PROCEDIMIENTO DE FABRICACION DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE SOBRE UN SOPORTE POROSO.

Procedimiento de fabricación de una pila de combustible (1) que consta por lo menos de la formación de un conjunto (7) constituido por un primer electrodo (4),

una membrana sólida conductora de protones (5) y un segundo electrodo (6) sobre un soporte (2) que incorpora poros (2a) delimitados por paredes (2b), siendo formada la membrana (5) mediante deposición y secado de un electrólito líquido,

caracterizado porque se forma, antes de la deposición del electrólito líquido, una película (10), constituida por un material que presenta un ángulo de contacto (?) superior a 90º con una gota de dicho electrólito líquido, por lo menos sobre una parte de las paredes (2b) que delimitan los poros (2a), teniendo dicha película (10) un espesor que admite el paso de un fluido reactante a dichos poros (2a)

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08354044.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 25, RUE LEBLANC IMMEUBLE "LE PONANT D",75015 PARIS.

Inventor/es: LAURENT, JEAN-YVES, FAUCHEUX,VINCENT, LAUGIER,CHRISTELLE, MARTIN,STEVE.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 23 de Junio de 2008.

Fecha Concesión Europea: 3 de Febrero de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01M8/10E2
  • H01M8/10S

Clasificación PCT:

  • H01M8/10 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › H01M 8/00 Pilas de combustible; Su fabricación. › Pilas de combustible con electrolitos sólidos.

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.

PROCEDIMIENTO DE FABRICACION DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE SOBRE UN SOPORTE POROSO.

Fragmento de la descripción:

Procedimiento de fabricación de una pila de combustible sobre un soporte poroso.

Ámbito técnico de la invención

La invención se refiere a un procedimiento de fabricación de una pila de combustible que consta por lo menos de la formación de un conjunto constituido por un primer electrodo, una membrana sólida conductora de protones y un segundo electrodo sobre un soporte que incorpora poros delimitados por paredes, siendo formada la membrana mediante deposición y secado de un electrólito líquido.

Estado de la técnica

Las pilas de combustible y más en particular las micropilas de combustible se realizan mediante la sucesiva deposición, sobre un soporte, de un conjunto Electrodo-Membrana-Electrodo, también conocido como conjunto EME, apilamiento EME o núcleo de pila. Dicho soporte sirve de retención mecánica para el apilamiento y permite, gracias a su porosidad, alimentar dicho conjunto EME con fluido reactante y, más en particular, con combustible, por ejemplo hidrógeno, vapores de etanol o de metanol.

Por otro lado, la necesidad de pilas de combustible con altas densidades de potencia va en aumento. En este sentido, la membrana conductora protónica tiene que ser de espesor reducido, típicamente del orden de 5 a 10 micrómetros. Además, la formación de una membrana homogénea de 5 a 10 micrómetros de espesor sobre un soporte poroso necesita que dicho soporte presente un tamaño de poros inferior a este espesor.

Ahora bien, semejante disminución de las dimensiones de los constituyentes de una pila de combustible origina problemas de capilaridad. En efecto, la membrana sólida conductora protónica, constituida generalmente por un polímero conductor protónico de ácido perfluorosulfónico, tal como el producto comercializado por la empresa Dupont de Nemours con el nombre Nafion®, se obtiene por deposición de una película líquida (o electrólito líquido), que se endurece a continuación mediante secado. Ahora bien, al depositarlo, el electrólito líquido corre el riesgo de penetrar en los poros del soporte poroso bajo el efecto de las fuerzas capilares. De este modo, hay un riesgo de obstruir los poros del soporte y, por tanto, de bloquear el paso del fluido reactante.

Objeto de la invención

La invención tiene por objetivo un procedimiento de fabricación de una pila de combustible que permite evitar la penetración de electrólito sólido en el soporte poroso en el momento de la formación de la membrana sólida conductora de protones, al tiempo que se conserva y eventualmente se aumenta la densidad de potencia de dicha pila.

De acuerdo con la invención, este objetivo se logra mediante las reivindicaciones que se adjuntan.

