ES2601053T3

ES2601053T3 - Conjunto de celda de combustible unido y métodos y sistemas para producir el mismo

Info

Publication number: ES2601053T3
Application number: ES07861211.6T
Authority: ES
Inventors: Matthew Peter Burdzy; Brian Russell Einsla; Kevin James Welch
Original assignee: Henkel IP and Holding GmbH
Current assignee: Henkel IP and Holding GmbH
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2017-02-14
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: EP1974402A4; EP1974402A2; KR101397894B1; WO2008048336A3; JP2009524192A; JP5235138B2; KR20080094058A; WO2008048336A2; CN101395736B; CA2637117A1; BRPI0706616A8; EP1974402B1; US20080289755A1; BRPI0706616A2; CN101395736A; CA2637117C

Abstract

Un método para formar un componente de una celda de combustible que comprende: proporcionar un sellante de dos partes con una primera parte que comprende un iniciador y una segunda parte que comprende un material polimerizable; aplicar la primera parte del sellante a un sustrato de un primer componente de una celda de combustible; aplicar la segunda parte del sellante a un sustrato de un segundo componente de la celda de combustible; alinear por yuxtaposición los sustratos del primer y segundo componentes de la celda de combustible; y, curar el sellante para unir el primer y segundo componentes de la celda de combustible entre sí.

Description

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DESCRIPCION

Conjunto de celda de combustible unido y metodos y sistemas para producir el mismo Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un metodo para unir y sellar componentes de una celda electroqmmica, tal como una celda de combustible, y a una celda electroqmmica formada a partir de los mismos. Mas, en particular, la presente invencion se refiere a un metodo y un diseno para unir los componentes de una celda de combustible de un modo adecuado para la produccion continua de componentes de una celda de combustible.

Breve descripcion de la tecnologfa relacionada

Aunque hay varios tipos conocidos de celdas electroqmmicas, un tipo habitual es una celda de combustible, tal como la celda de combustible de membrana de intercambio de protones ("PEM"). La celda de combustible PEM contiene un conjunto membrana-electrodo ("MEA") proporcionado entre dos placas de campo de flujo o placas bipolares. Se usan sellos entre las placas bipolares y la mEa para proporcionar el sellado a las mismas. Adicionalmente, ya que una celda de combustible PEM individual normalmente proporciona un voltaje o potencia relativamente bajo, se apilan multiples celdas de combustible PEM para aumentar la potencia electrica global del conjunto de la celda de combustible resultante. El sellado tambien es necesario entre las celdas de combustible PEM individuales. Asimismo, se proporcionan normalmente placas de refrigeracion para controlar la temperatura dentro de la celda de combustible. Tales placas se sellan tambien para prevenir fugas dentro del conjunto de la celda de combustible. Tras el conjunto, el apilamiento de celdas de combustible se sujeta para asegurar el conjunto.

Tal como se describe en la patente de Estados Unidos n.° 6.057.054, se han propuesto cauchos de silicona lfquidos para ser moldeados sobre conjuntos de celdas de combustible. Tales composiciones de silicona, sin embargo, se degradan antes de alcanzar la duracion de vida operacional deseada de la celda de combustible. Asimismo, tales cauchos de silicona liberan materiales que contaminan la celda de combustible, influyendo negativamente, por tanto, en el rendimiento de la celda de combustible. El moldeo de caucho de silicona lfquido sobre placas separadoras se describe tambien en la patente de Estados Unidos n.° 5.264.299. Para aumentar la duracion de vida operacional, se han propuesto elastomeros mas durables, tales como fluoroelastomeros, descritos en la patente de Estados Unidos n.° 6.165.634, e hidrocarburos poliolefrnicos, descritos en la patente de Estados Unidos n.° 6.159.628, para unir la superficie de los componentes de una celda de combustible. La aplicacion de estas composiciones, sin embargo, consume mucho tiempo ya que cada elemento individual de la celda de combustible o de cada disposicion de componentes de una celda de combustible se ha de unir individualmente con estas composiciones.

La publicacion de solicitud de patente en Estados Unidos n.° US 2005/0263246 A1 describe un metodo para preparar un sellado de bordes sobre un conjunto membrana-electrodo que impregna la capa de difusion de gases usando una pelfcula termoplastica. La aplicacion de temperaturas adecuadas para unir la pelfcula termoplastica puede limitar el diseno de una celda de combustible y tambien son diffciles de aplicar ya que los apilamientos alineados de los componentes de una celda de combustible se han de calentar y enfriar en condiciones controladas.

La patente de Estados Unidos n.° 6.884.537 describe el uso de sellos de caucho con juntas de estanqueidad para sellar los componentes de una celda de combustible. Los sellos estan fijados a los componentes de la celda de combustible mediante el uso de capas de adhesivo para evitar el movimiento o deslizamiento de los sellos. Analogamente, las publicaciones de patente internacional n.°sWO 2004/061338 A1 y WO 2004/079839 A2 describen el uso de sellos multipieza o de una sola pieza para sellar los componentes de una celda de combustible. Los sellos se fijan a los componentes de la celda de combustible mediante el uso de un adhesivo. La colocacion de los adhesivos y los sellos no solo consume mucho tiempo, sino que, ademas, es problematica debido a que un alineamiento defectuoso puede provocar fugas y perdida de rendimiento de la celda de combustible.

