Electrodo de difusión de gas, su método de producción, ensamblaje de membrana-electrodo que comprende el mismo y el método de producción del ensamblaje de membrana-electrodo que comprende el mismo.

Un proceso para producir un electrodo de difusión de gas que comprende las etapas de:

fundir una red porosa conductora eléctricamente con una suspensión de partículas de un material conductor eléctricamente en una solución de un primer aglutinante para proporcionar una primera capa que es una capa activa electrónicamente; fundir una suspensión de partículas de un material hidrófobo en una solución de un segundo aglutinante sobre dicha primera capa para proporcionar una segunda capa; y someter dicha primera y segunda capa a inversión de fase, para realizar así la porosidad en ambas dicha primera capa y dicha segunda capa, en donde dicho sometimiento de dicha segunda capa a inversión de fase, lleva a cabo así una capa repelente al agua, en donde dicho material hidrófobo es un polímero fluorado o un mineral no conductor eléctricamente.

Electrodo de difusión de gas, su método de producción, ensamblaje de membrana-electrodo que comprende el mismo y el método de producción del ensamblaje de membrana-electrodo que comprende el mismo Campo técnico de la invención La presente invención se refiere a electrodos de difusión de gas, un método para producir los mismos, ensamblajes de membrana-electrodo que comprenden los mismos y un método para producir los ensamblajes de membrana-electrodo que comprenden los mismos.

Antecedentes de la invención El documento US 3, 553, 032 revela el método de fabricación de un electrodo de celda de combustible que comprende una matriz porosa ligada de partículas de polímero repelentes al agua que tienen un fino recubrimiento de plata y partículas de un material conductor eléctricamente intercaladas en el mismo y se adhieren a dicha matriz que consiste de la formación de una mezcla de un polímero repelente al agua, las partículas de un material conductor eléctricamente, y las partículas de carbonato de plata, fundición de dicha mezcla bajo presión para formar una estructura coherente y calentar la estructura coherente resultante a una temperatura por encima de la temperatura de descomposición de dicho carbonato de plata pero por debajo del punto de ablandamiento de dicho polímero para formar así la plata y liberar el gas de dióxido de carbono que se difunde a través de dicha estructura para hacerla sustancialmente porosa. La US 3, 553, 032 no enseña el uso de un aglutinante alternativo para enfriar las resinas sinterizables fluoradas tales como politetrafluoroetileno, etileno-propileno fluorado, clorotrifluoroetilenos, y fluoruros de polivinilideno.

El documento GB 2, 316, 801A revela un electrodo de difusión de gas electrocatalítico para celdas de combustible comprendido de: una capa de difusión de gas anisotrópica que está hecha de una matriz porosa de carbono a través de la cual las partículas de carbono y poli (fluoruro de vinilideno) se distribuyen de tal manera que la matriz sea porosa de forma homogénea en una dirección lateral al flujo de gas y porosa de forma asimétrica a los gases en la dirección de flujo de gas, la porosidad de dicha capa de difusión de gas decreciente en la dirección del flujo de gas, dicha capa de difusión de gas que tiene un espesor entre aproximadamente 50 µm y aproximadamente 300 µm, y una capa catalítica que se hace de una suspensión de "tinta" coagulada que contiene partículas de carbono catalítico y un polímero termoplástico, la capa catalítica que cubre la superficie de poros pequeños de dicha capa de difusión de gas, dicha capa catalítica que tiene un espesor entre aproximadamente 7 µm y aproximadamente 50 µm y una carga de catalizador de metal entre aproximadamente 0.1 mg/cm2 y aproximadamente 0.5 mg/cm2.

El documento EP 1 930 974A1 revela 1. Un método para producir una celda de óxido sólido reversible, que comprende las etapas de: fundición laminar de una capa de soporte de ánodo sobre un soporte (1) ; fundición laminar de una capa de ánodo sobre un soporte (2) ; fundición laminar de una capa de electrolito sobre un soporte (3) ; y, o bien laminar dicha capa de ánodo en la parte superior de dicha capa de soporte de ánodo; retirar dicho soporte (2) , de dicha capa de ánodo; laminar dicha capa de electrolito en la parte superior de dicha capa de ánodo; y sinterización de la estructura multicapas; o laminar dicha capa de ánodo en la parte superior de dicha capa de electrolito; retirar dicho soporte (2) de dicha capa de ánodo; laminar dicha capa de soporte de ánodo en la parte superior de dicha capa de ánodo; y sinterización de la estructura multicapas.

