Membrana de electrolito polimérico híbrida y sus aplicaciones.

La invención describe una membrana de electrolito polimérico híbrida que comprende dos polímeros distintos espacialmente dispuestos de tal forma que ambos constituyen una estructura donde uno de los polímeros, que es un polímero de siloxano, hace de base perforada para que el otro polímero, que es un electrolito polimérico, se pueda distribuir en él las perforaciones en forma de canales. Esta membrana es útil para la fabricación de dispositivos de electrolitos poliméricos, como por ejemplo, las pilas de combustible, electrolizadores y pilas microbianas, permitiendo un mayor nivel de integración de la membrana con el resto de los componentes, una reducción en el tamaño de los dispositivos, compatibilidad con materiales rígidos

Membrana de electrolito polimérico híbrida y sus aplicaciones.

Sector de la técnica

La presente invención se enmarca en el área científico-técnica de la Electroquímica y la Microelectrónica, dentro del sector de la fabricación de microsistemas y la producción de energía.

Estado de la técnica

La creciente presencia de microsistemas electromecánicos (MEMS, por sus siglas en inglés) en una amplia variedad de aplicaciones ha provocado una demanda progresiva de fuentes de alimentación que sean eficientes y ligeras. Estos dispositivos integran elementos mecánicos, sensores, actuadores y electrónica en un mismo sustrato por medio de procesos de microfabricación que parten de la tecnología de circuitos integrados (IC). Los campos de aplicación de estos dispositivos son muy diversos (automoción, industria alimentaria, seguridad, medicina...), en donde algunas de las aplicaciones más comercializadas son por ejemplo los acelerómetros utilizados en sistemas de expulsión de bolsas de aire en automóviles (y últimamente también en dispositivos electrónicos de consumo), sistemas de inyección de tinta en impresoras, sensores de presión sanguínea, proyectores de vídeo, entre otros. Como solución idónea tanto desde el punto de vista de la funcionalidad como del coste, se requiere una mayor compactación de las fuentes de energía, lo que implica la compatibilización de diversas tecnologías de fabricación a fin de conseguir un sistema completamente integrado, de tamaño más reducido y con la mayor densidad de potencia posible.

Las micro pilas de combustible merecen actualmente un interés especial debido a sus potenciales ventajas frente a otras aproximaciones. Entre estas ventajas destacan una alta densidad energética, posibilidad de trabajar a temperatura ambiente, emisiones no contaminantes y la posibilidad de eliminar las partes móviles asociadas a otro tipo de dispositivos (tales como micromotores, microturbinas, resonadores, etc.), simplificando el proceso de fabricación y reduciendo las posibilidades de fallo. Ante estas ventajas, las pilas de combustible, estudiadas y desarrolladas desde hace varias décadas para la generación de energía a gran escala, están siendo consideradas y evaluadas actualmente por la comunidad científica habiéndose obtenido excelentes resultados en el campo de la alimentación de sistemas portátiles . En este sentido, el uso de los procesos de fabricación asociados a la tecnología microelectrónica resultan prometedores dada su reproducibilidad y capacidad de producción en masa (modo batch, en donde todos los componentes son completados en una estación de trabajo antes de pasar a la siguiente). Asimismo, el uso de la tecnología microelectrónica puede aumentar el rendimiento de la pila de combustible puesto que la reducción de los componentes de la pila a microescala mejora la eficiencia de los mecanismos de transporte.