La patente de Estados Unidos n.° 6.875.534 describe una composicion curada en el sitio para el sellado de la periferia de una placa separadora de una celda de combustible. La composicion curada en el sitio incluye un polfmero de poliisobutileno que tiene un radical alilo terminal en cada extremo, un organopolisiloxano, un organo- hidrogeno-polisiloxano que tiene al menos dos atomos de hidrogeno unidos cada uno a un atomo de silicio y un catalizador de platino. La patente de Estados Unidos n.° 6.451.468 describe una composicion formada en el sitio para el sellado de un separador, un electrodo o una membrana de intercambio ionico de una celda de combustible. La composicion formada en el sitio incluye un perfluoropolieter o un poliisobutileno lineal con un grupo alquenilo terminal en cada extremo, un reticulador o endurecedor que tiene al menos dos atomos de hidrogeno unidos cada uno a un atomo de silicio, y un catalizador de hidrosililacion. La densidad de reticulacion y las propiedades resultantes de estas composiciones estan limitadas por el uso de oligomeros de poliisobutileno lineal que tienen una funcionalidad alilo o alquenilo de dos. La funcionalidad de estas composiciones se modifica variando la funcionalidad hidrosililo, lo que limita las propiedades de las composiciones resultantes.

La publicacion patente internacional n.° WO 2004/047212 A2 describe el uso de un sello de espuma de caucho, un sellante de silicona lfquido o un fluoroplastico solido para sellar la capa de transporte de fluidos o la capa de difusion

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de gases de una celda de combustible. El uso de sellos solidos, es dedr, una cinta o pelmula de espuma de caucho y/o de fluoroplastico solido, hace que sean problematicos la colocacion de estos materiales y el posterior alineamiento de los componentes de la celda de combustible y los sellos, ademas de consumir mucho tiempo.

La publicacion de solicitud de patente en Estados Unidos n.° 2003/0054225 describe el uso de un equipo rotatorio, tal como tambores o rodillos, para la aplicacion del material de electrodo a los electrodos de una celda de combustible. Aunque esta publicacion describe un proceso automatizado para formar electrodos de una celda de combustible, la publicacion falla en cuanto a abordar los problemas de sellado de las celdas de combustible formadas.

El documento EP 159 477 A1 describe un terpolfmero curable con peroxido de isobutileno, isopreno y para- metilestireno. Se menciona el uso de la composicion en celdas de combustible, pero no se proporciona ningun detalle sobre aplicaciones, procesado o dispositivos.

La patente de Estados Unidos n.° 6.942.941 describe el uso de un adhesivo conductor para unir diferentes laminas a fin de formar una placa separadora bipolar. Se aplica en primer lugar una imprimacion conductora sobre dos placas y se cura parcialmente calentando a aproximadamente a 37,8 °C. Se aplica despues un adhesivo entre las dos placas, y tras presionar las placas entre sf, se cura el adhesivo calentando a aproximadamente 260 °C.

A pesar del estado de la tecnica, sigue existiendo la necesidad de una composicion sellante adecuada para su uso con los componentes de una celda electroqmmica, aplicada preferentemente mediante moldeo por inyeccion lfquida.

Sumario de la invencion

La presente invencion proporciona un metodo, una composicion y un sistema para unir y sellar componentes de una celda de combustible. La composicion sellante usada para unir y sellar las partes de una celda de combustible puede incluir dos o mas componentes que, separadamente, son estables y, sin embargo, cuando se combinan o se exponen a una fuente de energfa se pueden curar. En un sistema sellante de dos componentes, una parte del sellante se puede aplicar a un primer sustrato de un componente de la celda de combustible y la segunda parte se puede aplicar a un segundo sustrato de la celda de combustible. Los sustratos se unen y el sellante se cura para formar un conjunto de componentes de una celda de combustible unidos.

En un aspecto de la presente invencion, un metodo para formar un componente de una celda de combustible incluye proporcionar un sellante de dos partes con una primera parte que incluye un iniciador y una segunda parte que incluye un material polimerizable; aplicar la primera parte del sellante a un sustrato de un primer componente de una celda de combustible; aplicar la segunda parte del sellante a un sustrato de un segundo componente de la celda de combustible; alinear por yuxtaposicion los sustratos del primer y segundo componentes de la celda de combustible; y curar el sellante para unir el primer y segundo componentes de la celda de combustible entre sf. Preferentemente, el iniciador es un iniciador de radiacion actmica, mediante el cual el sellante es curado por la radiacion actmica. El material polimerizable puede ser un monomero, un oligomero, un polfmero telequelico, o un polfmero funcional polimerizables y combinaciones de los mismos. Preferentemente, el grupo funcional es epoxi, alilo, vinilo, acrilato, metacrilato, imida, amida, uretano y combinaciones de los mismos. Componentes utiles de una celda de combustible incluyen una placa de campo de flujo del catodo, una placa de campo de flujo del anodo, un bastidor de resina, una capa de difusion de gases, una capa de catalizador del anodo, una capa de catalizador del catodo, un electrolito de membrana, un bastidor de conjunto membrana-electrodo y combinaciones de los mismos.

