ES2212269T3 - Unidad de electrodos de membrana con un anillo de obturacion integrado, y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents
Unidad de electrodos de membrana con un anillo de obturacion integrado, y procedimiento para su fabricacion.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UNA UNIDAD DE ELECTRODO - MEMBRANA (1) CON UN ANILLO INTEGRADO DE DESGASTE PARA ELEMENTO DE COMBUSTIBLE DOTADOS DE UNA MEMBRANA DE ELECTROLITO POLIMERICO (2), ENCONTRANDOSE EL ANODO (3) MONTADO EN UNA DE SUS CARAS, Y EL CATODO EN LA OTRA CARA (4). LA UNIDAD (1) ESTA FORMADA POR UN MATERIAL MULTICAPA, QUE CONTIENE MATERIAL TANTO ANODICO COMO CATODICO, ENTRE EL CUAL SE INSERTA EL MATERIAL DE LA MEMBRANA DE ELECTROLITO POLIMERICO, DE LA QUE SE SEPARAN FRAGMENTOS DE TAMAÑO APROPIADO MIENTRAS QUE, EN DICHOS FRAGMENTOS, AMBOS LADOS DE LA MEMBRANA QUEDAN TOTALMENTE CUBIERTOS POR LOS ELECTRODOS. EN LA PERIFERIA DE FRAGMENTO SE MONTA UN ANILLO DE DESGASTE (5), DE MANERA QUE ESTE ULTIMO (5) PASE A TRAVES DE UN AREA PERIFERICA (6'', 7'') DE AL MENOS UN ELECTRODO (3,4) Y SE ADHIERA A LA PARTE DE LA MEMBRANA QUE SE ENCUENTRA ADYACENTE A LA ZONA PERIFERICA, Y/O A LAS CARAS FRONTALES DE AL MENOS UN ELECTRODO Y LA MEMBRANA.
Description
Unidad de electrodos de membrana con un anillo de
obturación integrado, y procedimiento para su fabricación.
La invención se refiere a una unidad de
electrodos de membrana para una pila de combustible de membrana de
electrólito polímero con una membrana de electrólito polímero, un
ánodo dispuesto en la superficie de la membrana y un cátodo
dispuesto en la otra superficie de la membrana, así como a un
procedimiento para la fabricación de la unidad de electrodos de
membrana.
Las pilas de combustible de membrana de
electrólito polímero, como las que se utilizan usualmente para la
generación de corriente eléctrica, contienen un ánodo, un cátodo y
una membrana de intercambiador de iones dispuesta entre ellos. Un
gran número de pilas de combustible forma un apilamiento de pilas de
combustible, en el que las pilas de combustible individuales son
separadas entre sí mediante placas bipolares que actúan como
colector de corriente. La placa bipolar del lado del ánodo de una
pila es simultáneamente la placa bipolar del lado del cátodo de la
pila contigua. Para la generación de electricidad se introduce un
gas de combustión, p. ej. hidrógeno, en la zona del ánodo y un
oxidante, p. ej. aire u oxígeno, en la zona del cátodo. El ánodo y
el cátodo contienen en las zonas que están en contacto con la
membrana de electrólito polímero, en cada caso, una capa de
catalizador. En la capa de catalizador del ánodo, el combustible es
oxidado con la formación de cationes y electrones libres, y en la
capa de catalizador del cátodo el oxidante es reducido mediante la
absorción de electrones. Alternativamente, las dos capas de
catalizador pueden ser aplicadas también en los lados opuestos de
la membrana. La estructura formada por el ánodo, la membrana, el
cátodo y las correspondientes capas de catalizador se designa como
unidad de electrodos de membrana. Los cationes formados en el lado
del ánodo se desplazan, a través de la membrana de intercambiador de
iones, hacia el cátodo y reaccionan con el oxidante reducido,
donde, cuando se utiliza hidrógeno como combustible y oxígeno como
oxidante, se forma agua. El calor generado durante la reacción
entre el gas de combustión y el oxidante es evacuado mediante
refrigeración. Para una mejor distribución de los gases de reacción,
en su caso, para el apoyo de la unidad de electrodos de membrana se
pueden prever, entre los electrodos y las placas bipolares, unas
estructuras de conducción de gas, p. ej. redes de rejilla.
Tras el montaje en una pila de combustible, la
unidad de electrodos de membrana está en contacto por el lado del
ánodo con el gas de combustión, y por el lado del cátodo con el
oxidante. La membrana de electrólito polímero separa entre sí las
zonas en las cuales se encuentra gas de combustión u oxidante. Para
impedir que el gas de combustión u oxidante puedan entrar
directamente en contacto entre sí, lo cual podría provocar
reacciones de tipo explosivo, debe garantizarse una obturación
fiable de los espacios de gas entre sí. Aquí plantea en especial un
problema la obturación contra el gas de combustión hidrógeno, que
posee propiedades de difusión destacadas.
Para impedir que en la pila de combustible, a lo
largo de los bordes de la membrana, pueda tener lugar un
intercambio de gas, se procede habitualmente de la manera
siguiente: durante la fabricación de unidades de electrodos de
membrana usuales, las dimensiones de la membrana y los electrodos se
eligen de tal manera que al disponer a modo de sandwich la membrana
entre los electrodos la membrana sobresalga un buen trozo por
encima de la superficie de los electrodos. La unidad de electrodos
de membrana usual presenta por lo tanto una membrana cuyas zonas del
borde no están cubiertas por material de electrodo. Alrededor del
perímetro de la unidad de electrodos de membrana se colocan, a
ambos lados de la superficie de membrana, obturaciones, p. ej.
hechas de PTFE estirado, las cuales cubren las zonas sobresalientes
de la membrana. En el caso de una unidad de electrodos de membrana
cuadrada se montan a presión y/o se pegan a ambos lados de la
membrana marcos cuadrados de manera que cubran, al menos en parte,
las zonas sobresalientes de la membrana. Estas unidades de
electrodos de membrana usuales tienen, por un lado, la desventaja de
que son muy complejas en cuanto a su construcción, dado que el
ánodo, el cátodo y la membrana deben ser cortados en cada caso por
separado y a continuación ser montados con precisión de ajuste para
cada unidad de electrodos de membrana individual. No es posible una
fabricación barata de las unidades de electrodos de membrana como
mercancía por metros cuadrados. Asimismo las obturaciones deben ser
cortadas por separado y montadas entonces con precisión de
ajuste.
Otra desventaja de las unidades de electrodos de
membrana usuales aparece durante el montaje en una pila de
combustible. En la pila de combustible debe formarse, al menos en
el lado del ánodo, entre la unidad de electrodos de membrana y la
placa bipolar que limita la pila, un espacio estanco al gas.
Generalmente aquí se trabaja con anillos o tiras de obturación entre
la unidad de electrodos de membrana y la placa bipolar, donde en
cada caso se sujetan juntas varias pilas en hilera con el fin de
obtener una alimentación de gas de combustión conjunta. Los
espacios estancos al gas se forman al sujetarlas juntas. Si aparece
una pérdida, ésta es difícil de localizar y no se puede retirar una
única pila sino únicamente la unidad conjunta en la que ha aparecido
la pérdida. Esto está relacionado con una notable cantidad de
trabajo y con la pérdida de la vida útil de las pilas de
combustible.
Ocasionalmente se prescinde de dotar a la unidad
de electrodos de membrana con un marco de obturación montado a
presión. La obturación tiene lugar entonces durante el montaje en
una pila de combustible montando conjuntamente, entre la parte de
la membrana no cubierta por material de electrodo y la placa bipolar
contigua, un anillo de obturación. En ambos casos resulta con ello
una rendija entre el material de electrodo y la obturación, que
provoca que la disposición sea sensible respecto de daños
mecánicos, en especial en el caso de membranas delgadas y frágiles.
Además, existe el peligro de que la unidad de electrodos de membrana
no sea fijada completamente plana, de tal manera que la membrana
entre en contacto con el derivador de corriente. En este caso, el
metal puede ser disuelto parcialmente por una membrana ácida. Los
iones del metal entran en la membrana con lo cual se resiente su
conductibilidad.
