Método y dispositivo para la unión duradera de una membrana de electrolito polimérico con, al menos, un electrodo de difusión gaseosa.

Método para la fabricación de un conjunto de electrodo y membrana con una unión duradera de una membrana de electrolito polimérico (2) con,

al menos, un electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b), en donde para la unión duradera se realiza una compresión de la membrana (2) y el electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) mediante la acción de una presión exterior,

caracterizado porque para generar el movimiento de compresión se incrementa la presión de un fluido (8), en donde el fluido (8) se encuentra en contacto directo con la membrana (2) y/o con el o los electrodos de difusión gaseosa, o mediante un elemento intermedio (7) elástico.

Método y dispositivo para la unión duradera de una membrana de electrolito polimérico con, al menos, un electrodo de difusión gaseosa.

La presente invención hace referencia a un método para la unión duradera de una membrana de electrolito polimérico con, al menos, un electrodo de difusión gaseosa, de acuerdo con el concepto general de la reivindicación 1. Un método de esta clase se conoce, por ejemplo, a través del artículo “métodos para la tecnología avanzada de células de combustible con membrana de intercambio de protones”, E.A. Ticianelli y otros, J. Electrochemical Society, Vol. 135 (1988) pág. 2209. Además, la presente invención hace referencia a un dispositivo para la ejecución del método.

Las células de combustible de baja temperatura, basadas en la tecnología de membrana de electrolito polimérico (PEM) , se contemplan como convertidores de energía ecológicos y eficientes para aplicaciones portátiles, móviles y fijas, y ya se realizan las primeras aplicaciones comerciales. Dichas células convierten el hidrógeno y el oxígeno en una corriente eléctrica continua, ante temperaturas justo por encima del punto de congelación hasta aproximadamente 90 º C, además, como único producto derivado se produce agua.

Una célula de combustible PEM presenta como pieza principal un conjunto de electrodo y membrana (MEA) que se compone de una membrana de electrolito polimérico con un electrodo de difusión gaseosa, respectivamente en dos lados enfrentados, y respectivamente una capa de electrocatalizador dispuesta en medio (por ejemplo, de platino) . Los electrodos de difusión gaseosa se componen, por ejemplo, de un material base sólido, permeable al gas, y eléctricamente conductivo (por ejemplo, tejido o papel de carbón) .

Entre la membrana y los electrodos de difusión gaseosa debe existir una unión óptima y duradera para lograr una conductividad óptima de los protones. Hasta el momento, dicha unión se realiza generalmente mediante la compresión de la membrana y de los electrodos con temperaturas superiores a 100º C en una prensa calien te. Un método de esta clase se conoce, por ejemplo, del artículo mencionado anteriormente.

Además, por una parte, en un único proceso de compresión se pueden unir ambos electrodos simultáneamente con la membrana. De manera alternativa, también se puede unir en un primer proceso de compresión un primer electrodo con un primer lado de la membrana, y a continuación en un segundo proceso de compresión se puede unir un segundo electrodo con el otro lado enfrentado de la membrana. Además, la unión se realiza respectivamente de manera duradera, es decir, la unión permanece también después de interrumpir la fuerza de compresión y la temperatura de compresión que existe eventualmente, durante la vida útil completa del conjunto de electrodos y membrana.

El aspecto en común con dicho método, consiste en que la compresión de la membrana y el, al menos un, electrodo se realiza mediante la compresión de dos placas que se encuentran en contacto directo con ambos electrodos, o bien con el electrodo y con la membrana.

En dicho aspecto, resulta problemático que dichas placas generalmente no se pueden orientar exactamente paralelas. Por consiguiente, se logra un efecto no homogéneo de la presión sobre la membrana y los electrodos, es decir, que se logran diferentes fuerzas de compresión a lo largo de la superficie de la membrana y de los electrodos y, por lo tanto, se logra una compresión no homogénea de dichos componentes. El mismo efecto se produce ante irregularidades en el material de las placas, en la membrana o en los electrodos de difusión gaseosa. La consecuencia de dicho efecto consiste en los desplazamientos de los materiales en la prensa, una presión de contacto no uniforme y, de esta manera, después de interrumpir la fuerza de compresión se obtienen uniones no uniformes entre los electrodos y la membrana, hasta fallos y daños en el material de la membrana y de los electrodos. De esta manera, se reduce considerablemente la conductividad de protones entre la membrana y los electrodos.