En otro aspecto de la presente invencion, un metodo para formar un componente de una celda de combustible incluye proporcionar un sellante de dos partes, en el que una primera parte incluye un iniciador y la segunda parte incluye un material polimerizable; proporcionar la primera y segunda placas separadoras y el primer y segundo bastidores de resina; recubrir una cara o ambas caras, preferentemente ambas caras, de la primera placa separadora con la primera parte del sellante; activar la primera parte del sellante sobre la primera placa separadora con una radiacion actmica; recubrir una cara o ambas caras, preferentemente una cara, del primer bastidor de resina con la segunda parte del sellante; alinear por yuxtaposicion la primera placa separadora y el primer bastidor de resina; curar el sellante para unir la primera placa separadora y el primer bastidor de resina entre sf; recubrir una cara o ambas caras, preferentemente ambas caras, de la segunda placa separadora con la segunda parte del sellante; recubrir una cara o ambas caras, preferentemente una cara, del segundo bastidor de resina con la primera parte del sellante; activar la primera parte del sellante sobre el segundo bastidor de resina con una radiacion actmica; alinear por yuxtaposicion la segunda placa separadora y el segundo bastidor de resina; curar el sellante para unir la segunda placa separadora y el segundo bastidor de resina entre sf; alinear por yuxtaposicion la primera y segunda placas separadoras; curar el sellante para unir la primera y segunda placas separadoras entre sf a fin de formar una placa separadora bipolar. Preferentemente, el iniciador es un iniciador de radiacion actmica, mediante el cual el sellante es curado por la radiacion actmica. El material polimerizable puede ser un monomero, un oligomero, un polfmero telequelico, o un polfmero funcional polimerizables y combinaciones de los mismos. Preferentemente, el grupo funcional es epoxi, alilo, vinilo, acrilato, metacrilato, imida, amida, uretano y combinaciones de los mismos. Componentes utiles de una celda de combustible que se van a unir incluyen una placa de campo de flujo del catodo, una placa de campo de flujo del anodo, un bastidor de resina, una capa de difusion de gases, una capa de

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catalizador del anodo, una capa de catalizador del catodo, un electrolito de membrana, un bastidor de conjunto membrana-electrodo y combinaciones de los mismos.

En otro aspecto de la presente invencion, un sistema para formar un componente de una celda de combustible incluye un primer dispensador para proporcionar una primera parte de un sellante de dos partes, en el que la primera parte del sellante incluye un iniciador; un segundo dispensador para proporcionar una segunda parte de un sellante de dos partes, en el que la segunda parte del sellante incluye un material polimerizable; una primera estacion para aplicar la primera parte del sellante a un sustrato de un primer componente de una celda de combustible; una segunda estacion para aplicar la segunda parte del sellante a un sustrato de un segundo componente de la celda de combustible; una tercera estacion para alinear por yuxtaposicion los sustratos del primer y segundo componentes de la celda de combustible; y una estacion de curado para curar el sellante a fin de unir el primer y segundo componentes de la celda de combustible entre st Preferentemente, el iniciador es un iniciador de radiacion actmica, mediante el cual el sellante es curado por la radiacion actmica. El material polimerizable puede ser un monomero, un oligomero, un polfmero telequelico, o un polfmero funcional polimerizables y combinaciones de los mismos. Preferentemente, el grupo funcional es epoxi, alilo, vinilo, acrilato, metacrilato, imida, amida, uretano y combinaciones de los mismos. Componentes utiles de una celda de combustible que se van a unir incluyen una placa de campo de flujo del catodo, una placa de campo de flujo del anodo, un bastidor de resina, una capa de difusion de gases, una capa de catalizador del anodo, una capa de catalizador del catodo, un electrolito de membrana, un bastidor de conjunto membrana-electrodo y combinaciones de los mismos.

Breve descripcion de las figuras

La FIG. 1 es una vista transversal de una celda de combustible que tiene una placa de campo de flujo del anodo, un bastidor de resina, una capa de difusion de gases, un catalizador del anodo, una membrana de intercambio de protones, un catalizador del catodo, una segunda capa de difusion de gases, un segundo bastidor de resina y una placa de campo de flujo del catodo.

La FIG. 2 es una vista transversal despiezada del conjunto de una placa separadora y un bastidor de resina de acuerdo con la presente invencion.

La FIG. 3 es una vista transversal del conjunto de una placa separadora y un bastidor de resina ensamblados de acuerdo con la presente invencion.

La FIG. 4 es un esquema de un conjunto para formar componentes de una celda de combustible unidos. Descripcion detallada de la invencion

La presente invencion se dirige a un metodo para unir asf como a composiciones para unir componentes de una celda electroqmmica. Tal como se usa en el presente documento, una celda electroqmmica es un dispositivo que produce electricidad a partir de fuentes qmmicas que incluyen, si bien no se limitan a las mismas, reacciones qmmicas y combustion qmmica. Celdas electroqmmicas utiles incluyen celdas de combustible, celdas secas, celdas humedas y similares. Una celda de combustible, que se describe a continuacion con mas detalle, usa reactantes qmmicos para producir electricidad. Una celda humeda tiene un electrolito lfquido. Una celda seca tiene un electrolito absorbido en un medio poroso o controlado de otro modo para que no fluya.

