Electrodo para una pila de combustible alcalina y procedimiento de fabricación una pila de combustible que comprende al menos una etapa de fabricación de un electrodo de este tipo.

Electrodo (1, 10) para una pila de combustible alcalina que comprende al menos una capa activa,

conductora electrónica, conductora de iones hidróxido y catalítica, electrodo caracterizado porque la capa activaestá constituida por una bicapa (2, 11) o por un apilamiento de una pluralidad de bicapas (2a,..., 2n), estandocompuesta cada bicapa (2, 11, 2a,..., 2n) por:

- una capa catalítica (3) que comprende partículas de catalizador (6) de tamaño nanométrico

- y una capa porosa (4) que comprende dos caras opuestas (4a, 4b), una de las cuales se encuentra en contactocon la capa catalítica (3), estando constituida la capa porosa (4) por un material compuesto poroso que comprendeuna matriz (7) de polímero conductor de iones hidróxido en la que se forma una red metálica que constituye unapluralidad de vías conductoras electrónicamente que conectan las dos caras opuestas de la capa porosa.

Electrodo para una pila de combustible alcalina y procedimiento de fabricación una pila de combustible que comprende al menos una etapa de fabricación de un electrodo de este tipo 5

Ámbito técnico de la invención La invención se refiere a un electrodo para una pila de combustible alcalina que comprende al menos una capa activa, conductora electrónica, conductora de iones hidróxido y catalítica.

La invención se refiere igualmente a un procedimiento de fabricación de una pila de combustible alcalina que comprende al menos una etapa de fabricación de un electrodo de este tipo.

Estado de la técnica Las pilas de combustible alcalinas conocidas, también denominadas AFC (del inglés «Alkaline Fuel Cell») , están constituidas generalmente por dos electrodos y un electrolito líquido o sólido intercambiador o conductor de iones hidróxido OH-.

La solicitud de patente WO-A-2005/069413 describe, por ejemplo, una pila de combustible alcalina que comprende un apilamiento sólido constituido por un primer electrodo, una membrana sólida conductora de iones hidróxido y un segundo electrodo. Cada electrodo de la pila comprende al menos una capa activa en contacto con la membrana sólida. Cada capa activa presenta propiedades de conducción electrónica, propiedades de conducción de iones hidróxido y propiedades catalíticas para la reacción o las reacciones electroquímicas que tienen lugar en el interior

de la pila de combustible alcalina. Así pues, el material que constituye la capa activa comprende al menos un elemento catalítico, un elemento conductor electrónico y un elemento conductor de iones hidróxido. El elemento conductor de iones hidróxido está formado por un polímero con un patrón estirénico que comprende una función de amonio cuaternario con la que se encuentra asociado un ion hidróxido. Sin embargo, la eficacia de un electrodo que comprende una capa activa de este tipo no resulta óptima y la capa activa no es fácil de realizar. En efecto, las técnicas de preparación de la capa activa no se encuentran adaptadas para la fabricación industrial.

Se ha propuesto la fabricación de pilas de combustible y/o de los electrodos utilizados en las pilas de combustible mediante técnicas procedentes de la microelectrónica, tales como las técnicas de depósito en vacío.

Así pues, la patente US5518831 describe la formación por depósito en vacío de una estructura electrocatalítica que puede ser utilizada en una pila de combustible tal como una pila de combustible con apilamiento de electrodomembrana-electrodo, con una membrana electrolítica a base de ácido perfluorosulfónico. La estructura electrocatalítica está formada por una matriz de polímero de tipo polisiloxano (SiOxCyHz) en el que se encuentran dispersas partículas discretas y aisladas de material catalítico, por ejemplo, platino. De esta forma, se puede conseguir la estructura electrocatalítica repitiendo varias veces un ciclo de tres etapas de depósito. Así, el ciclo comprende sucesivamente la realización de una primera película de polímero por depósito químico en fase vapor asistido por plasma (PECVD) , seguido por el depósito del material catalítico en forma de partículas discretas y el depósito por PECVD de una segunda película de polímero con el fin de recubrir dichas partículas. Las partículas de material catalítico también pueden depositarse en primer lugar. En este caso, la estructura electrocatalítica se realiza 45 mediante la repetición de un ciclo de dos etapas sucesivas que corresponden respectivamente al depósito de las partículas de material catalítico seguido por PECVD de una película de polímero destinada a recubrir dichas partículas. El depósito de las partículas de material catalítico se realiza, por ejemplo, mediante pulverización catódica o evaporación. La repetición de un ciclo de dos o tres etapas siempre conduce a la formación de una sola capa formada por una matriz de polímero en la que se dispersan partículas discretas y aisladas de material catalítico. Sin 50 embargo, la distribución particular de las partículas en el seno de la matriz de polímero, así como el material compuesto obtenido, no permiten obtener una capa activa de electrodo que garantice un funcionamiento óptimo de una pila de combustible alcalina. En efecto, si bien presenta propiedades catalíticas satisfactorias, la capa activa de electrodo no comprende elementos conductores de iones hidróxido y sus propiedades de conducción electrónica son limitadas.

