Electrolizadores de hidrógeno: marcos de celda de plástico para la producción industrial de hidrógeno

El hidrógeno verde se está convirtiendo en una tecnología clave para la descarbonización de la industria, el suministro de energía y la movilidad. A medida que los sistemas de electrolizadores pasan de las plantas piloto a la producción industrial, aumenta la necesidad de conceptos de producción escalables, confiables y rentables. Un componente cobra especial importancia en este contexto: el marco de la celda en el electrolizador. Para estos componentes grandes, precisos y químicamente resistentes, los plásticos técnicos y las modernas tecnologías de moldeo por inyección ofrecen posibilidades prometedoras. ENGEL apoya este mercado del futuro con tecnología de maquinaria, experiencia en aplicaciones y amplias posibilidades de pruebas para la industrialización de la próxima generación de componentes de hidrógeno.

Los electrolizadores utilizan energía eléctrica para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. En la pila, el marco de la celda es un componente funcional central. Sostiene la estructura de toda la pila, cumple funciones de conducción de fluidos y sellado, y contribuye a garantizar la estabilidad mecánica a lo largo de la vida útil del sistema.

Muchos proyectos de hidrógeno se encuentran actualmente en una importante fase de transición: desde la viabilidad técnica y la fabricación de prototipos hacia una producción industrial con alta repetibilidad. Este paso conlleva nuevos requisitos en cuanto al diseño de componentes, la selección de materiales y la estabilidad en los procesos.

El moldeo por inyección puede desempeñar un papel decisivo en esta industrialización. En comparación con muchas rutas de fabricación convencionales, este proceso ofrece una alta reproducibilidad, gran libertad de diseño, posibilidades de integración funcional y el potencial para una producción en serie rentable a medida que aumentan las cantidades.

Sin embargo, en el caso de los marcos de celda, no basta con simplemente trasladar un diseño existente a un molde de inyección. El material, el diseño de los componentes, el concepto del molde, la tecnología de la maquinaria y el desarrollo del proceso deben coordinarse entre sí desde el principio.

Los componentes para electrolizadores operan en entornos exigentes. Dependiendo de la tecnología, están expuestos a temperatura, presión, agua o medios alcalinos como el KOH. Por lo tanto, el desempeño a largo plazo de los materiales es un tema central.

Los termoplásticos de alto rendimiento, como el PPS, el PSU, el PPSU y el PEEK, se encuentran entre las familias de materiales relevantes que se evalúan para aplicaciones de hidrógeno. Ofrecen combinaciones interesantes de resistencia a la temperatura, resistencia química, rendimiento mecánico y facilidad de procesamiento.

Un tema técnico importante es el uso de refuerzos de fibra de vidrio. En entornos alcalinos, las fibras de refuerzo pueden verse afectadas con el tiempo por el medio circundante. Por ello, la cantidad y la estructura del refuerzo se convierten en criterios de diseño decisivos: si las fibras forman una trayectoria continua a través del componente, esto puede desencadenar una reacción en cadena en la que las fibras se disuelven progresivamente. Como consecuencia, la estabilidad estructural del componente puede disminuir con el tiempo.

Si se eligen cuidadosamente el grado de refuerzo y el diseño del componente, este efecto puede limitarse a una capa cercana a la superficie, mientras que la zona central del material permanece en gran medida inalterada. Este equilibrio entre el rendimiento mecánico y la estabilidad química a largo plazo es uno de los principales desafíos en materia de tecnología de materiales en este campo de aplicación.

La selección correcta del material depende de muchos factores: la tecnología del electrolizador, el diseño del componente, las condiciones de operación, los requisitos de vida útil, los objetivos de costo y la estrategia de validación. ENGEL no define el material por sí sola. Más bien, ENGEL trabaja en conjunto con los clientes, especialistas en materiales y socios fabricantes de moldes para desarrollar un concepto de producción robusto y escalable.

El mercado del hidrógeno sigue desarrollando varias tecnologías de electrolizadores.

Los PEM (Proton Exchange Membrane Electrolysers), es decir, los electrolizadores de membrana de intercambio protónico, son conocidos por su funcionamiento dinámico y sus diseños de sistema compactos. Son particularmente relevantes cuando el suministro de energía procedente de fuentes renovables fluctúa.

Los AEL (electrolizadores alcalinos) se consideran una tecnología consolidada y robusta, especialmente en aplicaciones industriales de mayor escala.

Los AEM (electrolizadores de membrana de intercambio aniónico) son un campo tecnológico en auge. Combinan aspectos de los sistemas basados en membranas y de los sistemas alcalinos, y pueden abrir nuevas posibilidades para futuros diseños de pilas.