La FIG. 1 muestra una vista transversal de los elementos basicos de una celda de combustible electroqmmica, tal como la celda de combustible 10. Las celdas de combustible electroqmmicas convierten el combustible y el oxidante en electricidad y productos de reaccion. La celda de combustible 10 consiste en una placa de campo de flujo del anodo 12 con canales de refrigeracion de cara abierta 14 sobre una cara y canales de flujo del anodo 16 sobre la segunda cara, una placa de resina 13, una capa de difusion de gases 18, un catalizador del anodo 20, una membrana de intercambio de protones 22, un catalizador del catodo 24, una segunda capa de difusion de gases 26, una segunda placa de resina 13, y una placa de campo de flujo del catodo 28 con canales de refrigeracion de cara abierta 30 en una cara y canales de flujo del catodo 32 en la segunda cara, interrelacionados tal como se muestra en la FIG. 1. La combinacion de la capa de difusion de gases 18, el catalizador del anodo 20, la membrana de intercambio de protones 22, el catalizador del catodo 24 y la segunda capa de difusion de gases 26 se denomina con frecuencia conjunto membrana-electrodo 36. Las capas de difusion de gases 18 y 26 estan formadas normalmente por un material laminar, electricamente conductor, poroso tal como el papel de fibra de carbono. La presente invencion, sin embargo, no se limita al uso del papel de fibra de carbono y se pueden usar adecuadamente otros materiales. Las celdas de combustible, sin embargo, no se limitan a tal disposicion de componentes descrita. Las capas de catalizador del anodo y el catodo 20 y 24 estan normalmente en forma de platino finamente dividido. El anodo 34 y el catodo 38 se acoplan electricamente (no mostrado) para proporcionar una via para conducir electrones entre los electrodos para una carga externa (no mostrada). Las placas de campo de flujo 12 y 28 estan formadas normalmente de grafito impregnado con plastico; grafito comprimido y exfoliado; grafito poroso; acero inoxidable u otros materiales compuestos de grafito. Las placas se pueden tratar para impartir propiedades de superficie, tales como la humectacion de la superficie, o pueden estar sin tratar. La presente invencion no se limita, sin embargo, al empleo de tales materiales para usar como placas de campo de flujo, y se pueden usar adecuadamente otros materiales. Por ejemplo, en algunas celdas de combustible las placas de campo de flujo estan hechas de un metal o de un material que contiene un metal, normalmente, si bien no se limitan al mismo, acero inoxidable. Las placas de campo de flujo pueden ser placas bipolares, es decir, una placa que tiene canales de flujo

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en superficies opuestas de la placa. Por ejemplo, tal como se muestra en las FIG. 2-3, las placas de campo de flujo bipolares 15 pueden estar hechas de placas monopolares 12, 28 que tienen un canal de flujo solamente en una cara. Las placas monopolares 12 y 28 se fijan entre sf para formar las placas bipolares 15. En un aspecto de la presente invencion, las placas 12 y 28 se sellan tambien con la composicion y mediante los metodos de la presente invencion.

Algunos disenos de celdas de combustible utilizan bastidores de resina 13 entre el conjunto membrana-electrodo 36 y las placas separadoras 12, 28 para mejorar la durabilidad del conjunto membrana-electrodo 36 y para permitir el espaciado correcto entre el conjunto membrana-electrodo 36 y las placas separadoras 12, 28 durante el conjunto de la celda de combustible. En tal diseno, es necesario tener una junta entre las placas separadoras 12, 28 y los bastidores de resina 13.

La presente invencion no se limita a los componentes de la celda de combustible y la disposicion de los mismos mostrados en la FIG. 1. Por ejemplo, una celda de combustible de metanol directo ("DMFC") puede consistir en los mismos componentes mostrados en la FIG. 1 menos los canales de refrigeracion. Asimismo, la celda de combustible 10 se puede disenar con colectores internos o externos (no mostrados).

Aunque esta invencion se ha descrito en terminos de una celda de combustible con membrana de intercambio de protones (PEM), se ha de entender que la invencion se puede aplicar a cualquier tipo de celda de combustible. Los conceptos de esta invencion se pueden aplicar a celdas de combustible de acido fosforico, celdas de combustible alcalinas, celdas de combustible de mayor temperatura tales como celdas de combustible de oxido solido y celdas de combustible de carbonatos fundidos, y otros dispositivos electroqmmicos.

En el anodo 34, un combustible (no mostrado) que se desplaza a traves de los canales de flujo del anodo 16 atraviesa la capa de difusion de gases 18 y reacciona en la capa del catalizador del anodo 20 para formar cationes de hidrogeno (protones), los cuales migran a traves de la membrana de intercambio de protones 22 hasta el catodo 38. La membrana de intercambio de protones 22 facilita la migracion de los iones de hidrogeno desde el anodo 34 hasta el catodo 38. Ademas de conducir los iones hidrogeno, la membrana de intercambio de protones 22 afsla la corriente de combustible que contiene hidrogeno de la corriente de oxidante que contiene oxfgeno.

