ES2220545T3 - Union de componentes de celdas electroquimicas. - Google Patents

Abstract

Un método para preparar una placa bipolar para una celda electroquímica, que comprende: alinear un premontaje que tiene una placa y un campo de flujo, con uno o más elementos de unión dispuestos entre ellos, en el que los elementos de unión tienen una temperatura de punto de fusión que es menor que la temperatura de punto de fusión de los componentes de la placa y el campo de flujo, comprimir el premontaje, calentar el premontaje a una temperatura menor que 800ºC y permitir que el premontaje se enfríe.

Description

Unión de componentes de celdas electroquímicas.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a celdas electroquímicas y a métodos para montar celdas electroquímicas.

Fundamentos de la invención

Las celdas electroquímicas que utilizan una membrana de intercambio de protones (MIP) se pueden configurar en pilas de celdas que tienen placas separadoras bipolares entre celdas adyacentes. Estas placas separadoras bipolares se hacen típicamente de una variedad de metales, tales como titanio y acero inoxidable y de conductores no metálicos, tales como carbono grafítico. Las placas separadoras bipolares se fabrican típicamente por mecanizado de campos de flujo en una lámina sólida del material. Alternativamente, cuando se usan materiales conductores carbonosos, se forma el material precursor por moldeado por inyección y se transforma en la forma de carbono conductora por combustión a alta temperatura, en condiciones cuidadosamente controladas. Los campos de flujo están constituidos por una serie de canales o surcos que permiten el paso de gases y líquidos.

La Figura 1 es una vista frontal de una placa 10 separadora bipolar de la técnica anterior, hecha a partir de una lámina sólida de un material conductor. La porción central de la placa tiene un campo 12 de flujo mecanizado en su superficie. El campo de flujo puede dirigir flujo de fluido a través de la superficie de un electrodo en muchos modelos, pero se ilustra aquí como canales ondulados paralelos. Alrededor del perímetro del campo 12 de flujo, la placa proporciona una pluralidad de agujeros 14 roscados para montar y asegurar una pila de celdas, diversos colectores 16 para comunicar fluidos por la pila y una superficie 18 plana que permite que la placa se cierre herméticamente contra componentes adyacentes de la pila de celdas.

Además de proporcionar un campo de flujo de fluidos, una placa separadora bipolar para uso en celdas electroquímicas debe recoger los electrones liberados en un electrodo (es decir, un ánodo), conducir los electrones por la placa y distribuir electrones a la cara de otro electrodo, (es decir, un cátodo) en el lado opuesto de la placa. La placa bipolar mostrada en la Figura 1, recoge y distribuye electrones desde electrodos de celdas opuestas por contacto entre los electrodos y las estrías 20 restantes entre los canales 22, en el campo 12 de flujo.

La Figura 2 es una vista esquemática de una celda electroquímica de membrana de intercambio de protones (MIP), configurada como una pila 30 de celdas de combustible de hidrógeno-aire. Esta pila 30 comprende dos celdas 32 de combustible idénticas que tienen cada una un cátodo 34, una MIP 36 y un ánodo 38. Los campos 40 de flujo (mostrados esquemáticamente por claridad) se proporcionan en cualquier lado de la placa 42 separadora bipolar, así como en las caras internas de las placas 44 de los extremos. Los electrones liberados en los ánodos 38 inducen flujo de corriente electrónica al cátodo 34 de una celda adyacente en el otro lado de la placa 42 y, en el caso del último ánodo de la pila (aquí el ánodo a la derecha de la página), por un circuito 46 externo. Los electrones se combinan después con protones y oxígeno en los cátodos 34 para formar agua. El potencial eléctrico de la celda 30 de combustible se aumenta por adición de más celdas 32 a la pila.