El documento WO 03/082956A1 revela un ensamblaje de membrana-electrodo, que comprende: un ánodo; un cátodo; y una membrana de intercambio de protones posicionada entre el ánodo y el cátodo, en donde al menos uno del ánodo, el cátodo, y la membrana de intercambio de protones comprende un copolímero de sulfonato que tiene la siguiente estructura química:

** (Ver fórmula) **

en donde; n/n+m varía de aproximadamente 0.001 a aproximadamente 1; Y puede ser-S-, S (O) , S (O) 2, C (O) , o P (O) (C6H5) , y combinación de los mismos; y Z puede ser un enlace sencillo carbono-carbono directo, C (CH3) 2, C (CF3) 2, C (CF3) (C6H5) , C (O) , S (O) 2, o P (O) (C6H5) .

El documento US 7, 301, 002B1 revela un polímero de polifenileno sulfonado, obtenido por sulfonación con control de un polímero de polifenileno con un agente de sulfonación, el polímero de polifenileno sulfonado que tiene unidades de repetición de la siguiente estructura 1:

** (Ver fórmula) **

en la que R1, R2 y R3 son iguales o diferentes, en donde cada R1, R2 y R3 es H o una fracción aromática no sustituida o sustituida inertemente; Ar1 y Ar2 son iguales o diferentes, en donde cada Ar1 y Ar2 es una fracción aromática no sustituida o fracción aromática sustituida de manera inerte; en donde una cadena lateral colgante de un grupo sulfonilo se une a un átomo de carbono; en donde de uno a seis grupos sulfonilo están unidos por unidad de repetición; en donde n .2; y en donde cualquier combinación de R1, R2 y R3 y Ar1 y Ar2 comprende una sub-combinación seleccionada entre el grupo que consiste en: a) R1 es diferente de R2, b) R1 es diferente de R3, c) R2 es diferente de R3, d) Ar1 es diferente de Ar2, y e) R1= R2 = R3= Ar1= Ar2.

En 2004 M. Cifrain et al. in Journal of Power Sources, volumen 127, páginas 234-242, informó que las celdas de combustible alcalinas (AFC) , aunque se sabe que tienen una alta eficiencia, se considera que sólo son útiles para las aplicaciones espaciales debido a su alto precio, su baja vida útil y su alta sensibilidad al dióxido de carbono y que las AFC se pueden construir a bajo coste y CO2 conciliable con una vida útil suficiente para sistemas de vehículos y de copia de seguridad. Se informó que la clave es un electrolito líquido circulante que evita muchos de los problemas que tienen los sistemas de membrana, como el agua y el manejo del calor. Por otra parte, M. Cifrain et al. informaron de que un electrodo estándar de AFC, se compone de varias capas de negro de carbono unidas a PTFE, que a veces también contienen otros materiales hidrófobos tales como cera de parafina u otros plásticos como el polietileno (PE) o polisulfona (PSU) , que otros aditivos son el grafito (para aumentar la conductividad eléctrica) y formadores de poros (como el azúcar) y que algunas veces las láminas de PTFE porosas se presionan en el lado del gas, siendo los electrodos producidos por procedimientos de laminación, prensado y sinterización.

F. Bidault et al. en 2009 en Journal of Power Sources, volumen 187, páginas 39-48, estudiaron de nuevo los cátodos de difusión de gas para celdas de combustible alcalinas y reportaron que el rendimiento y la estabilidad general están dominados por el comportamiento del cátodo, lo que lleva a un foco de actividades de investigación en el desarrollo de cátodos. Indicaron también que el rendimiento y la durabilidad del electrodo de difusión de gas son muy dependientes de la forma en la que las estructuras de capas se fabrican a partir de carbono y politetrafluoroetileno (PTFE) y que la elección y el tratamiento del soporte de carbono son de importancia primordial para la actividad catalítica final. Se informó que, en general, los electrodos de AFC se componen de varias capas de negro de carbono unidas a PTFE, que cumplen diferentes funciones, que los electrodos modernos tienden a utilizar los catalizadores soportados sobre carbón de alta área superficial y PTFE para obtener los límites de las tres fases (TPB) necesarios y que los métodos de prensado, laminación, serigrafía y pulverización se utilizan en la producción de electrodos de AFC.

