ES2319960T3

ES2319960T3 - Articulo formado por una lamina de grafito flexible permeable a fluidos con conductividad electrica y termica mejorada.

Info

Publication number: ES2319960T3
Application number: ES01903172T
Authority: ES
Inventors: Robert Angelo Mercuri; Thomas William Weber; Michael Lee Warddrip
Original assignee: Graftech International Holdings Inc
Current assignee: Graftech International Holdings Inc
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2009-05-18
Anticipated expiration: 2021-01-19
Also published as: WO2001054213A1; EP1258046A4; CA2398174A1; MXPA02007209A; AU775445B2; CN1418384A; BR0107793A; CN1251343C; EP1258046A1; CA2398174C; EP1258046B1; AU3102201A; ATE419655T1; DE60137197D1

Abstract

Un electrodo de grafito permeable a fluidos que comprende una masa comprimida de partículas expandidas de grafito en forma de una lámina que posee una primera y una segunda superficies paralelas y opuestas. Dicha lámina posee una pluralidad de canales de fluidos transversales que atraviesan la lámina entre la primera y la segunda superficies paralelas y opuestas. Dichos canales se forman al impactar mecánicamente al menos una de las mencionadas primera y segunda superficies de la lámina en una pluralidad de ubicaciones con el fin de desplazar grafito dentro de la lámina en dichas ubicaciones y proporcionar a los canales aperturas en la primera y segunda superficies paralelas y opuestas, y en el que la densidad de canales del mencionado electrodo es de al menos unos 38,75 canales por centímetro cuadrado (unos 250 canales por pulgada cuadrada).

Description

Artículo formado por una lámina de grafito flexible permeable a fluidos con conductividad eléctrica y térmica mejorada.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a un artículo formado por una lámina de grafito flexible que es permeable a fluidos en la dirección transversal y posee una isotropía mejorada con respecto a la conductividad térmica y eléctrica.

Antecedentes de la invención

Los grafitos se componen de planos de capas de matrices o redes hexagonales de átomos de carbono. Estos planos de capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente son sustancialmente planos y están orientados u ordenados de forma sustancialmente paralela y equidistantes entre sí. Las láminas o capas de átomos de carbono sustancialmente equidistantes, paralelas y planas, que normalmente se denominan planos basales, están ligadas o unidas y grupos de las mismas se configuran en cristalitos. Los grafitos altamente ordenados consisten en cristalitos de tamaño considerable: los cristalitos están altamente alineados u orientados entre sí y poseen capas de carbono bien ordenadas. En otras palabras, los grafitos altamente ordenados poseen un alto grado de orientación preferida de cristalito. Cabe destacar que los grafitos poseen estructuras anisotrópicas y, por consiguiente, exhiben o poseen muchas propiedades que son altamente direccionales, por ejemplo una conductividad térmica y eléctrica y una difusión de fluidos. Brevemente, se pueden caracterizar los grafitos como estructuras laminadas de carbono, es decir, estructuras que se componen de capas superpuestas o láminas de átomos de carbono unidas mediante fuerzas débiles de Van der Waals. A la hora de describir la estructura del grafito, normalmente se indican dos ejes o direcciones, a saber, el eje o dirección "c" y los ejes o direcciones "a". Simplificando, se puede considerar el eje o dirección "c" como la dirección perpendicular a las capas de carbono. Se pueden considerar los ejes o direcciones "a" como las direcciones paralelas a las capas de carbono o las direcciones perpendiculares a la dirección "c". Los grafitos naturales adecuados para la fabricación de láminas de grafito flexible poseen un grado muy alto de orientación.

Como se ha indicado anteriormente, las fuerzas de unión que mantienen juntas a las capas paralelas de átomos de carbono son únicamente fuerzas débiles de Van der Waals. Se pueden tratar los grafitos naturales de tal manera que sea posible ampliar de forma apreciable el espaciado entre las capas o láminas de carbono superpuestas para proporcionar una marcada expansión en la dirección perpendicular a las capas, es decir, en la dirección "c", formando así una estructura de grafito expandida o intumescida que retiene sustancialmente el carácter laminar de las capas de carbono.

Una escama de grafito natural que se ha expandido enormemente y, más concretamente, que se ha expandido hasta alcanzar un grosor final o una dimensión de dirección "c" que es hasta al menos 80 veces o más la dimensión de dirección "c" original, puede formarse sin el uso de un aglutinante en láminas cohesivas o integradas flexibles de grafito expandido, por ejemplo tejidos, papeles, tiras, cintas o similares. Se estima que es posible, a partir de partículas de grafito que han sido expandidas hasta alcanzar un grosor final o dimensión de dirección "c" de hasta al menos 80 veces o más la dimensión de dirección "c" original, formar láminas flexibles integradas por compresión, sin utilizar ningún material aglutinante, gracias al excelente acoplamiento o cohesión mecánicos que se consiguen entre las partículas de grafito expandidas voluminosamente.

