Artículo de grafito útil como electrodo para una pila de combustible electroquímica.

Un artículo de grafito que comprende una masa comprimida de partículas expandidas de grafito en forma de una lámina que posee una primera y una segunda superficies opuestas;

la lámina posee una pluralidad de canales transversales de fluidos que atraviesan la misma entre su primera y su segunda superficies opuestas; una de las superficies opuestas cuenta con un surco abierto formado en la misma que se comunica con una pluralidad de los canales transversales de fluidos, y en el que el surco abierto está provisto de una cubierta que adopta la forma de una lámina de grafito flexible anisotrópica unida a la superficie en la que se forma el surco.

Artículo de grafito útil como electrodo para una pila de combustible electroquímica Campo técnico [0001] La presente invención se refiere a un artículo formado por una lámina de grafito flexible con surcos que es permeable a fluidos en la dirección transversal y posee una isotropía mejorada con respecto a la conductividad térmica y eléctrica. El artículo de la presente invención resulta útil como un electrodo difusor de gas en una pila de combustible electroquímica.

Antecedentes de la invención [0002] Los grafitos se componen de planos de capas de estructuras o redes hexagonales de átomos de carbono. Estos planos de capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente son sustancialmente planos, están orientados u ordenados de forma sustancialmente paralela y son equidistantes entre sí. Las láminas o capas de átomos de carbono sustancialmente equidistantes, paralelas y planas, que normalmente se denominan planos basales, están ligadas o unidas y grupos de las mismas se configuran en cristalitos. Los grafitos altamente ordenados consisten en cristalitos de tamaño considerable: los cristalitos están altamente alineados u orientados entre sí y poseen capas de carbono bien ordenadas. En otras palabras, los grafitos altamente ordenados poseen un alto grado de orientación preferida de cristalito. Los grafitos exhiben una anisotropía debido a sus estructuras inherentes y, por consiguiente, exhiben o poseen muchas propiedades altamente direccionales, por ejemplo una conductividad térmica y eléctrica y una difusión de fluidos. En síntesis, se pueden caracterizar los grafitos como estructuras laminadas de carbono, es decir, estructuras que se componen de capas superpuestas o láminas de átomos de carbono unidas mediante fuerzas débiles de Van der Waals. A la hora de describir la estructura del grafito, normalmente se indican dos ejes o direcciones, a saber, el eje o dirección "c" y los ejes o direcciones "a". Simplificando, se puede considerar el eje o dirección "c" como la dirección perpendicular a las capas de carbono. Se pueden considerar los ejes o direcciones "a" como las direcciones paralelas a las capas de carbono o las direcciones perpendiculares a la dirección "c". Los grafitos naturales más apropiados para la fabricación de grafito flexible poseen un grado muy alto de orientación.

Como se ha indicado anteriormente, las fuerzas de unión que mantienen juntas a las capas paralelas de átomos de carbono son únicamente fuerzas débiles de Van der Waals. Se pueden tratar los grafitos de tal manera que sea posible ampliar de forma apreciable el espacio entre las capas o láminas de carbono superpuestas para proporcionar una marcada expansión en la dirección perpendicular a las capas, es decir, en la dirección "c", formando así una estructura de grafito expandida o entumecida que retiene sustancialmente el carácter laminar de las capas de carbono.

Una escama de grafito natural que se ha expandido y, más concretamente, que se ha expandido hasta alcanzar un grosor final o una dimensión de dirección "c" que es al menos aproximadamente 80 veces o más la dimensión de dirección "c" original, puede formarse sin el uso de un aglutinante en láminas cohesivas o integradas flexibles de grafito expandido, por ejemplo tejidos, papeles, tiras, cintas o similares. Se estima que es posible formar, a partir de partículas de grafito que han sido expandidas hasta alcanzar un grosor final o dimensión de dirección "c" de al menos aproximadamente 80 veces o más la dimensión de dirección "c" original, láminas flexibles integradas por compresión sin utilizar ningún material aglutinante, gracias al excelente acoplamiento o cohesión mecánicos que se consiguen entre las partículas de grafito expandidas voluminosamente.

Se ha llegado a la conclusión de que, además de flexibilidad, el material de láminas, como se ha indicado anteriormente, también posee un alto grado de anisotropía con respecto a la conductividad térmica y eléctrica y a la difusión de fluidos, comparable al material de partida de grafito natural, debido a la orientación de las partículas y capas de grafito expandidas, sustancialmente paralela a las caras opuestas de la lámina y que son el resultado de una compresión muy elevada, por ejemplo, causada por un prensado de rodillos. El material de lámina que se produce de esta manera posee una flexibilidad excelente, una buena resistencia y un grado de orientación muy elevado.

