances, Fraunhofer ISE reafirma su compromiso con la innovación en tecnologías de hidrógeno y electrólisis, impulsando el desarrollo de soluciones más eficientes y sostenibles para la transición energética global.