ES2202110T3 - Procedimiento para la produccion de una membrana compuesta. - Google Patents

Procedimiento para la produccion de una membrana compuesta.

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Abstract

Procedimiento para la producción de una membrana de material compuesto, que comprende una película porosa de un primer polímero, cuyos poros contienen un segundo polímero, depositando el segundo polímero de una disolución en los poros del primer polímero, caracterizado porque la película del primer polímero se pone en contacto con la superficie de un primer electrodo que, junto con al menos un contraelectrodo, está presente en la disolución del segundo polímero y aplicándose tal diferencia de potencial a través del primer electrodo y el contraelectrodo, que el segundo polímero se mueve hacia el primer electrodo, en cuyo proceso debe pasar la película.

Description

Procedimiento para la producción de una membrana compuesta.
La invención se refiere a un procedimiento para la producción de una membrana de material compuesto que comprende una película porosa de un primer polímero, cuyos poros contienen un segundo polímero. La invención se refiere, en particular, a un procedimiento para la producción de una membrana de material compuesto apropiada para uso en una pila de combustible.
Tal procedimiento es conocido a partir del documento WO 98/20063, en el que se describe que una membrana de material compuesto se puede producir disolviendo un polímero conductor de iones en un disolvente que contiene, al menos 25% en peso de un componente que tiene un punto de ebullición superior a 125ºC, aplicando la disolución resultante sobre una membrana porosa horizontal, eligiéndose la cantidad de la disolución de manera que el volumen del polímero conductor de iones es superior al 60% del volumen de poros y, subsiguientemente, evaporando el disolvente a una temperatura de, al menos 80ºC.
Tal procedimiento tiene el inconveniente de que, separar por evaporación el disolvente de la membrana, cuesta mucho tiempo.
El objeto de la invención es proporcionar un procedimiento en el que dicho inconveniente no está presente o solamente en menor extensión.
Este objeto se consigue, de acuerdo con la invención, depositando el segundo polímero, desde una disolución, en los poros del primer polímero, caracterizado porque la película del primer polímero se pone en contacto con la superficie de un primer electrodo que, junto con al menos un contraelectrodo, está presente en la disolución del segundo polímero y aplicándose tal diferencia de potencial a través del primer electrodo y el contraelectrodo, que el segundo polímero se mueve hacia el primer electrodo en cuyo proceso debe pasar la película.
De esta manera se consigue que el segundo polímero se deposite en los poros de la película porosa, de manera que los poros se sellan completamente y se forma una membrana de material compuesto.
El procedimiento de acuerdo con la invención es apropiado, en particular, para la producción de una membrana de material compuesto a partir de una película con un espesor de entre 30 y 50 \mum y con alta permeabilidad al aire o, en otras palabras, un valor de Gurley bajo.
Una ventaja del procedimiento de acuerdo con la invención es que la membrana de material compuesto formada es estanca a los gases. Esto la hace apropiada para uso en una pila de combustible.
Una ventaja adicional del procedimiento es que se puede llevar a cabo más fácilmente de una manera continua de operación que el procedimiento conocido.
Otro procedimiento para la producción de una membrana de material compuesto se describe en el documento US-A-5.635.041. La membrana de material compuesto en este documento comprende una membrana de politetrafluoretileno expandido que tiene una microestructura porosa de fibrillas polímeras y un material de intercambio iónico impregnado a través de la membrana, en la que el material de intercambio iónico sustancialmente impregna la membrana como para transformar el volumen interior de la membrana sustancialmente oclusivo. Opcionalmente, la membrana de material compuesto se puede reforzar con un material tejido o no tejido. Para preparar una membrana de material compuesto integral de acuerdo con el documento US-A- 5.635.041, una estructura de soporte, tal como tela tejida de polipropileno, se puede estratificar primero a un material de base de politetrafluoretileno no tratado mediante una técnica convencional. Se prepara una disolución que contiene un material de intercambio iónico en un disolvente mixto con uno o más tensioactivos. La disolución se puede aplicar al material de base mediante cualquier técnica de revestimiento convencional, que incluye revestimiento con rodillo, revestimiento con cilindros inversos, revestimiento por huecograbado, revestimiento con cuchilla rascadora, revestimiento por contacto, así como inmersión, aplicación con brocha, pintura, y pulverización, siempre que la disolución líquida sea capaz de penetrar en los intersticios y volumen interior del material de base. El exceso de disolución se debe separar de la superficie de la membrana. Luego, la membrana tratada se introduce inmediatamente en una estufa para secar. Secar la membrana tratada en la estufa causa que la resina de intercambio iónico llegue a adherirse firmemente a las superficies interna y externa de la membrana, es decir, las fibrillas y/o protuberancias del material de base.
Electrodos apropiados para el procedimiento de acuerdo con la invención son carbono, metales nobles o sus composiciones, tales como Pd, Pt y su aleación o materiales cerámicos dopados. También es posible que el contraelectrodo se fabrique del segundo polímero; esto garantiza que la concentración del segundo polímero en la disolución permanezca prácticamente constante.
Una película porosa apropiada de un primer polímero puede ser, por ejemplo, una película de polialqueno porosa. Preferiblemente, la película de polialqueno aplicada en el procedimiento se estira en, al menos una dirección. De esta manera, se obtiene una película con una alta resistencia mecánica.
