ES2220670T3 - Procedimiento para fabricar electrodos, componentes, semicelulas y celulas para convertidores de energia electroquimicos. - Google Patents

Procedimiento para fabricar electrodos, componentes, semicelulas y celulas para convertidores de energia electroquimicos.

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ES2220670T3
ES2220670T3 ES01272023T ES01272023T ES2220670T3 ES 2220670 T3 ES2220670 T3 ES 2220670T3 ES 01272023 T ES01272023 T ES 01272023T ES 01272023 T ES01272023 T ES 01272023T ES 2220670 T3 ES2220670 T3 ES 2220670T3
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Marc Bednarz
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Abstract

Procedimiento para fabricar electrodos, componen tes, semicélulas y células para convertidores de energía electroquímicos, caracterizado por los pasos siguientes: a) fabricación de un material de soporte poroso (4a; 4b) de tipo plano; b) aplicación de al menos una capa de un material de electrodo (1; 2) y/o una capa de un material catalizador (18) sobre el material de soporte poroso (4a; 4b); c) laminación o prensado del material de soporte po roso (4a, 4b) junto con la capa del material de electrodo (1; 2) aplicada sobre él y/o la capa del material catali zador (18) hasta un espesor prefijado (d), generando al propio tiempo una superficie plana y lisa o estructurada, reduciéndose el espesor de al menos el material de soporte poroso (4a; 4b).

Description

Procedimiento para fabricar electrodos, componentes, semicélulas y células para convertidores de energía electroquímicos.
La invención concierne a un procedimiento para fabricar electrodos, componentes, semicélulas y células para convertidores de energía electroquímicos.
Convencionalmente, la fabricación de electrodos, componentes, semicélulas y células para convertidores de energía electroquímicos, tal como para disposiciones de pilas de combustible o disposiciones de celdas de electrólisis, significa procesos complicados y, por tanto, costosos en los que los componentes son fabricados individualmente en procedimientos de producción diferentes y sometidos en parte a complejos procesos a alta temperatura, como cochura, sinterización, relleno de masa fundida bajo atmósfera gaseosa controlada. Para la fabricación de pilas de combustible o celdas para aplicaciones electrolíticas se fabrican, por ejemplo, los electrodos y componentes mediante colada en lámina y procedimientos de relleno en seco y se combinan unos con otros después de una pluralidad de pasos de proceso y tratamiento adicionales para formar semicélulas, células y apilamientos de células.
El cometido de la invención consiste en indicar un procedimiento simplificado para fabricar electrodos, componentes, semicélulas y células para convertidores de energía electroquímicos.
Este problema se resuelve con el procedimiento indicado en la reivindicación 1.
Formas de ejecución ventajosas del procedimiento según la invención están caracterizadas en las reivindicaciones subordinadas.
Mediante la invención se crea un procedimiento para fabricar electrodos, componentes, semicélulas y células para convertidores de energía electroquímicos. Según la invención, el procedimiento contiene los pasos siguientes:
a) fabricación de un material de soporte poroso de tipo plano;
b) aplicación de al menos una capa de un material de electrodo y/o una capa de un material catalizador sobre el material de soporte poroso;
c) laminación o prensado del material de soporte poroso junto con la capa del material de electrodo aplicada sobre él y/o la capa del material catalizador hasta un espesor prefijado, generando al propio tiempo una superficie plana y lisa o estructurada.
Una ventaja esencial del procedimiento según la invención consiste en una fuerte reducción del número de pasos necesarios del procedimiento para fabricar las partes citadas. Así, es posible la supresión de costosos pasos a alta temperatura bajo atmósfera gaseosa controlada.
En el paso c) se lamina o prensa el material de soporte poroso junto con la capa del material de electrodo aplicada sobre él y/o la capa del material catalizador hasta un espesor prefijado que es menor que su espesor original antes del proceso de laminación o prensado.
Según una forma de ejecución muy ventajosa del procedimiento de la invención, se ha previsto que se genere en el material de soporte poroso un texturado y/o un perfilado.
