CELDA COMBUSTIBLE POLIMÉRICA.
Celda de combustible polimérica.
La presente invención se refiere a una celda combustible polimérica fabricada con la fotoresina SU-8,
todos los componentes de la celda de combustible, colectores de corriente y MEA, están fabricados en base a este mismo material. Además la presente invención también se refiere a su procedimiento de obtención y a los usos de dicha celda combustible.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201031024.
Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: GRACIA TORTADES,ISABEL, CANE BALLART,CARLES, SANTANDER VALLEJO,JOAQUIN, ESQUIVEL BOJORQUEZ,JUAN PABLO, TORRES HERRERO,NURIA, SABATE VIZCARRA,Maria De Les Neus.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01M2/16
- H01M8/02 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej. BATERÍAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › H01M 8/00 Pilas de combustible; Su fabricación. › Partes constitutivas (electrodos H01M 4/86 - H01M 4/98).
- H01M8/10 H01M 8/00 […] › Pilas de combustible de electrolitos sólidos.
PDF original: ES-2372755_A1.pdf
Fragmento de la descripción:
Celda combustible polimérica.
La presente invención se refiere a una celda combustible polimérica fabricada con la fotorresina SU-8, todos los componentes de la celda de combustible, colectores de corriente y MEA, están fabricados en base a este mismo material. Además la presente invención también se refiere a su procedimiento de obtención y a los usos de dicha celda combustible.
Estado de la técnica anterior
La demanda de fuentes de energía miniaturizadas ha aumentado rápidamente en los últimos años debido a la difusión de los equipos electrónicos portátiles. Se han desarrollado numerosas estrategias diferentes para abordar esta necesidad haciendo uso de las tecnologías de micromecanizado. A este respecto, las micropilas de combustible han adquirido gran interés como fuentes de energía portátiles debido a su elevada eficiencia y densidad energética teóricas. Las pilas de combustible aseguran un suministro de energía portátil más duradero y de mayor fiabilidad que las pilas convencionales, ya que su energía se almacena como combustible, en lugar de ser parte de la fuente energética (A. Kundu et al. Journal of Power Sources, 170 (1) (2007) 67-78 y en S. K. Kamarudin et al. Journal of Power Sources, 163 (2) (2007) 743-754) . La miniaturización de estos dispositivos generadores de energía promete mayor eficiencia y rendimiento, pero la completa integración del sistema sigue siendo un reto clave. En la mayoría de los casos descritos, las arquitecturas de las micropilas de combustible requieren envoltorios complejos y voluminosos para mantener juntos los componentes. Sin embargo, se han ideado diseños innovadores de micropilas de combustible como alternativas para conseguir sistemas de gran compacidad (N. Kuriyama et al. Sensors and Actuators A: Physical, 145-146 (2008) 354362) .
En la búsqueda de un dispositivo totalmente integrado y de bajo coste, se han propuesto recientemente materiales poliméricos para la producción de los componentes de las micropilas de combustible. Debido a que sus procedimientos de microfabricación son rápidos y versátiles, los polímeros han demostrado ya ser adecuados para una serie de funciones y aplicaciones en chips (G. S. Fiorini, D. T. Chiu, BioTechniques, 38 (3) (2005) 18) . En los últimos años se han descrito estrategias interesantes en relación con desarrollos de micropilas de combustible, por ejemplo, Shah y col. en Sensors and Actuators B: Chemical, 97 (2-3) (2004) 157-167, usaron distintas técnicas de microfabricación para desarrollar una micropila de combustible con polidimetilsiloxano (PDMS) como soporte y carcasa de la pila y Chan y col, en Journal of Micromechanics and Microengineering, 15 (1) (2005) 231-236, aplicaron las técnicas de micromecanizado para producir microcanales con forma de campana de Gauss en polimetacrilato de metilo (PMMA) por medio de un láser de CO2, obteniendo una micropila de combustible de alta potencia alimentada por hidrógeno. Además, las resinas sensibles a UV como SU-8 han demostrado ser candidatos excelentes para obtener componentes poliméricos de pequeño tamaño y microestructura de gran precisión (A. d. Campo, C. Greiner, Journal of Micromechanics and Microengineering, 17 (6) (2007) R81) , por ejemplo, Hsieh y col. (en Microsystem Technologies, 10 (2) (2004) 121 -126) describieron el uso de resinas sensibles a UV metalizadas como placas de campo de flujo y Cha y col. (en Electrochimica Acta, 50 (2-3) (2004) 795-799) usaron el mismo material para fabricar colectores de corriente en uno de los primeros intentos descritos de obtención de una microDMFC totalmente polimérica. Recientemente, Weinmueller y col. (en Journal of Power Sources, 195 (12) (2010) 3849-3857) describieron una micropila de combustible de conversión directa de metanol basada en la microestructuración de una película delgada de polímero fotosensible metalizada, en la que se enfatizaron las aptitudes flexibles de la resina SU-8.