Aunque los métodos anteriores son relativamente sencillos, presentan diversas desventajas. Primero, el trozo sólido de grafito o de metal usado para fabricar la placa separadora bipolar restringe la densidad del producto final a una densidad aproximadamente la misma que la de las existencias originales; produciéndose de ese modo una placa separadora bipolar muy densa y pesada. Segundo, mecanizar cada trozo a partir de un modelo de partida sólido requiere procedimientos de mecanizado relativamente caros, en comparación con procedimientos de moldeado, fundición o estampación menos caros. Cuando se usan componentes de carbono, la etapa de moldeado es económica, sin embargo, la sinterización controlada requerida para transformar el precursor en el producto final es lenta y requiere atmósfera y control de temperatura precisos durante todo el procedimiento.

Otro aspecto importante en la fabricación de una celda de combustible electroquímica es el número de soldaduras y uniones creadas en la celda. La reducción del número de soldaduras y uniones puede mejorar enormemente la realización de una pila de celdas electroquímicas, por ejemplo si se fabrica a partir de una pila de componentes planos, debido a que hay menos puntos de fuga potenciales y menores resistencias al contacto electrónico. Sería altamente deseable un procedimiento de fabricación que proporcionara una celda electroquímica con un mínimo de soldaduras y uniones.

Montar una pila de celdas de combustible de MIP, usando componentes relativamente planos, requiere cierres herméticos impermeables a los gases en cada interface. Se usan típicamente juntas para crear cierres herméticos impermeables a los gases, sin embargo las juntas aumentan el número de piezas que se debe fabricar y alinear cuando se monta la pila. Un método y aparato para formar uniones o cierres herméticos impermeables a los gases, en las interfaces entre los componentes de una celda electroquímica, obviaría la necesidad de diversas juntas y produciría una celda más eficaz.

Por lo tanto, queda una necesidad de una placa separadora bipolar mejorada. Sería deseable si la placa separadora bipolar fuera delgada, de peso ligero y pudiera soportar altas densidades de corriente. Sería deseable además si la placa separadora bipolar redujera el número de soldaduras o uniones en las celdas individuales o una pila de celdas y redujera la necesidad de juntas. Además, sería útil si la estructura de la placa separadora bipolar permitiera la introducción de otras propiedades específicas, tales como permeabilidad al agua e impermeabilidad al gas reaccionante.

De acuerdo con un aspecto de esta invención se proporciona un método para preparar una placa bipolar para una celda electroquímica, que comprende: alinear un premontaje que tiene una placa y un campo de flujo con uno o más elementos de unión dispuestos entre ellos, en el que los elementos de unión tienen una temperatura de punto de fusión que es menor que la temperatura del punto de fusión de los componentes de la placa y el campo de flujo, comprimir el premontaje, calentar el premontaje a una temperatura menor que 800ºC, y permitir que se enfríe el premontaje.

El método puede comprender además colocar el premontaje en una celda electroquímica.

Alternativamente, el método puede comprender además colocar el premontaje en una pila de celdas electroquímicas.

Convenientemente la placa y el campo de flujo son componentes metálicos y el elemento de unión es un metal o aleación de metales que funde a una temperatura por debajo de 500ºC.

Ventajosamente los componentes metálicos se seleccionan de: acero inoxidable, níquel, aluminio, titanio, magnesio o combinaciones de los mismos.

El método puede comprender además sumergir el componente metálico en un fundente, después sumergir el componente metálico en una soldadura.

Preferiblemente la soldadura comprende un metal seleccionado de: estaño, bismuto, plomo, indio y aleaciones de los mismos.

Alternativamente la soldadura comprende plata y estaño.

El método puede comprender adicionalmente recubrir el componente metálico con una capa de un metal de transición resistente a la corrosión, previamente a la inmersión del componente metálico en el fundente.

Convenientemente el metal de unión se aplica a una de las superficies del componente metálico por deposición reductora a partir de un disolvente.

Preferiblemente el disolvente se selecciona de agua o un fluido a base de agua.

Ventajosamente el metal depositado comprende un componente seleccionado de: estaño, bismuto, plomo, indio o una aleación de los mismos.

Alternativamente el metal de unión se aplica a una de las superficies del componente metálico por evaporación a vacío o pulverización.