Según una forma de ejecución preferida de esto, se ha previsto que el texturado se genere por laminación o prensado por medio de un elemento de perfilado en el paso c).
Según una forma de ejecución alternativa, se ha previsto que el texturado se genere mediante laminación o prensado por medio de un elemento de perfilado en un paso d) adicional.
En una última forma de ejecución, es ventajoso realizar la laminación o prensado por medio del elemento de perfilado en el paso d) adicional después de la laminación o prensado según el paso c).
Según un aspecto ventajoso del procedimiento de la invención, se ha previsto que el texturado forme en el material de soporte poroso unos canales de conducción de gas que sirven para la alimentación y evacuación de gas convertido en el convertidor de energía electroquímico.
Según una forma de ejecución del procedimiento de la invención, el elemento de perfilado que genera el texturado está formado por un rodillo o una parte de prensa que está provisto de un perfilado en su superficie.
Según una forma de ejecución alternativa, que es especialmente ventajosa, el elemento de perfilado que genera el texturado está formado por una parte separada que circula entre un rodillo y el material de soporte poroso.
Según una forma de ejecución preferida del procedimiento de la invención, el elemento de perfilado que genera el texturado es una rejilla o un perfil de tipo plano.
Según una forma de ejecución de esto, el elemento de perfilado que genera el texturado es de forma de placa.
Según una forma de ejecución alternativa, que es de importancia especial, el elemento de perfilado que genera el texturado es una cinta circulante que circula entre el rodillo y el material de soporte poroso.
Según una ejecución adicional del procedimiento de la invención, se ha previsto que tenga lugar un proceso de secado, de cocción o de sinterización antes de la laminación o prensado.
Según otra ejecución del procedimiento de la invención, se ha previsto que tenga lugar un proceso de cocción o de sinterización antes de la laminación o prensado.
Según un perfeccionamiento ventajoso del procedimiento de la invención, se aplica una capa de un material de electrodo sobre un lado del material de soporte poroso y se aplica una capa de un material catalizador sobre el lado opuesto del material de soporte poroso.
Según una forma de ejecución alternativa del procedimiento de la invención, se aplica una capa de un material de electrodo sobre el material de soporte poroso y se aplica una capa de un material de matriz electrolítica sobre la capa del material de electrodo.
El material de soporte poroso es un metal sinterizado poroso o una espuma metálica y se fabrica mediante un procedimiento al carbonilo, deposición, galvanización o espumado. El metal puede depositarse sobre una espuma de poliuretano preformada por medio de un procedimiento galvánico, químico, PVD y CVD.
Según una forma de ejecución especialmente ventajosa del procedimiento de la invención, la aplicación de la capa del material de electrodo y/o la capa de material catalizador se efectúa por pulverización de una materia prima de electrodo pulverizable o de un material catalizador pulverizable.
Según una forma de ejecución alternativa del procedimiento de la invención, la aplicación de la capa del material de electrodo sobre el material de soporte puede efectuarse por rasquetado de una materia prima de electrodo viscosa o pastosa.
Según otra forma de ejecución alternativa del procedimiento de la invención, la aplicación de la capa del material de electrodo sobre el material de soporte poroso puede efectuarse por colada, colada en lámina o inmersión con una materia prima de electrodo líquida.
Según otra forma de ejecución muy ventajosa de la invención, la aplicación de la capa del material de matriz electrolítica puede efectuarse mediante pulverización de una materia prima de matriz pulverizable.
Según una forma de ejecución alternativa del procedimiento de la invención, la aplicación de la capa del material de matriz electrolítica puede efectuarse por rasquetado, colada, colada en lámina de una materia prima de matriz líquida, viscosa, pastosa o plástica.
Según un aspecto muy ventajoso del procedimiento de la invención, se fabrican con éste electrodos, componentes, semicélulas o células para una disposición de pila de combustible.
