Pila de combustible que comprende una membrana de conducción iónica localizada y procedimiento para la fabricación de la misma.

Pila de combustible que tiene al menos una celda elemental (9) y una cubierta (10) provista de una pared interior

(11) que encierra la celda elemental (9), estando provista dicha celda (9) de un primer y segundo electrodos (12, 13) y una membrana (14) que comprende un electrolito polimérico, comprendiendo dicha membrana (14):

- una primera cara principal (16) constituida por una primera parte recubierta (18) por el primer electrodo (12) y una primera parte no recubierta (19) por el primer electrodo (12) y,

- una segunda cara principal (17) constituida por una segunda parte recubierta (20) por el segundo electrodo (13) y una segunda parte no recubierta (21) por el segundo electrodo (13),

caracterizada porque la membrana (14) comprende:

- una primera parte de un material polimérico,

- una segunda parte obtenida por modificación de los grupos funcionales del material polimérico, formando una de las partes el electrolito polimérico y siendo la otra parte no eléctricamente ni iónicamente conductora (22) y formando una primera zona inactiva (23,24) localizada en la primera parte no recubierta (19, 21), y porque la pared interior (11) de la cubierta (10) está fijada mecánicamente sobre al menos la primera zona inactiva (23, 24) mediante medios de adhesión (27) herméticos a los gases que llenan el espacio dispuesto entre la pared interior (11) de la cubierta (10) y la membrana (14).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2011/000156.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 25, rue Leblanc, Bâtiment "Le Ponant D" 75015 Paris FRANCIA.

Inventor/es: LAURENT, JEAN-YVES, FAUCHEUX,VINCENT, Martinent,Audrey, Latour,Antoine.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Pilas de combustible; Su fabricación > H01M8/24 (Agrupación de pilas de combustible en baterías, p. ej. módulos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Pilas de combustible; Su fabricación > H01M8/10 (Pilas de combustible con electrolitos sólidos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Pilas de combustible; Su fabricación > H01M8/02 (Detalles (de partes no activas H01M 2/00, de electrodos H01M 4/00))

PDF original: ES-2459740_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Pila de combustible que comprende una membrana de conducción iónica localizada y procedimiento para la fabricación de la misma 5

Ámbito técnico de la invención La invención se refiere a una pila de combustible que tiene al menos una celda elemental y una cubierta provista de una pared interior que encierra la celda elemental. La celda está provista de un primer y segundo electrodos y de una membrana formada por un electrolito polimérico que comprende una parte iónicamente conductora, comprendiendo dicha membrana:

-una primera cara principal constituida por una primera parte recubierta por el primer electrodo y una primera parte no recubierta por el primer electrodo y,

- una segunda cara principal constituida por una segunda parte recubierta por el segundo electrodo y una segunda parte no recubierta por el segundo electrodo,

La invención también se refiere a un procedimiento de fabricación de una pila de combustible. 20

Estado de la técnica La tensión suministrada por una pila de combustible unitaria, es decir, una pila de combustible que comprende una única celda elemental constituida por un montaje Electrodo-Membrana-Electrodo (o montaje EME) con colectores de corriente asociados, no es, por lo general, suficiente para aplicaciones de potencia baja/media. En efecto, algunas aplicaciones que podrían utilizar pilas de combustible como fuente de energía necesitan tensiones elevadas, por ejemplo, superiores a algunos voltios. Para aumentar las tensiones, es necesario utilizar una pila de combustible constituida por una pluralidad de celdas elementales conectadas en serie, estando conectado el ánodo de una celda elemental al cátodo de la celda adyacente.

En la actualidad, una arquitectura de tipo plana es privilegiada para aplicaciones de baja potencia de tipo móvil o portátil, en detrimento de una arquitectura de tipo «filtro-prensa», que es más onerosa y no apta para la integración en este tipo de dispositivo.

La arquitectura plana consiste en la yuxtaposición en un mismo plano de varias celdas elementales asociadas en serie unas con las otras. Una vez fabricada, la pila de combustible plana se integra generalmente en una cubierta para permitir la conexión con el combustible. La cubierta montada sobre la celda, a la que generalmente está sellada, está formada por un material inerte y garantiza la estanqueidad del sistema.

Trabajos recientes han propuesto una arquitectura plana que tiene varias celdas elementales realizadas a partir de una sola membrana.

