ES2340109T3 - Procedimiento de fabricacion de una pila de combustible sobre un soporte poroso. - Google Patents
Procedimiento de fabricacion de una pila de combustible sobre un soporte poroso. Download PDFInfo
- Publication number
- ES2340109T3 ES2340109T3 ES08354044T ES08354044T ES2340109T3 ES 2340109 T3 ES2340109 T3 ES 2340109T3 ES 08354044 T ES08354044 T ES 08354044T ES 08354044 T ES08354044 T ES 08354044T ES 2340109 T3 ES2340109 T3 ES 2340109T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- film
- support
- pores
- liquid
- drop
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1097—Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1023—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1039—Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
- H01M8/1046—Mixtures of at least one polymer and at least one additive
- H01M8/1051—Non-ion-conducting additives, e.g. stabilisers, SiO2 or ZrO2
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1067—Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
- H01M8/1072—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes by chemical reactions, e.g. in situ polymerisation or in situ crosslinking
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
Procedimiento de fabricación de una pila de combustible (1) que consta por lo menos de la formación de un conjunto (7) constituido por un primer electrodo (4), una membrana sólida conductora de protones (5) y un segundo electrodo (6) sobre un soporte (2) que incorpora poros (2a) delimitados por paredes (2b), siendo formada la membrana (5) mediante deposición y secado de un electrólito líquido, caracterizado porque se forma, antes de la deposición del electrólito líquido, una película (10), constituida por un material que presenta un ángulo de contacto (θ) superior a 90º con una gota de dicho electrólito líquido, por lo menos sobre una parte de las paredes (2b) que delimitan los poros (2a), teniendo dicha película (10) un espesor que admite el paso de un fluido reactante a dichos poros (2a).
Description
Procedimiento de fabricación de una pila de
combustible sobre un soporte poroso.
La invención se refiere a un procedimiento de
fabricación de una pila de combustible que consta por lo menos de
la formación de un conjunto constituido por un primer electrodo, una
membrana sólida conductora de protones y un segundo electrodo sobre
un soporte que incorpora poros delimitados por paredes, siendo
formada la membrana mediante deposición y secado de un electrólito
líquido.
Las pilas de combustible y más en particular las
micropilas de combustible se realizan mediante la sucesiva
deposición, sobre un soporte, de un conjunto
Electrodo-Membrana-Electrodo,
también conocido como conjunto EME, apilamiento EME o núcleo de
pila. Dicho soporte sirve de retención mecánica para el apilamiento
y permite, gracias a su porosidad, alimentar dicho conjunto EME con
fluido reactante y, más en particular, con combustible, por ejemplo
hidrógeno, vapores de etanol o de metanol.
Por otro lado, la necesidad de pilas de
combustible con altas densidades de potencia va en aumento. En este
sentido, la membrana conductora protónica tiene que ser de espesor
reducido, típicamente del orden de 5 a 10 micrómetros. Además, la
formación de una membrana homogénea de 5 a 10 micrómetros de espesor
sobre un soporte poroso necesita que dicho soporte presente un
tamaño de poros inferior a este espesor.
Ahora bien, semejante disminución de las
dimensiones de los constituyentes de una pila de combustible origina
problemas de capilaridad. En efecto, la membrana sólida conductora
protónica, constituida generalmente por un polímero conductor
protónico de ácido perfluorosulfónico, tal como el producto
comercializado por la empresa Dupont de Nemours con el nombre
Nafion®, se obtiene por deposición de una película líquida (o
electrólito líquido), que se endurece a continuación mediante
secado. Ahora bien, al depositarlo, el electrólito líquido corre el
riesgo de penetrar en los poros del soporte poroso bajo el efecto de
las fuerzas capilares. De este modo, hay un riesgo de obstruir los
poros del soporte y, por tanto, de bloquear el paso del fluido
reactante.
La invención tiene por objetivo un procedimiento
de fabricación de una pila de combustible que permite evitar la
penetración de electrólito sólido en el soporte poroso en el momento
de la formación de la membrana sólida conductora de protones, al
tiempo que se conserva y eventualmente se aumenta la densidad de
potencia de dicha pila.
De acuerdo con la invención, este objetivo se
logra mediante las reivindicaciones que se adjuntan.
Otras ventajas y características resultarán más
evidentes a partir de la descripción que sigue de formas de
realización particulares de la invención, dadas a título de ejemplos
no limitativos y representadas en los dibujos que se adjuntan, en
los que:
La figura 1 representa, esquemáticamente y en
sección, una forma particular de una pila de combustible, formada
sobre un soporte poroso.