El método puede comprender además uno o más componentes poliméricos seleccionados de: armazones, juntas, membranas, cuñas o combinaciones de las mismas, que están unidos al premontaje con un adhesivo.

Convenientemente la placa y el campo de flujo comprenden uno o más componentes metálicos y uno o más componentes poliméricos, y en los que el elemento de unión es un adhesivo.

Preferiblemente el premontaje incluye además un armazón.

Ventajosamente la placa bipolar comprende dos placas, un campo de flujo y un armazón, en la que el armazón y el campo de flujo están dispuestos entre las dos placas, con el armazón dispuesto alrededor del campo de flujo y en la que el armazón tiene canales en comunicación de fluido con el campo de flujo.

La invención también se refiere a un montaje de placa bipolar refrigerada por fluido que comprende dos placas de conductividad electrónica que tienen caras opuestas, un campo de flujo de conductividad electrónica unido entre las dos placas de conductividad electrónica, en comunicación electrónica con una porción sustancial de las caras opuestas de las placas, un armazón dispuesto alrededor de un perímetro del campo de flujo de conductividad electrónica y unido entre las dos placas de conductividad electrónica, en el que el armazón tiene canales para proporcionar comunicación de fluido entre el campo de flujo y una fuente de fluido y un campo de flujo de cátodo de conductividad electrónica y un campo de flujo de ánodo de conductividad electrónica, unidos a caras externas de las placas.

Preferiblemente el montaje está unido con un adhesivo.

Alternativamente el montaje está unido con soldadura.

La invención también se refiere a una placa bipolar para celdas electroquímicas que comprende: dos o más láminas conductoras de electricidad, porosas, seleccionadas de: malla de metal expandido, malla de metal tejida, espuma de metal, espuma de polímero conductora, material de carbono conductor poroso o combinaciones de los mismos, una barrera de gas conductor de electricidad dispuesta en contacto eléctrico entre las láminas y un armazón de celdas dispuesto alrededor de una periferia de una cualquiera de las dos o más láminas conductoras de electricidad, porosas, en la que el armazón de la celda tiene al menos una superficie que está unida a la barrera de gas, y en la que el armazón de la celda incluye canales para proporcionar comunicación de fluido entre la lámina conductora de electricidad, porosa, y una fuente de fluido.

Preferiblemente el armazón de la celda es metálico y está unido a la barrera de gas con una unión metálica.

Convenientemente el armazón de la celda es polimérico y está unido a la barrera de gas con una unión polimérica.

Preferiblemente la unión metálica está formada por soldadura del armazón de la celda a la barrera de gas.

Ventajosamente la unión polimérica se produce por un adhesivo.

La presente invención proporciona un método para preparar un premontaje para una celda electroquímica. El método incluye: alinear un premontaje que tenga dos o más componentes de la celda electroquímica con uno o más elementos de unión dispuestos entre los dos o más componentes de la celda electroquímica. Los elementos de unión tienen una temperatura del punto de fusión que es menor que la temperatura de punto de fusión de uno cualquiera de los dos o más componentes de la celda electroquímica. El premontaje se comprime y se calienta a una temperatura que está entre aproximadamente la temperatura del punto de fusión del elemento de unión y aproximadamente la temperatura del punto de fusión más bajo de uno cualquiera de los dos o más componentes de la celda electroquímica. Preferiblemente la temperatura es menor que 800ºC, más preferiblemente por debajo de 250ºC. Después se permite que el premontaje se enfríe.

El premontaje se coloca preferiblemente en una celda electroquímica o una pila de celdas electroquímicas. Los dos o más componentes de la celda electroquímica son preferiblemente componentes metálicos seleccionados de: placas, cuñas, armazones, campos de flujo o combinaciones de los mismos, tales como: acero inoxidable, titanio, níquel, aluminio niquelado, magnesio niquelado o combinaciones de los mismos. El elemento de unión es preferiblemente soldadura. El componente metálico se sumerge preferiblemente en un fundente; después se sumerge en un metal o soldadura de unión, tal como estaño o una aleación de plata-estaño. El metal o soldadura de unión también se puede aplicar a la superficie de metal por electrodeposición o por diversas técnicas de deposición al vacío.