Se ha llegado a la conclusión de que, además de flexibilidad, el material de láminas, como se ha indicado anteriormente, también posee un alto grado de anisotropía con respecto a la conductividad térmica y eléctrica y a la difusión de fluidos, comparable al material de partida de grafito natural, debido a la orientación de las partículas de grafito expandidas, sustancialmente paralela a las caras opuestas de la lámina y que son el resultado de una compresión muy elevada, por ejemplo, causada por un prensado de rodillos. El material de lámina que se produce de esta manera posee una flexibilidad excelente, una buena resistencia y un grado de orientación muy elevado.

En resumen, el proceso de producir material de lámina de grafito anisotrópico sin aglutinante y flexible (por ejemplo, tejidos, papel, tiras, cintas, láminas, esteras o similares) comprende la compresión o compactación, bajo una carga predeterminada y en ausencia de un aglutinante, de las partículas de grafito expandidas que poseen una dimensión de dirección "c" equivalente a por lo menos 80 veces la de las partículas originales, con el fin de formar una lámina de grafito sustancialmente integrada, flexible y plana. Las partículas de grafito expandidas generalmente son de apariencia vermiforme o en forma de gusanos, y una vez comprimidas mantienen las propiedades de compresión y la alineación con las superficies principales opuestas de la lámina. Es posible variar la densidad y el grosor del material de lámina controlando el grado de compresión. La densidad del material de lámina puede encontrarse dentro de un rango comprendido entre aproximadamente 0,08 g/cm^{3} (5 libras por pie cúbico) y aproximadamente 2,0 g/cm^{3} (125 libras por pie cúbico). El material de lámina de grafito flexible exhibe un grado apreciable de anisotropía debido al alineamiento de partículas de grafito de manera paralela a las principales superficies paralelas y opuestas de la lámina, y el grado de anisotropía aumenta cuando se prensa a rodillo el material de lámina para obtener una mayor densidad. En el material de lámina anisotrópico prensado a rodillo, el grosor, es decir, la dirección perpendicular a las superficies de láminas paralelas y opuestas, comprende la dirección "c", mientras que las direcciones a lo largo de la longitud y el ancho, es decir, a lo largo o paralelas a las superficies principales opuestas, comprenden las direcciones "a". Las propiedades térmicas, eléctricas y de difusión de fluidos de la lámina son muy diferentes, por varios órdenes de magnitud, para las direcciones "c" y "a".

Esta diferencia tan considerable de propiedades, es decir, la anisotropía que depende de la dirección, puede resultar desventajosa en algunas aplicaciones. Por ejemplo, en aplicaciones de juntas en las que se utilizan láminas de grafito flexible como material de junta y en las que, durante su uso, se mantienen firmemente sujetas entre superficies de metal, la difusión de fluidos, por ejemplo de gases o líquidos, se produce más fácilmente hacia y entre las superficies principales de la lámina de grafito flexible. En la mayoría de los casos, se proporcionaría un mejor rendimiento de la junta, si se incrementara la resistencia al flujo del fluido paralelo a las superficies principales de la lámina de grafito (dirección "a"), incluso a costa de una resistencia reducida contra el flujo de difusión de fluido transversal a las caras principales de la lámina de grafito (dirección "c"). Por lo que respecta a las propiedades eléctricas, la resistividad de la lámina de grafito flexible anisotrópica es alta en la dirección transversal a las superficies principales (dirección "c") de la lámina de grafito flexible, y sustancialmente mucho menor en la dirección paralela a las caras principales de la lámina de grafito flexible (dirección "a") y la dirección entre dichas caras. En aplicaciones como placas de campo de flujo de fluidos para células de combustible y sellos para células de combustible, resultaría ventajoso reducir la resistencia eléctrica transversal a las superficies principales de la lámina de grafito flexible (dirección "c"), incluso a costa de un incremento de la resistividad eléctrica en la dirección paralela a las caras principales de la lámina de grafito flexible (dirección "a").

Por lo que respecta a las propiedades térmicas, la conductividad térmica de una lámina de grafito flexible en una dirección paralela a las superficies superior e inferior de la lámina de grafito flexible es relativamente alta, mientras que es relativamente muy baja en la dirección "c" transversal a las superficies superior e inferior.

