ES2214895T3 - Pasta de serigrafia y procedimiento de serigrafia para la produccion de un electrodo de difusion de gas. - Google Patents
Pasta de serigrafia y procedimiento de serigrafia para la produccion de un electrodo de difusion de gas.Info
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Abstract
Procedimiento de serigrafía para la producción de un electrodo de difusión de gas con una pasta de serigrafía, que comprende al menos un catalizador metálico y un disolvente de alto punto de ebullición, adecuado para la serigrafía, empleándose como aglutinante en la pasta de serigrafía un copolímero de polibutilacrilato-polimetacrilato.
Description
Pasta de serigrafía y procedimiento de serigrafía
para la producción de un electrodo de difusión de gas.
La invención se refiere a un procedimiento de
serigrafía para la producción de electrodos de difusión de gas.
Además, la invención también se refiere a la pasta de serigrafía
usada en él.
Una pila de combustible de PEM (Polymer
Electrolyte Membrane), membrana de polímero como electrolito, tiene
como parte esencial una unidad de membrana y electrodos, que está
formada por una membrana con, en las dos caras respectivamente, un
electrodo, que comprende una capa de electrocatalizador. El
electrodo tiene preferiblemente un soporte fijo, permeable al gas y
eléctricamente conductor, por ejemplo, un tejido de carbón o papel
carbón, que, con el fin de la hidrofugación, se vuelve hidrófugo
preferiblemente con una suspensión polimérica. Sobre este soporte
se aplica una capa de electrocatalizador, que, a su vez, se vuelve
hidrófuga de nuevo.
El polímero para la hidrofugación se denomina, en
lo sucesivo, polímero A: En este caso, se trata de polímeros tales
como, por ejemplo, PTFE, es decir politetrafluoroetileno, que es
conocido bajo el nombre comercial TEFLON®. El polímero A puede
estar contenido tanto en el soporte como también en la capa de
electrocatalizador.
El contenido necesario en polímero A para la
hidrofugación de la capa de electrocatalizador es hasta ahora,
generalmente, del 20-60% en peso, con lo que un
contenido alto en polímero A, como, por ejemplo, Teflón, inhibe la
actividad del catalizador de platino, aumenta las resistencias de
contacto y disminuye la porosidad del electrodo (Watanabe,
J.Elektroanal. Chem. 195 (1985) 81-83), es decir
repercute desventajosamente en el sistema. Por ello, el polímero A
para la hidrofugación de la capa de electrocatalizador también
puede designarse "inhibidor del catalizador".
En el caso de los electrodos conocidos hasta
ahora también es un problema, además de un alto contenido en
polímero A para la hidrofugación de la capa de electrocatalizador
(20-60% en peso, referido al contenido en
catalizador metálico), la homogeneidad del espesor de la capa de
electrocatalizador. Existe una necesidad de crear un procedimiento
de producción adecuado, que posibilite, de manera económica y apta
para la producción en masa, un recubrimiento uniforme del soporte
con polvo de catalizador seco en espesores de capa bajos de
3-40 \mum.
Según el método convencional (Watanabe, J.
Elektroanal. Chem. 195 (1985) 81-83; J.
Elektroanal.Chem. 197 (1986) 195-208 M. Uchida, J.
Elektrochem. Soc., 142 (1995) 463-468) se presiona
una mezcla seca pulverizada de polvo de catalizador, hecha
hidrófuga anteriormente con PTFE, sobre el soporte, también hecho
hidrófugo. Para la producción del material de partida se mezcla
primero el carbón en polvo intensamente con la dispersión de PTFE y
luego se seca a una temperatura por encima de 280ºC. Con ello se
retira el detergente tensioactivo (Tritón X 100) contenido en la
dispersión. El detergente se utiliza para compensar las malas
propiedades de procesamiento, que se producen debido al alto
contenido en polímero A en la pasta de catalizador. A continuación,
se pulveriza la mezcla.
Este último procedimiento es costoso y
técnicamente, un espesor uniforme de la capa de electrocatalizador
en espesores de capa bajos puede producirse sólo difícilmente y en
pequeño número de piezas. Además, en este procedimiento es
desventajoso que
- -
- se incluya un alto contenido en polímero A para la hidrofugación de la capa de electrocatalizador, y
- -
- para el procesamiento, se añada un agente detergente, que debe retirarse aparte y deja residuos que perturban.
La serigrafía es una técnica conocida para la
producción de una capa uniformemente delgada. El procedimiento de
serigrafía para la formación de un sistema electroquímico es ya
conocido. Para ello, según el documento US 4 229 490 A, para la
estabilización, debe añadirse a la pasta de serigrafía, que
contiene una dispersión de Teflón, grafito y negro de platino, otra
vez más del 50% en peso del detergente o dispersante "Tritón X
100". La parte de teflón, usada para la hidrofugación, en la
pasta de serigrafía y, con ello, la parte existente en la capa de
electrocatalizador resultante, es aproximadamente del 25% en peso.
La pasta se presiona sobre un soporte fijo, por ejemplo, papel
carbón, que contiene, de nuevo, el 60% en peso de teflón. Se obtiene
un contenido total de teflón de aproximadamente el 85% en peso. En
el electrodo producido con este procedimiento también es
desventajoso, además del alto contenido en polímero A para la
hidrofugación de la capa del electrocatalizador, el agente
detergente añadido en más del 50% en peso a la pasta de
catalizador.
Además, se conoce una membrana de intercambio de
cationes a partir del documento WO 96/29752 A1, que está compuesta
de polímeros y también contiene otros materiales de relleno. Esta
membrana debe ser apropiada directamente para la reacción con
metanol como combustible.
Partiendo del estado de la técnica expuesto, es
tarea de la invención mejorar el procedimiento de serigrafía
conocido para la producción de un electrodo de difusión de gas
respecto a la pasta de serigrafía usada en él.