Los componentes metálicos ligeros o fácilmente oxidables, tales como los hechos de: aluminio, magnesio o aleaciones que contienen aluminio o magnesio, se recubren preferiblemente con una capa de un metal de transición resistente a la corrosión, previamente a la inmersión del componente metálico en el fundente. Los metales de transición resistentes a la corrosión adecuados incluyen, pero no se limitan a: cobalto, cobre, plata, níquel, oro o combinaciones de los mismos. El níquel es el metal más comúnmente usado para la capa de resistencia a la corrosión.

Alternativamente, los dos o más componentes de la celda electroquímica pueden ser componentes poliméricos seleccionados de: armazones, juntas, membranas, cuñas o combinaciones de los mismos, en el caso de que el elemento de unión sea preferiblemente un adhesivo. Los dos o más componentes de la celda electroquímica también pueden comprender uno o más componentes metálicos y uno o más componentes poliméricos, en el caso de que el elemento de unión sea un adhesivo.

Los dos o más componentes de la celda electroquímica pueden incluir una placa y un campo de flujo. El premontaje incluye preferiblemente una placa bipolar y un armazón. La placa bipolar tiene preferiblemente dos placas, un campo de flujo y un armazón. El armazón y el campo de flujo se disponen entre las dos placas con el armazón dispuesto alrededor del campo de flujo. El armazón tiene canales en comunicación de fluido con el campo de flujo.

En otra realización de la invención, se proporciona un montaje de placa bipolar refrigerada por fluido que tiene dos placas de conductividad electrónica que tienen caras opuestas, un campo de flujo de conductividad electrónica unido en comunicación electrónica con una porción sustancial de las caras opuestas de las placas, entre las dos placas de conductividad electrónica y un armazón dispuesto alrededor de un perímetro del campo de flujo de conductividad electrónica y unido entre las dos placas de conductividad electrónica. El armazón tiene canales para proporcionar comunicación de fluido entre el campo de flujo y una fuente de fluido.

Preferiblemente, un campo de flujo de cátodo de conductividad electrónica y un campo de flujo de ánodo de conductividad electrónica, están unidos a lados opuestos del montaje. El montaje está unido preferiblemente con un adhesivo y/o una soldadura.

En aún otra realización se proporciona una placa bipolar para celdas electroquímicas que tienen dos o más láminas conductoras de electricidad, porosas, seleccionadas de: malla de metal expandida, malla de metal tejida, espuma de metal, espuma polimérica conductora, material de carbono conductor poroso o combinaciones de los mismos. Se dispone una barrera de gas conductor de electricidad en contacto eléctrico entre las láminas. Se dispone un armazón de celda alrededor de una periferia de una cualquiera de las dos o más láminas conductoras de electricidad, porosas. El armazón de la celda tiene al menos una superficie que está unida a la barrera de gas.

Preferiblemente, el armazón de la celda incluye canales en comunicación de fluido con la lámina conductora de electricidad, porosa. El armazón de la celda puede ser metálico, en el caso de que esté unido a la barrera de gas con una unión metálica. La unión metálica se forma preferiblemente por soldadura del armazón de la celda a la barrera de gas. Alternativamente, el armazón de la celda puede ser polimérico, en el caso de que esté unido a la barrera de gas con una unión polimérica. Preferiblemente la unión polimérica se produce por un adhesivo.

Breve descripción de los dibujos

A fin de que las características y ventajas referidas anteriormente, de la presente invención, se puedan entender con detalle, se puede tener una descripción más particular de la invención, brevemente resumida anteriormente, por referencia a las realizaciones de la misma, que se ilustran en los dibujos adjuntos. Se tiene que observar, sin embargo, que los dibujos adjuntos ilustran sólo realizaciones típicas de esta invención y por lo tanto no se tienen que considerar limitantes de su alcance, ya que la invención puede admitir otras realizaciones igualmente eficaces.