La presente invención tiene en cuenta las situaciones descritas anteriormente.

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Resumen de la invención

De acuerdo con la presente invención, se suministra un electrodo de grafito permeable a fluidos que comprende una masa comprimida de partículas expandidas de grafito en forma de una lámina que posee una primera y una segunda superficies paralelas y opuestas. La lámina posee una pluralidad de canales de fluidos transversales que atraviesan dicha lámina entre la primera y la segunda superficies paralelas y opuestas. Los canales se forman al impactar mecánicamente una superficie de la lámina con el fin de desplazar grafito dentro de la lámina en una pluralidad de ubicaciones predeterminadas para proporcionar a los canales aperturas en la primera y segunda superficies paralelas y opuestas; en la que la densidad de canales del mencionado electrodo es de al menos aproximadamente 38,75 canales por centímetro cuadrado (250 canales por pulgada cuadrada). En un modo de realización preferido, las aperturas de canal en una de las superficies opuestas paralelas son más pequeñas que sus aperturas respectivas en la otra superficie opuesta, por lo que el fluido a presión en contacto con la superficie opuesta que posee aperturas de canales más pequeñas se introduce en los canales respectivos a una velocidad inicial que es mayor a la velocidad del fluido que sale de sus canales respectivos, es decir, se reduce la velocidad de salida del gas. El electrodo de la presente invención resulta útil como un electrodo permeable a fluidos en células de combustible electroquímicas, como se describe más adelante.

Asimismo, se proporciona un método para la fabricación del mencionado electrodo.

También se proporciona un ensamblaje de electrodo con membrana para una célula de combustible electroquímica, el cual comprende un par de electrodos y una membrana de intercambio de iones situada entre los electrodos. Al menos uno de los electrodos está formado por una lámina de una masa comprimida de partículas de grafito expandidas, con una pluralidad de canales de fluidos transversales que atraviesan la lámina entre la primera y la segunda superficies opuestas de la lámina (una de cuyas superficies opuestas está adyacente a la mencionada membrana de intercambio de iones), en la que la densidad de canales del mencionado electrodo es de al menos aproximadamente 38,75 canales por centímetro cuadrado (250 canales por pulgada cuadrada). Preferentemente, los mencionados canales de fluidos transversales se forman al impactar mecánicamente una superficie opuesta de la lámina para desplazar grafito dentro de la lámina en ubicaciones predeterminadas.

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Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista de planta de una lámina de grafito flexible transversalmente permeable que posee canales transversales, de conformidad con la presente invención;

La Figura 1(A) muestra un elemento protuberante con un extremo plano que se utiliza en la fabricación de los canales de la lámina perforada de la Figura 1;

La Figura 2 es una vista de sección transversal en alzado lateral de la lámina de la Figura 1;

Las Figuras 2(A), (B) y (C) muestran diversas configuraciones apropiadas con extremos planos para canales transversales, de conformidad con la presente invención;

Las Figuras 3 y 3(A) muestran un mecanismo para la fabricación del artículo de la Figura 1;

La Figura 4 muestra un boceto ampliado de una vista en alzado de las partículas de grafito expandidas y orientadas de material de láminas de grafito flexible del estado anterior de la técnica;

La Figura 5 es un boceto de una vista en alzado ampliada de un artículo formado por una lámina de grafito flexible, de conformidad con la presente invención;

Las Figuras 5, 6, 7 y 7(A) muestran un ensamblaje de electrodos permeable a fluidos que incluye un artículo permeable transversalmente, de conformidad con la presente invención; y

La Figura 8 es una fotografía con una ampliación de 100X (ampliación original) correspondiente a una parte del boceto de vista en alzado lateral de la Figura 5.

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Descripción detallada de la invención

El grafito es una forma cristalina del carbono que comprende átomos que forman enlaces covalentes en planos de capas planas con enlaces más débiles entre los planos. Al tratar las partículas de grafito, como por ejemplo una escama de grafito natural, con un agente intercalante de, por ejemplo, una solución de ácido sulfúrico y nítrico, la estructura de cristal del grafito reacciona para formar un compuesto de grafito y el agente intercalante. Las partículas tratadas de grafito se denominarán en lo sucesivo "partículas de grafito intercalado". Al exponerse a altas temperaturas, las partículas de grafito intercalado incrementan sus dimensiones aproximadamente 80 veces o más su volumen original, como si se tratara de un acordeón, en la dirección "c", es decir, en la dirección perpendicular a los planos cristalinos del grafito. Las partículas de grafito exfoliado son de apariencia vermiforme, y por consiguiente se las conoce comúnmente por el nombre de gusanos. Los gusanos pueden estar comprimidos conjuntamente en láminas flexibles a las que, a diferencia de las escamas de grafito originales, se puede dar forma y cortar para que adopten diferentes figuras, y a las que se pueden suministrar pequeñas aperturas transversales mediante la deformación causada por un impacto mecánico.