En resumen, el proceso de producir material de lámina de grafito anisotrópico sin aglutinante y flexible (por ejemplo, tejidos, papel, tiras, cintas, láminas, esteras o similares) comprende la compresión o compactación, bajo una carga predeterminada y en ausencia de un aglutinante, de las partículas de grafito expandidas que poseen una dimensión de dirección "c" equivalente a por lo menos aproximadamente 80 veces o más la de las partículas originales, con el fin de formar una lámina de grafito sustancialmente integrada, flexible y plana. Las partículas de grafito expandidas generalmente son de apariencia vermiforme o en forma de gusanos, y una vez comprimidas mantienen las propiedades de compresión y la alineación con las superficies principales opuestas de la lámina. Es posible variar la densidad y el grosor del material de lámina controlando el grado de compresión. La densidad del material de lámina puede encontrarse dentro del rango comprendido entre aproximadamente 0, 08 g/cm3 y aproximadamente 2, 0 g/cm3 (aproximadamente 5 libras por pie cúbico y 125 libras por pie cúbico) . El material de lámina de grafito flexible exhibe un grado apreciable de anisotropía debido al alineamiento de partículas de grafito de manera paralela a las principales superficies paralelas y opuestas de la lámina, y el grado de anisotropía aumenta cuando se prensa a rodillo el material de lámina para incrementar la densidad. En el material de lámina anisotrópico prensado a rodillo, el grosor, es decir, la dirección perpendicular a las superficies de láminas paralelas y opuestas, comprende la dirección "c", mientras que las direcciones a lo largo de la longitud y el ancho, es decir, a lo largo o paralelas a las superficies principales opuestas, comprenden las direcciones "a". Las propiedades térmicas, eléctricas y de difusión de fluidos de la lámina son muy diferentes, por varios órdenes de magnitud, para las direcciones "c" y "a".

Esta diferencia tan considerable de propiedades, que depende de la dirección, puede resultar desventajosa en algunas aplicaciones. Por ejemplo, en aplicaciones de juntas en las que se utilizan láminas de grafito flexible como material de junta y en las que, durante su uso, se mantienen firmemente sujetas entre superficies de metal, la difusión de fluidos, por ejemplo de gases o líquidos, se produce más fácilmente entre las superficies principales de la lámina de grafito flexible y de forma paralela a dichas superficies. En la mayoría de los casos, se proporcionaría un mejor rendimiento de la junta si se incrementara la resistencia al flujo del fluido paralelo a las superficies principales de la lámina de grafito (dirección "a") , incluso a costa de una resistencia reducida contra el flujo de difusión de fluido transversal a las caras principales de la lámina de grafito (dirección "c") . Por lo que respecta a las propiedades eléctricas, la resistividad de la lámina de grafito flexible anisotrópica es alta en la dirección transversal a las superficies principales (dirección "c") de la lámina de grafito flexible, y sustancialmente mucho menor en la dirección paralela a las caras principales de la lámina de grafito flexible y en la dirección entre dichas caras (dirección "a") . En aplicaciones como pilas de combustible, resultaría ventajoso reducir la resistencia eléctrica transversal a las superficies principales de la lámina de grafito flexible (dirección "c") , incluso a costa de un incremento de la resistividad eléctrica en la dirección paralela a las caras principales de la lámina de grafito flexible (dirección "a") .

La presente invención está adaptada a las situaciones mencionadas anteriormente.

En la patente estadounidense nº 5.521.018 se describe una placa de campo de flujo de fluido repujada para pilas electroquímicas que comprende dos láminas de material compresible y conductor de electricidad, en el que las láminas pueden comprender hoja de grafito flexible. En WO 01/78179 A1 se describe un artículo de grafito flexible que resulta útil para la producción de un ensamblaje de electrodo de membrana que comprende un par de electrodos y una membrana de intercambio de iones ubicada entre los electrodos. Al menos uno de los electrodos está... [Seguir leyendo]

1. Un artículo de grafito que comprende una masa comprimida de partículas expandidas de grafito en forma de una lámina que posee una primera y una segunda superficies opuestas; la lámina posee una pluralidad de canales transversales de fluidos que atraviesan la misma entre su primera y su segunda superficies opuestas; una de las superficies opuestas cuenta con un surco abierto formado en la misma que se comunica con una pluralidad de los canales transversales de fluidos, y en el que el surco abierto está provisto de una cubierta que adopta la forma de una lámina de grafito flexible anisotrópica unida a la superficie en la que se forma el surco.

2. El artículo de la reivindicación 1, en el que los canales se forman al impactar mecánicamente la primera superficie de la lámina en una pluralidad de ubicaciones con el fin de desplazar el grafito dentro de la lámina en dichas ubicaciones y proporcionar a los canales aperturas en la primera y segunda superficies opuestas.

3. El artículo de la reivindicación 1, en el que el surco abierto está provisto de una cubierta en forma de lámina de grafito flexible prensada con rodillos y calandrada unida a la superficie en la que se forma el surco.

4. El artículo de la reivindicación 1, en el que se forma el surco abierto al impactar mecánicamente una superficie de la lámina con el fin de desplazar el grafito dentro de la lámina.

5. Un electrodo que comprende el artículo de grafito de la reivindicación 1.

6. El electrodo de la reivindicación 5, en el que los canales se forman al impactar mecánicamente la primera superficie de la mencionada lámina en una pluralidad de ubicaciones con el fin de desplazar el grafito dentro de la lámina y proporcionar a los canales aperturas en la primera y segunda superficies opuestas.

7. El electrodo de la reivindicación 5, en el que los canales se forman al impactar mecánicamente la primera superficie de la lámina en una pluralidad de ubicaciones con el fin de desplazar el grafito dentro de la lámina en dichas ubicaciones y proporcionar a los canales aperturas en la primera y segunda superficies opuestas.

8. El electrodo de la reivindicación 5, en el que el surco abierto está provisto de una cubierta en forma de una lámina de grafito flexible unida a la superficie en la que se forma el surco.

9. El electrodo de la reivindicación 8, en el que el surco abierto está provisto de una cubierta en forma de una lámina de grafito flexible prensada con rodillos y calandrada unida a la superficie en la que se forma el surco.

10. El electrodo de la reivindicación 5, en el que el surco abierto se forma al impactar mecánicamente una superficie de la lámina con el fin de desplazar el grafito dentro de la lámina.