Esta tarea se soluciona respecto al procedimiento
mediante la reivindicación 1. En este caso se utiliza una pasta de
serigrafía según la reivindicación 2.
Para el procedimiento según la invención se añade
a la pasta de serigrafía, además del catalizador metálico y del
disolvente con un alto punto de ebullición apropiado para
serigrafía, un copolímero de
polibutilacrilato-polimetacrilato como
aglutinante.
En el caso de la pasta de serigrafía según la
invención el catalizador metálico es, de manera ventajosa, negro de
platino o platino sobre carbono. Como disolvente adecuado se
utilizan un éster y/o una cetona y/o un alcohol, de manera
especialmente preferida, éster butílico del ácido glicólico,
ciclohexanona y/o terpineol.
Con la invención puede realizarse un
procedimiento de serigrafía para la producción de un electrodo de
difusión de gas con una pasta de serigrafía, que comprende polímero
A en una cantidad del 0 al, como máximo, 10% en peso, referido al
contenido en catalizador metálico, como mínimo un catalizador
metálico y un disolvente con punto de ebullición alto. Esto
significa que la pasta de serigrafía está libre de detergente y, o
también está libre de polímero A, o contiene polímero A sólo en
pequeñas cantidades de menos del 10% en peso, referido al contenido
en catalizador metálico. El copolímero de
polibutilacrilato-polimetacrilato como polímero B se
retira, por el contrario, por caldeo de tal manera, que no queda
ningún resto que perturba para el uso como electrodo de difusión de
gas.
Otras particularidades y ventajas de la invención
se obtienen de la siguiente descripción de ejemplos de realización
junto con las reivindicaciones. Se describe la producción de un
electrodo de difusión de gas para el empleo en una pila de
combustible, que se compone de un soporte, de una capa de
electrocatalizador y de una hidrofugación apropiada.
Se designa, capa de electrocatalizador, la capa
que está aplicada preferiblemente sobre un soporte del electrodo
fijo, permeable al gas y eléctricamente conductor y en cuya
superficie catalítica tiene lugar la oxidación anódica de
combustible a protones o la reducción catódica del oxígeno. La capa
de electrocatalizador comprende como mínimo el catalizador metálico,
que preferiblemente contiene platino, que puede emplearse en la
pasta del catalizador en forma pura como negro de platino o en
forma diluida como platino sobre carbón. La capa de
electrocatalizador no contiene, preferiblemente, ningún otro
componente, porque, según la forma de realización preferida de la
invención, se retiró el medio de serigrafía, que se añade a la pasta
del catalizador para el procesamiento por secado y calentamiento
del electrodo terminado, es decir, recubierto.
Para el procesamiento se añade a la pasta de
serigrafía, que según la etapa de trabajo se denomina también pasta
de carbón o pasta de catalizador, un disolvente de alto punto de
ebullición como medio de serigrafía, como, por ejemplo, un éster,
cetona y/o un alcohol, especialmente éster butílico del ácido
glicólico, la ciclohexanona, y/o el terpineol. Pero a la pasta de
serigrafía se le añade como medio de serigrafía no sólo (como se
conoce del estado de la técnica) un disolvente de alto punto de
ebullición, sino también un polímero B, concretamente, copolímero
de polibutilacrilato-polimetilacrilato como
aglutinante. El polímero B es preferiblemente calentable,
especialmente a temperaturas de hasta 400ºC, y/o deja sólo restos,
que no perturban el funcionamiento de la pila de combustible.
El electrodo es una capa, sobre la membrana,
permeable al gas y eléctricamente conductora, que comprende
preferiblemente un soporte con una capa de electrocatalizador. Como
soporte o sustrato se emplea, preferiblemente, un tejido de carbón
o un papel carbón u otro sustrato poroso y eléctricamente
conductor.
En el caso de negro de platino puro como
catalizador, la dotación de platino, determinada por pesado con
precisión, es de 2-3 mg/cm^{2} y en el caso de
platino sobre carbón como catalizador según la dotación de platino
del carbón de 0,15 a 0,4 mg/cm^{2}.
En el caso de la producción del electrodo de
difusión de gas, el electrodo terminado con el polímero A, por
ejemplo, teflón, se vuelve hidrófugo tras el procedimiento de
serigrafía y el procesamiento subsiguiente.
Se realizaron curvas de
corriente-tensión por unidades de membrana y
electrodos con electrodos de difusión de gas según la invención, en
las que pudo observarse una caída de tensión excepcionalmente baja
en el caso de altas intensidades de corriente. Esto puede deberse,
entre otras cosas, a la baja inhibición de la difusión,
condicionada por el bajo contenido en polímero A y daño de la
hidrofugación por un residuo de detergente, dentro de la capa de
electrocatalizador porosa.
Una ventaja especial del procedimiento de
serigrafía realizado con la pasta de serigrafía descrita es la
homogeneidad mejorada del espesor de la capa, porque la pasta de
electrocatalizador puede procesarse mejor con una reducción de la
adición, o sin adición, de polímero A.
Claims (2)
1. Procedimiento de serigrafía para la producción
de un electrodo de difusión de gas con una pasta de serigrafía, que
comprende al menos un catalizador metálico y un disolvente de alto
punto de ebullición, adecuado para la serigrafía, empleándose como
aglutinante en la pasta de serigrafía un copolímero de
polibutilacrilato-polimetacrilato.
2. Pasta de serigrafía para el uso en la
producción de un electrodo de difusión de gas, que comprende al
menos un catalizador metálico y un disolvente de alto punto de
ebullición, adecuado para la serigrafía, conteniendo como
aglutinante un copolímero de
polibutilacrilato-polimetacrilato.
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