Shane et al., en la patente estadounidense nº 3.404.061, describen un método común para la fabricación de láminas de grafito, por ejemplo hojas de grafito flexible. En la forma típica del método de Shane et al., las escamas de grafito natural se intercalan mediante la dispersión de las escamas en una solución que contiene un agente oxidante, por ejemplo, una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico. La solución de intercalación contiene agentes oxidantes y otros agentes intercalantes conocidos en el estado de la técnica. Entre los ejemplos figuran aquéllos que contienen agentes oxidantes y mezclas oxidantes, como por ejemplo soluciones que contienen ácido nítrico, clorato de potasio, ácido crómico, permanganato de potasio, cromato de potasio, dicromato de potasio, ácido perclórico y similares o mezclas, como por ejemplo ácido nítrico y clorato concentrados, ácido crómico y ácido fosfórico, ácido sulfúrico y ácido nítrico, o mezclas de un ácido orgánico fuerte (por ejemplo, ácido trifluoroacético) y un agente oxidante fuerte soluble en el ácido orgánico.

En un modo de realización preferido, el agente intercalante es una solución de una mezcla de ácido sulfúrico, o ácido sulfúrico y ácido fosfórico, y un agente oxidante, a saber, ácido nítrico, ácido perclórico, ácido crómico, permanganato potásico, peróxido de hidrógeno, ácidos yódico o periódicos y similares. Aunque no se prefiere tanto, las soluciones de intercalación pueden contener haluros de metal, como por ejemplo cloruro férrico y cloruro férrico mezclado con ácido sulfúrico, o un haluro, como por ejemplo bromo como una solución de bromo y ácido sulfúrico o bromo en un solvente orgánico.

Después de intercalar las escamas, se drena el exceso de solución de las escamas y se lavan las escamas con agua. La cantidad de solución de intercalación retenida en las escamas después del drenaje puede oscilar entre 20 y 150 partes de solución por peso por 100 partes por peso de escamas de grafito (partes por cien), y más normalmente entre aproximadamente 50 y 120 partes por cien. Alternativamente, la cantidad de la solución de intercalación puede estar limitada a entre 10 a 50 partes de solución por cien partes de grafito por peso (partes por cien), lo que permite eliminar la fase de lavado, tal y como se divulga y describe en la patente estadounidense nº 4.895.713. Las partículas así tratadas de grafito se denominan a veces "partículas de grafito intercalado". Al exponerse a altas temperaturas, por ejemplo de 700ºC a 1000ºC y superiores, las partículas de grafito intercalado se expanden entre aproximadamente 80 y 1000 veces o más con respecto a su volumen original, de manera similar a un acordeón, en la dirección "c", es decir, en la dirección perpendicular a los planos cristalinos de las partículas constituyentes de grafito. Las partículas expandidas (es decir, exfoliadas) de grafito son de apariencia vermiforme y, por consiguiente, se conocen comúnmente por el nombre de "gusanos". Los gusanos pueden estar comprimidos conjuntamente en láminas flexibles a las que, a diferencia de las escamas de grafito originales, se les puede dar forma y cortar para adoptar diferentes figuras y a las que se proporcionan pequeñas aperturas transversales mediante deformaciones causadas por un impacto mecánico, como se describe más adelante.

Las láminas y hojas de grafito flexible son coherentes, cuentan con una buena resistencia a la manipulación, y están adecuadamente comprimidas, por ejemplo mediante el prensado de rodillos, a un grosor de 0,076 mm a
3,81 mm (0,003 pulgadas a 0,15 pulgadas) y una densidad de 0,1 a 1,5 g/cm^{3}. Se pueden mezclar aproximadamente desde 1,5% a 30% por peso de aditivos cerámicos con las escamas de grafito intercalado, tal y como se describe en la patente estadounidense nº 5.902.762, con el fin de proporcionar una impregnación mejorada de resina en el producto final de grafito flexible. Entre los aditivos figuran partículas de fibra cerámica que poseen una longitud de entre
0,15 mm y 1,5 mm. El ancho de las partículas debe estar comprendido entre 0,04 mm y 0,004 mm. Las partículas de fibra cerámica no son reactivas ni adherentes al grafito y son estables a temperaturas de hasta 1093ºC (2.000ºF), preferentemente 1370ºC (2.500ºF). Las partículas apropiadas de fibra cerámica están compuestas de fibras de vidrio de cuarzo maceradas, fibras de grafito y carbono, fibras de circona, nitruro de boro, carburo de silicio y fibras de magnesia, fibras minerales naturales como fibras de metasilicato de calcio, fibras de silicato de aluminio y calcio, fibras de óxido de aluminio y similares.