Las figuras 2 a 4 ilustran, esquemáticamente y
en sección, diferentes etapas de formación de una película sobre
las paredes que delimitan los poros de un soporte poroso, en un
procedimiento de fabricación de una pila según la figura 1.
Las figuras 5 y 6 representan, esquemáticamente
y en sección, dos variantes de realización de un soporte poroso.
Para evitar la penetración del electrólito
líquido en el soporte poroso, conservando o aumentando al propio
tiempo la densidad de potencia de la pila de combustible, se recubre
por lo menos una parte de las paredes que delimitan los poros del
soporte, antes de la deposición del electrólito líquido, con una
película constituida por un material que presenta un ángulo de
contacto \theta superior a 90º con una gota de dicho electrólito
líquido. Además, dicha película presenta un espesor que admite el
paso del fluido reactante a los poros del soporte.
En efecto, según la ecuación de Laplace, la
presión capilar, que provoca la penetración de un líquido en un
material poroso es proporcional a:
\sigma * cos
\ \theta \
/R
siendo:
- \sigma: viscosidad del líquido
depositado,
- \theta: ángulo de contacto entre la gota de
líquido y el material poroso, también conocido como ángulo de gota.
Semejante ángulo se mide en la interfase entre un líquido y una
superficie plana de un cuerpo sólido cuando se deposita una gota de
dicho líquido sobre dicha superficie y determina el grado de
mojabilidad de un líquido con un cuerpo sólido,
- y R: radio o tamaño de los poros del material
poroso.
Así, la presión capilar es inversamente
proporcional al tamaño de los poros de un material poroso. Cuanto
más pequeños son los poros, más alta es la presión capilar y más
favorecida se ve la penetración del electrólito líquido. Ahora
bien, para impedir la penetración del electrólito líquido en el
soporte poroso, no se puede aumentar el tamaño de los poros.
Efectivamente, antes bien se tiene que disminuir el tamaño de los
poros del soporte poroso para obtener altas densidades de
potencia.
Sin embargo, la presión capilar también es
función del ángulo de contacto \theta entre la gota de líquido y
el material poroso. Por lo tanto, para evitar la penetración del
electrólito liquido en el material poroso, se puede disminuir la
presión capilar obteniendo un valor de cos\theta negativo, es
decir, un ángulo de contacto \theta superior a 90º, lo que
implica que una gota del electrólito liquido no moje la superficie
del soporte poroso. A título de comparación, se dice que una
superficie es hidrófoba si presenta un ángulo de contacto \theta
superior a 90º con una gota de agua.
Más en particular, el soporte poroso se elabora
a partir de una cerámica, de un vidrio, de un metal, de silicio, de
carburo de silicio, de carbono-grafito o de
cualquier asociación de estos materiales. Los poros del soporte
pueden estar formados por los espacios libres formados entre los
granos de un material sinterizado, escogido por ejemplo entre las
cerámicas, el vidrio el carburo de silicio y un metal. El soporte
poroso también puede estar constituido por fibras, por ejemplo de
vidrio, de carbono o de polímero, y los espacios libres dispuestos
entre dichas fibras constituyen los poros de dicho soporte. De
acuerdo con una realización alternativa, los poros del soporte se
pueden formar asimismo mediante grabado o taladrado de un material
macizo tal como el silicio, un metal o vidrio. Los poros pueden ser
de forma arbitraria o pueden, por el contrario, tener una forma
estructurada, por ejemplo con forma de canales pasantes. Ahora bien,
las propiedades de superficie de los materiales utilizados para
formar el soporte poroso no permiten mantener en la superficie de
dicho soporte el electrólito líquido utilizado para formar la
membrana sólida conductora de protones.
De este modo, antes de la deposición del
electrólito líquido, se deposita un material que presenta con el
electrólito líquido un ángulo de contacto \theta superior a 90º
sobre por lo menos una parte, y ventajosamente sobre la totalidad,
de las paredes que delimitan los poros del soporte. Esto permite
modificar el ángulo de contacto entre el electrólito líquido y las
paredes que delimitan los poros del soporte y, por tanto, disminuir
la presión capilar, a fin de garantizar la retención del electrólito
líquido en la superficie del soporte poroso.