Cada una de estas tecnologías plantea diferentes requisitos para el marco de la celda, el material y el proceso de fabricación. Esta diversidad hace que el mercado sea particularmente dinámico y abre espacio para nuevos conceptos de producción basados en el procesamiento de plásticos.

Los marcos de celda no son simples componentes plásticos. Por lo general, se trata de componentes grandes, planos y de función crítica, con altos requisitos de precisión dimensional, estabilidad y repetibilidad.

Un tema clave es la deformación. En los componentes de gran formato, incluso pequeñas desviaciones pueden afectar el ensamblaje, el sellado y el rendimiento de toda la pila. Por eso, la estabilidad del proceso y un control preciso del mismo durante la producción son decisivos.

Los procesos avanzados como el moldeo por inyección-compresión, también conocido como Injection Compression Moulding o Coining, pueden ofrecer ventajas interesantes para este tipo de componentes. El proceso puede contribuir a una mayor estabilidad dimensional y abrir nuevas ventanas de proceso para componentes grandes y planos.

El concepto de proceso específico siempre depende de la geometría del componente, el material y los requisitos de desempeño. Por eso, las pruebas tempranas y los desarrollos técnicos de aplicación son particularmente importantes.

Una ventaja fundamental para los clientes es la posibilidad de respaldar los proyectos de desarrollo en ENGEL mediante pruebas prácticas. En nuestro centro técnico, los clientes pueden probar, junto con nuestros experimentados técnicos de aplicaciones, materiales, moldes, conceptos de máquinas y estrategias de proceso en condiciones de producción cercanas a la realidad.

Con máquinas con fuerzas de cierre de hasta 55,000 kN, también se pueden evaluar marcos de celda de gran formato para electrolizadores en condiciones cercanas a los requisitos de producción en serie.

Estas pruebas ayudan a los clientes a comprender mejor el comportamiento de los componentes, optimizar los procesos y reducir los riesgos de desarrollo. Especialmente en aplicaciones de hidrógeno, en las que los marcos de celda requieren alta calidad, precisión de repetibilidad y rendimiento a largo plazo, las pruebas prácticas brindan una base sólida para las decisiones de industrialización e inversión.

De esta manera, se asegura de manera práctica el camino desde el concepto hasta la producción en serie.

La fabricación de marcos de celdas de gran tamaño para electrolizadores requiere una plataforma de maquinaria que combine estabilidad, precisión y flexibilidad de proceso. La gama de máquinas de gran tamaño de ENGEL ofrece la base para aplicaciones exigentes en las que el tamaño de las piezas, el peso de inyección y la estabilidad dimensional son factores decisivos.

Uno de los factores más críticos en los marcos de celda grandes y planos es el paralelismo de las placas. Incluso las desviaciones mínimas a lo largo de una superficie grande del molde pueden provocar espesores de pared irregulares, mayor deformación y fluctuaciones en la calidad de las piezas.

La plataforma de máquinas ENGEL duo ofrece un control preciso del paralelismo de las platinas. Los montantes pueden controlarse y monitorearse individualmente durante el proceso. Esta capacidad de control es especialmente ventajosa en el moldeo por inyección con estampado, ya que un paralelismo constante durante el movimiento de estampado es esencial para obtener resultados reproducibles.

Este control preciso del paralelismo de las platinas es uno de los puntos fuertes fundamentales de ENGEL y un claro factor diferenciador en aplicaciones de gran formato y alta precisión, como los marcos de celda para electrolizadores. En combinación con una plastificación estable, un caudal de inyección repetible y un monitoreo confiable del proceso, constituye la base técnica para una calidad constante de las piezas a lo largo de largas series de producción.

El diseño del molde tiene una influencia significativa en el éxito de un proyecto de marcos de celda. La inyección, el enfriamiento, la ventilación, la manipulación de las piezas y la estabilidad mecánica del molde influyen de manera decisiva en la calidad final de las piezas.

ENGEL apoya a los clientes en el desarrollo del concepto de producción integral adecuado, desde la tecnología de las máquinas y el desarrollo de procesos hasta la automatización integrada de ENGEL. Dependiendo del objetivo de producción, esto puede incluir la manipulación de piezas, el enfriamiento posterior, los controles de calidad y otros pasos de automatización.

En caso de dudas relacionadas con los moldes, se pueden recomendar socios expertos en fabricación de moldes cuando sea necesario.

A medida que aumentan las cantidades producidas, el enfoque cambia: ya no se trata solo de producir piezas individuales en buen estado, sino de garantizar una fabricación estable, repetible y eficiente a lo largo de largas series de producción. Es precisamente aquí donde el enfoque sistémico integrado se vuelve decisivo.