Por lo que respecta a la Figura 1 y a la Figura 2, se muestra en 10 una masa comprimida de partículas de grafito expandidas en forma de una lámina de grafito flexible. Se proporcionan canales (20) para la lámina de grafito flexible (10), los cuales preferentemente tienen laterales lisos, tal y como se indica en 67 en las Figuras 5 y 8, y que pasan entre las superficies opuestas y paralelas (30 y 40) de la lámina de grafito flexible (10). Los canales (20) preferentemente poseen aperturas (50) en una de las superficies opuestas (30) que son más grandes que las aperturas (60) en la superficie opuesta (40). Los canales (20) pueden tener diferentes configuraciones, tal y como se muestra en 20' - 20'''' en las Figuras 2(A), 2(B) y 2(C), las cuales se forman utilizando elementos protuberantes con extremos planos de diferentes formas, como se muestra en 75, 175, 275 y 375 en las Figuras 1(A) y 2(A), 2(B) y 2(C), apropiadamente formados de metal, por ejemplo acero, y formando parte integral y extendiéndose desde el rodillo de prensado (70) del dispositivo de impacto mostrado en la Figura 3. Los extremos planos lisos de los elementos protuberantes, mostrados en 77, 177, 277 y 377, la superficie lisa de contacto (73) del rodillo (70), y la superficie lisa de contacto (78) del rodillo (72) (o alternativamente una placa de metal plano (79)), garantizan la deformación y el desplazamiento completo del grafito dentro de la lámina de grafito flexible, es decir, no existen bordes ásperos o irregulares o se generan desechos como consecuencia del impacto que da forma a los canales. Los elementos protuberantes preferidos poseen una sección transversal decreciente en la dirección opuesta a la del rodillo de prensado (70) con el fin de proporcionar aperturas de canal más grandes en el lateral de la lámina que recibe el impacto inicialmente. El desarrollo de superficies lisas y sin obstrucciones (63) alrededor de las aperturas de canales (60) permite el libre flujo de fluido hacia el interior y a través de canales (20) con laterales lisos (en 67). En un modo de realización preferido, las aperturas [en] una de las superficies opuestas son más grandes que las aperturas de canal en la otra superficie opuesta, por ejemplo, desde 1 a 200 veces más grande en área, y son consecuencia del uso de elementos protuberantes con laterales que convergen, como se muestran en 76, 276 y 376. Los canales (20) se forman en la lámina de grafito flexible (10) en una pluralidad de ubicaciones predeterminadas mediante el impacto mecánico en las ubicaciones predeterminadas de la lámina (10) utilizando un mecanismo como el que se muestra en la Figura 3, el cual comprende un par de rodillos de acero (70 y 72). Uno de los rodillos posee protuberancias en forma de pirámide trunca, es decir con forma de prisma y con extremos planos (75), que impactan en la superficie (30) de la lámina de grafito flexible (10) para desplazar el grafito y penetrar en la lámina (10) con el fin de formar canales abiertos (20). En la práctica, se pueden proporcionar ambos rodillos (70 y 72) con protuberancias "fuera desalineadas", y se puede utilizar una placa de metal plana (79) en lugar del rodillo con superficie lisa (72). La Figura 4 es un boceto ampliado de una lámina de grafito flexible (110) en el que se muestra una orientación típica en el estado anterior de la técnica de partículas de grafito expandidas y comprimidas (80) que se encuentran en una posición sustancialmente paralela a las superficies opuestas (130 y 140). Esta orientación de las partículas de grafito expandidas (80) tiene como resultado propiedades anisotrópicas en las láminas de grafito flexible; es decir, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica de la lámina son sustancialmente más bajas en la dirección transversal a las superficies opuestas (130 y 140) (dirección "c") que en la dirección (dirección "a") paralela a las superficies opuestas (130 y 140). Cuando se impacta en la lámina de grafito flexible (10) con el fin de formar canales (20), como se ilustra en la Figura 3, el grafito es desplazado dentro de la lámina de grafito flexible (10) por protuberancias (75) con extremos planos (en 77) para apartar el grafito a medida que éste se desplaza y ubica contra la superficie lisa (73) del rodillo (70) con el fin de perturbar y deformar la orientación paralela de partículas de grafito expandidas (80), tal y como se muestra (en 800) en la Figura 5. Esta región de 800, adyacente a los canales (20), muestra la perturbación de la orientación paralela en una orientación oblicua y no paralela, y es observable ópticamente en magnificaciones de 100X y en magnificaciones superiores. De hecho, el grafito desplazado es moldeado a troquel por los laterales (76) de las protuberancias adyacentes (75) y la superficie lisa (73) del rodillo (70), tal y como se ilustra en la Figura 5. De esta forma se reduce la anisotropía en la lámina de grafito flexible (10), incrementando así la conductividad eléctrica y térmica de la lámina (10) en la dirección transversal a las superficies opuestas (30 y 40). Se obtiene un efecto similar con protuberancias frusto-cónicas, de laterales paralelos, en forma de espigas y con extremos planos (275 y 175). Puede utilizarse la lámina de grafito flexible permeable a gas perforada (10) de la Figura 1 como un electrodo en una célula de combustible electroquímica (500), como se muestra esquemáticamente en las Figuras 6, 7 y 7(A).