A título de ejemplo, la figura 1 representa una
forma de realización particular de una pila de combustible 1. Se
recubre una parte de un soporte poroso 2 con un colector de
corriente anódica 3, a su vez recubierto en parte de una
superposición sucesiva de tres capas delgadas que constituyen un
ánodo 4, una membrana 5, por ejemplo de Nafion® y un cátodo 6. La
superposición de dichas tres capas delgadas constituye, de este
modo, el ensamblaje EME 7. Además, una capa delgada aislante 8
recubre las respectivas partes libres del soporte poroso 2 y del
colector de corriente anódica 3 y rodea la periferia del ensamblaje
EME 7. Dicha capa delgada aislante 8 incorpora sin embargo una
abertura 8a, que deja libre una zona del colector de corriente
anódica 3 para permitir la formación de una borna de conexión
negativa. Por último, un colector de corriente catódica 9 recubre
el cátodo 6 y una parte de la capa delgada aislante 8 y sobre el
colector de corriente catódica 9 se puede formar una borna de
conexión positiva. Además, dicha membrana 5 tiene ventajosamente un
espesor comprendido entre 5 y 10 micrómetros.
La película que recubre las paredes que
delimitan los poros puede estar constituida por un material que
incorpora por lo menos un polímero que presenta un ángulo de
contacto \theta superior a 90º con una gota del electrólito
líquido utilizado para formar la membrana electrolítica 5. Más en
particular, el material está constituido por un polímero de este
tipo. El polímero se escoge, por ejemplo, de entre:
- - el politetrafluoroetileno (PTFE) y sus derivados,
- - el fluoroetileno-propileno (FEP),
- - el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y sus derivados,
- - el polietileno (PE),
- - el polipropileno (PP),
- - el etileno-propileno,
- - y los tioles.
\vskip1.000000\baselineskip
El polímero puede ser asimismo un polímero
conductor protónico de ácido perfluorosulfónico, tal como el Nafion®
o el Hyflon® ION comercializado por la empresa Solvay Solexis. En
efecto, el ángulo de contacto \theta entre la superficie de una
película de Nafion® (o de Hyflon® ION) y una gota de un electrólito
líquido destinado a formar una membrana sólida de Nafion® (o de
Hyflon® ION) es superior a 90º.
Más en particular, el ángulo de contacto entre
los polímeros anteriormente mencionados y un electrólito líquido,
tal como el Nafion® o el Hyflon® ION, está comprendido entre 130º y
150º.
Ahora bien, estos materiales, aunque presenten
las propiedades de superficie adaptadas para retener el electrólito
en la superficie del soporte poroso, son pésimos desde un punto de
vista de conducción térmica. Así, no pueden ser utilizados como
material constituyente del soporte poroso, ya que tal utilización
provocaría un sobrecalentamiento y la parada de la pila de
combustible.
Así, sobre las paredes que delimitan los poros
del soporte se forma el material que comprende por lo menos un
polímero, más en particular mediante impregnación por vía líquida.
El soporte se impregna con una solución líquida que incorpora por
lo menos un disolvente el que está disuelto dicho material. Luego,
se evapora el o los disolventes, con el fin de que el material,
previamente disuelto, se deposite, en forma sólida, sobre dichas
paredes.
A título de ejemplo, las figuras 2 a 4 ilustran
esquemáticamente las diferentes etapas de formación de una película
de polímero 10, sobre las paredes que delimitan los poros de un
soporte 2, durante un procedimiento de fabricación de una pila de
combustible 1 tal como la representada en la figura 1. En esta forma
de realización, la película 10 se forma impregnando el soporte 2
con una solución líquida 11 que incorpora un disolvente y dicho
material. Así, como se representa en las figuras 2 y 3, el soporte
poroso 2, que incorpora poros 2a delimitados por paredes 2b, queda
impregnado por la solución 11. Ésta penetra entonces en los poros 2a
de dicho soporte 2 y los llena completamente. Luego, como se
representa en la figura 4, una etapa de evaporación permite
eliminar el disolvente, de modo que el material se deposita sobre
las paredes 2b del soporte y forma la película 10. El disolvente
que compone la solución 11 es evaporado, por ejemplo, en vacío o
mediante calentamiento. Por ejemplo, el disolvente puede ser agua
y/o uno o varios alcoholes. Además, la temperatura de evaporación
del disolvente es inferior a la temperatura a la que el material es
suscep-
tible de degradarse o de verse dañado (dependiendo del caso, temperatura de fusión, de transición vítrea, etc.).
tible de degradarse o de verse dañado (dependiendo del caso, temperatura de fusión, de transición vítrea, etc.).