Descripción de la invención
La presente invención proporciona una celda de combustible polimérica que comprende un ensamblaje electrodomembrana (MEA) emparedado entre dos colectores de corriente.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a una celda de combustible polimérica, que comprende:
a. una membrana emparedada entre dos colectores de corriente, y
b. dos electrodos que se encuentran unidos cada uno a ambas caras de la membrana o en cada uno de los colectores de corriente,
caracterizada porque la membrana comprende un polímero SU-8 microporoso, un polímero de intercambio protónico y donde los colectores de corriente comprenden el polímero SU-8 microporoso parcialmente metalizado.
Está parcialmente metalizado, ya que como se muestra en la figura 1, la zona metalizada del colector es la que solapa con la correspondiente zona activa de la membrana, siendo la zona activa (también denominada de unión) de la membrana la zona microporosa rellena de polímero de intercambio protónico.
En la presente invención se entiende por “SU-8”, a una fotoresina polimérica de base epoxídica, en concreto se refiere a un glicidil-éter derivado del Bisfenol-A novolac.
En una realización preferida el electrodo comprende al menos un catalizador que se selecciona de entre platino, rutenio, osmio, estaño, cobalto, paladio o cualquiera de sus combinaciones.
En otra realización preferida el electrodo es en base de carbono cuando está depositado sobre la membrana, formando en este caso un ensamblaje electrodo-membrana (MEA) .
En una realización preferida el polímero de intercambio protónico está solidificado en los microporos del polímero SU-8.
Preferiblemente el polímero de intercambio protónico es Nafion.
En una realización preferida el polímero SU-8 microporoso tiene un tamaño de poro de entre 50 y 500 μm.
Preferiblemente la distancia entre los microporos del SU-8 es de entre 10 y 500 μm.
En otra realización preferida el espesor de la membrana es menor a 200 μm.
Preferiblemente el colector de corriente de SU-8 está metalizado parcialmente con una capa de metales por la cara que está en contacto con la membrana.
En una realización preferida la capa de metales se selecciona de entre titanio, níquel, oro, cromo o cualquiera de sus combinaciones.
En otra realización preferida el espesor de la capa de metales es de entre 5 y 5000 nm.
En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de la celda de combustible de la invención que comprende las etapas:
a. relleno de la estructura microporosa del polímero SU-8 con el polímero de intercambio protónico,
b. protección de las zonas de unión estructura microporosa obtenida en (a) ,
c. deposición del electrodo sobre las dos caras del producto obtenido en (b) ,
d. protección de la zona de unión del polímero SU-8 de los colectores de corriente,
e. metalización parcial de los colectores de corriente obtenidos en (d) , y
f. ensamblaje del producto obtenido en (c) con el producto obtenido en (e) .
Un tercer aspecto de la presente invención se refiere al procedimiento de obtención de la celda de combustible de la invención, que comprende las etapas:
a. relleno de la estructura microporosa del polímero SU-8 con el polímero de intercambio protónico,
b. protección de la zona de unión del polímero SU-8 de los colectores de corriente.
c. metalización parcial de los colectores de corriente obtenidos en (b) ,
d. deposición del electrodo sobre la cara metalizada del producto obtenido en (c) , y
e. ensamblaje del producto obtenido en (a) con el producto obtenido en (d) .
En una realización preferida el procedimiento de la presente invención además comprende una etapa previa a la etapa (a) de litografía con UV de la superficie del polímero SU-8, para formar las microperforaciones o microporos.
Preferiblemente el relleno de la etapa (a) se realiza con una disolución que comprende el polímero de intercambio iónico y una posterior evaporación del disolvente. Este relleno... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Celda de combustible polimérica que comprende:
a. una membrana emparedada entre dos colectores de corriente, y
b. dos electrodos que se encuentran unidos cada uno a ambas caras de la membrana o en cada uno de los colectores de corriente,
caracterizada porque la membrana comprende un polímero SU-8 microporoso, un polímero de intercambio protónico y donde los colectores de corriente comprenden el polímero SU-8 microporoso parcialmente metalizado.
