Fraunhofer ISE produce capas de transporte ultrafinas para electrolizadores

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 está investigando procesos de producción escalables y, 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.

En el proceso, los investigadores utilizaron equipos escalables estándar de la industria. 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.

La electrólisis PEM es una tecnología clave para la expansión en el mercado de la economía verde del hidrógeno, ya que puede funcionar con una alta densidad de potencia y el suministro flexible de energía a partir de energías renovables. Además de la membrana recubierta de catalizador, las capas porosas de transporte (PTL) son fundamentales para su rendimiento.

“Como ‘pulmones’ de la membrana recubierta de catalizador, las PTL se encargan de transportar agua y gases, entre otras cosas. Optimizar la PTL y sus propiedades superficiales es una palanca fundamental para reducir costes y aumentar el rendimiento en la electrólisis PEM. Por eso esta capa se está convirtiendo cada vez más en el centro de nuestra investigación”, explica el director del proyecto, Stefan Bercher, del Fraunhofer ISE.

Capas microporosas de titanio

Para mejorar las propiedades de la superficie, se aplican capas microporosas de titanio (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 notablemente el contacto con el catalizador y, por tanto, su aprovechamiento. También facilitan el uso de membranas más finas, lo que reduce las pérdidas óhmicas.

El objetivo del grupo de proyecto del Fraunhofer ISE era adaptar de forma óptima los MPL basados en titanio a la capa de catalizador con la que debían entrar en contacto y hacerlos lo más finos posible, ya que estos metales se encuentran entre los principales factores de coste en los electrolizadores.

“En Fraunhofer ISE tenemos décadas de experiencia en la fabricación y caracterización de componentes para electrólisis PEM. Estamos utilizando estos conocimientos en ingeniería de interfaces para optimizar ambas capas juntas, en lugar de por separado como en el pasado”, explica Tom Smolinka, jefe del departamento de Electrolisis e Infraestructura del Hidrógeno del Fraunhofer ISE.

Prueba de concepto satisfactoria con el proceso de serigrafía

Para imprimir las estructuras MPL ultrafinas, el Fraunhofer ISE está utilizando el proceso de serigrafía, con el que el instituto tiene muchos años de experiencia de producción en el campo de la fotovoltaica. Dado que la serigrafía permite controlar con precisión el grosor y la estructura de las capas, el equipo del proyecto ve un gran potencial en esta tecnología.

En una serie de pruebas, los investigadores estudiaron si los PTL recubiertos con capas de transporte microporosas obtienen mejores resultados que los PTL disponibles en el mercado. Se optimizaron los distintos pasos de producción y los parámetros del proceso de impresión, desde la mezcla de la tinta con partículas de titanio hasta el propio proceso de serigrafía en equipos industriales estándar y la sinterización.

Durante la posterior caracterización de la capa MPL impresa en un PTL grueso, se midieron en particular la rugosidad y el rendimiento de la superficie. “Pudimos imprimir capas muy finas de unos 20 µm de grosor y reducir la rugosidad de la superficie en un 46 por ciento. Esto mejora el contacto de la capa catalizadora, en la que se reduce continuamente la carga del costoso metal precioso iridio”, afirma Stefan Bercher.

Esta es la clave para alcanzar los objetivos europeos de ahorro de material y lanzamiento al mercado a pesar de la limitación de recursos. El equipo de investigación busca ahora socios industriales para seguir optimizando y adaptando la capa microporosa a las capas porosas de transporte específicas del cliente.