La publicación
EP-A-0 504 752 expone una placa de
separador integral formada por la placa de separador propiamente
dicha, un ánodo, dispuesto en un lado de la placa de separador, un
cátodo dispuesto en el otro lado de la placa de separador, y unas
capas de material dispuestas entre el ánodo y la placa de separador
o entre el cátodo y la placa de separador, las cuales son
resistentes químicamente frente al electrólito líquido utilizado y
son impermeables para este electrólito, de tal manera que él no
puede penetrar en la placa de separación. La fabricación de la placa
de separación integral tiene lugar mediante compresión de la
disposición formada por placas de separador, electrodos y capas
impermeables a electrólito, de tal manera que el material de las
capas impermeables a electrólito es metido a presión en parte en los
poros de los electrodos y en parte es expulsado a presión
lateralmente fuera de la disposición. Este bloqueo de electrólito
impide que el electrólito pase desde una pila de combustible a la
siguiente.
La publicación
EP-A-0 690 519 da a conocer
obturaciones para membranas de electrólito de polímero sólido
formadas por una película de PTFE porosa, sobre la cual está
aplicada de tal manera un electrólito de polímero sólido (polímero
intercambiador de iones) que penetra, en parte, en la película de
PTFE, pero no pasa a través de ella. El material de obturación se
corta en piezas de tamaño adecuado y se aplica en la membrana de
electrólito de polímero sólido, donde las superficies de
electrólito de polímero sólido están orientadas una hacia la
otra.
La publicación
EP-A-0 604 683 da a conocer una
unidad de electrodos de membrana en la cual, esencialmente, la
totalidad de la superficie de la membrana está recubierta por
material plano poroso eléctricamente conductor, es decir, los
electrodos. Esta unidad de electrodos de membrana puede poseer
aberturas para el paso de fluidos. La obturación en las aberturas o
en el perímetro de la unidad de electrodos de membrana tiene lugar
mediante la introducción de un medio de obturación, tal como caucho
silicónico, en las capas de los electrodos.
El Patent Abstracts of Japan. vol. 13, nº 254
(E-772) da a conocer una obturación estanca al gas
de un substrato de electrodo poroso mediante aplicación de
películas de resina en forma de L en las esquinas del substrato y
aplicación de películas de resina en forma de U sobre las películas
en forma de L y paralelas respecto de los recorridos del gas en el
substrato, y conexión de las películas mediante calor.
La publicación
GB-A-2 236 012 da a conocer
obturaciones de borde para pilas de combustible de ácido fosfórico.
El ánodo, el cátodo y la matriz son impregnados por los bordes con
un elastómero. Cuando el ánodo, el cátodo y la matriz son sujetos
juntos bajo presión para formar una pila de combustible, las zonas
de la pila de combustible que contienen el elastómero se obturan,
en donde se garantiza un buen contacto con las placas
bipolares.
La publicación WO92/22096 da a conocer pilas de
combustible de membrana de electrólito polímero en las cuales se
ahorra material de membrana gracias a que en el perímetro exterior
de la membrana se aplica material de obturación que obtura hacia
fuera la disposición formada por unidad de electrodos de membrana y
placa de separador. Para ello se colocan de tal manera dos capas de
material de obturación, entre el ánodo y la membrana o el cátodo y
la membrana, que se solapan únicamente zonas pequeñas de material
de obturación y electrodo/membrana, mientras que la mayor parte del
material de obturación forma un anillo de obturación conectado de
manera fija. Alternativamente se conecta únicamente una capa de
material de obturación con una disposición de electrodos y membrana
escalonada en la zona del borde.
La publicación DE 24 46 715 da a conocer
elementos de combustible de hidrazina con una obturación de
plástico en el borde, donde las membranas están pegadas por el lado
frontal con un marco de plástico.
La publicación DE 1 596 016 da a conocer
electrodos huecos para elementos de combustible con dos placas
porosas y un anillo de obturación en forma de T en el perímetro
exterior de las placas porosas. La obturación puede tener lugar
mediante inyección de plástico licuado, lo que mejora la adhesión
entre las placas y la obturación. El anillo de obturación entre las
placas sirve para la formación de una cámara estanca al gas entre
las placas porosas.
La publicación
US-A-5 264 299 da a conocer unidades
de electrodos de membrana, las cuales están cubiertas por placas
portadoras con apoyo de catalizador. Las placas portadoras pueden
acabar enrasadas con la membrana o extenderse lateralmente más allá
de ellas. Se forma un borde de obturación que llena los poros en la
zona del borde de las placas portadoras, cuando la membrana acaba
enrasada con las placas portadoras. Cuando la membrana no llega
hasta el borde exterior de las placas portadoras, el borde de
obturación llena también la zona intermedia entre las placas
portadoras y se adhiere a los lados frontales de la membrana.
La publicación
US-A-5 523 175 da a conocer unidades
de electrodos de membrana en las cuales la membrana está cubierta
por completo por material de electrodo. Lindando directamente con
la membrana se encuentran placas portadoras de catalizador y
lindando con éstas placas de refuerzo. Para la obturación del borde
de las placas portadoras de catalizador y de las placas de refuerzo
sus poros están rellenos, en las zonas del borde correspondientes,
por completo con medio de obturación, de tal manera que las zonas
del borde están obturadas hacia fuera y hacia la membrana. En los
lados frontales de la unidad de electrodos de membrana no hay
ningún borde de obturación.
La presente invención permite superar las
desventajas del estado de la técnica.
La invención se plantea además el problema de
crear una unidad de electrodos de membrana para la pila de
combustible de membrana de electrólito polímero la cual pueda ser
conectada, por lo menos por un lado, de tal manera con una placa
bipolar que entre la membrana y la placa bipolar se forme un espacio
estanco al gas.
La invención plantea además el problema de crear
una unidad de electrodos de membrana en la cual la disposición
unidad de electrodos de membrana/placa bipolar pueda ser comprobada
por separado en cuanto a su estanqueidad al gas.
La invención proporciona además un procedimiento
sencillo y económico para la fabricación de este tipo de unidades de
electrodos de membrana.
Los problemas se resuelven mediante la unidad de
electrodos de membrana según la reivindicación 1 y el procedimiento
para la fabricación de la unidad de electrodos de membrana según la
reivindicación 17.
En las correspondientes reivindicaciones
subordinadas se indican perfeccionamientos preferidos de la
invención.
La unidad de electrodos de membrana con borde de
obturación integrado para una célula de combustible de membrana de
electrólito polímero con una membrana de electrólito de polímero,
un ánodo dispuesto en la superficie de la membrana y un cátodo
dispuesto en la otra superficie de la membrana, se caracteriza
porque la membrana está cubierta, por ambas superficies,
esencialmente por completo por los electrodos y alrededor del
perímetro de la unidad de electrodos de membrana está previsto un
borde de obturación, que atraviesa de tal manera una zona del borde
de al menos uno de los electrodos, que los poros de dicho por lo
menos un electrodo están rellenos esencialmente en la zona del
borde, y que se adhiere a la zona de la membrana que está en
contacto con la zona del borde y a las superficies frontales de la
membrana y dicho por lo menos un electrodo.
El procedimiento según la invención para la
fabricación de una unidad de electrodos de membrana con borde de
obturación integrado para una pila de combustible de membrana de
electrólito de polímero, presenta las etapas siguientes:
- preparación de un material de capa de
electrodos de membrana hecho de material de ánodo, material de
cátodo y material de material de membrana de electrólito
polímero,
- separación de un fragmento del material de capa
con el tamaño adecuado para la fabricación de la unidad de
electrodos de membrana deseada, donde en el fragmento separado la
membrana está cubierta, en ambas superficies, esencialmente por
completo por los electrodos, y
- formación de un borde de obturación alrededor
del perímetro del fragmento dejando penetrar un medio de obturación
en la zona del borde de al menos uno de los electrodos, donde los
poros de dicho por lo menos un electrodo son llenados en la zona
del borde esencialmente por completo, de tal manera que el borde de
obturación atraviesa una zona del borde de al menos uno de los
electrodos y se adhiere en la zona de la membrana que está en
contacto con la zona del borde, y la colocación de un medio de
obturación en las superficies frontales de al menos uno de los
electrodos y las superficies frontales de la membrana, de tal manera
que el borde de obturación se adhiera a las superficies frontales
de la membrana y de dicho por lo menos un electrodo.
