La transición del sector de vehículos pesados y comerciales hacia motores cero emisiones está impulsando el crecimiento esperado en la producción de celdas de combustible. Al mismo tiempo, la electrólisis cobra cada vez mayor relevancia como pilar de una economía energética baja en emisiones. Para responder a estas necesidades, se requieren nuevos métodos de fabricación que permitan escalar estas tecnologías.

En este contexto, Fraunhofer ISE ha creado una plataforma versátil de investigación en producción de membrane electrode assemblies (MEAs), con el objetivo de apoyar tanto a fabricantes de componentes como a ingenieros de maquinaria y plantas en los desafíos productivos asociados a celdas de combustible y electrolizadores. El foco está en procesos innovadores y continuos que permitan altas tasas de producción y reducción de costos, como la fabricación roll-to-roll. Además, la investigación cubre toda la cadena de valor, desde el polvo catalítico hasta el ensamblaje de siete capas de la MEA, incluyendo el control de calidad.

Demanda creciente en transporte pesado
Los fabricantes de camiones están realizando fuertes inversiones en sistemas eléctricos a batería y en celdas de combustible. Se proyecta que la producción de MEAs —el corazón electroquímico de la celda de combustible— alcance los 1,2 millones de m² de área activa por año para abastecer a 20.000 camiones (equivalente a 30 m² de membrana y 60 m² de capa catalítica por vehículo).

En el caso de la electrólisis, se requieren entre 25.000 y 35.000 m² de membranas recubiertas de catalizador por cada gigavatio de capacidad adicional. Sin embargo, estos volúmenes no pueden alcanzarse con los procesos actuales, lo que obliga a adaptar conceptos de planta existentes y desarrollar métodos de producción escalables.

Plataforma flexible de investigación
La investigación de Fraunhofer ISE aborda la cadena completa: desde la preparación de tintas catalíticas hasta la obtención de un MEA de siete capas que integra membrana, capas catalíticas, subgaskets y capas de difusión de gas. Los científicos ya trabajan en la primera etapa, investigando métodos de mezcla para tintas catalíticas, nuevos materiales y formulaciones adaptadas a distintas técnicas de recubrimiento.

El equipo desarrolla además procesos de alta velocidad y nuevos conceptos de planta para las etapas posteriores: recubrimiento y secado de la membrana, aplicación de subgaskets y corte de la capa de difusión de gas. Con el objetivo de lograr la escalabilidad que exige el mercado, Fraunhofer ISE apuesta por procesos continuos roll-to-roll, con una meta de 10 metros por minuto, ritmo considerado de relevancia industrial.

Toda la cadena de producción se prueba en plantas piloto industriales en el Centro de Tecnologías del Hidrógeno de Fraunhofer ISE. “Somos el único instituto de investigación en el mundo que contará con instalaciones de producción a escala industrial, incluyendo análisis microestructural y caracterización de MEAs en banco de pruebas, lo que permite una rápida transferencia del laboratorio a la producción”, explica Ulf Groos, director del Departamento de Celdas de Combustible de Fraunhofer ISE.

Procesos de impresión del futuro
Un paso clave es la fabricación de las capas catalíticas, aplicadas ya sea sobre un film de transferencia o directamente en la membrana. Además de la tecnología establecida de recubrimiento por slot die, los investigadores exploran impresión en pantalla rotativa y huecograbado indirecto mediante unidades de impresión intercambiables. Estas técnicas innovadoras buscan habilitar los requerimientos futuros de MEAs estructuradas, abriendo camino a la tecnología de producción del mañana. Las plantas piloto también se aplican a MEAs para electrólisis (membranas de intercambio protónico y de intercambio aniónico).

Control de calidad a gran escala
Las tecnologías de medición integradas en la maquinaria aseguran el control de calidad en línea, reforzado con capacidades analíticas avanzadas. “Pese a ser un proceso continuo, podemos rastrear cambios en la producción y sus efectos en etapas posteriores o en la calidad final del producto. Desarrollamos un sistema track & trace que marca e identifica regularmente los productos”, señala Linda Ney, jefa de proyecto en Fraunhofer ISE.

Finalmente, las MEAs procesadas en la planta piloto se someten a pruebas de desempeño en celdas de combustible bajo diversas condiciones de operación, garantizando su calidad y confiabilidad para el uso industrial.

English Version

Driven by demands for emission-free heavy-duty and commercial transport, truck manufacturers are currently making substantial investments in both battery-electric and fuel cell-electric systems. The expected production volume for the electrochemical heart of the fuel cell, the membrane electrode assembly (MEA), is 1.2 million m² of active MEA area per year for 20,000 trucks (i.e., 30 m² of membrane and 60 m² of catalyst layer per vehicle). For the ramp-up of electrolysis, 25,000 to 35,000 m² of catalyst-coated membrane is required per gigawatt of additional capacity. However, these quantities cannot be achieved with current manufacturing processes. For the expected market ramp-up, existing plant concepts must be adapted and scalable production methods have to be developed.

Flexible research platform

Production research at Fraunhofer ISE considers the entire value chain, from catalyst powder to a 7-layer MEA consisting of a central membrane and two catalyst layers, subgaskets, and gas diffusion layers. The influences of process design and parameters, materials, and component architecture on the cost, quality, and performance of the MEA are being investigated. Fraunhofer ISE researchers are already working on the first process step by investigating various mixing methods for the production of catalyst inks, new materials, and formulations adapted to the respective coating method.

Also, the project team is developing new high-speed production processes and plant concepts for the subsequent production steps, from membrane coating and drying of the catalyst layer to application of the subgaskets and cutting of the gas diffusion layer. In order to achieve the scaling necessary for market ramp-up, Fraunhofer ISE is focusing on continuous roll-to-roll processes. The goal is to achieve a throughput speed of ten meters per minute, a value that is of industrial relevance.

The entire production chain is being tested in industrial pilot plants at Fraunhofer ISE’s hydrogen technology center. “We are the only research institute in the world that will have industrial-scale production facilities, including microstructure analysis and characterization of MEAs in the test bench, which allows for rapid transfer from the laboratory to production,” explains Ulf Groos, head of the Fuel Cell Department at Fraunhofer ISE.

Printing processes of the future

A key process step is the production of the catalyst layers, which are applied either onto a transfer foil or directly onto the membrane. In addition to the established slot die coating technology, researchers at Fraunhofer can also explore rotary screen printing and indirect gravure printing through interchangeable printing units. In particular, novel production processes are intended to enable future requirements for structured MEAs, thus paving the way for the production technology of tomorrow. In addition to production research for fuel cell MEAs, the pilot plants can also be used for electrolysis MEAs (proton exchange membranes and anion exchange membranes).

Quality assurance even at high production throughputs

Measurement technologies integrated into the machinery ensure inline quality control, complemented by comprehensive analytical capabilities. “Despite the continuous process, we can track changes in the production process and their effects on later process steps or product quality. We develop a track & trace system that regularly marks and identifies the products,” explains project manager Linda Ney from Fraunhofer ISE. The MEAs processed at the pilot plant are also tested for performance in fuel cells under varying operating conditions.

Fuente e Imagen: Fraunhofer ISE