Ensamblaje (E) con estructura sellante reforzada que comprende:

a) un ensamblaje electrodo membrana (23) que presenta un perímetro exterior; b) una estructura sellante (S) que bordea dicho ensamblaje electrodo-membrana (23), que comprende: i) una junta (J) en forma de cordones, en el que los cordones constitutivos de la junta recubren totalmente el perímetro exterior del ensamblaje electrodomembrana (23), bordean los orificios (10) destinados al paso de gases reactantes y fluido refrigerante, y se extienden hasta recubrir el perímetro exterior del ensamblaje (E); en el que los cordones que recubren el perímetro exterior del ensamblaje electrodo-membrana comprenden: 1. una primera zona de unión (6) en la que el cordón se une con el ensamblaje electrodo-membrana (23) y donde el material sellante constitutivo del cordón penetra en los poros del borde exterior de las capas de electrodo (3A, 3C);2. una zona de amortiguación de tensiones (7) adyacente a la primera zona de unión (6) en la que el material sellante constitutivo del cordón tiene un espesor que es menor que el de la primera zona de unión 6); 3. una primera zona o punto de sellado (8) adyacente a la zona de amortiguación (7), en el que el material sellante constitutivo del cordón tiene un espesor que es mayor que el de la primera zona de unión (6); 4. una segunda zona de unión (9) en la que el material sellante constitutivo del cordón envuelve el refuerzo y tiene un espesor que es menor que el de la primera zona de sellado (8); y opcionalmente 5. muescas (22) para facilitar la distribución del material sellante constitutivo del cordón en el proceso de moldeado, y en el que los cordones que bordean los orificios (10) destinados al paso de gases reactantes y fluido refrigerante comprenden: 6. una tercera zona de unión (20, 21) en la que el material sellante constitutivo del cordón está unido al refuerzo (4); 7. una segunda zona o punto de sellado (15) adyacente a la tercera zona de unión (20, 21), en el que el material sellante constitutivo del cordón presenta un espesor mayor que el de la tercera zona de unión (20, 21); ii) un refuerzo (4) integrado en dicha junta (J) que se extiende desde el cordón de la junta que recubre completamente el perímetro exterior del ensamblaje electrodo-membrana (23) hasta el cordón de la junta que recubre el perímetro exterior del ensamblaje (E), de tal manera que el refuerzo está incrustado en la segunda zona de unión (9) y en la tercera zona de unión (20 ó 21) del cordón de la junta dentro de los límites de dichas zonas de unión, y el refuerzo ni penetra en el ensamblaje electrodo-membrana (23) ni está en contacto físico con el ensamblaje electrodo-membrana (23) ni está situado sobre o por encima del perímetro exterior del ensamblaje electrodo-membrana (23); y iii) orificios (10) destinados al paso de gases reactantes y fluido refrigerante

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuadra dentro del ámbito de las pilas de combustible y electrolizadores, y más concretamente se dirige a un ensamblaje con estructura sellante mejorada.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Durante las últimas décadas se está produciendo un importante auge en los métodos para la producción, almacenamiento y conversión de energía. Debido al agotamiento progresivo de las reservas de combustibles fósiles, tales como las reservas de petróleo, carbón y gas natural, y debido a su negativa repercusión en el medio ambiente, se están desarrollando nuevas tecnologías para generar energía limpia, eficiente y descentralizada. En este sentido, las pilas de combustible como sistema de alimentación de un motor eléctrico, se presentan como una alternativa muy eficiente, por ejemplo, a la utilización de combustibles fósiles en los motores de combustión, dado que producen energía eléctrica limpia sin emisión de productos contaminantes, motivo por el cual se interesan tanto la industria del automóvil como las compañías del sector eléctrico y energético. Las pilas de combustible generan energía mediante la reacción inversa de electrolisis del agua, empleando como reactantes hidrógeno y oxígeno (tomado del aire, de un alcohol, etc.), y liberando únicamente vapor de agua a la atmósfera. Por otro lado, uno de los sistemas más respetuosos con el medio ambiente para la generación de hidrógeno es el empleo de electrolizadores, que son dispositivos electroquímicos basados en los principios de funcionamiento inverso a los de las pilas de combustible, y que están formados por una estructura muy similar a la de éstas.

De entre los diferentes tipos de pilas de combustible que se están desarrollando en la actualidad, las pilas de combustible denominadas PEM (Proton Exchange Membrane), o pilas de combustible de electrolito sólido polimérico, son las más prometedoras dado que proporcionan una densidad energética elevada y tienen la ventaja de ser ligeras y tener un tamaño pequeño, además de trabajar a temperaturas relativamente bajas comparado con otras pilas de combustible. De la misma manera sucede en el campo de los electrolizadores, donde los que plantean un futuro más prometedor son los de tipo PEM.