Según otro aspecto muy ventajoso del procedimiento de la invención, se fabrican con éste electrodos, componentes, semicélulas o células para una disposición de celda de electrólisis.
Se explican seguidamente ejemplos de ejecución de la invención con referencia al dibujo. Muestran:
la figura 1, una representación esquematizada de un primer ejemplo de ejecución del procedimiento según la invención, mostrándose en las figuras 1a), b) y c) variantes diferentes del mismo;
la figura 2, una representación esquematizada de un segundo ejemplo de ejecución del procedimiento según la invención; y
las figuras 3 y 4, en una vista en sección transversal ampliada esquematizada, un fragmento de la figura 1 que muestra una capa de un material de electrodo sobre una capa de un material de soporte poroso y una representación en perspectiva del material de soporte poroso solo, respectivamente.
La figura 1 muestra una representación esquematizada de la puesta en práctica del procedimiento para fabricar electrodos, componentes, semicélulas y células para convertidores de energía electroquímicos según un ejemplo de ejecución de la invención. En el presente caso, puede tratarse, por ejemplo, de la fabricación de una semicélula para una pila de combustible con carbonato fundido. El símbolo de referencia 4a significa un material de soporte poroso de tipo plano que se ha fabricado mediante un procedimiento al carbonilo, deposición, galvanización o espumado. Por ejemplo, el material de soporte puede ser un material de espuma de níquel con un contenido de sólidos de 4% a aproximadamente 35% o un material sinterizado de níquel poroso.
Sobre el material de soporte poroso 4a se aplica una capa de un material de electrodo 1. El material de electrodo 1 puede consistir preferiblemente, en el ejemplo de ejecución representado, en una capa de un material anódico. El material de soporte poroso 4a se lamina por medio de rodillos 22, 24 hasta un espesor prefijado d junto con la capa del material de electrodo 1 aplicada sobre él, pudiendo estar dispuestos dos rodillos 22, 24 uno enfrente de otro. El espesor prefijado d hasta el cual se lamina el material de soporte poroso 4a junto con la capa del material de electrodo 1 que se encuentra sobre él, es menor que su espesor original D antes del proceso de laminación. Alternativamente, si bien esto no se ha representado, se puede lograr una superficie plana o estructurada por prensado en lugar de laminación. El proceso de laminación puede sustituirse también en lo que sigue por un respectivo proceso de prensado. En la laminación o prensado se reduce el espesor del material de soporte poroso y/o del material de electrodo.
En el material de soporte poroso 4 se genera un texturado en el lado alejado del electrodo 1 por medio de un elemento de perfilado. En el ejemplo de ejecución representado en la figura 1a) el elemento de perfilado 26 es una pieza separada que está construida en forma de una rejilla o un perfil de tipo plano y que circula como una cinta circulante entre el rodillo 24 y el material de soporte poroso 4a.
Empleando una prensa se introduciría análogamente, en lugar de una cinta circulante, una pieza de construcción plana entre la parte de prensado y el material de soporte.
Alternativamente, como se muestra en la figura 1b), el elemento de perfilado puede estar formado también por un rodillo 25 o una parte de prensa que está provisto de un perfilado 29 en su superficie y que se emplea en lugar del rodillo 22 de la figura 1a).
Según otra alternativa que se representa en la figura 1c), el elemento de perfilado que genera el texturado puede estar formado también por una pieza separada 30 que está construida como una rejilla o un perfil de tipo plano, tiene forma de placa y se hace pasar por entre el rodillo 22 y el material de soporte poroso 4a.
En los ejemplos de ejecución mostrados en las figuras 1a) a c) se genera el texturado mediante laminación por medio del elemento de perfilado 26 (figura 1a)) o del elemento de perfilado 25, 29 (figura 1b)) o por medio del elemento de perfilado 30 (figura 1c)) durante la laminación del material de soporte poroso 4a junto con la capa de material de electrodo 1 aplicada sobre él hasta el espesor prefijado d. Como alternativa, el texturado puede generarse también por laminación por medio de un elemento de perfilado correspondiente 26; 25, 29; 30 en un paso adicional del procedimiento que se realiza preferiblemente después de la laminación hasta el espesor prefijado d.
