PRODUCCIÓN DE CONJUNTOS DE MEMBRANA-ELECTRODOS Y APILAMIENTOS DE LOS MISMOS.

Procedimiento para la producción de un conjunto de membrana-electrodos (MEA) ensamblando sus componentes,

que incluyen una membrana, unos electrodos y un catalizador, que comprende depositar partículas de catalizador sólidas sobre la superficie de un medio de transferencia; introducir una mezcla de monómeros en el espacio entre dos medios de transferencia revestidos de catalizador de este tipo; polimerizar la mezcla in situ, siendo el catalizador presionado en el material de membrana; y desprender los medios de transferencia

Producción de conjuntos de membrana-electrodos y apilamientos de los mismos.

Campo de la invención La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de conjuntos de membrana-electrodos (MEA) y apilamientos de los mismos.

Antecedentes de la invención La producción de pilas electroquímicas como se describe en el documento GB2380055 implica la polimerización de material iónicamente conductor in situ, en un espacio o cavidad. Para que la estructura resultante tenga las propiedades eléctricas requeridas, existe comúnmente la necesidad de la presencia de un catalizador en, sobre o junto a cada superficie del material iónicamente activo.

En estructuras electroquímicas convencionales (por ejemplo, pilas de combustible y electrolizadores) y en dispositivos fotoelectroquímicos (por ejemplo, pilas fotovoltaicas, de disociación directa y electroquímicas fotoaumentadas) , en las que el material iónicamente activo presenta la forma de (i) una membrana termoplástica (tal como Nafion) o (ii) una lejía líquida (ácida o alcalina) , el catalizador se introduce usualmente de una de las dos maneras siguientes:

(i) El catalizador está previsto en forma de partículas finamente divididas que están separadas o, en caso de un catalizador soportado, sujetas a algún material de matriz (típicamente partículas de carbono o papel carbón cuando el papel carbón puede servir adicionalmente como electrodo) . En esta forma, el catalizador se distribuye uniformemente sobre la superficie de la membrana y se le presiona bajo la acción de calor y presión (para el Nafion, típicamente 140ºC y 690 kPa) hacia dentro de la superficie de la membrana termoplástica. El objetivo es que el catalizador forme una capa uniforme en íntimo contacto con el ionómero, pero sea accesible a la acción del reaccionante adyacente a la superficie de la membrana, como se muestra en la figura 1.

(ii) El catalizador se prepara como una capa sobre una superficie que define la pila electroquímica. Por ejemplo, en el caso de una pila fotovoltaica, la pila es realizada a partir de dos planchas de vidrio revestidas con un electrodo transparente (óxido de estaño) que se reviste además con un catalizador (dióxido de titanio para formar un electrodo y platino para formar el segundo) en forma de una capa insoluble sujeta a la superficie de vidrio/dióxido de estaño. La superficie resultante resulta expuesta entonces a la lejía líquida para completar la pila.

Son bien conocidos los problemas asociados al uso de estos sistemas. El polímero sólido Nafion está inevitablemente seco durante la deposición del catalizador debido a la temperatura necesaria para hacer el Nafion blando y deformable, pero el Nafion debe hidratarse a fin de resultar un conductor iónico efectivo. Durante este proceso, el material se hincha y tiende a delaminarse, interrumpiendo precisamente el contacto necesario entre el polímero y el catalizador. Es asimismo bien conocida la utilización de materiales de conducción de líquidos en forma de una lejía, pero el uso de un líquido impone restricciones al diseño y el funcionamiento de la pila.

Sumario de la invención La presente invención describe diversas formas en las que el catalizador puede introducirse en el sistema para que sea compatible con el potencial para la producción a bajo coste de altas cantidades de MEA y apilamientos. Son proporcionadas en las reivindicaciones. La presente invención puede evitar problemas del tipo anteriormente descrito.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 es una representación esquemática de la disposición preferida entre partículas de catalizador e ionómero.

La figura 2 es una representación esquemática que muestra la cavidad formada entre material de transferencia revestido de catalizador cargado con monómero líquido. La polimerización in situ permite que el material de transferencia se desprenda para revelar el catalizador expuesto sobre/en la superficie de ionómero.

La figura 3 es una representación esquemática de una película portadora de polímero que incorpora material de electrodo revestido de catalizador. Dos piezas de este tipo pueden utilizarse como los lados de una cavidad de molde.

La figura 4 es una representación esquemática de la postpolimerización de una estructura MEA, entre dos estructuras del tipo mostrado en la figura 3. La película portadora de polímero se ha desprendido para revelar el material de electrodo enterrado dentro del polímero, y las partículas del catalizador quedan expuestas a agentes reactivos.

Las figuras 5 (a) , 5 (b) y 5 (c) son representaciones esquemáticas de (a) el ionómero colado con un perfil de superficie, (b) el ionómero perfilado pretensado y (c) el perfil de superficie del ionómero cargado con fibras de carbono uniaxiales revestidas con catalizador. En la hidratación, el ionómero intentará volver a la forma mostrada en (a) , manteniéndose sujeto en la estructura de catalizador/electrodo mientras lo hace. El resultado es una estructura MEA.