Este tipo de pilas de combustible están formadas por lo general por un conjunto de celdas unitarias. Cada una de estas celdas comprende un ensamblaje electrodo-membrana, también denominado MEA, que contiene la parte electroquímicamente activa, y que está constituida por una membrana de electrolito sólido polimérico dispuesta entre dos capas porosas y eléctricamente conductoras que actúan como electrodo, en las que se deposita un catalizador, y placas separadoras ubicadas a ambos lados del MEA, que comprenden una serie de conductos por los que fluyen los gases reactantes.

Durante el funcionamiento de una pila de combustible se requiere que los gases reactantes lleguen de manera efectiva al catalizador depositado en los electrodos, y es fundamental para ello aislar apropiadamente dichos gases y evitar, en la medida de lo posible, que se produzcan fugas de los mismos hacia otras zonas de la pila de combustible. Para ello, en las estructuras de las pilas de combustible convencionales se emplea una serie de juntas que se ubican entre el MEA y las placas separadoras, de manera que rodean el perímetro del MEA así como los pasos para los gases reactantes. Algunos ejemplos se describen en los documentos US 5.176.966 y US 5.284.718. No obstante estas estructuras obligan a diseñar juntas de muy bajo espesor con el fin de no aumentar el tamaño de la pila de combustible, lo que provoca una disminución de la tolerancia a la compresión. Por otra parte, dado que los electrodos son porosos, la junta debe estar en contacto con la membrana y con las placas separadoras en las regiones de sellado, y suele hacerse necesario el empleo de capas adicionales que protegen la membrana. Como desventaja adicional, se desperdicia gran cantidad de material sellante durante el proceso de corte.

Como solución propuesta a estos problemas se han diseñado MEAs que integran en su estructura el material sellante (documentos EP 1 018 177, EP 0 604 683, WO2004/102721). Esto se realiza mediante la aplicación por inyección de un material sellante fluido curable alrededor de los bordes del MEA, impregnando a la vez los poros periféricos de las capas de electrodo a ambos lados de las mismas. De esta manera se previene la fuga de gases alrededor del borde del MEA a la vez que se consigue un fuerte sellado con las placas separadoras adyacentes. Adicionalmente se pueden incorporar en la parte exterior de las mencionadas juntas, elementos sellantes alrededor de los pasos para gases reactantes mediante operaciones de moldeo apropiadas.

Sin embargo, un problema que presenta este tipo de estructuras es su baja estabilidad dimensional dado que suelen producirse deformaciones en el material sellante debido a tensiones internas y tensiones de contracción durante el proceso de inyección. Esta estabilidad dimensional puede verse reducida además durante el funcionamiento de la pila de combustible debido a las dilataciones o contracciones que experimenta el MEA.

En este sentido, el documento US 6.610.435 describe un ensamblaje electrodo-membrana con una junta integrada que incorpora además un refuerzo, en forma de cable continuo o discontinuo o como una placa rectangular, encuadrando el perímetro del MEA, con el fin de prevenir la deformación de la junta. No obstante, debido a que los pasos para gases reactantes se integran en la junta, éstos restan consistencia al conjunto disminuyendo la capacidad del refuerzo para dar estabilidad al cuerpo del MEA. Por otra parte, la compresión entre los elementos apilados se ve reducida por la deformación que experimenta el material sellante al someterse a una compresión constante y a una temperatura elevada.

Los documentos WO02/065572, US 6.815.114, US2002/0051902 y WO2005/020356 describen ensamblajes que comprenden una estructura rígida unida directamente a la membrana o a los electrodos del MEA, en la mayoría de los casos por medio de un adhesivo. No obstante, el hecho de que el elemento reforzante no tenga propiedades elásticas y que esté en contacto directo con los elementos del MEA, podría conducir a una rotura del MEA cuando el refuerzo se somete a una deformación y compresión durante el ensamblaje y funcionamiento de la pila de combustible.

A la vista del estado de la técnica se hace necesario el diseño de ensamblajes electrodo-membrana que, además de evitar la fuga de reactantes, confieran estabilidad dimensional al conjunto de la pila evitando la deformación y la disminución de la compresión entre los elementos apilados durante el ensamblaje y funcionamiento de la pila de combustible.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El autor de la presente invención ha encontrado tras intensa investigación, que la ubicación de un elemento reforzante integrado en la junta, sin estar en contacto directo con el ensamblaje electrodo-membrana pero rodeándolo y rodeando los pasos para gases, fluidos y, en su caso, los elementos de apriete, permite solucionar los problemas planteados en el estado de la técnica, proporcionando un ensamblaje electrodo-membrana con estructura sellante mejorada para su empleo en pilas de combustible y electrolizadores. Mediante el empleo de este tipo de ensamblaje se consigue mejorar considerablemente su estabilidad dimensional y el aislamiento frente a los gases reactantes, y además se previene la deformación de la junta manteniendo al mismo tiempo la fuerza de compresión entre los elementos que comprenden la pila de combustible, lo cual hace que la presente invención suponga una mejora significativa sobre los ensamblajes electrodo-membrana con estructura sellante existentes en el estado de la técnica.