La cantidad de material en la solución 11 tiene
que ser suficiente para que las paredes de los poros queden
recubiertas de una película 10 que tenga un espesor suficiente, por
ejemplo superior a 1 nm. Sin embargo, el espesor de la película no
debe ser demasiado importante, ya que la película 10 no debe taponar
los poros 2a y, con ello, bloquear el paso o la difusión del fluido
reactante.
Una vez depositada la película 10, sobre dicho
soporte se forman el colector de corriente anódica 3, el ánodo 4,
la membrana 5, el cátodo 6, el colector de corriente catódica 9 y la
capa aislante 8, sin que haya riesgo de que el electrólito líquido
penetre en los poros del soporte. La membrana 5 se forma mediante
deposición de un electrólito líquido, por ejemplo mediante
recubrimiento, mediante revestimiento por pulverización, mediante
un sistema de entrega micrométrica conocido con el término
anglosajón "micro-dispensing", mediante
deposición por chorro de tinta; y después mediante secado de dicho
electrólito líquido.
En una realización alternativa, el colector de
corriente anódica 3 y el ánodo 4 se pueden depositar sobre el
soporte poroso 2 antes de la formación de la película 10. Esta forma
de realización sólo está adaptada al caso en el que el material que
forma la película 10 incorpora un polímero conductor de protones de
ácido perfluorosulfónico, tal como el Nafion® o el Hyflon® ION.
Efectivamente, en este caso, incluso si el ánodo incorpora residuos
de polímero, estos no dificultan el paso de los protones entre el
ánodo y el electrólito. Además, la presencia de este polímero sobre
las paredes
de los poros del ánodo permite crear una interfase volumétrica entre el ánodo y el electrólito y no una interfase superficial.
de los poros del ánodo permite crear una interfase volumétrica entre el ánodo y el electrólito y no una interfase superficial.
A título de ejemplo, se utilizó una solución
líquida que incorporaba un 95% de disolvente (agua + alcoholes) y
un 5% de Nafion® para impregnar, por ejemplo mediante recubrimiento,
un soporte poroso de cerámica, por ejemplo de alúmina. La etapa de
impregnación se llevó a cabo tras la deposición de un colector de
corriente anódica formado, por ejemplo, por una capa de oro de un
espesor de de 1 \mum, y la deposición de un ánodo constituido,
por ejemplo, de una capa de carbono sobre platino de 5 \mum de
espesor. El soporte poroso de cerámica tiene un espesor de 500
micrómetros, con un tamaño medio de poros del orden de 5 micrómetros
y una fracción volumétrica de poros del 50%. Así, 1 cm^{2} de
superficie de cerámica porosa incorpora un volumen total de poros
que representa 25 mm^{3}. Así, son necesarios por tanto 25
mm^{3}/cm^{2} de solución líquida para impregnar el volumen
total de los poros. A continuación se evapora el disolvente en un
horno, durante 1 hora, a 85ºC de modo que el Nafion® se deposita
sobre las paredes que delimitan los poros. Tras la evaporación del
disolvente, el espesor de la película de Nafion® es del orden de 40
nm. Este espesor permite evitar cualquier problema de difusión en
fluido reactante y, más en particular, en hidrógeno, puesto que
ningún poro queda obstruido por la presencia de dicha película. A
continuación se deposita el electrólito líquido por recubrimiento y
se seca para obtener, por ejemplo, una membrana sólida de Nafion®.
Tras la formación del cátodo y del colector de corriente catódica,
se sometió a prueba la pila de combustible. La potencia obtenida no
indica problema alguno de difusión en hidrógeno, a diferencia de una
pila realizada en iguales condiciones pero realizada sin formación
de una película recubriendo las paredes que delimitan los poros del
soporte.
De acuerdo con una alternativa, la solución 10,
en lugar de contener el material destinado a formar la película 10,
puede contener un precursor de dicho material.
Así, para una película 10 que contiene un
polímero que tiene un ángulo de contacto \theta superior a 90º
con una gota del electrólito líquido utilizado para formar la
membrana 5, la solución 10 utilizada para la impregnación puede
contener un monómero de dicho polímero. En tal caso, dicho monómero
se polimeriza mediante cualquier tipo de medio adaptado, antes de
la evaporación del disolvente, de modo que el ángulo de contacto
\theta del polímero obtenido mediante polimerización sea superior
a 90º.