En el catodo 38, el gas que contiene oxfgeno, tal como aire u oxfgeno sustancialmente puro, reacciona con los cationes o iones de hidrogeno que han atravesado la membrana de intercambio de protones 22 para formar agua lfquida como producto de reaccion. Las reacciones en el anodo y el catodo de celdas de combustible hidrogeno/oxfgeno se muestran en las ecuaciones siguientes:

Reaccion en el anodo: H2 ^ 2 H++ 2 e- (I)

Reaccion en el catodo: A O2 + 2 H+ + 2 e- ^ H2O (II)

En un aspecto de la invencion, se usa un sellante de dos partes para unir las placas separadoras 12, 28 y los bastidores de resina 13. La parte A del sellante puede contener un iniciador activado por UV, que puede ser un iniciador acido, basico, radical, anionico y/o cationico. La parte B del sellante puede incluir un monomero, un oligomero, un polfmero telequelico, y/o un polfmero funcional polimerizables. El grupo funcional puede ser, por ejemplo, epoxi, alilo, vinilo, acrilato, metacrilato, imida, amida o uretano. Los bastidores de resina 13 se usan para el espaciado dentro del conjunto de la celda de combustible 10. Los bastidores de resina 13 se colocan sobre las caras de las vfas de gas de las placas separadoras 12 y 28 y se proporcionan juntas entre todos los elementos. En la primera lmea de fabricacion, una placa separadora 12, normalmente una lamina de metal, tal como acero inoxidable, se recubre preferentemente sobre ambas caras con la parte A del sellante, se corta, se estampa para producir los canales necesarios para el gas reactivo y las vfas de refrigeracion, y se activa con luz UV. Se recubre un bastidor de resina 13 sobre al menos una cara con la parte B del sellante y se ensambla con la placa separadora 12 recubierta para proporcionar un separador del anodo con bastidor unido. En la segunda lmea de fabricacion, una segunda placa separadora 12, normalmente una lamina de acero inoxidable, se recubre preferentemente sobre ambas caras con la parte B del sellante, se corta y se estampa para producir los canales necesarios para el gas reactivo y las vfas de refrigeracion a fin de formar la placa separadora 28. Un segundo bastidor de resina 13 recubierto sobre al menos una de las caras con la parte A del sellante e irradiado con luz UV se ensambla con la placa separadora 28 para proporcionar un separador del catodo con bastidor unido. Por ultimo, las dos lmeas de fabricacion se encuentran de modo que el separador del anodo unido, que tiene un recubrimiento expuesto de la parte A del sellante sobre una de sus caras, y el separador del catodo unido, que tiene un recubrimiento expuesto de la parte B del sellante sobre una de sus caras, se alinean; la parte A y la parte B del sellante reaccionan y sellan las interfaces de la celda de combustible para formar el conjunto unido.

En otro aspecto de la presente invencion, se usa un sellante de dos partes para unir las placas separadoras 12, 28. La parte A del sellante contiene un iniciador activado por UV, que puede ser un iniciador acido, basico, radical, anionico y/o cationico. La parte B del sellante esta compuesta por un monomero, un oligomero, un polfmero telequelico, y/o un polfmero funcional polimerizables. El grupo funcional puede ser, por ejemplo, epoxi, alilo, vinilo, acrilato, metacrilato, imida, amida o uretano. La parte A se aplica a la primera placa separadora, y la parte B se aplica a la segunda placa separadora. La parte A se aplica a la cara de la via de refrigeracion del separador del

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anodo 12. La parte B se aplica a la cara de la via de refrigeracion del separador del catodo 28. Sobre el separador del anodo 12, la parte A se somete a una irradiacion UV para activar el iniciador, seguido de un conjunto por compresion con el separador del catodo 28. Los separadores 12, 28 se unen de modo que la parte A y la parte B reaccionan y sellan los componentes para formar la placa bipolar 15.

En otro aspecto de la presente invencion, se usa un sellante de una parte para unir las placas separadoras 12, 28 y los bastidores de resina 13. El sellante, que puede estar compuesto por un iniciador activado por UV, acido, basico, radical, anionico y/o cationico y un monomero, un oligomero, un polfmero telequelico, y/o un polfmero funcional polimerizables, se puede aplicar sobre un sustrato, irradiar con luz UV, y comprimir con un segundo sustrato para formar la junta.

En otro aspecto de la presente invencion, se usa una composicion de dos partes para unir y sellar. La parte A se aplica sobre el primer sustrato. La parte B se aplica sobre el segundo sustrato. Los dos sustratos se combinan y se fijan. La polimerizacion se puede conseguir de la forma mas sencilla juntando los dos sustratos, o bien combinando los sustratos y usando alguna forma adicional de energfa, tal como presion, calor, ultrasonidos, microondas o cualquier combinacion de los mismos.

En otro aspecto de la presente invencion, el material lfquido que forma el sello puede incluir acrilatos, uretanos, polieteres, poliolefinas, poliesteres, copolfmeros de los mismos y combinaciones de los mismos que se pueden curar con radiacion actmica. Preferentemente, el material curable incluye un material terminado en acriloilo o metacriloilo que tiene al menos dos grupos acriloilo o metacriloilo laterales. Preferentemente, el grupo acriloilo o metacriloilo lateral esta representado por la formula general: -OC(O)C(R1)=CH2, en la que R1 es hidrogeno o metilo. Mas preferentemente, el material lfquido que forma el sello es un poliacrilato terminado en acriloilo o metacriloilo. El poliacrilato terminado en acriloilo o metacriloilo puede tener preferentemente un peso molecular desde aproximadamente 3000 hasta aproximadamente 40000, mas preferentemente desde aproximadamente 8000 hasta aproximadamente 15000. Ademas, el poliacrilato terminado en acriloilo o metacriloilo puede tener preferentemente una viscosidad desde aproximadamente 200 Pa.s (200.000 cP) hasta aproximadamente 800 Pa.s (800.000 cP) a 25 °C (77 °F), mas preferentemente desde aproximadamente 450 Pa.s (450.000 cP) hasta aproximadamente 500 Pa.s (500.000 cP). Detalles de tales materiales curables terminados en acriloilo o metacriloilo se pueden encontrar en la solicitud de patente europea n.° EP 1 059 308 A1 de Nakagawa et al., y estan disponibles en el mercado comercializados por Kaneka Corporation, Japon.