La Figura 6, la Figura 7 y la Figura 7(A) muestran, de manera esquemática, los elementos básicos de una célula de combustible electroquímica. En las patentes estadounidenses nº 4.988.583 y nº 5.300.370 y en PCT WO 95/16287 (15 de junio de 1995) se divulgan más detalles al respecto.

Por lo que respecta a la Figura 6, la Figura 7 y la Figura 7(A), la célula de combustible (indicada generalmente en 500) comprende: un electrolito en forma de un plástico, por ejemplo un catalizador con membrana (550) de intercambio de iones de polímero sólido revestido en las superficies (601 y 603), por ejemplo revestido con platino (600), tal y como se muestra en la Figura 7(A); electrodos de lámina de grafito flexible perforada (10), de conformidad con la presente invención; y placas de campo de flujo (1000 y 1100) que se encuentran adyacentes respectivamente a los electrodos (10). El combustible a presión se circula a través de surcos (1400) de placa de campo de flujo de combustible (1100) y oxidante a presión se circula a través de surcos (1200). Durante su funcionamiento, la placa de campo de flujo de combustible (1100) se convierte en un ánodo y la placa de campo de flujo de oxidante (1000) se convierte en un cátodo, con el resultado de que se genera un potencial eléctrico, es decir, un voltaje, entre la placa de campo de flujo de combustible (1000) y la placa de campo de flujo de oxidante (1100). La célula de combustible electroquímica descrita anteriormente se combina con otras en una pila de células de combustible para proporcionar el nivel deseado de energía eléctrica, tal y como se describe en la patente estadounidense nº 5.300.370 descrita anteriormente.

El funcionamiento de la célula de combustible (500) requiere que los electrodos (10) sean porosos a los fluidos de combustible y oxidantes, por ejemplo hidrógeno y oxígeno, para permitir que estos componentes pasen fácilmente desde los surcos (1400 y 1200), a través de los electrodos (10), y entren en contacto con el catalizador (600), como se muestra en la Figura 7(A), permitiendo a los protones derivados del hidrógeno migrar a través de la membrana de intercambio de iones (550). En el electrodo (10) de la presente invención se colocan los canales (20) para que cubran adyacentemente los surcos (1400 y 1200) de las placas de campo de flujo, de manera que el gas a presión procedente de los surcos pase a través de las aperturas más pequeñas (60) de los canales (20) y salga de las aperturas más grandes (50) de los canales (20). La velocidad inicial del gas en las aperturas más pequeñas (60) es mayor que el flujo de gas en las aperturas más grandes (50), con el resultado de que el gas reduce su velocidad cuando entra en contacto con el catalizador (600), el tiempo de residencia del contacto entre catalizador y gas se incrementa, y se maximiza el área de exposición al gas en la membrana (550). Esta característica, junto con la conductividad eléctrica aumentada del electrodo de grafito flexible de la presente invención, permite un funcionamiento más eficaz de la célula de combustible.

La Figura 8 es una fotografía (ampliación original de 100X) de un cuerpo de grafito flexible correspondiente a una parte del boceto de la Figura 5.