La Figura 1 es una vista frontal de una placa separadora de metal típica con un diseño de campo de flujo ondulado.

La Figura 2 es una sección transversal esquemática de una celda de combustible de MIP. El espesor relativo de los componentes se ha exagerado enormemente por claridad.

La Figura 3 es una sección transversal parcial de una placa bipolar que tiene una barrera de gas de metal con campos de flujo de metal y armazones de celda poliméricos.

La Figura 4 es un dibujo esquemático de los componentes planos usados en la estructura tridimensional de una placa bipolar refrigerada por fluido.

La Figura 5 es una gráfica que muestra la realización de una pila de celdas de combustible de la presente invención.

Descripción detallada de la realización preferida

La presente invención se refiere a componentes para uso en celdas electroquímicas y a métodos para fabricar esos componentes, incluyendo placas separadoras bipolares. Más en particular, la presente invención se refiere a un método para unir componentes adyacentes de una celda individual y/o celdas adyacentes de una pila. La unión proporciona cierres herméticos impermeables a los gases que reducen o eliminan la necesidad de ciertos componentes de juntas y reducen o eliminan ciertas resistencias de contacto electrónico.

Un aspecto de la invención proporciona una placa bipolar para una celda electroquímica que tiene un campo de flujo conductor de electricidad, al menos una barrera de gas y un armazón de celda. Los componentes de la placa bipolar están unidos unos a otros para formar uniones impermeables a los gases, bien con uniones de tipo polimérico o uniones de tipo metálico.

Otro aspecto de la presente invención proporciona un método para unir porciones conductoras de una placa bipolar. Los trozos conductores están estañados o metalizados para recubrirlos con un metal conductor y se unen con posterioridad juntos bajo presión y calor para formar uniones entre las piezas.

Los elementos de una placa bipolar u otro miembro de una celda electroquímica se pueden clasificar como que son, bien esos que deben ser conductores para que funcione la pila o esos que no se necesita que sean conductores. Los campos de flujo y las barreras de gas de la placa bipolar se deben fabricar a partir de un material conductor, tal como un metal o una forma conductora de carbono, tal como grafito. Los armazones de la celda y las superficies de cierre hermético, también conocidas como cuñas, pueden ser electrónicamente aislantes o conductores y se pueden fabricar opcionalmente a partir de diversos polímeros, resultando de ese modo un componente de menor densidad y ahorros de peso total significativo para la celda o la pila.

Cuando se fabrican componentes individuales de una pila a partir de polímeros y se fabrican otros componentes a partir de metales, hay tres tipos posibles de interfases presentes en una pila de celdas de combustible, es decir, interfases de polímero a metal, interfases de polímero a polímero (tal como si los montajes de membrana y de electrodo (M y E) están unidos en su lugar) e interfases de metal a metal. Cada uno de estos tipos de interfases está unido de manera diferente para formar una pila de celdas electroquímicas.

La Figura 3 es una sección transversal parcial de una placa 48 bipolar que tiene una barrera 50 de gas de metal con campos 52 de flujo de metal y armazones 54 de celda poliméricos, que esencialmente tienen cabida para juntas. Los campos 52 de flujo se muestran aquí como metal espumado, pero se pueden fabricar a partir de metal expandido, metal perforado, tamices de malla de metal u otros materiales conductores porosos, como se describe en la serie de solicitud de patente de EE.UU. número 08/787.271, que se incorpora por referencia en su totalidad en la presente memoria. La barrera 50 de gas de metal se extiende más allá de los campos 52 de flujo, preferiblemente al borde de la pila, con armazones 54 de celda separados en los lados tanto del ánodo como del cátodo de la barrera 50 de gas. Los campos 52 de flujo se ponen contra la barrera 50 y en el interior de los armazones 54, como se muestra. Se pueden incluir juntas adicionales entre la barrera y el armazón si se desea.