La figura 6 es una representación esquemática que hace referencia al Ejemplo 2. 10

Descripción de las formas de realización preferidas Esta membrana puede estar realizada en cualquier material adecuado, incluyendo materiales bien conocidos en la técnica, por ejemplo un polímero rígido tal como Nafion. Resulta preferido que el MEA incluya una membrana hidrófila, por ejemplo, como se describe en el documento WO03/023890. Se han descrito anteriormente de este tipo como productos “ITM-SPE”. Otras abreviaturas utilizadas en la presente memoria son: VP para vinilpirrolidona, MA para metacrilato, MMA para metilmetacrilato y CVD para deposición de vapor química o controlada.

En general, el material de membrana utilizado en esta invención es un ionómero y/o es hidrófilo. Se hidratará 20 típicamente durante su utilización, permitiendo el paso de iones.

Los copolímeros hidrófilos pueden formarse por la polimerización a partir de una solución de una mezcla de monómeros que comprende típicamente:

(a) un comonómero hidrófobo/estructural tal como MMA (metilmetacrilato) , AN (acrilonitrilo) , poliamida o TRIS, y (b) un comonómero hidrófilo, pero no necesariamente activo eléctricamente, tal como VP (vinilpirrolodina) o HEMA (hidroxietilmetacrilato) .

La presencia de ambos monómeros hidrófilo e hidrófobo permite el control de las propiedades eléctricas de forma separada de las propiedades hidráulicas, como pueda ser apropiado para los requisitos independientes de una membrana y la interfaz membrana/catalizador/electrodo. Las cantidades relativas de estos monómeros permiten una hinchabilidad controlada y permiten que el producto sea rígido o sólido y elástico.

Los materiales reticulados pueden formarse utilizando y- irradiación o irradiación térmica. Por ejemplo, puede usarse una radiación ionizante, por ejemplo radiación gamma de 90 MeV de una fuente de cobalto 60, en cuyo caso no necesita añadirse ningún agente reticulante. No obstante, es posible controlar las propiedades del material final por la adición de:

(c) un agente de reticulación químico tal como alilmetacrilato o etileno-glicoldimetacrilato, y (d) un iniciador químico tal como AIBN (azoisobutironitrilo) o azobisciclohexanocarbonitrilo.

Si el material debe iniciarse y reticularse térmicamente, los componentes (c) y (d) anteriores resultan entonces 45 esenciales para el procedimiento.

Tales materiales hidrófilos pueden convertirse en sistemas eléctricamente activos, catiónicos o aniónicos, por la adición de:

50 (e) una molécula eléctricamente activa mantenida dentro de la matriz del polímero hidrófilo; o (f) un comonómero eléctricamente activo.

El componente eléctricamente activo puede basarse en un ácido, por ejemplo un ácido sulfónico (SO3) , ácido 55 fosfórico o fosfónico, o un álcali, por ejemplo un compuesto que proporcione iones OH tal KOH, NaOH o hidróxido de amonio o cloruro de vini-benciltrimetilamonio. El monómero preferido es ácido 2-acrilamido-2-metil-1propanosulfónico (AMPS) , ácido estirenosulfónico (SA) , ácido vinilsulfónico (VA) o SOMA. Es posible también que el componente (a) o (b) pueda modificarse de modo que funcione también como componente (f) .

60 Una molécula eléctricamente activa (e) puede mantenerse dentro de la matriz por interferencia estérica como alternativa a un enlace químico o además de éste. La adición de... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la producción de un conjunto de membrana-electrodos (MEA) ensamblando sus componentes, que incluyen una membrana, unos electrodos y un catalizador, que comprende depositar partículas de catalizador sólidas sobre la superficie de un medio de transferencia; introducir una mezcla de monómeros en el espacio entre dos medios de transferencia revestidos de catalizador de este tipo; polimerizar la mezcla in situ, siendo el catalizador presionado en el material de membrana; y desprender los medios de transferencia.

2. Procedimiento para la producción de un conjunto de membrana-electrodos (MEA) ensamblando sus componentes, que incluyen una membrana, unos electrodos y un catalizador, que comprende depositar partículas de catalizador sólidas sobre la superficie de un material de electrodo; tratar las partículas para hacer que el catalizador resulte activo y esté sujeto permanentemente al material de electrodo; introducir una mezcla de monómeros en el espacio entre dos materiales de electrodo revestidos de catalizador de este tipo; y polimerizar la mezcla in situ, siendo el catalizador presionado en el material de membrana.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la superficie catalizada del material del electrodo es presionada contra la superficie de una película de termoplástico a una temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea de la película, de manera que la partículas de catalizador sean impresas parcialmente en la superficie de la película.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el catalizador está presente sobre una superficie de por lo menos uno de los electrodos.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que el MEA comprende un electrodo dispuesto dentro de la 25 membrana.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la formación de la membrana comprende una expansión.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la membrana es hidrófila.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores para la producción de un apilamiento de MEA.