El documento US-A-2004071865 propone una arquitectura de pila de combustible que permite asociar sobre una misma membrana varios pares de electrodos y aumentar artificialmente la tensión elemental. La pila de combustible 45 está formada por varias celdas elementales separadas entre sí por capas aislantes verticales. La conexión entre dos celdas elementales se realiza por medio de una pieza conductora que conecta el ánodo de una de las pilas elementales al cátodo de otra pila elemental adyacente y que atraviesa la membrana entre dos capas aislantes verticales. Así pues, la conexión forma un paso de corriente dentro de la membrana. Sin embargo, esta arquitectura plantea problemas de fugas de gas que se producen, en particular, en la periferia de la pila y que son debidas a la 50 presencia de las interfases entre las zonas electroquímicamente activas y los pasos de corriente. En efecto, durante el ciclo de funcionamiento y parada de la pila, la membrana se encuentra sometida a una alternancia de fases de humectación y secado, lo que conduce a una variación del grosor de la membrana. En las interfases, estas variaciones de grosor conducen a grandes tensiones mecánicas que contribuyen al despegado de la membrana y a la aparición de fugas de gas. Estas fugas se traducen en pérdidas de prestaciones, pero también son 55 potencialmente peligrosos debido al riesgo de formación de una mezcla explosiva de hidrógeno/oxígeno. Además, los pasos de corriente dentro de la membrana introducen una débil conductividad electrónica, lo que provoca pérdidas de prestaciones y el calentamiento de la membrana.

El documento DE-A-19624887 propone también una pila de combustible que comprende varias celdas elementales.

La pila de combustible comprende un contacto, eléctricamente conductor e iónicamente no conductor, que conecta eléctricamente cada membrana de las celdas elementales.

La solicitud de patente US-A-20060228605 propone otra arquitectura de pila de combustible que tiene una membrana electrolítica formada por impregnación de un tejido con un material conductor iónico. Las figuras 1 y 2 representan una celda de este tipo que comprende un conjunto de ánodos 1 y cátodos 2 a cada lado de la membrana 3. El tejido está formado por fibras de urdimbre 4 eléctricamente aislante y fibras de trama 5, alternativamente, eléctricamente aislantes y conductoras, formando así, respectivamente, zonas eléctricamente aislantes 6 y zonas eléctricamente conductoras 7. Se coloca una junta 8 en la periferia del tejido. Las zonas eléctricamente conductoras 7 delimitan cada celda elemental y también realizan la conexión en serie de las celdas elementales así formadas. Esta solución permite solucionar los problemas de fugas de combustible en las interfases entre las zonas electroquímicamente activas y las zonas eléctricamente conductoras 7, dado que el tejido está totalmente impregnado con material conductor iónico. Sin embargo, la presencia de tejido en el interior de la membrana 3 reduce la densidad de potencia de la pila de combustible. En efecto, la membrana así formada debe tener un grosor mínimo para asegurar la resistencia mecánica del montaje. Este grosor es del orden de 20 micrómetros. Ahora bien, para aumentar las densidades de potencia, las membranas deben tener el menor grosor posible, preferentemente entre 1 y 10 micrómetros. Además, las fibras 4 utilizadas para formar el tejido de las zonas eléctricamente aislantes 7 dificultan la conducción protónica de las zonas electroquímicamente activas. Finalmente, las variaciones de grosor de la membrana, observadas durante el funcionamiento de la pila de combustible, pueden provocar a largo plazo el despegado de la junta y causar fugas internas de gas. En efecto, la junta 8 situada sobre una zona de la membrana electroquímicamente activa está sometida a grandes tensiones mecánicas causadas por la variación del volumen de la membrana.

Por último, el documento EP-A-1220346 describe una pila de combustible que comprende una placa en forma de trama iónicamente no conductora entre dos electrodos. La placa en forma de trama está parcialmente recubierta por un electrolito polimérico iónicamente conductor. Una junta hermética al gas se coloca directamente sobre una parte no conductora en la periferia de la placa en forma de trama 10.

Objeto de la invención La invención tiene por objeto una pila de combustible y un procedimiento de fabricación de una pila de combustible que resuelva los inconvenientes de la técnica anterior.

Más concretamente, la invención tiene por objeto una pila de combustible que pueda alcanzar tensiones elevadas y

concretamente tensiones compatibles para aplicaciones destinadas a la alimentación de dispositivos portátiles, siendo al mismo tiempo fácil de realizar y que presente una resistencia mecánica mejorada y una buena estanqueidad. Un objeto adicional de la invención es proponer un procedimiento de fabricación que sea fácil de poner en práctica para obtener una pila de combustible de este tipo.