Del mismo modo, la patente US5750013 propone el uso de técnicas de depósito procedentes de la microelectrónica para lograr una pila de combustible tal como una pila de combustible de membrana sólida a base de un polímero intercambiador de protones. La célula de combustible se realiza por depósito al vacío de una pluralidad de capas delgadas, que forman sucesivamente un primer electrodo, una membrana de polímero intercambiadora de protones, por ejemplo de Nafion®, y un segundo electrodo. Cada uno de los electrodos está formado por una capa activa catalítica que comprende una alternancia de dos capas superpuestas, compuestas respectivamente por una capa de partículas metálicas que presentan un tamaño comprendido entre 1 nm y 10 nm y una capa conductora porosa. La capa de partículas metálicas se obtiene por pulverización de plasma. La capa conductora porosa se logra mediante el depósito químico en fase vapor a partir de un precursor de tipo hidrocarburo, de manera que se obtenga una capa carbonada porosa que garantice la difusión de los gases y la conducción eléctrica. No obstante, la capa activa así formada no garantiza un funcionamiento óptimo de las pilas de combustible alcalinas. En efecto, la capa activa no es iónicamente conductora y aún menos conductora de iones hidróxido.

Objeto de la invención La invención tiene por objeto un electrodo para una pila de combustible alcalina que presente una eficacia óptima y que resulte fácil de realizar. Más particularmente, la invención tiene por objeto un electrodo para una pila de combustible alcalina que comprende al menos una capa activa, que presenta propiedades de conducción electrónica mejoradas, propiedades de conducción de iones hidróxido mejoradas y propiedades catalíticas mejoradas, siendo al mismo tiempo de realización sencilla.

De acuerdo con la invención, este objeto se consigue mediante las reivindicaciones adjuntas. Más particularmente, este objeto se logra por el hecho de que la capa activa está constituida por una bicapa o por un apilamiento de una 20 pluralidad de bicapas, estando compuesta cada bicapa:

-una capa catalítica que comprende partículas de catalizador de tamaño nanométrico

-y una capa porosa que comprende dos caras opuestas, una de las cuales se encuentra en contacto con la capa

catalítica, estando constituida la capa porosa por un material compuesto poroso que comprende una matriz de polímero conductor de iones hidróxido en la que se forma una red metálica que constituye una pluralidad de vías conductoras electrónicamente que conectan las dos caras opuestas de la capa porosa.

La invención también tiene por objeto un procedimiento de fabricación de una pila de combustible alcalina que 30 comprende al menos una etapa de fabricación de un electrodo de este tipo, que resulte fácil de realizar y, más en particular, adaptado para la fabricación industrial.

De acuerdo con la invención, este objeto se logra por el hecho de que la etapa de fabricación del electrodo comprende al menos el depósito en vacío de la capa activa sobre una superficie libre de un soporte, estando formada la capa catalítica de cada bicapa por depósito en vacío de partículas de catalizador de tamaño nanométrico y estando formada la capa porosa por codepósito en vacío de un polímero conductor de iones hidróxido y de un metal.

Breve descripción de los dibujos Otras ventajas y características se extraerán más claramente de la descripción que viene a continuación de las formas particulares de realización de la invención, dadas a título de ejemplos no limitativos y representadas en los dibujos anexos, en los que:

La figura 1 representa esquemáticamente una sección transversal de una primera forma de realización particular de un electrodo de acuerdo con la invención.

La figura 2 representa esquemáticamente una sección transversal de una parte ampliada de la capa activa del electrodo de acuerdo con la figura 1.