La selladura es una de las funciones centrales en una pila de electrolizadores. Dependiendo del diseño de la pila, los marcos de las celdas pueden requerir varias áreas de sellado alrededor de las membranas, los canales de fluidos y los contornos externos.

Hoy en día, los conceptos de sellado suelen implementarse en etapas separadas de fabricación o ensamblaje. En los conceptos industriales del futuro, las soluciones de sellado integradas o automatizadas pueden cobrar cada vez más importancia. Entre ellas se incluyen, por ejemplo, los sellos inyectados posteriormente, el manejo automatizado de sellos o las soluciones de múltiples componentes.

La solución adecuada depende en gran medida de la aplicación en cuestión y debe validarse cuidadosamente. La compatibilidad de los materiales, la temperatura del proceso, la adherencia y la durabilidad a largo plazo son factores decisivos.

ENGEL considera que la integración funcional es una dirección de desarrollo importante para los componentes de hidrógeno —no como una solución estándar, sino como un campo con un potencial considerable para el futuro.

La industria del hidrógeno sigue desarrollándose de manera muy dinámica. Muchas empresas están trabajando en nuevos diseños de pilas, probando diferentes materiales y preparándose para mayores volúmenes de producción. En esta fase, contar con experiencia en fabricación desde el inicio puede marcar una diferencia decisiva.

ENGEL apoya a sus clientes con:

• Asesoramiento en aplicaciones

• Conocimientos técnicos sobre máquinas y procesos

• Posibilidades de pruebas en el Centro Técnico de ENGEL

• Experiencia en moldeo por inyección-estampado

• Control preciso del paralelismo de las placas para componentes de gran formato

• Experiencia en el moldeo por inyección de componentes grandes

• Automatización e integración de sistemas

• Apoyo desde la viabilidad del proyecto hasta la producción en serie

En el caso de los marcos de celda para electrolizadores, el desafío principal no consiste solo en fabricar el componente una sola vez. La verdadera tarea radica en desarrollar un concepto de producción escalable, repetible y económicamente viable para el futuro.

Los marcos de celda de plástico pueden convertirse en un factor clave para la próxima generación de sistemas de hidrógeno. ENGEL está listo para apoyar este desarrollo, con tecnología, experiencia y apoyo práctico en las aplicaciones.

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Los plásticos técnicos pueden ofrecer ventajas como la reducción de peso, la resistencia a la corrosión, la libertad de diseño y el potencial para la integración de funciones. Con el aumento de los volúmenes de producción en la fabricación de electrolizadores, el moldeo por inyección puede convertirse en un proceso atractivo para conceptos de producción escalables.

Las familias de materiales relevantes incluyen, entre otras, PPS, PSU, PPSU y PEEK. La selección final depende de la tecnología del electrolizador, las condiciones de operación, el diseño de los componentes y los requisitos de validación.

PEM, AEL y AEM son diferentes tecnologías de electrolizadores para la producción de hidrógeno. Cada tecnología tiene sus propios requisitos en cuanto a materiales, resistencia a los medios, diseño de componentes y concepto de fabricación.

Los marcos componentes grandes y críticos para el funcionamiento de la celda. La precisión dimensional y la planitud son importantes para el ensamble, el sellado y el rendimiento de la pila. Por eso, el desarrollo del proceso juega un papel fundamental.

El moldeo por inyección y compresión, conocido internacionalmente como Injection Compression Moulding o Coining, es un proceso especial de moldeo por inyección que puede ofrecer ventajas, especialmente en componentes grandes, planos y de alta precisión.

En el caso de los marcos de celda grandes y planos, incluso las desviaciones más pequeñas en el paralelismo de las platinas pueden afectar el espesor de la pared, la deformación y la calidad del componente. Por lo tanto, un control preciso del paralelismo de las placas es un requisito esencial para obtener resultados constantes, especialmente en el moldeo por inyección-compresión.

Sí. ENGEL ofrece a los clientes la posibilidad de realizar pruebas prácticas en el centro técnico junto con técnicos de aplicación experimentados de ENGEL. De esta manera, se pueden evaluar materiales, moldes, conceptos de máquinas y estrategias de proceso en condiciones cercanas a la realidad.

Los conceptos de sellado integrados pueden ser viables dependiendo de la combinación de materiales, el diseño de los componentes y los requisitos de la aplicación. Este campo ofrece potencial para el futuro, pero debe validarse cuidadosamente.

ENGEL apoya a los clientes desde las primeras conversaciones de viabilidad del proyecto, pasando por las pruebas y el desarrollo del proceso, hasta la definición de un concepto de producción cercano a la producción en serie. El enfoque se centra en el desarrollo de soluciones de fabricación escalables y confiables.