V. Neburchilov et al. en 2010 en Journal of Power Sources, volumen 195, páginas 1271-1291, estudiaron de nuevo las composiciones, diseños y métodos de fabricación de cátodos de aire para celdas de combustible de aire-zinc alcalinas y se informó que las composiciones más prometedores para electrodos de aire están basados en óxidos individuales , o mezclas de los mismos, con la estructura espinela, perovskita, o pirocloro: MnO2, Ag, Co3O4, La2O3, LaNiO3, NiCo2O4, LaMnO3, LaNiO3 etc., que proporcionan el equilibrio óptimo de la actividad de ORR y la estabilidad química en un electrolito alcalino. Se informó además que los métodos de micelas inversas y gel-sol suministran la distribución más uniforme del catalizador en el carbono y el área superficial BET del catalizador más alta y que el diseño del cátodo de aire, incluyendo los tipos de negro de carbono, agentes aglutinantes, colectores de corriente, membranas de teflón, tratamiento térmico de la capa de difusión... [Seguir leyendo]

Reivindicaciones

1. Un proceso para producir un electrodo de difusión de gas que comprende las etapas de: fundir una red porosa conductora eléctricamente con una suspensión de partículas de un material conductor eléctricamente en una solución de un primer aglutinante para proporcionar una primera capa que es una capa activa electrónicamente; fundir una suspensión de partículas de un material hidrófobo en una solución de un segundo aglutinante sobre dicha primera capa para proporcionar una segunda capa; y someter dicha primera y segunda capa a inversión de fase, para realizar así la porosidad en ambas dicha primera capa y dicha segunda capa, en donde dicho sometimiento de dicha segunda capa a inversión de fase, lleva a cabo así una capa repelente al agua, en donde dicho material hidrófobo es un polímero fluorado o un mineral no conductor eléctricamente.

2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicha primera capa se somete a inversión de fase, para realizar así la porosidad en dicha primera capa antes de fundir dicha segunda capa.

3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde al menos uno de dicho primer y segundo aglutinante es polisulfona.

4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho polímero fluorado es el poli (tetrafluoroetileno) (PTFE) o copolímero de etileno-propileno perfluorado (FEP) .

5. Un electrodo de difusión de gas obtenido por un proceso para producir un electrodo de difusión de gas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.

6. El uso de un electrodo de difusión de gas de acuerdo con la reivindicación 5, en un ensamblaje de membranaelectrodo.

7. El uso de un electrodo de difusión de gas de acuerdo con la reivindicación 6, en donde dicho ensamblaje de membrana-electrodo es una celda de combustible o una batería.

8. El uso de un electrodo de difusión de gas de acuerdo con la reivindicación 7, en donde dicha celda de combustible es una celda de combustible biológica.

9. El uso de un electrodo de difusión de gas de acuerdo con la reivindicación 8, en donde dicha celda de combustible biológica es una celda de combustible microbiana o enzimática.

10. Un ensamblaje de membrana-electrodo que comprende el electrodo de difusión de gas de acuerdo con la reivindicación 5.

11. El ensamblaje de membrana-electrodo de acuerdo con la reivindicación 10, en donde dicho ensamblaje de membrana-electrodo es una celda de combustible o una batería.

12. Un método para producir un ensamblaje de membrana-electrodo, comprendiendo dicho ensamblaje de membranaelectrodo una membrana intercalada entre dos electrodos al menos uno de los cuales es un electrodo de difusión de gas, en donde dicho método comprende la etapa de fundir dicho ensamblaje de membrana-electrodo en un solo paso y al menos una etapa de inversión de fase, en donde dicho electrodo de difusión de gas se obtiene por el método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.

13. Un ensamblaje de membrana-electrodo obtenido por el método de acuerdo con la reivindicación 12.