Asimismo, el precursor de dicho material puede
estar compuesto de forma que presente propiedades de superficie
capaces de ser modificadas bajo la acción de un tratamiento térmico,
por ultravioleta o por infrarrojos. Más en particular, el ángulo de
contacto \theta de dicho compuesto con una gota del electrólito
liquido no se hace superior a 90º sino después de haber pasado por
un tratamiento tal como un tratamiento térmico, por infrarrojos o
por ultravioleta. Tal es, por ejemplo, el caso de los tioles, cuyo
ángulo de contacto puede ser modificado por tratamiento por
infrarrojos o ultravioleta. En tal caso, semejante tratamiento se
realiza después de la etapa de evaporación del disolvente.
En las figuras 2 a 4, el soporte 2 es un soporte
constituido por un solo material y el tamaño de los poros 2a en el
soporte 2 es sensiblemente constante. Ventajosamente, éste es
inferior al espesor de la membrana conductora de protones, y más en
particular inferior a 10 micrómetros. Por el contrario, puede ser
ventajoso tener un soporte que presenta un gradiente de porosidad,
es decir, una porosidad que varíe en función del espesor del
soporte. Más en particular, como se representa en la figura 5, el
soporte 2 incorpora dos superficies 2c y 2d opuestas, siendo
destinada la superficie 2d a recibir el conjunto EME. Además, la
porosidad en el soporte 2 es decreciente desde la superficie 2c
hasta la superficie 2d. En efecto, en la figura 5, los poros
dispuestos junto a la superficie 2c tienen un tamaño superior al de
los poros dispuestos junto a la superficie 2d.
Ventajosamente, los poros dispuestos junto a la
superficie 2c tienen un tamaño superior al espesor de la membrana
conductora de protones (por ejemplo, 10 micrómetros), mientras que
los poros dispuestos junto a la superficie 2d tienen un tamaño
medio inferior al espesor de la membrana conductora protónica.
Semejante gradiente de porosidad permite efectivamente disminuir
las fuerzas capilares y propiciar por tanto la retención del
electrólito líquido en la superficie del soporte poroso. Con
preferencia, en el caso de los poros realizados por estructuración
(por ejemplo, grabado o taladrado), tales como poros que tienen una
forma de canales pasantes, estos últimos tienen ventajosamente una
forma troncocónica abocardada hacía la superficie 2c.
De acuerdo con una variante de realización y
como se representa en la figura 6, el soporte puede estar
constituido por una superposición de dos capas superpuestas 12 y
13, que tienen distintas porosidades, respectivamente inferior y
superior al espesor de la membrana conductora de protones (por
ejemplo, 10 micrómetros). Las dos capas superpuestas 12 y 13 pueden
estar constituidas por materiales distintos, o bien por un mismo
material pero que tenga dos porosidades con formas diferentes. A
título de ejemplo, la capa 13 puede incorporar canales pasantes que
crean una primera poro-
sidad, mientras que la capa 12 puede presentar poros de forma arbitraria pero con un tamaño inferior al de la capa 13.
sidad, mientras que la capa 12 puede presentar poros de forma arbitraria pero con un tamaño inferior al de la capa 13.
El o los polímeros utilizados para formar la
película 10 se pueden sustituir por otras materiales que tengan un
ángulo de contacto \theta superior a 90º con una gota del
electrólito líquido utilizado para formar la membrana sólida. A
título de ejemplo, el material que forma la película 10 puede estar
constituido por partículas metálicas, cerámicas o de
carbono-grafito, que presentan un ángulo de contacto
superior a 90º con una gota del electrólito líquido. La película 10
se forma, por ejemplo, mediante deposición química en fase de vapor
(CVD), deposición física en fase de vapor (PVD), sedimentación,
baño, recubrimiento, mediante revestimiento por pulverización
("spray coating"). Por otro lado, si las propias partículas no
presentan un ángulo de contacto superior a 90º, se puede recubrir
estas partículas con un revestimiento formado por un polímero que
presente un ángulo de contacto superior a 90º con una gota de dicho
electrólito líquido.