Según la invención, para la fabricación de la
unidad de electrodos de membrana no se cortan por separado el
ánodo, el cátodo y la membrana y se unen entonces entre sí las
partes individuales, sino que se fabrica un material de capa hecho
de material de ánodo, material de cátodo y material de membrana
situado entre ellos, por ejemplo, mediante un procedimiento de
laminación como el que se utiliza para la fabricación de papel. Al
mismo tiempo se obtiene mercancía por metros cuadrados a partir de
la cual se pueden cortar, estampar o separar de otra manera las
unidades de electrodos de membrana individuales, en un ciclo de
trabajo, con el tamaño deseado. Una unidad de electrodos de
membrana obtenida de esta manera no contiene, sin contar la
superficie frontal, ninguna superficie de membrana libre, más bien
la membrana está recubierta por ambas superficies por completo con
material de ánodo o material de cátodo. Si así se desea, pueden
formarse en la unidad de electrodos de membrana pasos, asimismo en
un ciclo de trabajo.
Las membranas, electrodos y catalizadores
utilizados para la fabricación de la unidad de electrodos de
membrana según la invención pueden ser en sí materiales
convencionales, como los que se utilizan usualmente para fines
correspondientes. Como electrodos, es decir como ánodos y cátodos,
se consideran por ejemplo electrodos de difusión hechos de papel de
carbón o tejidos grafitizados, que contienen un catalizador, el cual
puede estar distribuido discrecionalmente paralelo o también
perpendicular respecto de la superficie del electrodo. En lugar de
papel de carbón o tejidos grafitizados se pueden utilizar también,
sin embargo, telas no tejidas de fibra de carbono. Como catalizador
se puede utilizar por ejemplo platino sobre carbono. Los electrodos
pueden contener únicamente la superficie de catalizador, una parte
de la capa de difusión o la totalidad de la capa de difusión.
Alternativamente el catalizador puede estar aplicado también sobre
las superficies de la membrana. Como membranas se utilizan
preferentemente los polímeros conductores de iones usuales, por
ejemplo Nafion o una poliéterétercetonacetona (PEEKK, que se puede
obtener de Hoechst) sulfonada.
Las unidades de electrodos de membrana en forma
de mercancía por metros cuadrados se pueden fabricar bajo
condiciones de procesamiento como las de las unidades de electrodos
de membrana individuales convencionales. En el caso de la invención
se disponen en cada caso una pista de material de electrodo en cada
superficie de una pista de una membrana de electrólito polímero,
existente en su forma de H^{+} y, a continuación, se laminan a
presiones de aproximadamente 3\cdot10^{6} hasta 5\cdot10^{7}
Pa (30 bar hasta 500 bar) y temperaturas de hasta 250ºC. Son
típicas presiones comprendidas entre 8\cdot10^{6} y
2,5\cdot10^{7} Pa (80 y 250 bar) y temperaturas comprendidas
entre aproximadamente 80 y 120ºC. Cuando el material de electrodo
contiene la capa catalíticamente activa, debe ser laminado de tal
manera sobre la membrana que la capa catalíticamente activa esté en
contacto con la membrana.
Alternativamente se puede aplicar primero un
electrodo y en un segundo ciclo de trabajo el segundo electrodo.
A partir de este material de electrodos de
membrana se cortan, en un ciclo de trabajo, unidades de electrodos
de membrana con el tamaño deseado y, al menos alrededor del
perímetro de cada unidad de electrodos de membrana, se forma un
borde de obturación el cual conecta la membrana y el electrodo o
los electrodos, de forma estanca al gas, entre sí y el cual,
además, puede ser conectado, estanco al gas, con una placa bipolar.
El concepto de "unidad de electrodos de membrana" utilizado
aquí en el sentido de la invención designa por lo tanto piezas de
material de capa hechas de material de ánodo, de cátodo y de
membrana, con o sin borde de obturación, donde, sin contar con la
superficie frontal, esencialmente no existe ninguna superficie de
membrana que no esté cubierta por material de electrodo. El borde
de obturación es fabricado gracias a que se hace penetrar un medio
de obturación, por ejemplo un plástico o una mezcla de plásticos, en
zonas del borde de electrodos en el perímetro de la unidad de
electrodos de membrana, de manera que los poros de los electrodos
son esencialmente llenados y ya no dejan pasar gas alguno. El
plástico, preferentemente un termoplástico o un plástico líquido
endurecible de baja viscosidad, puede penetrar en los electrodos
gracias a la capilaridad y ser endurecido a continuación, o se
puede inyectar plástico en forma líquida, es decir fundido, no
endurecido o disuelto en un disolvente, en el electrodo, en su caso
también mediante la utilización de la presión necesaria
(preferentemente hasta aproximadamente 2\cdot10^{7} Pa (200
bar)) y/o a temperatura elevada, en un dispositivo adecuado, y
llenar de esta forma los poros del electrodo. En su caso se puede
evacuar antes, con el fin de retirar el aire de los poros y
facilitar así la penetración del medio de obturación. Son plásticos
preferidos los polietilenos, polipropilenos y las poliamidas así
como resinas epoxi, siliconas y plásticos de poliéster. Para una
mejor reticulación de las zonas del borde de los electrodos que
deben ser penetradas por el plástico, éstas, antes del tratamiento
con plástico, pueden ser reticuladas con un disolvente para el
plástico o ser fresadas en la superficie. También puede ser
ventajosa una oxidación parcial de las correspondientes zonas de
los materiales de carbono de los electrodos.
El borde de obturación formado de esta manera
alrededor del perímetro de la unidad de electrodos de membrana
impide la salida de gases reactivos de los electrodos
"radialmente" hacia fuera mediante "obstrucción" de los
recorridos del gas en la zona del borde de los electrodos y se
ocupa, además, de un pegado estanco al gas y adhesión de la zona
del borde de los electrodos con la zona de la membrana
colindante.
Este tipo de obturaciones pueden ser formadas en
todas las zonas de la unidad de electrodos de membrana, en las
cuales aparecen bordes, p. ej. también en pasos a través de las
zonas superficiales activas de la unidad de electrodos de membrana,
como las que son frecuentemente necesarias para la conducción de
gases, agua o para tornillos de apriete. Alternativamente pueden ser
revestidos también pasos, total o parcialmente, con un marco de
obturación.
Además de los marcos de obturación, se prevee, en
el perímetro exterior de la unidad de electrodos de membrana, un
borde de obturación adicional el cual es colocado alrededor del
perímetro de la unidad de electrodos de membrana en sus lados
frontales que, esencialmente, obturan enrasados.
Como material para el borde de obturación se
consideran, en especial, plásticos o mezclas de plásticos, en
especial termoplásticos tales como polietilenos, polipropilenos y
poliamidas o plásticos endurecibles tales como resinas epoxi,
siliconas o plásticos de poliéster. El marco de obturación se aplica
de tal manera que se conecta de forma fija con las superficies
frontales de la membrana y las superficie frontales de al menos un
electrodo y se adhiere estanco al gas a ellas.
Las etapas necesarias pueden estar previstas
también directamente en el propio borde de obturación.
El borde de obturación según la invención es, por
lo tanto, una forma mixta entre dos variantes de borde de
obturación, es decir, está formado en parte dentro del material de
electrodo y en parte en los lados frontales.