Breve descripción de los dibujos

Otras ventajas y características resultarán más evidentes a partir de la descripción que sigue de formas de realización particulares de la invención, dadas a título de ejemplos no limitativos y representadas en los dibujos que se adjuntan, en los que:

La figura 1 representa, esquemáticamente y en sección, una forma particular de una pila de combustible, formada sobre un soporte poroso.

Las figuras 2 a 4 ilustran, esquemáticamente y en sección, diferentes etapas de formación de una película sobre las paredes que delimitan los poros de un soporte poroso, en un procedimiento de fabricación de una pila según la figura 1.

Las figuras 5 y 6 representan, esquemáticamente y en sección, dos variantes de realización de un soporte poroso.

Descripción de formas de realización particulares

Para evitar la penetración del electrólito líquido en el soporte poroso, conservando o aumentando al propio tiempo la densidad de potencia de la pila de combustible, se recubre por lo menos una parte de las paredes que delimitan los poros del soporte, antes de la deposición del electrólito líquido, con una película constituida por un material que presenta un ángulo de contacto ? superior a 90º con una gota de dicho electrólito líquido. Además, dicha película presenta un espesor que admite el paso del fluido reactante a los poros del soporte.

En efecto, según la ecuación de Laplace, la presión capilar, que provoca la penetración de un líquido en un material poroso es proporcional a:

s * cos ? /R

siendo:

- s: viscosidad del líquido depositado,

- ?: ángulo de contacto entre la gota de líquido y el material poroso, también conocido como ángulo de gota. Semejante ángulo se mide en la interfase entre un líquido y una superficie plana de un cuerpo sólido cuando se deposita una gota de dicho líquido sobre dicha superficie y determina el grado de mojabilidad de un líquido con un cuerpo sólido,

- y R: radio o tamaño de los poros del material poroso.

Así, la presión capilar es inversamente proporcional al tamaño de los poros de un material poroso. Cuanto más pequeños son los poros, más alta es la presión capilar y más favorecida se ve la penetración del electrólito líquido. Ahora bien, para impedir la penetración del electrólito líquido en el soporte poroso, no se puede aumentar el tamaño de los poros. Efectivamente, antes bien se tiene que disminuir el tamaño de los poros del soporte poroso para obtener altas densidades de potencia.

Sin embargo, la presión capilar también es función del ángulo de contacto ? entre la gota de líquido y el material poroso. Por lo tanto, para evitar la penetración del electrólito liquido en el material poroso, se puede disminuir la presión capilar obteniendo un valor de cos? negativo, es decir, un ángulo de contacto ? superior a 90º, lo que implica que una gota del electrólito liquido no moje la superficie del soporte poroso. A título de comparación, se dice que una superficie es hidrófoba si presenta un ángulo de contacto ? superior a 90º con una gota de agua.

Más en particular, el soporte poroso se elabora a partir de una cerámica, de un vidrio, de un metal, de silicio, de carburo de silicio, de carbono-grafito o de cualquier asociación de estos materiales. Los poros del soporte pueden estar formados por los espacios libres formados entre los granos de un material sinterizado, escogido por ejemplo entre las cerámicas, el vidrio el carburo de silicio y un metal. El soporte poroso también puede estar constituido por fibras, por ejemplo de vidrio, de carbono o de polímero, y los espacios libres dispuestos entre dichas fibras constituyen los poros de dicho soporte. De acuerdo con una realización alternativa, los poros del soporte se pueden formar asimismo mediante grabado o taladrado de un material macizo tal como el silicio, un metal o vidrio. Los poros pueden ser de forma arbitraria o pueden, por el contrario, tener una forma estructurada, por ejemplo con forma de canales pasantes. Ahora bien, las propiedades de superficie de los materiales utilizados para formar el soporte poroso no permiten mantener en la superficie de dicho soporte el electrólito líquido utilizado para formar la membrana sólida conductora de protones.

De este modo, antes de la deposición del electrólito líquido, se deposita un material que presenta con el electrólito líquido un ángulo de contacto ? superior a 90º sobre por lo menos una parte, y ventajosamente sobre la totalidad, de las paredes que delimitan los poros del soporte. Esto permite modificar el ángulo de contacto entre el electrólito líquido y las paredes que delimitan los poros del soporte y, por tanto, disminuir la presión capilar, a fin de garantizar la retención del electrólito líquido en la superficie del soporte poroso.