Haciendo referencia de nuevo a la figura 1a), se puede apreciar en su lado izquierdo un ejemplo de ejecución adicional en el que se aplica una capa de un material catalizador 18 sobre el material de soporte poroso 4a, a saber, sobre el lado del material de soporte poroso 4a opuesto al electrodo 1. La capa de catalizador 18 consiste en una capa que sirve para la reformación interna del gas combustible en el interior de una disposición de pila de combustible, formando el electrodo 1 el ánodo y encontrándose la capa de catalizador 18 en el lado opuesto del mismo sobre el material de soporte poroso 4a. En este caso, se lamina después el material de soporte poroso 4a hasta el espesor prefijado d junto con la capa del material de electrodo 1 aplicada sobre él y la capa del material catalizador 18, generándose una superficie plana y lisa o estructurada, con la excepción del texturado generado por el elemento de perfilado 26; 25, 29; 30.
La aplicación de la capa del material de electrodo 1 se efectúa preferiblemente por pulverización de una materia prima de electrodo pulverizable y la aplicación de la capa del material catalizador 18 eventualmente prevista se efectúa también por pulverización de un material catalizador pulverizable.
Además, como se ha representado en la figura 1, se pueden realizar otros pasos del procedimiento durante la fabricación de electrodos, componentes, semicélulas o células para convertidores de energía electroquímicos. Así, antes de la laminación se puede realizar un proceso de secado, de cocción o de sinterización. Después de la laminación se pueden realizar también procesos de cocción o de sinterización o bien otros pasos del procedimiento, como pulverización, revestimiento o procesos de combinación.
La figura 2 muestra un ejemplo de ejecución del procedimiento según la invención en el que, análogamente a la figura 1, se aplica una capa de un material de electrodo 2 sobre el material de soporte poroso 4b. El material de soporte poroso 4b es laminado de nuevo junto con el material de electrodo 2 hasta un espesor prefijado d, generándose una superficie plana y lisa. Sin embargo, sobre el material de soporte poroso 4b se ha aplicado, adicionalmente a la capa del material de electrodo 2, una capa de un material de matriz electrolítica 3. En el ejemplo de ejecución representado la capa del material de electrodo 2 consiste preferiblemente en material de electrodo para un cátodo, de modo que el material de soporte poroso 4b lleva el cátodo 2 y el cátodo 2 a su vez lleva la matriz electrolítica 3. El material de soporte poroso 4b, junto con la capa del material de electrodo 2 y la capa del material de matriz electrolítica 3 dispuesta sobre el mismo, es laminado hasta el espesor prefijado d, el cual es menor que el espesor original D de estas capas antes del proceso de laminación.
En el material de soporte poroso 4b se genera un texturado por medio de un elemento de perfilado 28. En el ejemplo de ejecución aquí representado el elemento de perfilado 28 está formado por una pieza separada que se presenta en forma de una rejilla o un perfil de tipo plano o como una cinta circulante que circula entre el rodillo 24 y el material de soporte poroso 4b.
Análogamente a lo que ocurre en los ejemplos de ejecución mostrados en las figuras 1a) a c), el elemento de perfilado puede estar formado también por un rodillo que está provisto de un perfilado en su superficie y que se emplea en lugar del rodillo 24 de la figura 2, o bien el elemento de perfilado que genera el texturado puede estar formado igualmente por una pieza separada que está construida como una rejilla o un perfil de tipo plano, tiene forma de placa y se hace pasar por entre el rodillo 24 y el material de soporte poroso 4b.
El texturado se genera durante la laminación del material de soporte poroso 4b, junto con las capas aplicadas sobre él, hasta el espesor prefijado d. Alternativamente, el texturado puede ser generado también por laminación por medio de un elemento de perfilado correspondiente en un paso adicional del procedimiento que se realiza preferiblemente después de la laminación hasta el espesor prefijado d.