Se puede apreciar que los artículos de las Figuras 1 y 5 y el material mostrado en la fotografía (100X) de la Figura 8 poseen una conductividad térmica y eléctrica incrementada en la dirección transversal a las superficies paralelas y planares (30 y 40), en comparación con la conductividad térmica y eléctrica en la dirección transversal a las superficies (130 y 140) del material del estado anterior de la técnica mostrado en la Figura 4, en el que no se pueden detectar ópticamente las partículas del grafito natural expandido no alineadas con las superficies planares opuestas.

Una muestra de una lámina de grafito flexible con un grosor de 0,254 mm (0,01 pulgadas) y una densidad de
0,3 g/cm^{3}, representativa de la Figura 4, fue impactada mecánicamente por un dispositivo similar al de la Figura 3 para proporcionar canales de tamaño diferente en la lámina de grafito flexible. Se midió la resistencia eléctrica transversal (dirección "c") de las muestras de material de lámina y se presentan los resultados en la tabla que aparece más adelante.

Asimismo, se midió la permeabilidad transversal a gas de las muestras de láminas de grafito flexible canalizadas, de acuerdo con la presente invención, utilizando un medidor Gurley Modelo 4118 para la Medición de Permeabilidad a Gas.

Se colocaron muestras de láminas de grafito flexible canalizadas, de acuerdo con la presente invención, en la apertura inferior (0,95 cm (3/8 de pulgada) de diámetro) de un cilindro vertical (7,62 cm (3 pulgadas) de diámetro en sección transversal). Se llenó el cilindro con 300 cm^{3} de aire y se colocó un pistón cargado (141,75 g. (5 onzas)) en la parte superior del cilindro. Se midió la tasa de flujo de gas a través de las muestras canalizadas como una función del tiempo de descenso del pistón. Se presentan los resultados en la siguiente tabla.

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(Tabla pasa a página siguiente)

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Lámina de grafito flexible

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En la presente invención, para una lámina de grafito flexible que posea un grosor de 0,0076 cm a 0,038 cm (0,003 pulgadas a 0,015 pulgadas), se encuentre adyacente a los canales, y posea una densidad de 0,5 a 1,5 gramos por centímetro cúbico, la densidad de canales preferida es de al menos aproximadamente 38,75 canales por cm^{2} (250 canales por pulgada cuadrada), y se prefiere aún más que la densidad sea de 155 a 465 canales por centímetro cuadrado (1.000 a 3.000 canales por pulgada cuadrada), y el tamaño de canal preferido es un canal en el que la relación entre el área de la apertura más grande de canal y la más pequeña es de 50:1 a 150:1.

En la práctica de la presente invención, en ocasiones la lámina de grafito flexible puede ser tratada de forma ventajosa con resina, y la resina absorbida, después del curado, aumenta la resistencia a la humedad y la fuerza de manipulación, es decir, la rigidez de la lámina de grafito flexible. Preferentemente, el contenido de resina adecuado es de un 20% a un 30% por peso, y se considera apropiado hasta un 60% por peso.

Se puede utilizar el artículo de la presente invención como elementos de acoplamiento eléctrico y térmico para circuitos integrados en aplicaciones informáticas, como almohadillas de contacto eléctrico conformadas y como redes de energía eléctrica en equipos de tratamiento antihielo.

La descripción anterior tiene como objetivo permitir a una persona con experiencia en este campo poner en práctica esta invención. No tiene como objetivo detallar todas las posibles variaciones y modificaciones que serán aparentes para un experto al leer la descripción. Sin embargo, sí que se tiene como objetivo que todas las mencionadas modificaciones y variaciones se incluyan en el ámbito de la invención definido por las reivindicaciones que se muestran a continuación. Estas reivindicaciones tienen como objetivo abarcar los elementos y pasos indicados en cualquier configuración o secuencia que resulten eficaces para satisfacer los objetivos de la invención, a menos que se indique específicamente lo contrario en el contexto.

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Referencias citadas en la descripción

Esta lista de referencias citadas por el solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto el máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad en este respecto.

Documentos de patente citados en la descripción

\bullet US 3404061 A, Shane [0015]

\bullet US 4895713 A [0017]

\bullet US 5902762 A [0018]

\bullet US 4988583 A [0020]

\bullet US 5300370 A [0020] [0021]

\bullet WO 9516257 A [0020]

Claims

1. Un electrodo de grafito permeable a fluidos que comprende una masa comprimida de partículas expandidas de grafito en forma de una lámina que posee una primera y una segunda superficies paralelas y opuestas. Dicha lámina posee una pluralidad de canales de fluidos transversales que atraviesan la lámina entre la primera y la segunda superficies paralelas y opuestas. Dichos canales se forman al impactar mecánicamente al menos una de las mencionadas primera y segunda superficies de la lámina en una pluralidad de ubicaciones con el fin de desplazar grafito dentro de la lámina en dichas ubicaciones y proporcionar a los canales aperturas en la primera y segunda superficies paralelas y opuestas, y en el que la densidad de canales del mencionado electrodo es de al menos unos 38,75 canales por centímetro cuadrado (unos 250 canales por pulgada cuadrada).