La Figura 4 es un dibujo esquemático de los componentes usados en la estructura tridimensional de una placa bipolar refrigerada por fluido. Se muestra una placa 55 bipolar refrigerada por fluido montada a partir de una serie de componentes sustancialmente planos que incluyen dos barreras 60 de fluido de refrigeración y un armazón 62 de fluido de refrigeración, con un campo 63 de flujo de conductividad electrónica en la misma, similar al campo 52 de flujo de la Figura 3. Opcionalmente, la placa 55 bipolar refrigerada por fluido puede incluir además un armazón 58 de celda de ánodo, armazón 64 de celda de cátodo y placas 56 de cierre hermético (para poner en contacto y asegurar una MIP o montaje de membrana y electrodo (MyE)).

Esta placa bipolar incluye un campo 63 de flujo de refrigeración interna que permite el paso de un fluido de refrigeración para refrigerar la pila. El fluido de refrigeración fluye desde un colector 65 de entrada de fluido de refrigeración, por el campo 63 de flujo de refrigeración dentro del armazón 62 de fluido de refrigeración, y en un colector de salida de fluido de refrigeración (no mostrado), en general similar a, pero opuesto desde, el colector 65 de entrada. El campo 67 de flujo en el armazón 58 de la celda de ánodo, el campo 63 de flujo en el armazón 62 de fluido de refrigeración y el campo 69 de flujo en el armazón 64 de la celda de cátodo, se puede hacer de cualquier material conductor poroso, como se describió anteriormente.

Unión polímeros a metales

La unión de elementos poliméricos de una pila de celdas de combustible de MIP de peso ligero, tales como los armazones de celda de ánodo y de cátodo, a elementos metálicos, tales como las barreras de gas, se puede hacer con un adhesivo que se una a ambas superficies para formar un cierre hermético impermeable a los gases que permanezca estable en las condiciones de funcionamiento de celdas típicas.

Se ensayaron cuatro tipos de polímeros para fabricar componentes para celdas de combustible de MIP (policarbonato, polietersulfona, polieterimida y poliimida). Estos polímeros son representativos de termoplásticos que se consideran útiles para esta aplicación. Las láminas poliméricas estaban unidas a láminas de titanio doradas usando adhesivos diferentes para determinar las combinaciones que producían la unión adecuada para uso en celdas electroquímicas. Se eligió titanio dorado para estos experimentos debido a que se considera que es uno de los materiales más interesantes, útil en componentes de celdas electroquímicas conductores, para unirse con un polímero.

Se usó una variedad de adhesivos para unir láminas poliméricas de 0,032 pulgadas (0,813 mm) a láminas de titanio doradas de 0,007 pulgadas (0,178 mm). Las muestras de ensayo tenían aproximadamente 2 centímetros de ancho y 2 centímetros de largo. El procedimiento implicó preparar las superficies, aplicar el adhesivo, unir y curar el adhesivo de acuerdo con las instrucciones de los fabricantes individuales. Las muestras unidas se expusieron después a agua a 60ºC, durante 24 horas, después de lo que se examinaron para determinar la calidad de la unión. Un grupo representativo de adhesivos que muestra características de unión razonables se incluye en la Tabla I.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA I Ensayo de adhesión de acoplamientos polímero/metal unidos adhesivamente

1

TABLA II Identificación de producto y fabricante para los adhesivos que aparecen en la tabla I

2

Se considera que esta lista es representativa y de ningún modo exhaustiva de los tipos de materiales útiles para llevar a cabo la presente invención.

Uniones metales a metales

Están presentes dos tipos de uniones metal a metal en una celda electroquímica. Hay uniones que son críticas para la ruta conductora de los electrones, tal como la unión de campos de flujo a barreras de gas, y hay uniones que son críticas para cerrar herméticamente contra fuga de fluido, tal como la unión de barreras de gas a armazones de metal. Con respecto a las uniones impermeables a los gases, es beneficioso pero típicamente no necesario, si la unión es también conductora.