Las unidades de electrodos de membrana obturadas
en el perímetro y, en su caso, en pasos pueden ser conectadas ahora
con placas bipolares. Por regla general las placas bipolares no
pueden apoyarse directamente sobre los electrodos sino que entre el
electrodo y la placa bipolar debe quedar un espacio libre, en el
cual se puede prever una estructura de conducción de gas, p, ej. un
red, para la mejor distribución de gases reactivos a través de la
superficie del electrodo. Este espacio libre se puede crear dejando
que el borde de obturación no obture enrasado con la superficie del
electrodo, sino formándolo sobresaliente sobre la superficie de
electrodo. En caso de electrodos con borde de obturación
sobresaliente se puede conectar una placa bipolar con el borde de
obturación, p. ej. ser pegada estanca al gas, o comprimida en el
apilamiento de pilas de combustible bajo presión permanente
haciéndose con ello estanca al gas. Si el borde de obturación obtura
enrasado con la superficie del electrodo, se puede utilizar una
placa bipolar la cual, en la zona en la que hay que colocar la
estructura de conducción de gas, esté formada más delgada que en la
zona que es conectada estanca al gas con el borde de obturación de
la unidad de electrodos de membrana. Las placas bipolares que
contienen una estructura de conducción de gas integrada, p. ej.
placas de grafito con acanaladuras fresadas, no requieren asimismo
bordes de obturación sobresalientes.
La obturación según la invención de la unidad de
electrodos de membrana se puede utilizar, en general, para todos los
gases reactivos. Sin embargo, se puede utilizar con ventaja
especial en el lado del hidrógeno de una pila de combustible, dado
que, por un lado, el hidrógeno se difunde muy bien y por ello
plantea los mayores problemas durante la obturación y, por el otro,
es muy reactivo y en el caso de una pérdida aparecen dificultades
notables.
La formación de un borde de obturación mediante
la introducción de un medio de obturación en las zonas del borde del
electrodo así como la obturación de pasos mediante introducción de
un medio de obturación en las zonas de electrodo que rodean los
pasos es posible, básicamente, en cualquier unidad de electrodos de
membrana con electrodos porosos, independientemente de si existe un
cierre de lado frontal. En especial es también posible la
obturación según la invención de pasos, independientemente del tipo
de obturación que se haya elegido para el perímetro exterior de la
unidad de electrodos de membrana.
Sobre la base de los dibujos anexos, se explican
unas formas de realización especialmente ventajosas de la
invención.
En los dibujos, las figuras muestran:
la Fig. 1, una sección transversal a través de
una unidad de electrodos de membrana según la invención, todavía sin
borde de obturación,
la Fig. 2, una vista superior sobre una unidad de
electrodos de membrana según la invención,
la Fig. 3, una sección transversal a través de
una unidad de electrodos de membrana según el estado de la
técnica,
la Fig. 4, una sección transversal a través de
una unidad de electrodos de membrana con borde de obturación y paso
según una forma de realización de la invención, se muestra
únicamente el borde de obturación en las zonas del borde del
electrodo no el borde de obturación frontal,
la Fig. 5, una sección transversal a través de
una unidad de electrodos de membrana con borde de obturación, paso y
placa bipolar según una forma de realización de la invención, se
muestra únicamente el borde de obturación en las zonas del borde del
electrodo no el borde de obturación frontal,
la Fig. 6, una sección transversal a través de
una unidad de electrodos de membrana con borde de obturación según
una forma de realización de la invención, en combinación con placas
bipolares dispuestas a ambos lados, no se muestra el borde de
obturación frontal,
la Fig. 7, una sección transversal a través de la
unidad de electrodos de membrana con borde de obturación según una
forma de realización de la invención en combinación con una placa
bipolar colocada por un lado,
la Fig. 8, una sección transversal a través de
una unidad de electrodos de membrana según la invención con bordes
de obturación que sobresalen, conectados con placas bipolares, no se
muestra el borde de obturación frontal.
la Fig. 9, una sección transversal a través de
una unidad de electrodos de membrana según la invención con bordes
enrasados, conectados con placas bipolares, no se muestra el borde
de obturación frontal,
la Fig. 10, una sección transversal a través de
una unidad de electrodos de membrana según la invención con pasos en
el borde de obturación,
la Fig. 11, una vista superior sobre una unidad
de electrodos de membrana según la invención con pasos en el borde
de obturación,
la Fig. 12, una sección transversal a través de
una pila de combustible, colocada en un apilamiento de pilas de
combustible, con unidad de electrodos de membrana según la
invención, no se muestra el borde de obturación frontal.
Las unidades de electrodos de membrana 1 constan
de una membrana 2, un ánodo 3 dispuesto en una superficie de la
membrana, y un cátodo 4 dispuesto en la otra superficie de la
membrana. El lado de los electrodos orientado hacia la membrana
contiene en cada caso catalizador. En unidades de electrodos de
membrana convencionales, como se muestran en la Fig. 3, el ánodo 3
y el cátodo 4 tienen las mismas dimensiones, mientras que la
membrana 2 es claramente mayor de manera que al laminar se forman
zonas de borde de membrana 25, las cuales no están cubiertas por
material de electrodo poroso y en las cuales se pueden colocar
obturaciones. De todos modos, una estructura de este tipo excluye
procedimientos de fabricación sencillos y rápidos.
Según la invención, se pueden fabricar unidades
de electrodos de membrana de forma sencilla y rápida fabricando
piezas o pistas de gran superficie hechas de material de unidad de
electrodos de membrana y dividiendo éste entonces en unidades de
electrodos de membrana individuales. La unidad de electrodos de
membrana individual así obtenida no presenta, sin embargo, como se
desprende de la Fig. 1, salvo la superficie frontal, ninguna
superficie de membrana que no esté cubierta por material de
electrodo. Las obturaciones convencionales no se pueden por ello
colocar a causa de la porosidad de los electrodos.
Según la invención, la unidad de electrodos de
membrana 1, con conexión enrasada en las superficies frontales de
membrana 2, ánodo 3 y cátodo 4, es obturada gracias a que se deja
penetrar medio de obturación, por ejemplo un plástico, en una zona
del borde 6' del ánodo 3 y una zona del borde 7' del cátodo 4. Las
zonas del borde 6' y 7' definen únicamente las zonas en las cuales
debe penetrar el material de obturación. El material de obturación
llena los poros de los electrodos porosos y proporciona a la
membrana una adhesión estanca al gas. Con ello se impide una salida
de gases reactivos en forma molecular en dirección "radial"
fuera de los electrodos o una salida a lo largo de las superficies
límite entre electrodos y membrana. Además se encuentra medio de
obturación en el lado frontal de la membrana y un electrodo o ambos
electrodos y se adhiere a éstos.
El borde de obturación 5 de la unidad de
electrodos de membrana según la invención puede estar formada de
maneras diferentes en lo que a la forma y las dimensiones se
refiere. La Fig. 4 muestra una unidad de electrodos de membrana en
la cual la parte 6 del lado del ánodo del borde de obturación 5, es
decir, la zona del borde de obturación 5 que penetra en la zona del
borde 6' del ánodo, hermetiza enrasada con la superficie del ánodo
3 alejada de la membrana, mientras que la parte 7 del lado del
cátodo del borde de obturación 5, es decir, la zona del borde de
obturación 5 que penetra en la zona del borde 7' del cátodo,
contiene una zona 9, que sobresale por encima de la superficie del
cátodo 4 alejada de la membrana. El borde de obturación 5, adherido
a las superficies frontales de la membrana o a uno o ambos
electrodos, no se muestra en la Fig. 4. La unidad de electrodos de
membrana contiene además un paso 28 con un borde de obturación 5',
es decir, un borde de obturación 26 por el lado del ánodo y borde
de obturación 27 por el lado del cátodo. La parte 27 del lado del
cátodo del borde de obturación 5' sobresale por encima de la
superficie del cátodo alejada de la membrana. En la forma de
realización mostrada en la Fig. 4 pasan tanto el paso 28 como
también el borde de obturación 5' a través de la totalidad de la
unidad de electrodos de membrana 1. En la membrana 2 está también
difundido medio de obturación. El paso y/o el borde de obturación
pueden, sin embargo, acabar en un electrodo. Por ejemplo, a través
de un paso parcialmente libre de borde de obturación en el ánodo,
se puede llevar hidrógeno hacia el ánodo y difundirlo en él.
Alternativamente el paso puede estar también integrado en el borde
de obturación, como se explicará más adelante con mayor
detalle.