Así, la formación de la película 10 no queda
limitada a la técnica de impregnación por vía líquida. Más en
particular, la película 10 puede ser depositada, por lo menos sobre
una parte de las paredes que delimitan los poros del soporte,
mediante un procedimiento de deposición química en fase de vapor
(CVD), tal como la deposición química en fase de vapor
intensificada por plasma (PECVD) o la deposición química en fase de
vapor a partir de precursores organometálicos (MOCVD). El material
que constituye la película 10 puede ser, por ejemplo, oxicarburo de
silicio (SiOC), polidímetilsiloxano (PDMS) o carbono amorfo.
Efectivamente, el ángulo de contacto formado por una gota de
electrólito líquido sobre una superficie plana de un material de
este tipo es superior a 90º y, ventajosamente, comprendido entre
130º y 170º. Esta técnica de deposición CVD permite de forma
particular depositar una película que reúne los requisitos mediante
descomposición química en fase gaseosa, es decir, una película que
tiene un espesor constante. Presenta, por otro lado, la ventaja de
poder infiltrar gases en el interior de un material poroso. Por lo
tanto, se puede realizar una película delgada 10 directamente
alrededor de cada poro del soporte poroso, sin necesidad de
impregnación previa por vía líquida ni de etapa de evaporación del
disolvente.
Claims (13)
1. Procedimiento de fabricación de una pila de
combustible (1) que consta por lo menos de la formación de un
conjunto (7) constituido por un primer electrodo (4), una membrana
sólida conductora de protones (5) y un segundo electrodo (6) sobre
un soporte (2) que incorpora poros (2a) delimitados por paredes
(2b), siendo formada la membrana (5) mediante deposición y secado
de un electrólito líquido,
caracterizado porque se forma, antes de
la deposición del electrólito líquido, una película (10),
constituida por un material que presenta un ángulo de contacto
(\theta) superior a 90º con una gota de dicho electrólito
líquido, por lo menos sobre una parte de las paredes (2b) que
delimitan los poros (2a), teniendo dicha película (10) un espesor
que admite el paso de un fluido reactante a dichos poros (2a).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porgue el material que constituye dicha
película (10) incorpora por lo menos un polímero que presenta un
ángulo de contacto (\theta) superior a 90º con una gota de dicho
electrólito líquido.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque el polímero se escoge del grupo formado
por:
- - el politetrafluoroetileno y sus derivados,
- - el fluoroetileno-propileno,
- - el fluoruro de polivinilideno y sus derivados,
- - el polietileno,
- - el polipropileno,
- - el etileno-propileno,
- - los tioles,
- - y un polímero conductor protónico de ácido perfluorosulfónico.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque siendo el polímero un polímero conductor
protónico de ácido perfluorosulfónico, el primer electrodo se
realiza antes de la formación de la película (10).
5. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque dicha película
(10) se forma impregnando dicho soporte (2) con una solución
líquida (11) que incorpora por lo menos un disolvente en el que
está disuelto dicho material, y evaporando después dicho
disolvente.
6. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque dicha película
(10) se forma impregnando dicho soporte (2) con una solución
líquida (11) que incorpora por lo menos un disolvente en el que
está disuelto por lo menos un precursor de dicho material y
evaporando después dicho disolvente.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque dicho precursor está constituido por un
monómero que presenta, después de la polimerización, un ángulo de
contacto (\theta) superior a 90º con una gota de dicho
electrólito líquido.
8. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el precursor de dicho material es un
compuesto que presenta, después de un tratamiento térmico, por
ultravioleta o por infrarrojos, un ángulo de contacto (\theta)
superior a 90º con una gota de dicho electrólito líquido, llevándose
a cabo dicho tratamiento tras la evaporación del disolvente.
9. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el material que forma dicha película
(10) está constituido por partículas metálicas, cerámicas o de
carbono-grafito, que presentan un ángulo de contacto
(\theta) superior a 90º con una gota del electrólito líquido.
10. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el material que forma dicha película
(10) está constituido por partículas metálicas, cerámicas o de
carbono-grafito, recubiertas de un revestimiento
formado por un polímero que presenta un ángulo de contacto
(\theta) superior a 90º con una gota de dicho electrólito
líquido.
11. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la película se forma mediante deposición
química en fase de vapor.
12. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el soporte,
dotado de superficies primera y segunda (2c, 2d) opuestas, presenta
una porosidad decreciente desde la primera superficie (2c) hasta la
segunda superficie (2d), siendo formado el conjunto (7), constituido
por el primer electrodo (4), la membrana sólida conductora de
protones (5) y el segundo electrodo (6), sobre la segunda superficie
(2d) de dicho soporte.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado porque el soporte (2) está constituido por una
superposición de dos capas superpuestas (12, 13), que tienen
distintas porosidades, respectivamente inferior y superior al
espesor de la membrana sólida conductora de protones (5).