Se pueden crear uniones conductoras entre una variedad de metales por soldadura de las piezas juntas. La soldadura es una técnica bien conocida en el caso de que se use un metal de fusión relativamente baja para unir dos componentes juntos que estén fabricados a partir de metales que tengan puntos de fusión más altos que el metal o la soldadura de baja fusión. Es imprescindible que el metal de baja fusión humedezca los metales de fusión más alta para conseguir una buena unión.

La soldadura tradicional para unión de hilos metálicos para un montaje eléctrico implica: calentar las piezas por encima del punto de fusión de la soldadura, después aplicar un fundente para retirar la película de óxido sobre el metal y finalmente aplicar la soldadura, con el fundente y la soldadura aplicados juntos a veces. Soldar grandes áreas requiere un procedimiento diferente. Para soldar áreas planas grandes, primero se recubre la pieza con el metal o la aleación que forma la unión por uno de diversos métodos. Se puede recubrir primero con fundente y después recubrir con soldadura en un procedimiento conocido como estañado. El fundente se puede aplicar en una variedad de maneras, sin embargo los métodos más comúnmente usados son el barnizado con pincel y la inmersión. La aplicación de soldadura se lleva a cabo típicamente por inmersión de la pieza en un envase de soldadura fundida. Aproximaciones específicas para estañar partes fabricadas a partir de: acero inoxidable, níquel, titanio, magnesio, aluminio y aleaciones que contienen aluminio y magnesio, se describen a continuación. El metal o la aleación que forma la unión también se puede metalizar sobre la superficie de metal bien por electrodeposición o por deposición por vía química, ambos son procedimientos bien conocidos. También, el metal o la aleación que forma la unión se puede depositar sobre la superficie de metal usando técnicas de deposición al vacío tales como: evaporación, deposición química en fase de vapor y pulverización.

Después de la deposición del metal que forma la unión por estañado o metalizado, las piezas se unen afianzando las superficies planas que se tienen que unir juntas y volviendo a calentar el montaje por encima del punto de ablandamiento de la soldadura. Tanto el afianzamiento como el calentamiento se pueden llevar a cabo simultáneamente por el uso de una prensa caliente.

El procedimiento para estañar partes de acero inoxidable incluye, sumergir la pieza en una solución fundente ácida, sumergir lentamente la pieza en soldadura fundida, sumergir la pieza en el fundente ácido una segunda vez; y sumergir la pieza en soldadura fundida una segunda vez. Preferiblemente, el procedimiento de estañado se lleva a cabo en una atmósfera inerte. La pieza de acero inoxidable limpia se sumerge en un fundente soluble en agua, preferiblemente un fundente ácido y se permite que se drene la solución en exceso. Después se baja la pieza lentamente a la soldadura fundida. Es importante que la pieza se sumerja lentamente, debido a que el fundente sólo es activo para retirar la película de óxido mientras esté caliente el fundente y un procedimiento de inmersión lenta conduce a un tiempo de exposición más largo y a mejor eliminación de óxido. Se prefiere una soldadura de plata tal como mezcla eutéctica estaño-plata (96,5 Sn:3,5 Ag). En algunos casos, es suficiente una única inmersión en la soldadura fundida, pero en otros casos se prefiere una segunda inmersión. En el último caso, después de que se ha retirado la pieza de la soldadura, se permite que se enfríe ligeramente para asegurar que la soldadura ha solidificado y se sumerge en el fundente una segunda vez. La pieza después se retira del fundente y se permite que se drene la solución en exceso. Idealmente, la pieza debería estar suficientemente caliente para hacer hervir el fundente a medida que hace contacto. En la última etapa, la pieza se baja lentamente a la soldadura fundida y se retira.