La Fig. 2 muestra una vista superior sobre la
forma de realización según la Fig. 4, vista desde el lado del
cátodo. La unidad de electrodos de membrana aquí representada es
cuadrada. Sin embargo, puede tener también cualquier otra forma
arbitraria. Como se desprende de la Fig. 2 el cátodo está obturado
en la totalidad de su perímetro y en el paso 28 y contiene, dentro
de la zona 9 sobresaliente del borde de obturación, una zona del
cátodo 13 libre. Una zona libre de este tipo permite colocar, en el
electrodo correspondiente, estructuras de conducción de gas, como
las que son necesarias por regla general en caso de utilización de
gases reactivos con propiedades de difusión moderadas o dilución
fuerte mediante gas inerte. Cuando se utiliza hidrógeno, el cual
goza de propiedades de difusión sobresalientes, se puede
prescindir, frecuentemente, de una estructura de agitación del gas.
En el lado del ánodo es por ello posible, durante la utilización de
H_{2} como gas de combustión, colocar la placa bipolar que
hermetiza la pila de combustible, sin intercalar una estructura de
conducción de gas, directamente sobre el ánodo 3, de tal manera que
la parte 6 del lado del ánodo del borde de obturación 5 puede
hermetizar aquí enrasada con la superficie del ánodo, como se
muestra en la Fig. 4.
La Fig. 5 muestra una unidad de electrodos de
membrana 1 según la invención la cual, por el lado del ánodo,
presenta una placa 14 bipolar. La placa 14 bipolar está conectada,
estanca al gas, con las zonas 8 que sobresalen del borde de
obturación, p. ej. pegadas, de tal manera que entre la membrana 2,
el borde de obturación 6 del lado del ánodo y la placa 14 bipolar
se forme un espacio estanco al gas. El pegado tiene lugar al mismo
tiempo preferentemente mediante el propio medio de obturación. Aquí
tampoco se muestra el borde de obturación 5 adherido a las
superficies frontales de la membrana o al menos a un electrodo. La
unidad de electrodos de membrana y la placa 14 bipolar contienen un
paso 28 ó 24 para gas de combustión para el suministro y evacuación
de gas de combustión. Entre la placa 14 bipolar, el ánodo 3 y las
zonas 8 del borde de obturación que sobresalen hay espacio para una
estructura de conducción de gas 18, por ejemplo, una red de
cuadrados. En la forma de realización mostrada en la Fig. 5 está
formado, alrededor del paso 28, un borde de obturación 5', el cual
sobresale por encima de la superficie del ánodo alejada de la
membrana igual que el borde de obturación 5 formado en el perímetro
de la unidad de electrodos de membrana. La placa 14 bipolar es
protegida así adicionalmente por el borde de obturación 5'. El
hidrógeno que circula a través del paso 28 entra, en parte, a
través de una abertura 23 en el borde de obturación 5', en la
estructura de conducción de gas 18 de la pila de combustible, y en
parte es conducido, a través del paso 24 en la placa 14 bipolar,
hacia la pila contigua. Una introducción de hidrógeno (o de otros
gases) de este tipo es también posible cuando la realización está
integrada en el borde de obturación 5 en el perímetro de la unidad
de electrodos de membrana.
Lo mismo es posible para el suministro de
oxidante en el cátodo.
Para la formación del borde de obturación 5 en
las zonas del borde del electrodo se puede utilizar un medio de
obturación cualquiera, el cual esté en disposición de penetrar en
los poros de las zonas del borde del electrodo, de quedarse allí,
esencialmente inmodificado, bajo las condiciones de funcionamiento
de una pila de combustible, y de formar una barrera contra la
salida de gases reactivos. Son en especial adecuados plásticos
endurecibles y plásticos los cuales, con la utilización de
temperatura elevada y/o presión, en su caso tras una evacuación
previa, puedan penetrar en zonas definidas en los poros de los
electrodos.
Para la formación del borde de obturación en
zonas del borde del electrodo se introduce, por ejemplo, una pieza,
cortada o troquelada al tamaño adecuado, de un material de
electrodos de membrana en un molde de llenado, donde las zonas de
los electrodos en las cuales no debe formarse ningún borde de
obturación así como en su caso las zonas en las cuales están
previstos pasos, están delimitadas del molde de llenado. Entonces
se puede verter plástico en forma líquida, p. ej. un termoplástico
licuado mediante calor, y mediante la utilización de presión,
preferentemente hasta aprox. 2\cdot10^{7} Pa (200 bar), ser
comprimido en los poros de los electrodos en las zonas de los
electrodos no delimitadas. Dependiendo de si se desean obtener
bordes de obturación con cierre enrasado con las superficies de los
electrodos o bordes de obturación los cuales sobresalen por encima
de las superficie de los electrodos, hay que escoger
correspondientemente la formación del útil de moldeo.
En el caso de unidades de electrodos de membrana
de dimensiones de uso corriente (aprox. de 3 cm^{2} a 1.600
cm^{2}) es ventajoso prever bordes de obturación con una anchura
de aproximadamente 0,3 cm a 1 cm, típicamente 0,5 cm. La altura de
las zonas del borde de obturación que, en su caso, sobresalen se
orienta según grosor de la estructura de agitación del gas, que
debe ser colocada en el electrodo.
Alternativamente a la introducción o compresión
de un plástico, licuado mediante temperatura elevada, a presión en
los poros de los electrodos se puede utilizar también un plástico
líquido endurecible de baja viscosidad el cual, gracias a la
capilaridad, penetra en los poros en las zonas del borde de los
electrodos y es endurecido a continuación.
Las resinas epoxi, las siliconas y los plásticos
de poliéster son plásticos endurecibles especialmente adecuados,
los polietilenos, polipropilenos y las poliamidas son
termoplásticos especialmente adecuados.
A continuación se describe un ejemplo para la
fabricación de un borde de obturación en la zona del borde del
electrodo de una unidad de electrodos de membrana 1.
Una unidad de electrodos de membrana, que consta
de una membrana Gore Select de la empresa Gore & Associates,
Inc., un cátodo según la solicitud de patente alemana P 19 544
323.3 de la empresa Magnet Motor GmbH y un ánodo convencional, es
cortada a un tamaño de aproximadamente 90 x 50 mm. En el caso del
cátodo según la solicitud de patente mencionada se trata de un
electrodo de difusión de gas hecho de una tela no tejida de fibra
de carbono, la cual está impregnada, esencialmente deforma
homogénea, con hollín y politetrafluoretileno (razón de masas aquí
5:1), y una capa catalíticamente activa. El catalizador aquí
utilizado es platino sobre carbono. La membrana está completamente
recubierta por los electrodos. La unidad de electrodos de membrana
cortada es introducida en un molde de llenado, cuya superficie de
base está rebajada en su perímetro, en una anchura de
aproximadamente 5 mm, aproximadamente 0,3 mm. La unidad de
electrodos de membrana no se apoya por lo tanto en su zona del borde
directamente sobre la superficie de base del molde de llenado.
Sobre la unidad de electrodos de membrana se coloca una placa de
acero fino la cual presenta una forma que corresponde a la de la
placa de base, si bien respecto de la disposición respecto de la
unidad de electrodos de membrana es especular. Por lo tanto, la
unidad de electrodos de membrana no está tampoco en contacto
directo con el molde de llenado en su otra superficie en una zona
del borde de aproximadamente 5 mm de ancho. En lugar de la placa de
base y la placa de revestimiento pueden utilizarse placas
bipolares, de tal manera que la unidad de electrodos de membrana
sea, durante la formación del borde de obturación, pegada
simultáneamente con las placas bipolares. En el molde están
previstos taladros para introducir plástico, a través de los cuales
se llenan los volúmenes libres del molde de llenado con la resina
epoxi Körapox 439 de la empresa Kömmerling (Alemania) o la resina
de dos componentes CFM 340 sobre base DD de la empresa Dr.