Preferentemente, la composicion lfquida incluye un fotoiniciador. Se pueden emplear en la presente invencion una serie de fotoiniciadores para proporcionar los beneficios y ventajas de la presente invencion a los que se ha hecho referencia anteriormente. Los fotoiniciadores potencian la rapidez del proceso de curado cuando las composiciones fotocurables en conjunto se exponen a una radiacion electromagnetica, tal como una radiacion actmica. Ejemplos adecuados de fotoiniciadores para su uso en la presente invencion incluyen, si bien no se limitan a los mismos, los fotoiniciadores disponibles en el mercado de Ciba Specialty Chemicals, con los nombres comerciales "IRGACURE" y "DAROCUR", espedficamente "IRGACURE" 184 (1-hidroxiciclohexil fenil cetona), 907 (2-metil-1-[4-(metiltio)fenil]-2- morfolino propan-1-ona), 369 (2-bencil-2-N,N-dimetilamino-1-(4-morfolinofenil)-1-butanona), 500 (la combinacion de

1- hidroxiciclohexil fenil cetona y benzofenona), 651 (2,2-dimetoxi-2-fenil acetofenona), 1700 (la combinacion de oxido de bis(2,6-dimetoxibenzoil-2,4,4-trimetil pentil) fosfina y 2-hidroxi-2-metil-1-fenilpropan-1-ona), y 819 [oxido de bis(2,4,6-trimetil benzoil) fenil fosfina] y "DAROCUR" 1173 (2-hidroxi-2-metil-1-fenil-1-propan-1-ona) y 4265 (la combinacion de oxido de 2,4,6-trimetilbenzoildifenilfosfina y 2-hidroxi-2-metil-1-fenil-propan-1-ona); y los fotoiniciadores de luz visible [azul] dl-canforquinona y "IRGACURE" 784DC. Por supuesto, se pueden emplear tambien combinaciones de estos materiales en la presente invencion.

Otros fotoiniciadores utiles en la presente invencion incluyen piruvatos de alquilo, tales como piruvatos de metilo, etilo, propilo y butilo, y piruvatos de arilo, tales como de fenilo, o bencilo, y derivados apropiadamente sustituidos de los mismos. Fotoiniciadores muy particularmente adecuados para su uso en la presente invencion incluyen fotoiniciadores ultravioleta tales como 2,2-dimetoxi-2-fenil acetofenona (por ejemplo, "IRGACURE" 651), y 2-hidroxi-

2- metil-1-fenil-1-propano (por ejemplo, "DAROCUR" 1173), oxido de bis(2,4,6-trimetil benzoil) fenil fosfina (por ejemplo, "IRGACURE" 819), y la combinacion de fotoiniciadores ultravioleta/visible de oxido de bis(2,6- dimetoxibenzoil-2,4,4-trimetilpentil)fosfina y 2-hidroxi-2-metil-1-fenil-propan-1-ona (por ejemplo, "IRGACURE" 1700), asf como el fotoiniciador visible bis (qs-2,4-ciclopentadien-1-il)-bis[2,6-difluoro-3-(1H-pirrol-1 -il)fenil]titanio (por ejemplo, "IRGACURE" 784DC). Una radiacion actmica util incluye la luz ultravioleta, la luz visible, y combinaciones de las mismas. Preferentemente, la radiacion actmica usada para curar el material lfquido que forma el sello tiene una longitud de onda de aproximadamente 200 nm a aproximadamente 1000 nm. Una irradiacion UV util incluye, si bien no se limita a las mismas, UVA (de aproximadamente 320 nm a aproximadamente 410 nm), UVB (de aproximadamente 290 nm a aproximadamente 320 nm), UVC (de aproximadamente 220 nm a aproximadamente 290 nm) y combinaciones de las mismas. Una luz visible util incluye, si bien no se limita a las mismas, luz azul, luz verde, y combinaciones de las mismas. Tales luces visibles utiles tienen una longitud de onda de aproximadamente 450 nm a aproximadamente 550 nm.

La presente invencion, sin embargo, no se limita solo al uso de radiacion UV y se pueden usar otras fuentes de energfa tales como calor, presion, ultravioletas, microondas, ultrasonidos, o radiacion electromagnetica para iniciar la

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polimerizacion de una o mas de las composiciones. Adicionalmente, el iniciador podna estar activo sin un agente activante. Ademas, el proceso de iniciacion se puede aplicar antes, durante o despues del conjunto.