Las patentes US-A-5534362, US-B1-6200698 y JP 61239568 A revelan un método operacional para una pila de células de combustible en las cuales se comprime toda la pila mediante un aumento de la presión de un fluido durante el funcionamiento de las células de combustible. Sin embargo, dicho método y los dispositivos correspondientes no resultan apropiados para la fabricación de conjuntos de membrana y electrodos con una unión duradera de una membrana de electrolito polimérico con un electrodo de difusión gaseosa.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un método y un dispositivo para la ejecución de dicho método, mediante el cual se puedan evitar los problemas anteriormente mencionados.

La solución del objeto orientado al método, conforme a la presente invención, se logra mediante el principio de la reivindicación 1. Un dispositivo apropiado para la ejecución del método, es objeto de la reivindicación 10.

En el método conforme a la presente invención, el movimiento de compresión para lograr una unión duradera de la membrana, y del o de los electrodos, por consiguiente, no se genera a través de una compresión de dos placas de compresión de una prensa que se encuentran en contacto directo con el electrodo de difusión gaseosa y la membrana, o bien con ambos electrodos de difusión gaseosa, sino que el movimiento de compresión se genera mediante el aumento de la presión de un fluido que se encuentra en contacto directo con la membrana y/o con el, al menos un, electrodo, o a través de un elemento intermedio elástico.

En los fluidos, es decir, en gases y líquidos, la presión se extiende de manera uniforme en todas partes. Por consiguiente, a lo largo de la superficie completa, en la cual el fluido entra en contacto con la membrana, o bien con el o los electrodos, o a través de un elemento intermedio elástico, actúa la misma presión sobre la membrana y el, al menos un, electrodo, de manera que sobre dicha superficie completa se genera un movimiento de compresión uniforme. De esta manera, se puede lograr una unión duradera homogénea entre la membrana y el o los electrodos y, por lo tanto, se logra una conductividad óptima de protones entre dichos elementos.

Con la ayuda del elemento intermedio elástico se puede evitar una penetración del fluido en el o los electrodos y/o la membrana. Además, resulta particularmente ventajoso cuando el elemento intermedio elástico presenta una dureza reducida, de manera tal que se pueda estrechar ante la acción de la presión sobre irregularidades considerables de la membrana o los electrodos. Por lo tanto, el elemento intermedio elástico presenta, preferentemente, una dureza Shore A en el margen de 50 a 70, de manera preferente 60. Además, en la presente invención, el elemento intermedio elástico también puede estar compuesto de una pluralidad de elementos individuales que también pueden estar compuestos de diferentes materiales. De esta manera, el elemento intermedio se puede adaptar, por ejemplo, al fluido utilizado y/o a los electrolitos utilizados y, de esta manera, se pueden optimizar las propiedades de hermetización y la resistencia del elemento intermedio.

Una unión duradera particularmente óptima entre la membrana y el, al menos un, electrodo de difusión gaseosa, se puede lograr mediante el calentamiento adicional de la membrana de electrolito polimérico y del, al menos, un electrodo de difusión gaseosa para la unión.

De acuerdo con un acondicionamiento particularmente ventajoso de la presente invención, el efecto térmico se produce a través del fluido sobre la membrana y el o los electrodos. Dado que en un fluido, particularmente en un gas, el calor se puede distribuir muy bien, se puede lograr una distribución uniforme de la temperatura sobre la superficie de la membrana y del o de los electrodos, por lo que se puede perfeccionar la homogeneidad de la unión. Además, el calentamiento se puede realizar directamente antes del propio proceso de compresión o también justo durante la compresión.