Wiedeking. Es también muy adecuada la masa de relleno de resina
epoxi 5100/5620 GA de la empresa Rhenatech GmbH. Estos plásticos se
absorben, gracias a la capilaridad, en los poros de los electrodos,
principalmente en las zona no revestidas de los electrodos. Por
ello es necesario el relleno varias veces durante el período de
aplicación. A continuación los plásticos son endurecidos a
aproximadamente 60ºC y la unidad de electrodos de membrana acabada
es desmoldada. De esta manera se genera una unidad de electrodos de
membrana con bordes de obturación 6 en la zona del ánodo y 7 en la
zona del cátodo, los cuales presenta una anchura de aprox. 5 mm y
sobresalen aproximadamente 0,3 mm por encima de las superficies de
los electrodos.
Dependiendo del material de la membrana 2, del
material de obturación utilizado y de las condiciones bajo las
cuales ha sido fabricado el borde de obturación (presión,
temperatura), el medio de obturación puede penetrar, en ciertas
circunstancias, también en la membrana, con lo cual aparecen zonas
10 de la membrana rellenas con medio de obturación, como se muestra
en la Fig. 6. Dependiendo de la variante de borde de obturación
deseada, las condiciones de reacción necesarias en cada caso
individual son fácilmente determinables por parte del especialista
en la materia dependiendo de los materiales elegidos mediante
ensayos previos orientativos. Las unidades de electrodos de
membrana 1 con el borde de obturación 5 que atraviesa parcialmente
la membrana 2 poseen una estanqueidad extremadamente alta contra la
salida o la penetración de gases reactivos. La forma de realización
de la unidad de electrodos de membrana 1 según la invención (el
borde de obturación 5 frontal no se muestra en la Fig. 6) mostrada
en la Fig. 6 está montada, con placa bipolar 14 por el lado del
ánodo y placa bipolar 15 por el lado del cátodo, para formar una
pila de combustible donde, entre la membrana 2, el borde de
obturación 6 del lado del ánodo y la placa bipolar 14 o entre la
membrana 2, el borde de obturación 7 del lado del cátodo y la placa
bipolar 15 están formados en cada caso espacios estancos al gas.
Entre las zonas 8 ó 9 sobresalientes de los bordes de obturación
están previstos espacios huecos para acoger estructuras de
conducción de gas 18 ó 19.
La forma de realización completa del borde de
obturación 5 de una unidad de electrodos de membrana 1 según la
invención está representada en la Fig. 7. El borde de obturación 5
no sólo penetra en poros del material de electrodo sino que se
adhiere también en la superficie frontal de la membrana, de la
membrana y un electrodo o de una parte de un electrodo o, como se
muestra en la Fig. 7, en el perímetro de la totalidad de la unidad
de electrodos de membrana. Al mismo tiempo hay que garantizar que
la adhesión entre el material de obturación y la membrana o los
materiales de los electrodos es suficientemente resistente y
estanca como para impedir una salida de gases reactivos. Como
materiales para la formación del borde de obturación 5 frontal se
consideran plásticos, es decir, en primera línea aquellos como los
que son adecuados también para borde de obturación formado en la
zona del borde de electrodo. Con el fin de garantizar en cualquier
caso la adhesión en el lado frontal de la membrana 2 muy delgada se
puede aplicar, antes de la colocación del borde de obturación 5, un
agente adherente 11, p. ej. un agente adherente que segregue
SiO_{2}, o al lado frontal de la membrana se le puede aplicar
mordiente. El borde de obturación según la invención es adecuado
para membranas algo gruesas (a partir de aprox. 100 \mum) y
otras, p. ej. membranas discrecionalmente delgadas (p. ej. 5
\mum).
La colocación del borde de obturación en el lado
frontal tiene lugar se manera similar a la formación del borde de
obturación, el cual es formado únicamente en zonas del borde de los
electrodos, es decir, mediante introducción de una pieza de un
material de electrodos de membrana de tamaño adecuado en un molde
de llenado que, en las zonas en las cuales debe ser formado el
borde de obturación, deja espacio para la introducción del material
de obturación, introducción y solidificación o endurecimiento a
continuación del medio de obturación. Si en el borde de obturación
hay que prever pasos, el molde de llenado debe ser formado de tal
manera que en las zonas de paso no pueda entrar o pueda entrar muy
poco medio de obturación. Esto es posible, por ejemplo, mediante
inserción de espigas, a las cuales el medio de obturación se
adhiere mal, y que por ello pueden ser retiradas de nuevo con
facilidad. La anchura de los bordes de obturación colocados
frontalmente es, en unidades de electrodos de membrana de tamaño
usual, de aproximadamente 0,2 cm a 1 cm, preferentemente de aprox.
0,5 cm o menos.
Las condiciones de reacción se eligen según la
invención de tal manera que cuando se forma el borde de obturación
en los lados frontales de la membrana 2 y electrodos 3, 4, en el
perímetro de la unidad de electrodos de membrana penetra también
medio de obturación en las zonas del borde de los electrodos de tal
manera que se obtiene una combinación de borde de obturación frontal
y borde de obturación en las zonas del borde del electrodo 6', 7',
como la que se indica en la Fig. 7 mediante las líneas de
trazos.
Las Figs. 8 y 9 muestran posibilidades
alternativas para la formación de un espacio hueco para acoger una
estructura de conducción de gas, donde la Fig. 8 muestra la
posibilidad, anteriormente explicada, de la formación de bordes de
obturación sobresalientes. En la forma de realización mostrada en la
Fig. 9 hermetizan los bordes de obturación 6 y 7 con el ánodo y el
cátodo enrasados con la superficie del ánodo o el cátodo. Para ello
la placa 14 ó 15 bipolar tiene una zona central delgada así como
una zona del borde 16 ó 17 gruesa, donde la diferencia entre el
grosor de la zona del borde y el grosor de la zona central define
la altura del espacio hueco disponible para acoger una estructura de
conducción de gas. La anchura de las zonas del borde 16 y 17 se
elige, preferentemente, en correspondencia con la anchura del borde
de obturación 5. La parte frontal del borde de obturación no se
muestra en las Figuras 8 y 9.
Para lograr una adhesión especialmente resistente
entre el borde de obturación 5 y la placa 14, 15 bipolar pueden
preveerse, en las zonas 8, 9 sobresalientes del borde de
obturación, escotaduras 29 para acoger un adhesivo adicional, p. ej.
silicona.
Para el suministro de gases reactivos,
refrigerante o para la disposición de dispositivos de fijación es
frecuentemente necesario prever una o varias aberturas o pasos en
las unidades de electrodos de membrana, las cuales deben ser
obturadas contra la salida o penetración de gases. Estos pasos
pueden estar obturados cada uno por separado, como se muestra en
las Figuras 4 y 5, en las cuales existe en cada caso únicamente un
paso, el cual es obturado mediante zonas 5' rellenas con medio de
obturación. Cuando se necesitan varios pasos éstos pueden ser
reunidos también formando uno o varios grupos de pasos próximos
entre sí, los cuales son obturados conjuntamente, es decir, los
pasos de un grupo son separados entre sí y de la zona activa de la
membrana de la unidad de electrodos de membrana mediante zonas 5'
rellenas con medio de obturación.
En estas formas de realización hay que utilizar,
sin embargo, una parte de la unidad de electrodos de membrana para
los pasos y sus obturaciones, la cual en caso contrario estaría
disponible como zona activa. Esta pérdida de zona activa se puede
evitar cuando se integran los pasos en el borde de obturación en el
perímetro de la unidad de electrodos de membrana, como está
representado a modo de ejemplo en las Figuras 10 y 11.
La Fig. 10 muestra una unidad de electrodos de
membrana con membrana 2, ánodo 3, cátodo 4 y borde de obturación 5
en el perímetro exterior de la unidad de electrodos de membrana en
combinación con medio de obturación en las zonas del borde del
ánodo 3 y el cátodo 4 con la formación de la zona de obturación 6 ó
7 del borde de obturación 5. El borde de obturación 5 sobresale por
encima de la superficie del ánodo así como por encima de la
superficie del cátodo. En la zona del borde de obturación que
consta únicamente de medio de obturación está previsto un paso 30
que discurre, respecto del plano de la unidad de electrodos de
membrana, esencialmente perpendicular. A la altura de la zona del
borde de obturación 5 que sobresale por encima de la superficie del
ánodo se ramifican de aquí pasos de distribuidos horizontales, es
decir que discurren paralelos respecto de la unidad de electrodos
de membrana, como se puede ver en la Fig. 11. La Fig. 11 muestra
una vista superior sobre la unidad de electrodos de membrana según
la Fig. 10, vista desde el lado del ánodo (sin placa 14 bipolar).