Así, un objeto de la presente invención lo constituye un ensamblaje (E) con estructura sellante reforzada que comprende un ensamblaje electrodo-membrana (23) y una estructura sellante (S) que bordea dicho ensamblaje electrodo-membrana (23), comprendiendo dicha estructura sellante (S) una junta (J), un refuerzo (4) integrado en dicha junta y orificios (10) destinados al paso de gases reactantes y fluido refrigerante.

En otro aspecto la invención se dirige a una pila de combustible que comprende un conjunto de ensamblajes (E) con estructura sellante como el definido previamente.

En un aspecto adicional la invención se dirige a un electrolizador que comprende un conjunto de ensamblajes (E) con estructura sellante como el definido... [Seguir leyendo]

1. Ensamblaje (E) con estructura sellante reforzada que comprende:

a) un ensamblaje electrodo membrana (23) que presenta un perímetro exterior;

b) una estructura sellante (S) que bordea dicho ensamblaje electrodo-membrana (23), que 5 comprende:

i) una junta (J) en forma de cordones, en el que los cordones constitutivos de la junta recubren totalmente el perímetro exterior del ensamblaje electrodo-membrana (23), bordean los orificios (10) destinados al paso de gases reactantes y fluido refrigerante, y se extienden hasta recubrir el perímetro exterior del ensamblaje (E);

en el que los cordones que recubren el perímetro exterior del ensamblaje electrodo-membrana comprenden:

1. una primera zona de unión (6) en la que el cordón se une con el ensamblaje electrodo-membrana (23) y donde el material sellante constitutivo del cordón penetra en los poros del borde exterior de las capas de electrodo (3A, 3C);

2. una zona de amortiguación de tensiones (7) adyacente a la primera zona de unión (6) en la que el material sellante constitutivo del cordón tiene un espesor que es menor que el de la primera zona de unión 6);

3. una primera zona o punto de sellado (8) adyacente a la zona de amortiguación (7), en el que el material sellante constitutivo del cordón tiene un espesor que es mayor que el de la primera zona de unión (6);

4. una segunda zona de unión (9) en la que el material sellante

constitutivo del cordón envuelve el refuerzo y tiene un espesor que es 25 menor que el de la primera zona de sellado (8); y opcionalmente

5. muescas (22) para facilitar la distribución del material sellante constitutivo del cordón en el proceso de moldeado,

y en el que los cordones que bordean los orificios (10) destinados al paso de gases reactantes y fluido refrigerante comprenden:

6. una tercera zona de unión (20, 21) en la que el material sellante constitutivo del cordón está unido al refuerzo (4);

7. una segunda zona o punto de sellado (15) adyacente a la tercera zona de unión (20, 21), en el que el material sellante constitutivo del cordón presenta un espesor mayor que el de la tercera zona de unión (20, 21);

ii) un refuerzo (4) integrado en dicha junta (J) que se extiende desde el cordón de la junta que recubre completamente el perímetro exterior del ensamblaje electrodo-membrana (23) hasta el cordón de la junta que recubre el perímetro exterior del ensamblaje (E), de tal manera que el refuerzo está incrustado en la

40 segunda zona de unión (9) y en la tercera zona de unión (20 ó 21) del cordón de la junta dentro de los límites de dichas zonas de unión, y el refuerzo ni penetra en el ensamblaje electrodo-membrana (23) ni está en contacto físico con el ensamblaje electrodo-membrana (23) ni está situado sobre o por encima del perímetro exterior del ensamblaje electrodo-membrana (23); y

45 iii) orificios (10) destinados al paso de gases reactantes y fluido refrigerante.

2. Ensamblaje (E) según la reivindicación 1, en el que el ensamblaje electrodo-membrana (23) comprende:

a) una capa porosa de difusión de gas catódica (3C);

b) una capa porosa de difusión de gas anódica (3A);

c) una membrana de intercambio iónico (1) interpuesta entre la capa porosa de difusión de gas catódica (3C) y la capa porosa de difusión de gas anódica (3A); y

d) una capa de electrocatalizador catódico (2C) dispuesta en la interfase entre dicha membrana de intercambio iónico (1) y dicha capa porosa de difusión de gas catódica (3C); y

e) una capa de electrocatalizador anódico (2A) dispuesta en la interfase entre dicha membrana (1) y dicha capa porosa de difusión de gas anódica (3A);

definiendo dichas capas de electrocatalizador un área electroquímicamente activa.