2. Un electrodo, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la mencionada masa comprimida de partículas de grafito expandidas se caracteriza por partículas de grafito expandidas adyacentes a los mencionados canales que se extienden oblicuamente con respecto a las mencionadas superficies paralelas y opuestas.

3. Un electrodo, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las aperturas de canal en la mencionada segunda superficie de la mencionada lámina están rodeadas de una superficie de grafito lisa.

4. Un electrodo, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las aperturas de canal en la mencionada primera superficie son más grandes que las aperturas de canal en la mencionada segunda superficie.

5. Un electrodo, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las aperturas de canal en la mencionada primera superficie tienen un área entre 50 y 150 veces más grande que las aperturas de canal en la mencionada segunda superficie.

6. Un electrodo, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se encuentran presentes en la mencionada lámina 155 a 465 canales por centímetro cuadrado (1.000 a 3.000 canales por pulgada cuadrada).

7. Un electrodo, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la mencionada lámina de grafito posee un grosor de entre 0,0076 centímetros y 0,038 centímetros (0,003 pulgadas y 0,015 pulgadas), se encuentra adyacente a los mencionados canales y posee una densidad de entre 0,5 y 1,5 gramos por centímetro cúbico.

8. Un método para la fabricación de un electrodo de grafito permeable a fluidos que comprende:

(i) el suministro de una masa comprimida de partículas de grafito expandidas en forma de una lámina que posee una primera y segunda superficies planares paralelas y opuestas;

(ii) la impactación mecánica de al menos una de las mencionadas primera y segunda superficies de la lámina en una pluralidad de ubicaciones predeterminadas con protuberancias dotadas de extremos planos que se extienden hacia fuera desde un miembro de prensado que penetra en la lámina y entra en contacto con una superficie de cojinete lisa directamente por debajo de la lámina con el fin de formar una pluralidad de canales que atraviesen dicha lámina desde la mencionada primera superficie a la mencionada segunda superficie al desplazar grafito dentro de la lámina y formar aperturas de canal en las mencionadas primera superficie y segunda superficie; en el que la densidad de canales del mencionado electrodo es de al menos aproximadamente 38,75 canales por centímetro cuadrado (250 canales por pulgada cuadrada).

9. Un método, de acuerdo con la reivindicación 8, en el que las mencionadas protuberancias con extremos planos disminuyen en sección transversal a medida que se extienden hacia fuera desde el miembro de presión con el fin de proporcionar aperturas de canal más grandes en la mencionada primera superficie.

10. Un ensamblaje de acuerdo con membrana que comprende un par de electrodos y una membrana de intercambio de iones situada entre dichos electrodos. Al menos uno de los electrodos está formado por una lámina de una masa comprimida de partículas de grafito expandidas que poseen una pluralidad de canales de fluidos transversales que atraviesan la mencionada lámina entre la primera y la segunda superficies opuestas y paralelas de la lámina. Una de las superficies opuestas mencionadas está adyacente a dicha membrana de intercambio de iones; en el que la densidad de canales del mencionado electrodo es de al menos aproximadamente 38,75 canales por centímetro cuadrado (250 canales por pulgada cuadrada).

11. Un ensamblaje, de acuerdo con la reivindicación 10, en el que los mencionados canales de fluidos transversales se forman al impactar mecánicamente una superficie opuesta de la mencionada lámina para desplazar el grafito dentro de dicha lámina en una pluralidad de ubicaciones predeterminadas.

12. Un ensamblaje, de acuerdo con la reivindicación 10, en el que la mencionada masa comprimida de partículas de grafito expandidas se caracteriza por partículas de grafito expandidas adyacentes a los mencionados canales que se extienden oblicuamente con respecto a las mencionadas superficies opuestas paralelas.

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13. Un ensamblaje, de acuerdo con la reivindicación 10, en el que las aperturas de canales en la mencionada segunda superficie de la mencionada lámina están rodeadas por una superficie de grafito lisa.

14. Un ensamblaje, de acuerdo con la reivindicación 13, en el que las aperturas de canal en la mencionada primera superficie son más grandes que las aperturas de canal en la mencionada segunda superficie.