Estos pasos de distribuidor tienen, principalmente por motivos de
fabricación sencilla, la forma de acanaladuras 31 en la superficie
del lado del ánodo del borde de obturación 5 y desembocan en el
espacio, que contiene una estructura de conducción de gas 18, entre
la superficie del ánodo y la placa 14 bipolar. Las acanaladuras 31
pueden ser moldeadas, durante la fabricación del borde de
obturación, mediante utilización de un molde de llenado
adecuadamente formado, en la superficie del borde de obturación 5,
o ser moldeadas con posterioridad en el borde de obturación, p. ej.
fresadas. La placa 14 bipolar posee, en el punto situado por encima
del paso 30, un paso 24 y obtura de forma estanca al gas, por lo
demás, las acanaladuras 31 y el espacio para la estructura de
conducción de gas 18 situada por encima del ánodo. De esta manera
el hidrógeno que circula por el paso 30 puede, por un lado, ser
suministrado a través de las acanaladuras 31 del ánodo 3 y, por el
otro, ser conducido, a través del paso 24 en la placa 14 bipolar,
hacia la pila contigua. Para lograr una adhesión especialmente
resistente entre el borde de obturación y la placa bipolar está
prevista en el borde de obturación una escotadura 29 en la cual se
puede introducir adhesivo adicional.
La unidad de electrodos de membrana según la
invención con pasos en el borde de obturación se puede fabricar,
como se ha descrito con anterioridad para bordes de obturación sin
pasos, donde las zonas de los pasos y acanaladuras posteriores
deben ser limitadas por el molde, de tal manera que no pueda
penetrar medio de obturación alguno. Alternativamente se puede
fabricar primero también un borde de obturación sin paso y/o
acanaladuras y éstos pueden ser colocados entonces en el borde de
obturación acabado, por ejemplo mediante taladrado, estampado o
fresado.
La Fig. 12 muestra una sección de un apilamiento
de pilas de combustible con pilas de combustible, las cuales
presentan unidades de electrodos de membrana 1 según la invención.
En el apilamiento de pilas de combustible mostrado no se introduce
oxígeno en espacios de gas de medio de oxidación hermetizados y
obturados sino que se soplan, con la ayuda de un ventilador, entre
la placa bipolar que forma el cierre de una pila y la superficie de
cátodo de una pila contigua, donde una red de rejilla entre la
placa bipolar y el cátodo garantiza el mantenimiento de la
distancia necesaria. La unidad formada por membrana 2, ánodo 3,
cátodo 4 y placa 14 bipolar (con pasos de gas 20 para hidrógeno)
mostrada en la Fig. 12 puede, si en el transcurso de la duración del
funcionamiento del apilamiento de pilas de combustible se hubiese
formado en algún lugar una pérdida de hidrógeno, ser retirada sin
problemas de forma individual del apilamiento de manera que el
espacio de ánodo de cada una de las pilas individuales puede ser
comprobado en cuanto a su estanqueidad. La parte frontal del borde
de obturación no se muestra en la Fig. 12.
La presente invención permite por consiguiente
fabricar, de forma sencilla y barata, unidades de electrodos de
membrana las cuales permiten, en combinación con una placa bipolar,
la formación de espacio de electrodos estancos al gas. En cada pila
de combustible se puede comprobar por separado la estanqueidad de
los espacios de electrodos estancos al gas.
- 1
- unidad de electrodos de membrana
- 2
- membrana de electrólito polímero
- 3
- ánodo
- 4
- cátodo
- 5
- borde de obturación en el perímetro de la unidad de electrodos de membrana
- 5'
- borde de obturación alrededor del paso 28
- 6'
- zona del borde en el perímetro del ánodo, en la cual debe penetrar el medio de obturación,
- 6
- zona del lado del ánodo del borde de obturación 5
- 7'
- zona del borde en el perímetro del cátodo, en la cual debe entrar el medio de obturación
- 7
- zona del lado del cátodo del borde de obturación 5
- 8
- zona del borde de obturación 5 que sobresale por encima de la superficie del ánodo
- 9
- zona del borde de obturación 5 que sobresale sobre la superficie del cátodo
- 10
- zona del borde de la membrana rellena con medio de obturación
- 11
- agente adherente
- 13
- zona del cátodo libre de borde de obturación
- 14
- placa bipolar del lado del ánodo
- 15
- placa bipolar del lado del cátodo
- 16
- zona del borde engrosada de la placa bipolar del lado del ánodo
- 17
- zona del borde engrosada de la placa bipolar del lado del cátodo
- 18
- estructura de conducción de gas del lado del ánodo
- 19
- estructura de conducción de gas del lado del cátodo
- 20
- paso de gas para hidrógeno en la placa 14 bipolar
- 21
- suministro de hidrógeno
- 22
- evacuación de hidrógeno
- 23
- abertura en el borde de obturación 5'
- 24
- paso en la placa 14 bipolar
- 25
- zonas del borde de membrana, no cubiertas por material de electrodo
- 26'
- zona del borde del lado del ánodo alrededor del paso 28
- 26
- zona del lado del ánodo del borde de obturación 5'
- 27'
- zona del borde del lado del cátodo alrededor del paso 28
- 27
- zona del lado del cátodo del borde de obturación 5'
- 28
- paso a través de la unidad de electrodos de membrana
- 29
- escotadura en el borde de obturación para acoger de adhesivo para el pegado con la placa bipolar
- 30
- paso a través del borde de obturación 5
- 31
- acanaladuras en el borde de obturación 5
Claims (35)
1. Unidad de electrodos de membrana (1) con borde
de obturación (5) integrado para una célula de combustible de
membrana de electrólito polímero provista de una membrana de
electrólito de polímero (2), un ánodo (3) dispuesto en la
superficie de la membrana y un cátodo (4) dispuesto en la otra
superficie de la membrana, caracterizada porque la membrana
(2) está cubierta, por ambas superficies, esencialmente por
completo por los electrodos (3, 4) y alrededor del perímetro de la
unidad de electrodos de membrana (1) está previsto un borde de
obturación (5), que atraviesa de tal manera una zona del borde
(6',7') de al menos uno de los electrodos (3, 4), que los poros de
dicho por lo menos un electrodo están rellenos esencialmente en la
zona del borde, y que se adhiere a la zona de la membrana (2) que
está en contacto con la zona del borde (6', 7') y a las superficies
frontales de la membrana (2) y dicho por lo menos un electrodo (3,
4).
2. Unidad de electrodos de membrana (1) según la
reivindicación 1, caracterizada porque presenta al menos un
paso (28), en el cual está previsto, al menos en una zona parcial,
un borde de obturación (5'),
- -
- que atraviesa una zona del borde (26', 27') que rodea el paso de al menos uno de los electrodos (3, 4), de tal manera que los poros de dicho por lo menos un electrodo están esencialmente rellenos en la zona del borde, y que se adhiere en la zona de la membrana (2) que está en contacto con la zona del borde (26', 27'), y/ó
- -
- se adhiere en las superficies frontales de por lo menos dicha membrana (2).
3. Unidad de electrodos de membrana (1) según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque presenta al menos
un paso (30) en el borde de obturación (5) alrededor del perímetro
de la unidad de electrodos de membrana.
4. Unidad de electrodos de membrana (1) según la
reivindicación 3, caracterizada porque en el borde de
obturación (5) está formado al menos un dispositivo (31), que está
conectado con el paso (30), para el suministro de un gas reactivo
hacia al menos un electrodo o un espacio de electrodo.
5. Unidad de electrodos de membrana (1) según la
reivindicación 4, caracterizada porque dicho por lo menos un
dispositivo (31) son acanaladuras previstas en una superficie del
borde de obturación (5).