Una pila de combustible está formada básicamente por los siguientes componentes: una membrana electrolítica, dos electrodos (ánodo y cátodo), dos colectores de corriente (uno asociado al ánodo y otro al cátodo) y las estructuras fluídicas de distribución de los distintos reactivos y productos (hidrógeno, metanol, aire, agua, etc.). Las pilas de combustible pueden ser clasificadas en función del tipo de electrolito (membrana electrolítica). Se distinguen hasta cinco tipos diferentes: pilas de combustible de electrolito polimérico, pilas de combustible alcalinas, pilas de combustible de ácido fosfórico, pilas de combustible de óxido sólido y pilas de combustible de carbonato fundido. Aunque todas ellas basan su funcionamiento en el mismo principio electroquímico, difieren en los materiales de sus componentes, las temperaturas de trabajo, su tolerancia al combustible y sus características de operación [1]. Entre todas ellas, las pilas basadas en electrolito polimérico (PEM) son las que poseen las características físico-químicas más ventajosas para su miniaturización. Las pilas PEM emplean una membrana delgada de un solo tipo polimérico como electrolito y utilizan como reactivos hidrógeno en el ánodo y oxígeno en el cátodo. En la membrana, los protones derivados de la descomposición de la molécula de hidrógeno son los portadores de la carga iónica, que después de atravesarla se recombinan con las moléculas de oxígeno para generar agua. Este tipo de pilas resulta muy atractivo debido a su capacidad para operar a temperatura ambiente y la elevada densidad de energía generada. Además, permiten la posibilidad de emplear combustible líquido como el metanol (MeOH) que puede aumentar varios órdenes de magnitud la densidad de energía disponible, a este tipo de pila PEM se le conoce como pila de combustible de metanol directo (DMFC). El material más comúnmente utilizado como membrana de intercambio protónico es el Nafion® de la firma DuPont. Sin embargo, existen otros materiales diferentes disponibles en el mercado (Aciplex®, Flemion®, Dowex®, Fumasep®, etc) y diversos grupos de investigación se encuentran desarrollando alternativas que mejoren su eficiencia y disminuyan el costo.

La investigación y desarrollo en el campo de las micro pilas de combustible ha focalizado sus esfuerzos en la mejora de los distintos elementos que componen el dispositivo resultando en una optimización de eficiencia y potencia producida. Los principales avances se han dado en la obtención de materiales que mejoran la conducción iónica y la catálisis de las reacciones, así como en el diseño de estructuras fluídicas que permiten optimizar la distribución de los reactivos a lo largo de la pila. Pese a que diversos trabajos han propuesto nuevas arquitecturas para miniaturizar los componentes, la integración de todas las partes sigue representando un reto tecnológico debido a la incompatibilidad de materiales, siendo necesario normalmente la incorporación de placas adicionales, tornillos o adhesivos para mantener unidas todas las partes dispositivo (ánodo, cátodo, colectores de corriente y membrana polimérica).

Dicha incompatibilidad radica en el hecho de que las membranas poliméricas no permiten una adhesión directa con los materiales con los que son fabricados los colectores de corriente. Además el problema se agrava con la expansión volumétrica que sufren las membranas al humedecerse durante su funcionamiento. Esta expansión puede crear fracturas en la estructura rígida de los colectores, como puede ser silicio en el caso de microdispositivos integrados, provocando el fallo del sistema.

Es por esta razón que en todos los trabajos existentes en la literatura se precisa de un encapsulado que permita presionar las diferentes partes de la pila por medio de tornillos, "remaches" o adhesivos. Estos elementos auxiliares externos hacen que el dispositivo sea más voluminoso dificultando su miniaturización, así como su ensamblado usando procesos simples y automatizables.

Existen múltiples ejemplos de desarrollos en micro pilas de combustible en la literatura donde queda patente esta necesidad de introducir los elementos auxiliares anteriormente mencionados. La mayoría de las micro pilas descritas utilizan un sistema de sándwich donde emplazan un ensamblaje membrana-electrodo, también llamado MEA por sus siglas en inglés Membrane Electrode Assembly, entre dos colectores de corriente, que pueden ser de materiales diversos. Véase en las figuras 1a y 1b el desarrollo propuesto por Shimizu et al. [2], donde se describe una micropila basada en una membrana de Nafion® ensamblada entre dos colectores de corriente de acero inoxidable micromecanizado. El dispositivo final consta también de sendas coberturas de metacrilato, usadas para dar consistencia a la estructura y distribuir el fuel y se mantiene unido mediante 4 tornillos situados en las esquinas. En la literatura pueden encontrarse trabajos con una aproximación similar a la descrita [3-5]. Las figuras 1c y 1d muestran una micropila microfabricada dónde los colectores de corriente se han realizado en un polímero rígido [6]. El dispositivo consta de una membrana de Nafion® como membrana de intercambio protónico ensamblada entre dos colectores de corriente de polímero polidimetilmetacrilato (PMMA), a los cuales se les añade un recubrimiento de oro o una malla metálica de plata para conferirles propiedades conductoras. Nuevamente, el montaje final requiere de la colocación de 4 tornillos en los extremos de la estructura. Las figuras 1e y 1f muestran el esquema y la fotografía de una micropila dónde los colectores de corriente se han fabricado en silicio [7]. El dispositivo consta de una membrana de Nafion ensamblada entre dos colectores de... [Seguir leyendo]