A título de ejemplo, la figura 1 representa una forma de realización particular de una pila de combustible 1. Se recubre una parte de un soporte poroso 2 con un colector de corriente anódica 3, a su vez recubierto en parte de una superposición sucesiva de tres capas delgadas que constituyen un ánodo 4, una membrana 5, por ejemplo de Nafion® y un cátodo 6. La superposición de dichas tres capas delgadas constituye, de este modo, el ensamblaje EME 7. Además, una capa delgada aislante 8 recubre las respectivas partes libres del soporte poroso 2 y del colector de corriente anódica 3 y rodea la periferia del ensamblaje EME 7. Dicha capa delgada aislante 8 incorpora sin embargo una abertura 8a, que deja libre una zona del colector de corriente anódica 3 para permitir la formación de una borna de conexión negativa. Por último, un colector de corriente catódica 9 recubre el cátodo 6 y una parte de la capa delgada...

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de fabricación de una pila de combustible (1) que consta por lo menos de la formación de un conjunto (7) constituido por un primer electrodo (4), una membrana sólida conductora de protones (5) y un segundo electrodo (6) sobre un soporte (2) que incorpora poros (2a) delimitados por paredes (2b), siendo formada la membrana (5) mediante deposición y secado de un electrólito líquido,

caracterizado porque se forma, antes de la deposición del electrólito líquido, una película (10), constituida por un material que presenta un ángulo de contacto (?) superior a 90º con una gota de dicho electrólito líquido, por lo menos sobre una parte de las paredes (2b) que delimitan los poros (2a), teniendo dicha película (10) un espesor que admite el paso de un fluido reactante a dichos poros (2a).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porgue el material que constituye dicha película (10) incorpora por lo menos un polímero que presenta un ángulo de contacto (?) superior a 90º con una gota de dicho electrólito líquido.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el polímero se escoge del grupo formado por:

- el politetrafluoroetileno y sus derivados,
- el fluoroetileno-propileno,
- el fluoruro de polivinilideno y sus derivados,
- el polietileno,
- el polipropileno,
- el etileno-propileno,
- los tioles,
- y un polímero conductor protónico de ácido perfluorosulfónico.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque siendo el polímero un polímero conductor protónico de ácido perfluorosulfónico, el primer electrodo se realiza antes de la formación de la película (10).

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque dicha película (10) se forma impregnando dicho soporte (2) con una solución líquida (11) que incorpora por lo menos un disolvente en el que está disuelto dicho material, y evaporando después dicho disolvente.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque dicha película (10) se forma impregnando dicho soporte (2) con una solución líquida (11) que incorpora por lo menos un disolvente en el que está disuelto por lo menos un precursor de dicho material y evaporando después dicho disolvente.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque dicho precursor está constituido por un monómero que presenta, después de la polimerización, un ángulo de contacto (?) superior a 90º con una gota de dicho electrólito líquido.

8. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el precursor de dicho material es un compuesto que presenta, después de un tratamiento térmico, por ultravioleta o por infrarrojos, un ángulo de contacto (?) superior a 90º con una gota de dicho electrólito líquido, llevándose a cabo dicho tratamiento tras la evaporación del disolvente.

9. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el material que forma dicha película (10) está constituido por partículas metálicas, cerámicas o de carbono-grafito, que presentan un ángulo de contacto (?) superior a 90º con una gota del electrólito líquido.

10. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el material que forma dicha película (10) está constituido por partículas metálicas, cerámicas o de carbono-grafito, recubiertas de un revestimiento formado por un polímero que presenta un ángulo de contacto (?) superior a 90º con una gota de dicho electrólito líquido.

11. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la película se forma mediante deposición química en fase de vapor.

12. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el soporte, dotado de superficies primera y segunda (2c, 2d) opuestas, presenta una porosidad decreciente desde la primera superficie (2c) hasta la segunda superficie (2d), siendo formado el conjunto (7), constituido por el primer electrodo (4), la membrana sólida conductora de protones (5) y el segundo electrodo (6), sobre la segunda superficie (2d) de dicho soporte.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque el soporte (2) está constituido por una superposición de dos capas superpuestas (12, 13), que tienen distintas porosidades, respectivamente inferior y superior al espesor de la membrana sólida conductora de protones (5).


 

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