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