3. Ensamblaje (E) según las reivindicaciones 1 a 2, en el que la estructura sellante (S) comprende además orificios (11) destinados al paso de los elementos de apriete.

4. Ensamblaje (E) según la reivindicación 3, en el que la junta (J) comprende además un cordón que bordea los orificios (11) destinados al paso de los elementos de apriete.

5. Ensamblaje (E) según las reivindicaciones 1 a 4, en el que la junta está constituida por un material polimérico.

6. Ensamblaje (E) según la reivindicación 5, en el que el material polimérico es un elastómero seleccionado entre cauchos nitrílicos, cauchos poliacrílicos, cauchos fluorados, cauchos de silicona, siliconas y siliconas líquidas.

7. Ensamblaje (E) según las reivindicaciones 1 a 6, en el que el refuerzo (4) comprende: a) una cavidad central (24) destinada a la ubicación del ensamblaje electrodo-membrana

(23); y b) orificios (10) destinados al paso de gases reactantes y fluido refrigerante.

8. Ensamblaje (E) según la reivindicación 7, en el que el refuerzo (4) comprende además: a) orificios (16, 17) destinados al paso del material sellante; b) zonas huecas (18) para la ubicación de parte de los cordones comprendidos en la junta;

y c) puentes (19) ubicados entre las zonas huecas (18) donde se ubican parte de los cordones.

9. Ensamblaje (E) según las reivindicaciones 7 y 8, en el que el refuerzo (4) comprende además orificios (11) destinados al paso de los elementos de apriete.

10. Ensamblaje (E) según las reivindicaciones 1 a 9, en el que el refuerzo (4) está constituido por un material polimérico seleccionado entre materiales compuestos con fibra de vidrio, materiales compuestos con fibra de boro, materiales compuestos con fibra de aramida, resinas fenólicas y policarbonato, o por un material metálico.

11. Ensamblaje (E) según las reivindicaciones 1 a 10, en el que el espesor del refuerzo (4) está comprendido entre 0,05 mm y 1 mm, preferentemente entre 0,10 mm y 0,50 mm.

12. Ensamblaje (E) según las reivindicaciones 1 a 11, en el que el refuerzo (4) está totalmente recubierto en una o ambas caras frontales por el material sellante constitutivo de la junta.

13. Ensamblaje (E) según la reivindicación 2, en el que las capas porosas de difusión de gases (3A, 3C) y la membrana de intercambio iónico (1) tienen las mismas dimensiones.

14. Ensamblaje (E) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la geometría del ensamblaje es de forma poligonal.

15. Ensamblaje (E) según la reivindicación 14, en el que la geometría del ensamblaje es de forma cuadrada, rectangular u octogonal.

16. Pila de combustible que comprende un conjunto de ensamblajes (E) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.

17. Electrolizador que comprende un conjunto de ensamblajes (E) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.

18. Procedimiento para la fabricación de un ensamblaje (E) como el definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 que comprende: a) proporcionar un ensamblaje electrodo-membrana (23); b) cortar el ensamblaje electrodo-membrana (23) a las dimensiones deseadas;

5 c) proporcionar una lámina de refuerzo (4) y efectuar una perforación sobre ella de manera que se proporcione una cavidad (24) para la ubicación del ensamblaje electrodo-membrana (23) y orificios (10) destinados al paso de gases reactantes y fluido refrigerante;

d) colocar la lámina de refuerzo (4) en el interior de un molde de inyección; e) colocar el ensamblaje electrodo-membrana (23) en el interior del molde de inyección; f) inyectar el material sellante en el molde; y g) extraer el ensamblaje del molde.

19. Procedimiento para la fabricación de un ensamblaje (E) según la reivindicación 18, que comprende además efectuar orificios (16, 17) sobre la lámina de material de refuerzo para el paso de material sellante durante la posterior inyección y cavidades (18) para la ubicación de parte de los cordones comprendidos en la junta.

20. Procedimiento para la fabricación de un ensamblaje (E) según las reivindicaciones 18 y 19, que comprende además efectuar orificios (11) sobre la lámina de material de refuerzo para el paso de los elementos de apriete.

21. Uso de un ensamblaje (E) según las reivindicaciones 1 a 15 en la fabricación de una pila de combustible.

22. Uso de un ensamblaje (E) según las reivindicaciones 1 a 15 en la fabricación de un electrolizador.