De acuerdo con la invención, este objeto se consigue mediante una pila de combustible y un procedimiento de fabricación de una pila de este tipo de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Pila de combustible que tiene al menos una celda elemental (9) y una cubierta (10) provista de una pared interior (11) que encierra la celda elemental (9) , estando provista dicha celda (9) de un primer y segundo electrodos (12, 13) y una membrana (14) que comprende un electrolito polimérico, comprendiendo dicha membrana (14) :

-una primera cara principal (16) constituida por una primera parte recubierta (18) por el primer electrodo (12) y una primera parte no recubierta (19) por el primer electrodo (12) y,

- una segunda cara principal (17) constituida por una segunda parte recubierta (20) por el segundo electrodo (13) y una segunda parte no recubierta (21) por el segundo electrodo (13) ,

caracterizada porque la membrana (14) comprende:

- una primera parte de un material polimérico, -una segunda parte obtenida por modificación de los grupos funcionales del material polimérico,

formando una de las partes el electrolito polimérico y siendo la otra parte no eléctricamente ni iónicamente 20 conductora (22) y formando una primera zona inactiva (23, 24) localizada en la primera parte no recubierta (19, 21) ,

y porque la pared interior (11) de la cubierta (10) está fijada mecánicamente sobre al menos la primera zona inactiva (23, 24) mediante medios de adhesión (27) herméticos a los gases que llenan el espacio dispuesto entre la pared interior (11) de la cubierta (10) y la membrana (14) .

2. Pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los medios de adhesión (27) comprenden un material adhesivo.

3. Pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque el material adhesivo se elige entre los cementos, los materiales de soldadura, las cintas adhesivas y los adhesivos o barnices a base de epoxi, de silicona o de poliuretano.

4. Pila de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque los medios de adhesión (27) comprenden un material conductor eléctrico. 35

5. Pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque el material conductor eléctrico se elige entre el carbono y los metales, preferentemente, oro, plata, cobre, níquel, aluminio y sus aleaciones.

6. Pila de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la parte iónicamente no conductora (22) se extiende desde la primera zona inactiva (23) hasta una segunda zona inactiva (24) localizada sobre la segunda parte no recubierta (21) , sobre todo el grosor de la membrana (14) .

7. Pila de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada 45 porque comprende una parte no conductora (28) adicional que forma una red de zonas inactivas adicionales dentro de la membrana (14) .

8. Pila de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque comprende varias celdas elementales (9) coplanares conectadas en serie y encerradas en la cubierta (10) y

en porque las celdas elementales (9) tienen una misma membrana (14) , única y común al conjunto de dichas celdas (9) , comprendiendo dicha membrana (14) al menos una parte iónicamente no conductora (22) que delimita cada celda (9) y que se extiende desde la primera zona inactiva (23) hasta una segunda zona inactiva (24) localizada sobre la segunda parte no recubierta (21) , sobre todo el grosor de la membrana (14) .

9. Pila de combustible de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque los medios de adhesión (27) forman pistas conductoras constituidas por:

-una primera pista (27ba) rodea a cada uno de los primer y segundo electrodos (12, 13) y está en contacto directo con las paredes laterales de dichos primer y segundo electrodos (12, 13) , y

-una segunda pista (27bb) conectada a la primera pista (27ba) y conecta el primer electrodo (12) de una celda elemental (9) al segundo electrodo (13) de una celda elemental adyacente (9) .

10. Procedimiento de fabricación de una pila de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque comprende las etapas de:

-formación de las primera y segunda zonas inactivas (23, 24) , respectivamente, sobre la primera y segunda caras principales (16, 17) de una membrana (14) formada por un electrolito polimérico conductor iónico, y

- fijación de una cubierta (10) sobre dicha membrana (14) mediante los medios de adhesión (27) colocados entre la primera zona inactiva (23) y la pared interior (11) de la cubierta (10) y/o la segunda zona inactiva (24) y la pared interior (11) de la cubierta (10) .

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la membrana (14) está constituida inicialmente por un primer polímero no conductor iónico (30) que tiene funciones de halogenuros de sulfonilo, realizándose las primera y segunda zonas inactivas (23, 24) mediante la formación de zonas iónicamente conductoras (29) por hidrólisis de las funciones de halogenuros de sulfonilo de zonas predeterminadas (33) de dicho polímero (30) .

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la membrana (14) está constituida inicialmente por un primer polímero conductor iónico (32) que tiene funciones de ácidos sulfónicos, realizándose las primera y segunda zonas inactivas (23, 24) mediante la formación de zonas iónicamente no conductoras (31) por degradación de las funciones de ácidos sulfónicos de zonas predeterminadas (33) de dicho polímero (32) .

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la membrana (14) está constituida inicialmente por un primer polímero conductor iónico (32) que tiene funciones de ácidos sulfónicos, realizándose las primera y segunda zonas inactivas (23, 24) mediante la creación de zonas iónicamente no conductoras (31) por conversión química de las funciones de ácidos sulfónicos de zonas predeterminadas (33) de dicho polímero (32) en funciones de halogenuros de sulfonilo.