Mais potência, novo design: A Schaeffler desenvolve placas bipolares de nova geração para sistemas de células de combustível

18-08-2023 | Sant Just Desvern

• As baterias (stacks) de células de combustível com novas placas bipolares metálicas da Schaeffler aumentam em 20% a densidade de potência das baterias fabricadas com placas da geração anterior
• Numa fábrica piloto em Herzogenaurach, a Schaeffler já fabrica as placas para que os fabricantes de veículos as utilizem na produção de protótipos e pequenas séries
• Todos os aspetos do design da placa foram concebidos para facilitar ao máximo a transição para a produção em grande escala

A Schaeffler demonstra a sua capacidade de desenvolvimento no setor da mobilidade acionada com hidrogénio com uma nova geração de placas bipolares metálicas para células de combustível PEM. Todos os sistemas de células de combustível são baseados em placas bipolares. Mas as placas desenvolvidas pela Schaeffler apresentam um novo design, otimizado para produção em grande escala, e aproveitam um inovador processo de revestimento para prolongar a vida útil das células de combustível. Além disso, as baterias (stacks) fabricadas com as novas placas da Schaeffler alcançam uma densidade de potência aproximadamente 20% superior à das baterias fabricadas com placas da geração anterior. "Quando se trata de sistemas para veículos comerciais, a Schaeffler também investe em hidrogénio, especialmente para aplicações de longo curso. Desenvolvemos componentes individuais e subsistemas completos para células de combustível e preparámo-nos para a sua industrialização em grande escala", afirmou Matthias Zink, CEO da Automotive Technologies da Schaeffler AG. Numa fábrica de produção piloto construída expressamente em Herzogenaurach, a empresa fabrica agora as novas placas em séries de até várias dezenas de milhares de unidades para que os fabricantes internacionais de veículos as utilizem na produção de protótipos e pequenas séries. A instalação totalmente automatizada faz parte do centro de excelência para o hidrogénio da Schaeffler, um complexo que também dispõe de uma ampla gama de equipamentos de teste e bancos de ensaio. A fábrica foi desenhada para que também possa ser utilizada para fabricar grandes placas do tipo utilizado nos eletrolisadores. Desta forma, a Schaeffler garante a sustentabilidade tanto do movimento, como do fornecimento de hidrogénio verde. Graças à sua competência em sistemas, a Schaeffler também pode colaborar com os seus clientes no desenvolvimento de placas bipolares personalizadas e componentes para sistemas de células de combustível. Prevê-se que a Schaeffler inicie a produção de placas bipolares sob a denominação Innoplate, uma empresa conjunta com a Symbio em Haguenau (França) no início de 2024.

Novo design de placa para uma maior densidade de potência
À vista desarmada, as placas bipolares não parecem grande coisa: têm apenas o tamanho de um envelope DIN A4 e pesam 60 gramas. No entanto, são componentes essenciais das células de combustível, onde desempenham uma série de funções vitais, por exemplo, proporcionar canais tanto para separar e distribuir os gases do processo e o refrigerante, como para eliminar a água resultante da reação química. "A Schaeffler desenvolveu um design inovador que aproveita ao máximo a superfície da placa”, explicou o Dr. Jochen Schröder, responsável da unidade de negócio E-Mobility na Schaeffler. "Quanto mais finas e precisas forem as estruturas da placa bipolar, mais eficiente será a placa."As novas placas da Schaeffler permitem uma densidade de potência da bateria (stack) de células de combustível de 4,6 kW por litro de volume, incluindo placas terminais e o hardware de compressão.

Para aplicações em veículos, são sobrepostas várias centenas destas placas bipolares, cada uma separada por um conjunto de elétrodos de membrana eletrolítica (membrane electrode assembly, MEA), para formar uma bateria (stack). As placas representam até 80% do peso da bateria (stack) e até 65% do seu volume. As baterias (stacks) compostas por até 400 unidades, têm uma potência total de até 140 kW, suficiente para acionar veículos comerciais ligeiros. Os veículos comerciais pesados de até 40 toneladas necessitam normalmente de duas baterias (stacks).

Produção à escala industrial
A nova geração de placas bipolares da Schaeffler também foi desenhada desde raiz para a sua industrialização em grande escala, uma abordagem conhecida como design para produção (Design for Manufacturing, DFM). O objetivo consiste em alcançar um nível suficiente de rentabilidade e escalabilidade da produção para que a mobilidade com hidrogénio consiga um avanço decisivo no mercado. Relativamente à produção, a empresa aproveita os seus muitos anos de experiência em estampagem e modelação de metais. Conseguiu o alto nível de precisão necessário para estampar as estruturas ultrafinas necessárias na superfície das placas, que têm uma espessura de apenas 50 a 100 micrómetros.

Outra característica exclusiva das placas bipolares metálicas fabricadas pela Schaeffler é o sistema de revestimento utilizado. O objetivo dos revestimentos é manter um alto nível de condutividade elétrica durante toda a vida útil da célula de combustível. A solução da Schaeffler denomina-se "Enertect", uma família de sistemas de revestimento de alto rendimento desenvolvida especificamente para placas bipolares. Dependendo das especificações do cliente, os revestimentos podem ser desenvolvidos para maximizar a vida útil das placas, minimizar a pegada de carbono ou otimizar a relação capacidade/preço. "Graças às nossas capacidades em tecnologia de superfícies, podemos oferecer a cada cliente uma solução de revestimento específica para cada aplicação. Isto significa que podemos cumprir os requisitos de cada cliente em termos de equilíbrio entre o custo, o rendimento e as emissões de CO₂ relacionadas com o fabrico", afirmou Jochen Schröder. Os revestimentos são aplicados com uma versão especialmente adaptada e aperfeiçoada do processo de deposição física de vapor (Physical Vapor Deposition, PVD); ao longo dos anos, a Schaeffler utiliza com sucesso este processo para produzir incontáveis milhões de componentes do trem de válvulas submetidos a grandes esforços. Por último, para que as células de combustível sejam estanques ao gás e à água - uma propriedade essencial do ponto de vista da qualidade e da segurança - a Schaeffler utiliza vedantes moldados por injeção ou serigrafados, ou, dependendo dos requisitos, um processo especial de soldadura por laser que desenvolveu internamente.

Imagem de imprensa de Matthias Zink:
www.schaeffler.com/en/group/executive-board