Piastre bipolari di nuova generazione per azionamenti di celle a combustibile

Schaeffler sta dimostrando le sue capacità di sviluppo nel campo della mobilità alimentata a idrogeno con una nuova generazione di piastre bipolari metalliche per celle a combustibile PEM (Proton Exchange Membrane, con membrane a scambio protonico). Tutti i sistemi di celle a combustibile si basano su piastre bipolari, ma le piastre sviluppate da Schaeffler presentano un nuovo design ottimizzato per la produzione in grande serie e sfruttano un processo di rivestimento innovativo per una maggior durata delle celle a combustibile. Inoltre, gli stack realizzati utilizzando le nuove piastre Schaeffler raggiungono una densità di potenza superiore di circa il 20% rispetto a quella degli stack realizzati utilizzando piastre della generazione precedente.

«Per i sistemi di azionamento per i veicoli commerciali – ha affermato Matthias Zink, CEO Automotive Technologies di Schaeffler AG – Schaeffler sta investendo anche nell’idrogeno, soprattutto per le applicazioni a lungo raggio. Stiamo sviluppando sia singoli componenti che sottosistemi completi per le celle a combustibile e ci stiamo preparando per la loro industrializzazione su larga scala». 

In un impianto di produzione pilota appositamente costruito a Herzogenaurach, l’azienda sta producendo le nuove piastre in serie fino a diverse decine di migliaia di unità, destinate ai costruttori di veicoli internazionali per la produzione di prototipi e piccole serie. L’impianto, completamente automatizzato, fa parte del centro di eccellenza Schaeffler per l’idrogeno, un complesso che comprende anche una vasta gamma di strumentazione di testing. L’impianto è stato progettato in modo da poter essere utilizzato anche per la produzione di grandi piastre, come quelle utilizzate per gli elettrolizzatori. In questo modo, Schaeffler garantisce sia il movimento sostenibile che la fornitura sostenibile di idrogeno verde. Grazie alla sua esperienza nei sistemi, Schaeffler è anche in grado di collaborare con i clienti per sviluppare piastre bipolari e componenti personalizzati per i sistemi di celle a combustibile. All’inizio del 2024 Schaeffler avvierà la produzione di piastre bipolari sotto il nome di Innoplate, grazie alla joint venture con Symbio, ad Hagenau in Francia.

Design della piastra: maggior densità di potenza

A prima vista le piastre bipolari non sembrano molto interessanti: hanno le dimensioni di una busta A4 e pesano appena 60 grammi. Ma sono componenti fondamentali delle celle a combustibile, dove svolgono una serie di funzioni vitali, tra cui quella di fornire canali per la separazione e la distribuzione dei gas di processo e del refrigerante e per la rimozione dell’acqua risultante dalla reazione chimica.

«Schaeffler – ha spiegato Jochen Schröder, Head E-Mobility di Schaeffler – ha sviluppato un design innovativo che sfrutta in modo ottimale la superficie della piastra. Quanto più fini e precise sono le strutture della piastra bipolare, tanto più efficiente è la piastra». Le nuove piastre di Schaeffler consentono una densità di potenza dello stack delle celle a combustibile di 4,6 kW per litro di volume di cella a combustibile (comprese le piastre terminali e l’hardware di compressione).

Per le applicazioni automobilistiche, diverse centinaia di queste piastre vengono sovrapposte, ciascuna separata da un gruppo di elettrodi a membrana o MEA (Membrane Electrode Assembly), per formare uno stack. Le piastre rappresentano fino all’80% del peso dello stack e fino al 65% del suo volume. Gli stack che comprendono fino a 400 unità di queste celle hanno una potenza totale di 140 kW, sufficiente per i veicoli commerciali leggeri. I veicoli commerciali pesanti fino a 40 t richiedono generalmente 2 stack.

Produzione su scala industriale

La nuova generazione di piastre bipolari di Schaeffler è inoltre progettata per l’industrializzazione su larga scala, con un approccio noto come DFM (Design For Manufacturing). L’obiettivo è quello di raggiungere un livello di economicità e scalabilità della produzione tale da consentire alla mobilità alimentata a idrogeno di raggiungere il mercato. In termini di produzione, l’azienda sta sfruttando la sua pluriennale esperienza e competenza nello stampaggio e nella tecnologia di deformazione dei metalli e ha raggiunto l’elevato livello di precisione per stampare le necessarie strutture ultrafini sulla superficie delle piastre, che hanno uno spessore di soli 50-100 µm.

Un’altra caratteristica unica delle piastre bipolari metalliche prodotte da Schaeffler è il sistema di rivestimento utilizzato. Lo scopo dei rivestimenti è quello di mantenere un elevato livello di conducibilità elettrica per tutta la durata di vita della cella a combustibile. La soluzione di Schaeffler è Enertect, una gamma di sistemi di rivestimento ad alte prestazioni  sviluppati specificamente per le piastre bipolari. A seconda delle esigenze del cliente, i rivestimenti possono essere progettati per garantire la massima durata della piastra, la minima impronta di carbonio o un rapporto prezzo-performance ottimizzato.

«Grazie alle nostre capacità nella tecnologia dei rivestimenti – ha aggiunto Schröder – siamo in grado di offrire a ciascun cliente una soluzione di rivestimento specifica per l’applicazione. Ciò significa che possiamo soddisfare le esigenze di ogni cliente in termini di equilibrio tra costi, prestazioni ed emissioni di CO₂ legate alla produzione».

I rivestimenti vengono applicati utilizzando una versione appositamente adattata e perfezionata del processo di deposizione fisica da vapore o PVD (Physical Vapour Deposition) che Schaeffler ha utilizzato con successo nella produzione di milioni e milioni di componenti di trasmissioni a valvole altamente sollecitate nel corso degli anni. Infine, per rendere le celle a combustibile resistenti a gas e acqua – fondamentale dal punto di vista della qualità e della sicurezza – Schaeffler utilizza guarnizioni stampate a iniezione o serigrafate oppure, a seconda delle esigenze, uno speciale processo di saldatura laser sviluppato internamente.