Membranas de polialqueno que se estiran en, al menos una dirección se describen en el documento EP-A-504.954. El documento EP-A-504.954 describe un procedimiento para preparar una película de polialqueno a partir de una disolución de un polialqueno en un disolvente volátil. La película se hace pasar a través de un baño de enfriamiento que contiene un refrigerante líquido y el disolvente se separa a una temperatura inferior a la temperatura a la que el polialqueno se disuelve en el disolvente, después de lo cual la película se estira en, al menos una dirección. Si el polialqueno es polietileno, el peso molecular promedio en peso puede oscilar entre 100.000 y 5.000.000 g/mol. La película preferiblemente comprende polietileno con un peso molecular promedio en peso de menos de 500.000 g/mol. Se ha descubierto que membranas con un tamaño de poro medio de entre 0,1 y 5,0 \mum se pueden producir fácilmente en presencia de polietileno que tiene tal peso molecular. Particularmente apropiados son mezclas de polietilenos que tienen pesos moleculares diferentes. Una mezcla que comprende, por ejemplo, polietileno con un peso molecular promedio en peso inferior a 500.000 g/mol puede comprender, también, polietileno con un peso molecular promedio en peso superior a 1.000.000 g/mol. Debido a la presencia del último polietileno, se obtiene una película de alta resistencia mecánica y la película se puede estirar de manera que se puede obtener un valor de Gurley inferior a 1 s/50 cm^{3}, medido según ASTM Standard D726-58. Una película con un valor de Gurley inferior a 0,01 s/50 cm^{3} generalmente tiene una resistencia mecánica inapropiada para uso en una pila de combustible.
De acuerdo con la invención, la película porosa se pone en contacto con el primero de dos electrodos. Esto se puede realizar, por ejemplo, haciendo pasar la película a lo largo de la superficie del electrodo.
Como segundo polímero se pueden usar polímeros que contienen grupos cargados (polielectrólitos). El segundo polímero preferiblemente es un polímero conductor de protones sobre la base de ácido perfluorosulfónico y el disolvente preferiblemente comprende agua, uno o más alcoholes del grupo de ciclohexanol, pentanol, 1-propanol, 1,2-etenodiol o una mezcla de estos disolventes. Más preferiblemente, el disolvente comprende una mezcla de agua y propanol. Esto garantizará que si la membrana se ha incorporado en una pila de combustible, una densidad de corriente de, al menos 1 A/cm^{2} se puede conseguir con un voltaje de pila de 0,4 V.
En general, el voltaje de pila necesario para causar el depósito del segundo polímero en la película porosa es entre 5 y 100 V. La distancia entre los electrodos es, en general, entre 0,5 y 5 cm.
En caso de que agua esté presente en el disolvente, puede ocurrir la generación de gas en los electrodos, además de la electroforesis del segundo polímero. Puesto que la generación de gases puede tener un efecto negativo sobre el depósito del segundo polímero en la película porosa, el gas que se genera se ha de separar. A través de la literatura se conocen métodos para la separación adecuada del gas generado. El gas se puede separar adecuadamente, por ejemplo, invirtiendo regularmente la polaridad de la diferencia de potencial a través de los electrodos durante un corto tiempo o aplicando un voltaje de onda rectangular.
La invención se refiere, también, al uso en una pila de combustible de una membrana de material compuesto obtenida de acuerdo con la invención.
La invención se elucidará por medio de un ejemplo sin ser limitada por ello.
Ejemplo I
En una disolución al 5% de un polímero conductor de protones sobre la base de ácido perfluorosulfónico (Nafion^{R}), cuyo disolvente comprende una mezcla de 95/5 (en peso) de propanol/agua, una película de polietileno poroso que tiene una porosidad de 80% en volumen, un tamaño de poro medio de 1,5 \mum y un espesor de 30 \mum, se hace pasar a lo largo de un primer electrodo a la velocidad de 20 mm/min, ascendiendo la superficie de contacto entre la película y el primer electrodo (ánodo) a 150 cm^{2}. Un contraelectrodo (cátodo) se ha situado a la distancia de 0,5 cm del primer electrodo y el voltaje aplicado es 50 V. Los poros en la parte de la película que se ha hecho pasar a lo largo del electrodo apareció que estaban llenos con Nafion.

Claims (7)

1. Procedimiento para la producción de una membrana de material compuesto, que comprende una película porosa de un primer polímero, cuyos poros contienen un segundo polímero, depositando el segundo polímero de una disolución en los poros del primer polímero, caracterizado porque la película del primer polímero se pone en contacto con la superficie de un primer electrodo que, junto con al menos un contraelectrodo, está presente en la disolución del segundo polímero y aplicándose tal diferencia de potencial a través del primer electrodo y el contraelectrodo, que el segundo polímero se mueve hacia el primer electrodo, en cuyo proceso debe pasar la película.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el contraelectrodo contiene el segundo polímero.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que el segundo polímero es un polímero conductor de protones sobre la base de ácido perfluorosulfónico y el disolvente comprende agua, uno o más alcoholes o una mezcla de éstos.
4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el disolvente comprende una mezcla de agua y propanol.
5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que la diferencia de potencial aplicada asciende a 5-100 V.
6. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que la distancia entre los electrodos es 0,5 -5 cm.
7. Uso, en una pila de combustible, de una membrana de material compuesto producida de acuerdo con las reivindicaciones 1-6.
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