2. Celda de combustible según la reivindicación 1, donde el electrodo comprende al menos un catalizador que se selecciona de entre platino, rutenio, osmio, estaño, paladio, cobalto o cualquiera de sus combinaciones.
3. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones1ó2, donde el electrodo es en base de carbono cuando está depositado sobre la membrana.
4. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones1a3, donde el polímero de intercambio protónico está solidificado en los microporos del polímero SU-8.
5. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones1a4, donde el polímero de intercambio protónico es Nafion.
6. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el polímero SU-8 microporoso tiene un tamaño de poro de entre 50 y 500 μm.
7. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde la distancia entre los poros del SU8 es de entre 10 y 500 μm.
8. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones1a7, donde el espesor de la membrana es menor a 200 μm.
9. Celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones1a8, donde el colector de corriente de SU-8 está metalizado parcialmente con una capa de metales por la cara que está en contacto con la membrana.
10. Celda de combustible según la reivindicación 9, donde la capa de metales se selecciona de entre titanio, níquel, oro, cromo o cualquiera de sus combinaciones.
11. Celda de combustible según cualquiera de las 9 ó 10, donde el espesor de la capa de metales es de entre 5 y 5000 nm.
12. Procedimiento de obtención de la celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende las etapas:
a. relleno de la estructura microporosa del polímero SU-8 con el polímero de intercambio protónico,
b. protección de las zonas de unión estructura microporosa obtenida en (a) ,
c. deposición del electrodo sobre las dos caras del producto obtenido en (b) ,
d. protección de la zona de unión del polímero SU-8 de los colectores de corriente,
e. metalización parcial de los colectores de corriente obtenidos en (d) , y
f. ensamblaje del producto obtenido en (c) con el producto obtenido en (e) .
13. Procedimiento de obtención de la celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende las etapas:
a. relleno de la estructura microporosa del polímero SU-8 con el polímero de intercambio protónico,
b. protección de la zona de unión del polímero SU-8 de los colectores de corriente.
c. metalización parcial de los colectores de corriente obtenidos en (b) ,
d. deposición del electrodo sobre la cara metalizada del producto obtenido en (c) , y
e. ensamblaje del producto obtenido en (a) con el producto obtenido en (d) .
14. Procedimiento según la reivindicación 12 ó 13, que además comprende una etapa previa a la etapa (a) de litografía con UV del polímero SU-8.
15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, donde el relleno de la estructura microporosa se realiza con una disolución que comprende el polímero de intercambio iónico y una posterior evaporación del disolvente.
16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, donde la protección de las zonas de unión se realiza mediante la deposición de polidimetilsiloxano o un poliacetato.
17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 14 ó 15, donde la deposición del electrodo se realiza mediante pulverizado o electrodeposición.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, donde la carga del depósito es de entre 0, 1 a 4 mg/cm−2.
19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 18, donde la metalización parcial se realiza mediante la pulverización catódica de metales.
20. Procedimiento según la reivindicación 19, donde los metales pulverizados se seleccionan de entre titanio, níquel, cromo o cualquiera de sus combinaciones.
21. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 19 ó 20, donde la capa metálica obtenida por pulverizado tiene un espesor de entre 20 y 60 nm.
22. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, que además comprende un electrodepósito de metales sobre la superficie metalizada.
23. Procedimiento según la reivindicación 22, donde los metales electrodepositados se seleccionan de entre níquel, oro o cualquiera de sus combinaciones.
24. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 22 ó 23, donde el espesor de la capa metálica obtenida por electrodepósito es de entre1y5 μm.
25. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 24, donde el ensamblaje se realiza mediante prensado en caliente, a una temperatura de entre 80 y 200ºC y a una presión de entre1y20 atm.
26. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 25, donde el ensamblaje se realiza con un material que se selecciona de entre metacrilato, policetona, policarbonato o derivado acrílico.
27. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 26, que además comprende el fresado del producto ensamblado.
28. Uso de la celda de combustible polimérica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, como celda combustible de un combustible que se selecciona de entre alcohol, hidrógeno, ácido fórmico o glucosa.
29. Uso según la reivindicación 28, donde el combustible de alcohol se selecciona de entre metanol o etanol.
30. Uso según la reivindicación 29, donde el combustible es metanol.
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