Una placa eléctricamente conductora en una celda de combustible con una membrana de intercambio de protones,

que comprende una composición hecha de una resina y una pluralidad de fibras nanotubulares de carbono que presentan un diámetro medio de al menos 1 nm y hasta 300 nm y en la que dicha pluralidad de fibras nanotubulares de carbono comprende unos tubos grafíticos de múltiples paredes que contienen múltiples cilindros coaxiales de diámetros crecientes o tubos grafíticos de pared única ensamblados en haces en forma de cuerda.

Nanocomposite para placa bipolar de celda de combustible.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere, en general, al campo de las celdas de combustible y, más concretamente, a una placa bipolar mejorada y a un procedimiento de elaboración de la misma que es resistente a la corrosión, presenta una conductividad eléctrica satisfactoria, y ofrece un coste de fabricación reducido.

Una celda de combustible es un dispositivo de conversión galvánica que reacciona electroquímicamente con un combustible con un oxidante dentro de unos confines catalíticos para generar una corriente continua. Una celda de combustible incluye un electrodo del cátodo que define una vía de paso para el oxidante y un electrodo del ánodo que define una vía de paso del combustible. Un electrolito sólido está emparedado entre y separada el cátodo del ánodo. Una celda electroquímica individual generalmente genera una tensión relativamente pequeña. Por tanto, para conseguir voltajes más elevados que resulten de utilidad, las celdas electroquímicas individuales están conectadas entre sí en serie para formar una pila. La conexión eléctrica entre las celdas se consigue mediante el empleo de una interconexión eléctrica entre el cátodo y el ánodo de celdas adyacentes. Incluidos típicamente así mismo en la pila se encuentran unos conductos o una tubuladura para conducir el combustible y el oxidante hacia dentro y hacia fuera de la pila.

Los fluidos del combustible y el oxidante son generalmente gases y circulan continuamente por vías de paso separadas. La conversión electroquímica se produce en o cerca de la frontera trifásica del gas, de los electrodos (el cátodo y el ánodo) y del electrolito. El combustible es reaccionado electroquímicamente con el oxidante para producir una potencia eléctrica de cc. El electrodo del ánodo o del combustible potencia la velocidad a la cual se producen las reacciones electroquímicas en el lado del combustible. El electrodo del cátodo o del oxidante funciona de manera similar sobre el lado del oxidante.

Un tipo de celda de combustible es una celda de membrana de intercambio de protones (“PEM”) . En dicha celda de combustible, una membrana de intercambio de protones (“PEM”) está situada entre dos electrodos (el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo) para formar un conjunto en forma de emparedado el cual a menudo es designado como “montaje membrana -electrodo”. Cada uno de los dos electrodos está compuesto por una lámina delgada de material poroso permeable a los líquidos y a los gases. Los dos electrodos están situados a uno y otro lado a una membrana de intercambio de protones, de tal manera que una superficie de cada electrodo se apoya en una capa del catalizador.

La superficie restante de cada electrodo se apoya, respectivamente, en una placa no porosa, impermeable a los gases, eléctricamente conductora. La placa eléctricamente conductora presenta unos canales o campos de flujo para el flujo del gas, y sirve como colector para distribuir el gas combustible a través del electrodo de apoyo. Las dos placas eléctricamente conductoras están conectadas eléctricamente entre sí mediante un circuito externo.

El gas combustible hidrógeno fluye a través de los surcos existentes en la placa eléctricamente conductora sobre el lado del electrodo del ánodo, se difunde a través del electrodo del ánodo y reacciona con el catalizador para producir electrones libres y iones H+. Los electrones fluyen hacia el electrodo del cátodo por medio del circuito externo, y los iones H+ migran a través de la PEM hasta el electrodo del cátodo . El gas de oxígeno fluye a través de los surcos de la placa eléctricamente conductora sobre el lado del electrodo del cátodo y reacciona con los iones H+ y con los electrones libres para formar agua líquida.

En una pila de celdas de combustible, las placas eléctricamente conductoras a menudo son designadas como placas bipolares porque una cara contacta con el electrodo del cátodo mientras que la cara opuesta contacta con el electrodo del ánodo. Cada placa bipolar, por consiguiente, conduce la corriente eléctrica desde el ánodo de una celda hasta el cátodo de la celda adyacente de la pila. La corriente eléctrica es recogida por las dos placas en los extremos de una pila, conocidos como placas terminales o colectores de corriente. Un diseño de pila dependiente de una pluralidad de placas más gruesas que comprenden unos canales existentes en el grosor de la placa para un fluido refrigerante es utilizada para controlar la temperatura de la pila hasta aproximadamente 85º C.

Sin embargo, en el entorno de las celdas de combustible de la PEM, las placas bipolares están sujetas a la corrosión producida por los gases que se forman por la reacción y el agua. Por consiguiente, además de tener una conductividad eléctrica suficiente, las placas bipolares tienen que ser resistentes a la corrosión para mantener la suficiente conductividad y mantener la estabilidad dimensional a lo largo de la vida operativa de la celda de combustible.