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0705652 | 2007-08-02 | ||
| FR0705652A FR2919760B1 (fr) | 2007-08-02 | 2007-08-02 | Procede de fabrication d'une pile a combustible sur un support poreux |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2340109T3 true ES2340109T3 (es) | 2010-05-28 |
Family
ID=39276233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES08354044T Active ES2340109T3 (es) | 2007-08-02 | 2008-06-23 | Procedimiento de fabricacion de una pila de combustible sobre un soporte poroso. |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7976895B2 (es) |
| EP (1) | EP2026400B1 (es) |
| JP (1) | JP5208603B2 (es) |
| CN (1) | CN101359745B (es) |
| AT (1) | ATE457086T1 (es) |
| DE (1) | DE602008000622D1 (es) |
| ES (1) | ES2340109T3 (es) |
| FR (1) | FR2919760B1 (es) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5713343B2 (ja) * | 2011-01-28 | 2015-05-07 | 学校法人東京理科大学 | 燃料電池及びその製造方法 |
| KR101405721B1 (ko) * | 2011-04-29 | 2014-06-13 | 한국과학기술연구원 | 소수성이 개선된 기공체 및 그 제조 방법 |
| DE102012103383A1 (de) * | 2012-04-18 | 2013-10-24 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren zur Herstellung eines Trägersubstrats, Trägersubstrat und elektrochemische Einrichtung |
| KR102438137B1 (ko) * | 2015-12-02 | 2022-08-30 | 에스케이이노베이션 주식회사 | 내열성 및 셧다운 특성이 우수한 이차전지용 분리막 |
| KR102935071B1 (ko) * | 2019-09-06 | 2026-03-05 | 현대자동차주식회사 | 이온 채널 연속성이 개선된 연료전지용 전해질막 및 그 제조방법 |
| CN113921825A (zh) * | 2021-10-09 | 2022-01-11 | 华东师范大学 | 一种用于水溶液电池的防渗导电石墨板的制备和标定方法 |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ZA876142B (es) * | 1987-08-19 | 1989-02-20 | ||
| JP4724976B2 (ja) * | 2001-08-02 | 2011-07-13 | 住友化学株式会社 | 高分子電解質複合膜の製造方法および燃料電池 |
| EP1624520B1 (en) * | 2002-03-27 | 2011-08-24 | Topsøe Fuel Cell A/S | Thin film solid oxide fuel cell (SOFC) and its method of production |
| FR2846797A1 (fr) * | 2002-12-20 | 2004-05-07 | Commissariat Energie Atomique | Module de base monobloc et a relief de pile a combustible miniature et son procede de fabrication |
| US20050053821A1 (en) * | 2003-09-08 | 2005-03-10 | Jang Bor Z. | Self-moisturizing proton exchange membrane, membrane-electrode assembly and fuel cell |
| JP2005093217A (ja) * | 2003-09-17 | 2005-04-07 | Ube Ind Ltd | 燃料電池用電極、その製造方法、膜−電極接合体及び燃料電池 |
| JP4348155B2 (ja) * | 2003-09-29 | 2009-10-21 | 株式会社巴川製紙所 | 固体高分子型燃料電池用触媒膜、その製造方法及びそれを用いた燃料電池 |
| JP4534033B2 (ja) * | 2004-03-30 | 2010-09-01 | 国立大学法人福井大学 | 燃料電池用集電体及びそれを用いた電解質複合体 |
| JP2006185899A (ja) * | 2004-12-02 | 2006-07-13 | Dainippon Printing Co Ltd | 固体高分子形燃料電池用のガス拡散用撥水性電極 |
| JP2006172871A (ja) * | 2004-12-15 | 2006-06-29 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| FR2880200B1 (fr) | 2004-12-24 | 2012-08-17 | St Microelectronics Sa | Plaquette munie de conducteurs transverses et application a une pile a combustible |
| JP4956951B2 (ja) * | 2005-07-08 | 2012-06-20 | 大日本印刷株式会社 | 固体高分子形燃料電池用のガス拡散用撥水性電極 |
| US20070072070A1 (en) * | 2005-09-26 | 2007-03-29 | General Electric Company | Substrates for deposited electrochemical cell structures and methods of making the same |
| FR2891403A1 (fr) * | 2005-09-29 | 2007-03-30 | St Microelectronics Sa | Pile a combustible recouverte d'une couche de polymeres hydrophiles |