Al igual que ocurre también en el ejemplo de ejecución representado en la figura 1, antes de la laminación puede tener lugar adicionalmente un proceso de secado, un proceso de cocción o un proceso de sinterización, y después de la laminación puede ejecutarse también un proceso de cocción o un proceso de sinterización o pasos adicionales del procedimiento, como pulverización, revestimiento o procesos de combinación.
Asimismo, al igual que ocurre en el ejemplo de ejecución representado en la figura 1, la fabricación del material de soporte poroso 4b de tipo plano puede efectuarse mediante un procedimiento al carbonilo, deposición, galvanización o espumado. La aplicación de la capa del material de electrodo 2 puede efectuarse preferiblemente por pulverización de una materia prima pulverizable. Como alternativa, la aplicación de la capa del material de electrodo 2 puede efectuarse también por rasquetado de una materia prima de electrodo viscosa o pastosa sobre el material de soporte poroso 4b.
Según otra alternativa, la aplicación de la capa del material de electrodo 2 sobre el material de soporte poroso 4b puede efectuarse también por colada, colada en lámina o inmersión con una materia prima de electrodo líquida.
La aplicación de la capa del material de matriz electrolítica 3 se efectúa preferiblemente por pulverización de una materia prima de matriz pulverizable. Como alternativa, la aplicación de la capa del material de matriz electrolítica 3 puede realizarse también por rasquetado, colada o colada en lámina de una materia prima de matriz líquida, viscosa, pastosa o plástica.
Como muestran esquemáticamente la figura 3 y la figura 4, según un aspecto de la invención se forman en el material de soporte poroso 4a; 4b, por efecto del texturado que se realiza por medio de los elementos de perfilado 26; 28; 25, 29; 30, unos canales de transporte 17 para medios gaseosos o líquidos que sirven para la alimentación o evacuación de gas convertido en el convertidor de energía electroquímico.
Como puede verse en la representación en sección transversal ampliada mostrada en la figura 3, que muestra un material de soporte poroso 4a; 4b de tipo plano con un electrodo 1, 2 aplicado sobre él, se crean por el texturado unos canales 17 de conducción de gas (macroscópicos) que en el ejemplo de ejecución representado están formados en la superficie del material de soporte poroso 4a; 4b que queda alejada del electrodo correspondiente. En el interior de la estructura de soporte porosa están formados, debido a la porosidad en el interior de la estructura porosa, unas vías de flujo (mesoscópicas) 16 que transportan el gas, por ejemplo el gas combustible, o el gas del cátodo de una pila de combustible, entre los canales de transporte 17 y el electrodo correspondiente 1; 2.
La figura 4 muestra una representación en perspectiva del material de soporte poroso 4a; 4b, en la que puede apreciarse el trazado de los canales de transporte 17 en la superficie de la estructura porosa. Sin embargo, en lugar de los sencillos canales de transporte 17 mostrados, el texturado en el material de soporte poroso 4a, 4b puede comprender también modelos más complicados.
Lista de símbolos de referencia
1 Anodo
2 Cátodo
3 Matriz electrolítica
4a; 4b Material de soporte poroso
16 Vías de flujo
17 Vías de flujo
18 Capa de catalizador
22 Rodillo
24 Rodillo
25 Rodillo
26 Elemento de perfilado
28 Elemento de perfilado
29 Perfilado
30 Elemento de perfilado

Claims (24)

1. Procedimiento para fabricar electrodos, componentes, semicélulas y células para convertidores de energía electroquímicos, caracterizado por los pasos siguientes:
a) fabricación de un material de soporte poroso (4a; 4b) de tipo plano;
b) aplicación de al menos una capa de un material de electrodo (1; 2) y/o una capa de un material catalizador (18) sobre el material de soporte poroso (4a; 4b);
c) laminación o prensado del material de soporte poroso (4a, 4b) junto con la capa del material de electrodo (1; 2) aplicada sobre él y/o la capa del material catalizador (18) hasta un espesor prefijado (d), generando al propio tiempo una superficie plana y lisa o estructurada, reduciéndose el espesor de al menos el material de soporte poroso (4a; 4b).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en el paso c) se reduce el espesor de la capa del material de electrodo (1; 2) aplicada sobre el material de soporte poroso (4a; 4b) o de la capa del material de catalizador (18).