Las placas bipolares de grafito han mostrado unas cualidades de conductividad y resistencia a la corrosión suficientes. Sin embargo, las placas de grafito típicamente requieren varias etapas de fabricación, como por ejemplo la densificación con una resina fenólica, seguida por una carbonización a altas temperaturas. Además, las placas bipolares de grafito, en general, son relativamente quebradizas, especialmente cuando están constituidas como láminas delgadas dentro de una pila de celdas de combustible, y es necesario un costoso maquinado para constituir los campos de flujo, dado que la fabricación de las placas con una forma prácticamente de red no es posible con el grafito.

Un ejemplo del uso de grafito se muestra en la Patente estadounidense No. 4, 124, 747. En este documento, se observó que las composiciones antiguas de plásticos poliméricos cargados por sólidos conductores, como por ejemplo negro de humo, grafito y metales finamente divididos han mostrado propiedades mecánicas eficientes y son porosas. En particular, los polímeros termoplásticos y los rellenos conductores no fueron considerados apropiados para aplicaciones perfeccionadas, como por ejemplo una celda de combustible. No obstante, en la invención se elaboró una placa bipolar a partir de una mezcla de copolímero termoplástico de propileno - etileno cristalino y al menos 30 partes en peso de negro de humo y / o de grafito por 100 partes en peso de copolímero. La mezcla fue preparada bajo un esfuerzo cortante elevado y a al menos 100º C para reducir al mínimo la degradación del copolímero. El producto resultante ofreció una resistencia de aproximadamente de 0, 5 a 10 ohmios - cm. No fue mostrado ningún dato de la prueba de las celdas de combustible. Los niveles de resistividad mostrados pueden ser demasiado altos para el empleo de las placas dentro de una celda de combustible. Por consiguiente, se requerirían unas cargas de carbono más elevadas, precluyendo el uso de una mezcla con esfuerzo cortante elevado.

Otro ejemplo de la utilización del grafito con un polímero termoplástico para una placa bipolar es el contenido en la Patente estadounidense No. 4, 339, 322. El grafito y el fluoropolímero termoplástico fueron combinados en una relación de pesos de 2, 5: 1 a 16: 1. Fueron añadidas fibras de carbono para potenciar la resistencia y la conductividad. Las fibras eran, de modo preferente, fibras trituradas con martillos móviles con un diámetro medio de 1, 27 mm. La placa bipolar resultante fue conformada mediante moldeo de compresión y tenía una resistividad de aproximadamente 1, 9 x 10-3 ohmios / 2, 54 cm. Aunque la resistencia mecánica puede ser mejorada mediante este sistema, el uso de moldeo por compresión propende a dejar porosidades en las superficies de contacto entre las fibras y la matriz polimérica.

En la Patente estadounidense No. 4, 098, 967, una placa bipolar para una batería de plomo - ácido fue fabricada a partir de un plástico relleno con un carbono cristalino o vítreo con un volumen de carbono de un 40 a un 80%. Los plásticos incluían termoplásticos y plásticos fluorocarbúricos. Sin embargo, se observó que la conductividad del carbono vítreo era sustancialmente inferior a la del negro de humo o del grafito y, por consiguiente, se requería una carga pesada. El producto resultante presenta una resistencia específica de 0, 0002 ohmios - cm. El uso de moldeo por compresión y las cargas de carbono elevadas en este diseño son propensas a obtener... [Seguir leyendo]

1. Una placa eléctricamente conductora en una celda de combustible con una membrana de intercambio de protones, que comprende una composición hecha de una resina y una pluralidad de fibras nanotubulares de carbono que presentan un diámetro medio de al menos 1 nm y hasta 300 nm y en la que dicha pluralidad de fibras

nanotubulares de carbono comprende unos tubos grafíticos de múltiples paredes que contienen múltiples cilindros coaxiales de diámetros crecientes o tubos grafíticos de pared única ensamblados en haces en forma de cuerda.

2. La placa conductora de la Reivindicación 1, en la que dicha resina se selecciona, entre el grupo que consiste en un tipo de resina termoplástica, untito de resina fluorada, un tipo de resina termoendurecible y untito cristalina líquida.

3. La placa conductora de una cualquiera o más de las Reivindicaciones 1 a 2, en la que dicha resina se selecciona entre el grupo que consiste en copolímeros de polipropileno, polietileno de alta densidad, poliacrilonitrilo, fluoruro de polidivinilideno, policlorotrifluoroetileno, poliéter etercetona, policarbonatos, óxidos de polifenileno, poliéster amida, epoxi, brea y resinas de viniléster.

4. La placa conductora de una cualquiera o más de las Reivindicaciones 1 a 3, en la que dichas fibras 15 nanotubulares de carbón están presentes en de un 10 a un 85% en peso.

5. La placa conductora de una cualquiera o más de las Reivindicaciones 1 a 4, en la que dichos cilindros están separados unos de otros por 0, 34 nm.

6. La placa conductora de una cualquiera o más de las Reivindicaciones 1 a 5, en la que dicha placa conductora es una placa bipolar.