| US20080061027A1 (en) * | 2006-09-12 | 2008-03-13 | Mangat Pawitter S | Method for forming a micro fuel cell |
-
2007
- 2007-08-02 FR FR0705652A patent/FR2919760B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2008
- 2008-06-23 EP EP08354044A patent/EP2026400B1/fr not_active Not-in-force
- 2008-06-23 ES ES08354044T patent/ES2340109T3/es active Active
- 2008-06-23 AT AT08354044T patent/ATE457086T1/de not_active IP Right Cessation
- 2008-06-23 DE DE602008000622T patent/DE602008000622D1/de active Active
- 2008-07-07 US US12/216,498 patent/US7976895B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2008-07-11 JP JP2008181538A patent/JP5208603B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2008-08-04 CN CN2008101443887A patent/CN101359745B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2026400B1 (fr) | 2010-02-03 |
| US20090035456A1 (en) | 2009-02-05 |
| CN101359745A (zh) | 2009-02-04 |
| US7976895B2 (en) | 2011-07-12 |
| JP5208603B2 (ja) | 2013-06-12 |
| DE602008000622D1 (de) | 2010-03-25 |
| CN101359745B (zh) | 2013-03-06 |
| ATE457086T1 (de) | 2010-02-15 |
| EP2026400A1 (fr) | 2009-02-18 |
| JP2009038024A (ja) | 2009-02-19 |
| FR2919760A1 (fr) | 2009-02-06 |
| FR2919760B1 (fr) | 2009-10-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2340109T3 (es) | Procedimiento de fabricacion de una pila de combustible sobre un soporte poroso. | |
| US10158145B2 (en) | Flexible composite solid state battery | |
| US7731765B2 (en) | Air battery and manufacturing method | |
| US20150118600A1 (en) | Microporous layer structures and gas diffusion layer assemblies for enhanced water management in proton exchange membrane fuel cells | |
| JP2007522642A (ja) | Ｐｅｍ燃料電池で水を管理するため、流れ場に設けられた毛管層 | |
| US20180040905A1 (en) | Textured fuel cell components for improved water management | |
| CN100487968C (zh) | 具有大活性表面区域和小体积的燃料电池组及其生产方法 | |
| CN1577935A (zh) | 燃料电池支撑结构及制造方法 | |
| CN105098123B (zh) | 用于燃料电池的具有增强的储冰能力的微孔层 | |
| US7855018B2 (en) | Micro-electro-mechanical systems phosphoric acid fuel cell | |
| JP5242545B2 (ja) | 燃料電池により生成された水を制御することができるアセンブリを備える燃料電池 | |
| JP4580852B2 (ja) | 燃料電池 | |
| ES2284053T3 (es) | Pila de combustible en la que un fluido circula sensiblemente de formaparalela a la membrana electrolitica y procedimiento de fabricacion de una pila de combustible de ese tipo. | |
| US7892693B2 (en) | Fuel cell planarly integrated on a monocrystalline silicon chip and process of fabrication | |
| CN118355149A (zh) | 阴离子交换膜电解用气体扩散层及其制造方法 | |
| US20140295314A1 (en) | Microporous layer for a fuel cell with enhanced ice storage | |
| CN114243212A (zh) | 一种基于重离子径迹膜的锂金属/锂离子电池功能化隔膜及其制备方法 | |
| US10193171B2 (en) | Fuel cell with integrated water management layer and fabrication method thereof | |
| CN101689654A (zh) | 用于平板式燃料电池的不透性多孔基板及一体化封装体 | |
| JP2005093217A (ja) | 燃料電池用電極、その製造方法、膜−電極接合体及び燃料電池 | |
| WO2013190164A1 (es) | Membrana electrolítica de óxido sólido soportada sobre nervios de silicio dopado para aplicaciones en micro pilas de combustible de óxido sólido | |
| KR100615157B1 (ko) | 리튬 이온 폴리머 전지용 세퍼레이타 | |
| JP2008098066A (ja) | ガス拡散基材、その製造方法、ガス拡散層及び固体高分子形燃料電池 | |
| US20250263858A1 (en) | Porous layers within electrochemical cells having directionally oriented channels | |
| JP2004319375A (ja) | 燃料電池の電極及びこの電極を使用した燃料電池 |