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se genera un texturado en el material de soporte poroso (4a; 4b).
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque se genera el texturado por laminación o prensado por medio de un elemento de perfilado (25, 29; 26; 28; 30) en el paso c).
5. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque se genera el texturado por laminación o prensado por medio de un elemento de perfilado (25, 29; 26; 28; 30) en un paso adicional d).
6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque se efectúa el laminado o prensado por medio del elemento de perfilado (25, 29; 26; 28; 30) en el paso adicional d) después del laminado o prensado según el paso c).
7. Procedimiento según la reivindicación 3, 4, 5 ó 6, caracterizado porque el texturado forma en el material de soporte poroso (4a; 4b) unos canales de transporte (17) que sirven para la alimentación o evacuación del medio (gas) convertido en el convertidor de energía electroquímico.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque el elemento de perfilado que genera el texturado está formado por un rodillo (25) o una parte de prensado que está provisto de un perfilado (29) en su superficie.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque el elemento de perfilado que genera el texturado está formado por una pieza separada (26; 28; 30) que está dispuesta entre un rodillo (22, 24) o la parte de prensado y el material de soporte poroso (4a; 4b).
10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el elemento de perfilado (26; 28; 30) que genera el texturado es una rejilla o un perfil de tipo plano.
11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque el elemento de perfilado (30) que genera el texturado es de forma de placa.
12. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque el elemento de perfilado (26; 28) que genera el texturado es una cinta circulante que circula entre el rodillo (22; 24) y el material de soporte poroso (4a; 4b).
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque antes de la laminación o el prensado tiene lugar un proceso de secado, de cocción o de sinterización.
14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque después de la laminación o el prensado tiene lugar un proceso de cocción o de sinterización.
15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque se aplica una capa de un material de electrodo (1) sobre un lado del material de soporte poroso (4a) y porque se aplica una capa de un material catalizador (18) sobre el lado opuesto del material de soporte poroso (4a).
16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque se aplica una capa de un material de electrodo (2) sobre el material de soporte poroso (4b) y porque se aplica una capa de un material de matriz electrolítica (3) sobre la capa del material de electrodo (2).
17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la fabricación del material de soporte poroso (4a; 4b) de tipo plano se efectúa mediante un procedimiento al carbonilo, deposición, galvanización o espumado.
18. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque la aplicación de la capa del material de electrodo (1; 2) y/o de la capa del material catalizador (18) se efectúa por pulverización de una materia prima de electrodo pulverizable y de un material catalizador pulverizable, respectivamente.
19. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque la aplicación de la capa del material de electrodo (1; 2) sobre el material de soporte (4a; 4b) se efectúa por rasquetado de una materia prima de electrodo viscosa o pastosa.
20. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque la aplicación de la capa del material de electrodo (1; 2) sobre el material de soporte poroso (4a; 4b) se efectúa por colada, colada en lámina o inmersión con una materia prima de electrodo líquida.
21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 20, caracterizado porque la aplicación de la capa del material de matriz electrolítica (3) se efectúa por pulverización de una materia prima de matriz pulverizable.
22. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 20, caracterizado porque la aplicación de la capa del material de matriz electrolítica (3) se efectúa por rasquetado, colada, colada en lámina de una materia prima líquida, viscosa, pastosa o plástica.
23. Uso de un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 22 para fabricar electrodos, componentes, semicélulas o células para una disposición de pila de combustible.
24. Uso de un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 22 para fabricar electrodos, componentes, semicélulas o células para una disposición de celda de electrólisis.
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