La figura 3 representa esquemáticamente una sección transversal de una segunda forma de realización particular de un electrodo de acuerdo con la invención.

La figura 4 representa esquemáticamente una sección transversal de una pila de... [Seguir leyendo]

1. Electrodo (1, 10) para una pila de combustible alcalina que comprende al menos una capa activa, conductora electrónica, conductora de iones hidróxido y catalítica, electrodo caracterizado porque la capa activa está constituida por una bicapa (2, 11) o por un apilamiento de una pluralidad de bicapas (2a, ..., 2n) , estando compuesta cada bicapa (2, 11, 2a, ..., 2n) por:

-una capa catalítica (3) que comprende partículas de catalizador (6) de tamaño nanométrico

-y una capa porosa (4) que comprende dos caras opuestas (4a, 4b) , una de las cuales se encuentra en contacto con la capa catalítica (3) , estando constituida la capa porosa (4) por un material compuesto poroso que comprende una matriz (7) de polímero conductor de iones hidróxido en la que se forma una red metálica que constituye una pluralidad de vías conductoras electrónicamente que conectan las dos caras opuestas de la capa porosa.

2. Electrodo (1, 10) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa catalítica (3) presenta un grosor comprendido entre 2 nm y 50 nm.

3. Electrodo (1, 10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la capa porosa (4) presenta un grosor comprendido entre 50 nm y 1000 nm. 20

4. Electrodo (1, 10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el polímero conductor de iones hidróxido posee al menos una función de intercambio de iones hidróxido elegida entre la función amonio cuaternario, la función fosfonio cuaternario y la función sulfonio terciario.

5. Electrodo (1, 10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el catalizador se elige entre platino, una aleación a base de platino y rutenio, plata y níquel.

6. Electrodo (1, 10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el metal (8) que constituye la red metálica del material compuesto poroso se elige entre plata y oro. 30

7. Electrodo (1, 10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende una capa suplementaria (5) sobre la cual se encuentra dispuesta la capa activa.

8. Procedimiento de fabricación de una pila de combustible alcalina que comprende al menos una etapa

de fabricación de un electrodo (1, 10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la etapa de fabricación del electrodo (1, 10) comprende al menos el depósito en vacío de la capa activa sobre una superficie libre de un soporte, estando formada la capa catalítica (3) de cada bicapa (2, 11, 2a, ..., 2n) por depósito en vacío de partículas de catalizador (6) de tamaño nanométrico y estando formada la capa porosa (4) por codepósito en vacío de un polímero conductor de iones hidróxido y de un metal (8) .

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque se depositan sucesivamente una pluralidad de bicapas (2, 11, 2a, ..., 2n) sobre dicha superficie libre del soporte, con el fin de formar el apilamiento que constituye la capa activa.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizado porque el depósito de la capa catalítica (3) se realiza por pulverización catódica en vacío.

11. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el

codepósito de la capa porosa (3) se lleva a cabo simultáneamente por depósito químico en fase vapor asistido por 50 plasma del polímero conductor de iones hidróxido y por evaporación del metal (8) .

12. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque el depósito en vacío de la capa activa sobre una superficie libre de un soporte viene seguido por una etapa de tratamiento químico de dicha capa activa.

13. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque comprende, sucesivamente:

-una etapa de fabricación de un primer electrodo (1) , estando constituida la superficie libre del soporte destinada a

recibir la capa activa del primer electrodo (1) por una cara libre de la capa suplementaria (5) , -una etapa de depósito en vacío de una membrana electrolítica (9) , sobre la superficie libre de la capa activa del primer electrodo (1) , -y una etapa de fabricación de un segundo electrodo (10) , estando constituida la superficie del soporte destinada a

recibir la capa activa del segundo electrodo (10) por la superficie libre de la membrana electrolítica (9) .

14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque los catalizadores respectivos de las capas catalíticas (3) del primer y del segundo electrodos (1, 10) son idénticos.

15. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 13 y 14, caracterizado porque los polímeros respectivos de las capas porosas (4) del primer y del segundo electrodos (1, 10) son idénticos.

16. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque la membrana electrolítica (9) está formada por una capa delgada no porosa que comprende un polímero conductor de iones hidróxido idéntico 15 al polímero de las capas porosas (4) del primer y del segundo electrodos (1, 10) .