La FIG. 4 muestra un sistema 50 para formar conjuntos unidos, tales como celdas de combustible o componentes de celdas de combustible unidos, de acuerdo con la presente invencion. El sistema 50 incluye diferentes estaciones 52, 54 para procesar diferentes componentes de la celda de combustible. El sistema incluye los dispensadores 56 y 58 para dispensar las partes primera y segunda, respectivamente, de una composicion sellante de dos partes a fin de recubrir diferentes componentes de la celda de combustible. El sistema incluye adicionalmente fuentes de energfa 60, tales como una radiacion actmica.

En otro aspecto de la presente invencion, se puede preparar un apilamiento de celdas de combustible a partir de un conjunto modular y un sello. En la primera etapa se produce una MEA con bastidor de resina. Los bastidores de resina del anodo y el catodo se recubren con un sellante de un solo componente activado por UV sobre una cara del bastidor de resina. El sellante se activa mediante irradiacion UV y los bastidores de resina se fijan sobre cualquiera de las dos caras de la MEA. En la segunda etapa, los separadores se unen a los bastidores de resina usando un sellante de dos partes. En un sistema de dos componentes, la parte A se aplicana al sustrato uno, la parte B se aplicana al sustrato dos. La parte A y la parte B cuando se combinan se podnan polimerizar en una forma de esta invencion. La MEA con bastidor de resina se recubre con la parte A sobre los bastidores de resina, y despues se activa mediante irradiacion UV. Al mismo tiempo, las caras del gas reactante de los separadores se recubren con la parte B. La MEA con bastidor de resina se fija con los separadores del anodo y del catodo para producir una celda unitaria (separador del anodo, bastidor de resina del anodo, MEA, bastidor de resina del catodo, y separador del catodo). En la siguiente etapa, las celdas unitarias se unen entre sf con un sellante de dos partes para formar un modulo, que contiene un numero seleccionado de celdas unitarias, tal como diez, por ejemplo. La celda unitaria se lleva a cabo mediante una operacion para aplicar el polfmero sin curar a la superficie de uno o mas sustratos. La cara de la via de refrigeracion del separador del anodo se puede recubrir con la parte A y activar con irradiacion UV. La cara de la via de refrigeracion del separador del catodo se puede recubrir con la parte B. Las celdas se apilan y se fijan para hacer reaccionar la parte A con la parte B y sellar las vfas de refrigeracion del modulo. Los separadores en los extremos del modulo pueden no recubrirse en el proceso descrito anteriormente. En una lmea de fabricacion separada, se produce un sello a partir de una chapa metalica y un sellante activado por UV. Se corta una bobina de chapa metalica, se recubre con un sellante de un solo componente activado por UV, y se coloca bajo luz UV. El apilamiento de celdas de combustible se puede ensamblar alternando los sellos con los modulos hasta que se consigue el numero deseado de celdas en el apilamiento. Se concibe tambien que los bastidores de resina y los separadores se puedan recubrir sobre ambas caras con el sellante apropiado, fijar al primer componente y fijar despues al segundo componente.

En otro aspecto de la presente invencion, se puede preparar un apilamiento de celdas de combustible a partir de un conjunto modular y un sello. En la primera etapa se produce una MEA con bastidor de resina. Se recubren dos bastidores de resina con un sellante de un solo componente activado por UV sobre una cara del bastidor de resina. El sellante se activa mediante irradiacion UV y los bastidores de resina se fijan sobre cualquiera de las dos caras de la MEA. En la segunda etapa, un separador unido se sella a la MEA con bastidor de resina usando un sellante de dos partes. En un sistema de dos componentes, la parte A del sellante se aplicana a un primer sustrato, la parte B del sellante se aplicana a un segundo sustrato. La parte A y la parte B del sellante, cuando se combinan, se polimerizan para formar un conjunto unido de acuerdo con un aspecto de la presente invencion. Por ejemplo, un bastidor de resina del anodo se puede recubrir con la parte A del sellante, y activar despues mediante irradiacion UV. Una MEA con bastidor de resina se puede fijar con los separadores unidos para producir una celda unitaria (separador del catodo, separador del anodo, bastidor de resina del anodo, MEA, y bastidor de resina del catodo). Los separadores del anodo y el catodo se unen en otra lmea de fabricacion usando un sellante de dos componentes. La cara de la via de refrigeracion del separador del anodo se recubre con la parte A del sellante y despues se activa mediante irradiacion UV. La cara de la via de refrigeracion del separador del catodo se recubre con la parte B del sellante y se fija al separador del anodo para hacer reaccionar la parte A del sellante con la parte B. En la siguiente etapa, las celdas unitarias se unen entre sf con un sellante de dos partes para formar un modulo, que contiene un numero seleccionado de celdas unitarias, tal como diez, si bien no se limita a tal numero. La celda unitaria se lleva a cabo mediante una operacion de recubrimiento. La cara de la via del gas del separador del catodo se puede recubrir con la parte A del sellante y activar mediante irradiacion UV. El bastidor de resina del catodo se puede recubrir con la parte B del sellante. Las celdas unitarias se apilan y se fijan para hacer reaccionar la parte A del sellante con la parte B del sellante para producir un modulo de celdas unitarias unidas. El separador y el bastidor de resina en los extremos del modulo no se recubrinan en el proceso descrito anteriormente. En una lmea de fabricacion separada, se produce un sello a partir de una chapa metalica y un sellante activado por UV. Se corta una bobina de chapa metalica, se recubre con un sellante de un solo componente activado por UV, y se coloca bajo luz UV. El apilamiento de celdas de combustible se ensambla alternando los sellos con los modulos hasta que se consigue el numero deseado de celdas en el apilamiento. Se concibe tambien que los bastidores de resina y los separadores se puedan recubrir sobre ambas caras con el sellante apropiado, fijar al primer componente y fijar despues al segundo componente.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un metodo para formar un componente de una celda de combustible que comprende:

proporcionar un sellante de dos partes con una primera parte que comprende un iniciador y una segunda parte que comprende un material polimerizable;

aplicar la primera parte del sellante a un sustrato de un primer componente de una celda de combustible; aplicar la segunda parte del sellante a un sustrato de un segundo componente de la celda de combustible; alinear por yuxtaposicion los sustratos del primer y segundo componentes de la celda de combustible; y, curar el sellante para unir el primer y segundo componentes de la celda de combustible entre st
2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el iniciador es un iniciador de radiacion actmica.
3. El metodo de la reivindicacion 2, en el que el sellante se cura mediante una radiacion actmica.
4. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el material polimerizable se selecciona del grupo que consiste en un monomero, un oligomero, un polfmero telequelico, un polfmero funcional polimerizables y combinaciones de los mismos.
5. El metodo de la reivindicacion 4, en el que el material polimerizable comprende un grupo funcional seleccionado del grupo que consiste en epoxi, alilo, vinilo, acrilato, metacrilato, imida, amida, uretano y combinaciones de los mismos.
6. El metodo de la reivindicacion 1, en el que los componentes de la celda de combustible se seleccionan del grupo que consiste en una placa de campo de flujo del catodo, una placa de campo de flujo del anodo, un bastidor de resina, una capa de difusion de gases, una capa de catalizador del anodo, una capa de catalizador del catodo, un electrolito de membrana, un bastidor de conjunto membrana-electrodo y combinaciones de los mismos.
7. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 para formar un componente de una celda de combustible, comprendiendo dicho metodo las etapas de:

proporcionar un sellante de dos partes, en el que la primera parte comprende un iniciador y la segunda parte comprende un material polimerizable;

proporcionar la primera y segunda placas separadoras y el primer y segundo bastidores de resina; recubrir la primera placa separadora con la primera parte del sellante;

activar la primera parte del sellante sobre la primera placa separadora con una radiacion actmica;

recubrir el primer bastidor de resina con la segunda parte del sellante;

alinear por yuxtaposicion la primera placa separadora y el primer bastidor de resina;

curar el sellante para unir la primera placa separadora y el primer bastidor de resina entre sf;

recubrir la segunda placa separadora con la segunda parte del sellante;

recubrir el segundo bastidor de resina con la primera parte del sellante;

activar la primera parte del sellante sobre el segundo bastidor de resina con una radiacion actmica; alinear por yuxtaposicion la segunda placa separadora y el segundo bastidor de resina; curar el sellante para unir la segunda placa separadora y el segundo bastidor de resina entre sf; alinear por yuxtaposicion la primera y segunda placas separadoras; y,

curar el sellante para unir la primera y segunda placas separadoras entre sf a fin de formar una placa separadora bipolar.
8. El metodo de la reivindicacion 7, en el que el iniciador es un iniciador de radiacion actmica.
9. El metodo de la reivindicacion 7, en el que el material polimerizable se selecciona del grupo que consiste en un monomero, un oligomero, un polfmero telequelico, un polfmero funcional polimerizables y combinaciones de los mismos.
10. El metodo de la reivindicacion 9, en el que el material polimerizable comprende un grupo funcional seleccionado del grupo que consiste en epoxi, alilo, vinilo, acrilato, metacrilato, imida, amida, uretano y combinaciones de los mismos.
11. Un sistema (50) para formar un componente de una celda de combustible que comprende:

un primer dispensador (56) para proporcionar una primera parte de un sellante de dos partes, en el que la primera parte del sellante comprende un iniciador;

un segundo dispensador (58) para proporcionar una segunda parte de un sellante de dos partes, en el que la segunda parte del sellante incluye un material polimerizable;

una primera estacion para aplicar la primera parte del sellante a un sustrato de un primer componente de la celda de combustible;

una segunda estacion para aplicar la segunda parte del sellante a un sustrato de un segundo componente de la celda de combustible;

una tercera estacion para alinear por yuxtaposicion los sustratos del primer y segundo componentes de la celda de combustible; y

5 una estacion de curado (60) para curar el sellante a fin de unir el primer y segundo componentes de la celda de

combustible entre sr
12. El sistema de la reivindicacion 11, en el que el iniciador es un iniciador de radiacion actmica.

10 13. El sistema de la reivindicacion 12, en el que el sellante se cura mediante una radiacion actmica.
14. El sistema de la reivindicacion 11, en el que el material polimerizable se selecciona del grupo que consiste en un monomero, un oligomero, un polfmero telequelico, un polfmero funcional polimerizables y combinaciones de los mismos.

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15. El sistema de la reivindicacion 14, en el que el material polimerizable comprende un grupo funcional seleccionado del grupo que consiste en epoxi, alilo, vinilo, acrilato, metacrilato, imida, amida, uretano y combinaciones de los mismos.