1. Membrana de electrolito polimérico híbrida caracterizada porque comprende dos polímeros distintos espacialmente dispuestos de tal forma que ambos constituyen una estructura donde uno de los polímeros, que es un polímero de siloxano, hace de base perforada para que el otro polímero, que es un electrolito polimérico, se pueda distribuir en las perforaciones en forma de canales (Figura 2).

2. Membrana según la reivindicación 1 caracterizada porque el electrolito polimérico es un polímero de intercambio iónico perteneciente al grupo de los polímeros perfluorinados con cadenas terminales de ácido sulfónico y perfluorosulfónico.

3. Membrana según la reivindicación 1 caracterizada porque el polímero de siloxano es un polímero que tiene grupos siloxanos.

4. Membrana según la reivindicación 1 caracterizada porque el polímero de siloxano es el polidimetilsiloxano (PDMS) y el polímero de intercambio iónico es el Nafion.

5. Membrana según la reivindicación 1 caracterizada porque las perforaciones presentan unas dimensiones entre 5 μm y 1000 μm de ancho y están distanciadas en un rango de entre 5 μm y 1000 μm, así como tener una altura de entre 50 y 500 μm.

6. Procedimiento de fabricación de la membrana según las reivindicaciones 1 a la 5 caracterizado porque comprende:

i) una primera etapa para dotar a una membrana de polímero de siloxano de una matriz de microperforaciones (Figura 3),

ii) el relleno de las microperforaciones de i) con un electrolito polimérico en forma de disolución en estado líquido (Figura 4a), y

iii) oxidación con plasma de las superficies expuestas de polímero siloxano por ambos lados. (Figura 5a).

7. Procedimiento según la reivindicación 6 caracterizado porque la perforación la membrana de polímero siloxano de i) se lleva a cabo mediante un procedimiento perteneciente al siguiente grupo: litografía blanda, perforación mecánica, ataque químico o ablación, y preferentemente mediante litografía blanda.

8. Procedimiento según la reivindicación 6 caracterizado porque la etapa a) se lleva a cabo mediante de un procedimiento de litografía blanda que comprende las siguientes etapas:

a) Fabricación de un molde micromecanizado fabricado con silicio,

b) Vertido y curado del polímero siloxano sobre el molde y

c) Extracción del polímero del molde.

9. Procedimiento según la reivindicación 6 caracterizado porque las columnas/perforaciones del molde están definidas en un rango de entre 5 μm y 1000 μm de ancho, están distanciadas en un rango de entre 5 μm y 1000 μm, así como tienen una altura en un rango de 50 μm y 500 μm.

10. Procedimiento según la reivindicación 6 caracterizado porque el electrolito es un intercambiador protónico, la membrana se va a utilizar en una micropila de combustible y porque en el que entre la etapa ii) de relleno y iii) de oxidación se incluye una etapa de incorporación de catalizadores en la membrana por ambas caras para funcionar como ensamblaje membrana-electrodo o en una capa difusora que puede ser añadida entre la membrana y los colectores de corriente.

11. Uso de la membrana según las reivindicaciones 1 a la 5 en la fabricación de dispositivos de electrolitos poliméricos, como por ejemplo, las pilas de combustible, electrolizadores y pilas microbianas.

12. Uso de la membrana según la reivindicación 11 caracterizado porque comprende un polímero de intercambio iónico.