De acuerdo con un acondicionamiento ventajoso del método conforme a la presente invención, la compresión de la membrana y del, al menos un, electrodo de difusión gaseosa se realiza en una cámara rellena con el fluido, en donde para el aumento de la presión del fluido se incrementa la cantidad de fluido en la cámara.

Adicional o alternativamente, para el aumento... [Seguir leyendo]

1. Método para la fabricación de un conjunto de electrodo y membrana con una unión duradera de una membrana de electrolito polimérico (2) con, al menos, un electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) , en donde para la unión duradera se realiza una compresión de la membrana (2) y el electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) mediante la acción de una presión exterior, caracterizado porque para generar el movimiento de compresión se incrementa la presión de un fluido (8) , en donde el fluido (8) se encuentra en contacto directo con la membrana (2) y/o con el o los electrodos de difusión gaseosa, o mediante un elemento intermedio (7) elástico.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque para la unión duradera, la membrana (2) y el, al menos un, electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) se calientan preferentemente a través del fluido (8) .

3. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la compresión de la membrana (2) y del, al menos un, electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) se realiza en una cámara (6) rellena con el fluido (8) , en donde para el aumento de la presión del fluido (8) se incrementa la cantidad de fluido (8) en la cámara.

4. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la compresión de la membrana (2) y del, al menos un, electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) se realiza en una cámara (6) rellena con el fluido (8) , en donde para el aumento de la presión del fluido (8) se reduce el volumen de la cámara (6) .

5. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la compresión de la membrana (2) y del, al menos un, electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) se realiza en una cámara (6) rellena con el fluido (8) , en donde para el aumento de la presión del fluido (8) se incrementa la temperatura del fluido (8) en la cámara (6) .

6. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento intermedio elástico (7) encierra completamente la membrana (2) y el, al menos un, electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) .

7. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento intermedio elástico (7) se compone de silicona.

8. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento intermedio elástico (7) presenta una dureza Shore A en el margen de 50 a 70, preferentemente de 60.

9. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque como fluido (8) se utiliza aire comprimido.

10. Dispositivo (1a-c, 10) para la ejecución del método, de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que comprende una cámara (6) en la cual se puede disponer una membrana de electrolito polimérico (2) con, al menos, un electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) adyacente, y que se puede llenar con un fluido (8) de manera tal que el fluido (8) se encuentre en contacto con la membrana (2) con el, al menos un, electrodo adyacente (3a ó 3b) , o a través de un elemento intermedio elástico (7) , en donde para la compresión de la membrana (2) y del, al menos un, electrodo (3a ó 3b) se puede aumentar la presión del fluido (8) en la cámara (6) .

11. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque para el aumento de la presión del fluido (8) en la cámara (6) , se puede incrementar la cantidad de fluido (8) en la cámara (6) .

12. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque para el aumento de la presión del fluido (8) en la cámara (6) , se puede reducir el volumen de la cámara (6) .

13. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque para el aumento de la presión del fluido (8) se puede incrementar la temperatura del fluido (8) en la cámara (6) .

14. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado por dos placas (7a, 7b) dispuestas esencialmente paralelas entre sí, que entre sí conforman la cámara (6) .

15. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado por un dispositivo de compresión (12) para la compresión de ambas placas (7a, 7b) para lograr el cierre hermético de la cámara (6) ante la entrada de fluidos.

16. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 15, caracterizado porque el elemento intermedio elástico (7) encierra completamente la membrana (2) y el, al menos un, electrodo de difusión gaseosa (3a ó 3b) .

17. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 16, caracterizado porque el elemento 5 intermedio elástico (7) se compone de silicona.

18. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque el elemento intermedio elástico (7) comprende dos placas de silicona (7a, 7b) .

19. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 18, caracterizado porque el elemento intermedio elástico (7) presenta una dureza Shore A en el margen de 50 a 70, preferentemente de 60.

20. Dispositivo (1a-c, 10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 18, caracterizado porque dicho dispositivo presenta un dispositivo calentador para el calentamiento de la cámara (6) .