6. Unidad de electrodos de membrana (1) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada
porque el borde de obturación (5) atraviesa una zona del borde (6')
del ánodo (3) y se adhiere con la zona de la membrana (2) que está
en contacto con la zona del borde (6').
7. Unidad de electrodos de membrana (1) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada
porque el borde de obturación (5) se adhiere a las superficie
frontales de al menos el ánodo (3) y las superficies frontales de la
membrana (2).
8. Unidad de electrodos de membrana (1) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada
porque el borde de obturación (5, 5') hermetiza enrasado con la
superficie alejada de la membrana de dicho por lo menos un
electrodo (3, 4).
9. Unidad de electrodos de membrana (1) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada
porque el borde de obturación (5, 5') sobresale por encima de la
superficie alejada de la membrana de dicho por lo menos un
electrodo (3, 4).
10. Unidad de electrodos de membrana (1) según la
reivindicación 9, caracterizada porque en la zona que
sobresale del borde de obturación (5) está prevista una escotadura
(29) para acoger un adhesivo.
11. Unidad de electrodos de membrana (1) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada
porque el borde de obturación (5, 5') está realizado en plástico o
contiene plástico.
12. Unidad de electrodos de membrana (1) según la
reivindicación 11, caracterizada porque el plástico es un
termoplástico o un plástico endurecible el cual, en el estado
fundido o antes del endurecimiento, es suficientemente líquido y
poco viscoso como para poder penetrar por capilaridad en los poros
de al menos uno de los electrodos (3, 4).
13. Unidad de electrodos de membrana (1) según la
reivindicación 11, caracterizada porque el plástico es, a
temperatura ambiente o temperatura elevada, suficientemente líquido
o poco viscoso para poder penetrar, bajo presión, en los poros de
al menos uno de los electrodos (3, 4).
14. Unidad de electrodos de membrana (1) según
cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizada
porque el plástico es un polietileno, un polipropileno o una
poliamida.
15. Unidad de electrodos de membrana (1) según
cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizada
porque el plástico es una resina epoxi, una silicona o un plástico
de poliéster.
16. Unidad de electrodos de membrana (1) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizada
porque el borde de obturación (5) de al menos el ánodo (3) está
pegado estanco al agua con una placa bipolar (14, 15).
17. Procedimiento para la fabricación de una
unidad de electrodos de membrana (1) con borde de obturación (5)
integrado para una pila de combustible de membrana de electrólito
de polímero, que presenta las etapas siguien-
tes:
tes:
- -
- preparación de un material de capa de electrodos de membrana hecho de material de ánodo (3), material de cátodo (4) y material de material de membrana de electrólito polímero (2),
- -
- separación de un fragmento del material de capa con el tamaño adecuado para la fabricación de la unidad de electrodos de membrana (1) deseada, donde en el fragmento separado la membrana (2) está cubierta, en ambas superficies, esencialmente por completo por los electrodos (3, 4), y
- -
- formación de un borde de obturación (5) alrededor del perímetro del fragmento dejando penetrar un medio de obturación en la zona del borde (6', 7) de al menos uno de los electrodos (3, 4), donde los poros de dicho por lo menos un electrodo (3, 4) son llenados en la zona del borde esencialmente por completo, de tal manera que el borde de obturación (5) atraviesa una zona del borde (6', 7') de al menos uno de los electrodos (3, 4) y se adhiere en la zona de la membrana (2) que está en contacto con la zona del borde (6', 7'), y la colocación de un medio de obturación en las superficies frontales de al menos uno de los electrodos (3, 4) y las superficies frontales de la membrana (2), de tal manera que el borde de obturación se adhiera a las superficies frontales de la membrana (2) y de dicho por lo menos un electrodo (3, 4).
18. Procedimiento según la reivindicación 17, que
presenta además las siguientes etapas:
- -
- formación de un paso (28),
- -
- formación de un borde de obturación (5') al menos en una zona parcial de una zona del borde (26', 27') que rodea el paso de al menos uno de los electrodos (3, 4)
- -
- dejando penetrar un medio de obturación en la zona del borde (26', 27') de dicho por lo menos un electrodo (3, 4), donde los poros de dicho por lo menos un electrodo (3, 4) son llenados, en la zona del borde, esencialmente por completo, de tal manera que el borde de obturación atraviesa la zona del borde y se adhiere en la zona de la membrana (2) que está en contacto con la zona del borde, y/o
- -
- mediante colocación de un medio de obturación en las superficies frontales de al menos la membrana (2), de tal manera que el borde de obturación está adherido a las superficies frontales de al menos la membrana (2).
19. Procedimiento según la reivindicación 17 ó
18, caracterizado porque en el borde de obturación (5),
alrededor del perímetro de la unidad de electrodos de membrana (1),
se forma al menos un paso (30).
20. Procedimiento según la reivindicación 19,
caracterizado porque en el borde de obturación (5) está
formado al menos un dispositivo (31), que está en contacto con el
paso (3), para el suministro de un gas reactivo hacia al menos un
electrodo o un espacio de electrodo.
21. Procedimiento según la reivindicación 20,
caracterizado porque dicho por lo menos un dispositivo (31)
está previsto en forma de acanaladuras en una superficie del borde
de obturación (5).
22. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 17 a 21, caracterizado porque el borde de
obturación (5, 5') se obtiene con la utilización de plástico
termoplástico o endurecible.
23. Procedimiento según la reivindicación 22,
caracterizado porque como plástico se utiliza polietileno,
polipropileno o una poliamida.
24. Procedimiento según la reivindicación 22,
caracterizado porque como plástico se utiliza una resina
epoxi, una silicona o un plástico de poliéster.
25. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicacionnes 22 a 24, caracterizado porque el borde de
obturación (5, 5') se obtiene haciendo que entre en contacto
plástico en forma líquida con una zona de borde (6', 7', 26', 27')
de al menos uno de los electrodos (3, 4) y mediante solidificación o
endurecimiento.
26. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 25, caracterizado porque el borde de
obturación (5') se forma en un paso (28) haciendo que entren en
contacto plástico en forma líquida con las superficies frontales de
al menos la membrana (2) y mediante solidificación o
endurecimiento.
27. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 17 a 26, caracterizado porque el borde de
obturación (5, 5') se obtiene mediante la utilización de presión
y/o temperatura elevada.
28. Procedimiento según la reivindicación 27,
caracterizado porque se realiza la evacuación antes de la
aplicación de la presión.
29. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 17 a 28, caracterizado porque el borde de
obturación (5, 5') se obtiene dejando penetrar el material de
obturación, gracias a la capilaridad, en la zona del borde (6', 7')
de al menos uno de los electrodos (3, 4).
30. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 17 a 29, caracterizado porque el borde de
obturación (5, 5') se forma de tal manera que hermetiza enrasado
con la superficie alejada de la membrana de al menos uno de los
electrodos (3, 4).
31. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 17 a 29, caracterizado porque el borde de
obturación (5, 5') se forma de tal manera que sobresale por encima
de la superficie alejada de la membrana de al menos uno de los
electrodos (3, 4).
32. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 17 a 31, caracterizado porque las zonas de
los electrodos (3, 4) y/o de la membrana (2), en las cuales debe
ser formado el borde de obturación (5, 5'), son tratadas
previamente antes de la formación del borde de obturación.
33. Procedimiento según la reivindicación 32,
caracterizado porque el tratamiento previo consiste en una
reticulación de las zonas del electrodo (3, 4) en las cuales debe
ser formado el borde de obturación con un disolvente del medio de
obturación.
34. Procedimiento según la reivindicación 32,
caracterizado porque el tratamiento previo consiste en un
fresado de las zonas de la superficie del electrodo (3, 4) en las
cuales debe ser formado el borde de obturación.
35. Procedimiento según la reivindicación 32,
caracterizado porque el tratamiento previo consiste en una
oxidación parcial de las zonas de los materiales de carbono del
electrodo (3, 4), en las cuales debe ser formado el borde de
obturación.
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