La primera inmersión en la soldadura cubre la mayor parte de la superficie de la pieza de acero inoxidable con una capa delgada de soldadura, sin embargo, ocasionalmente, hay áreas en que el fundente no retiró toda la película de óxido, que están recubiertas deficientemente. La segunda inmersión en el fundente con la pieza caliente retira cualquier película de óxido restante de la pieza y produce un acabado similar a un espejo, brillante, sobre el metal. Es importante que se retire toda la grasa y la suciedad superficial de la superficie del metal antes de la soldadura. La falta de limpieza y desengrase de la superficie puede dejar una película de protección sobre la capa de óxido que evite que el fundente limpie la superficie y evite que la soldadura se adhiera. Después del estañado, las piezas se lavan cuidadosamente, preferiblemente en agua desionizada, para retirar todas las trazas restantes del fundente. Debido a que los residuos de fundente solubles en agua flotan sobre la superficie de la soldadura fundida, la mayoría de las piezas tendrá trazas de fundente presentes sobre la superficie estañada. Se pueden usar otros tipos de fundente para llevar a cabo el procedimiento de estañado.

El mismo procedimiento de estañado funciona para: titanio, aluminio, magnesio y aleaciones que contengan estos elementos también, si están metalizados primero con níquel, cobre u otro metal que acepte el estañado más fácilmente. Se pueden usar metales preciosos o de base para metalizar el titanio.

El procedimiento para estañar piezas que contienen: titanio, aluminio y magnesio incluye metalizar la pieza con níquel, sumergir la pieza en una solución fundente ácida y sumergir la pieza en soldadura fundida. Para niquelar la pieza, se debe eliminar la película de óxido.

Una vez que se ha niquelado la pieza, se recubre con fundente y se sumerge en soldadura fundida para producir un acabado estañado brillante usando el mismo ciclo y soldadura de plata como se usa con acero inoxidable. En general, sólo se requiere una única inmersión para cada uno, el fundente y la soldadura con aluminio niquelado.

Tanto el aluminio como el titanio se pueden estañar directamente si se emplea la combinación apropiada de fundente y soldadura. Con el uso de un fundente líquido de alta viscosidad, se pueden estañar directamente aluminio y titanio. En este procedimiento la pieza se sumerge primero en el fundente y después se sumerge lentamente en soldadura fundida, siendo suficiente un único ciclo. Para estos metales, se prefiere una soldadura con un componente más activo, tal como mezcla eutéctica estaño-cinc (91% Sn, 9% Zn, punto de fusión 199ºC).

Es importante observar que para mejores resultados todas las operaciones de estañado descritas en la presente memoria se llevan a cabo preferiblemente en una atmósfera exenta de oxígeno, o una atmósfera con un contenido de oxígeno sustancialmente reducido. No es necesario, y por supuesto en la mayoría de los casos no es posible, excluir el agua, puesto que el agua es un componente mayoritario en muchos fundentes.

Mientras se está usando una soldadura a base de estaño, no importa qué elementos de aleación están presentes en la soldadura cuando se están formando las uniones finales, las piezas estañadas se pueden unir juntas fácilmente. Cuando se usan las soldaduras con composiciones distintas para estañar metales que se tienen que unir, es importante calentar los componentes afianzados a, al menos, el punto de fusión de la soldadura de fusión más alta.

Aunque se prefiere la unión metalúrgica producida por soldadura de componentes metálicos juntos, no es la única aproximación para unir componentes metálicos. Se pueden usar adhesivos, como los enumerados en la Tabla II, para algunas uniones metal a metal también. En general, estos adhesivos son adecuados para uniones en que no se requiere conductividad eléctrica por la unión. Excepto para la resina epoxídica cargada de Pd-Ag, ninguno de los adhesivos enumerados en la Tabla II es conductor. La unión adhesiva conductora se puede sustituir por una unión soldada para producir una celda o pila electroquímica de acuerdo con la presente invención.

Aún otros procedimientos de unión de metal aplicables a este tipo de fabricación de pilas será obvio para los expertos en la técnica de unión de metal. Estos también se considera que son parte de esta invención cuando se emplean para el montaje de una pila de celdas electroquímicas de una manera esencialmente similar a la descrita aquí.

Unión polímeros a polímeros

Hay muchos adhesivos disponibles que son adecuados para unir termoplásticos de ingeniería unos a otros. Sin embargo, unir membranas MIP a otros materiales es más difícil debido a que las membranas perfluoradas son resistentes a la adhesión por la mayoría de los adhesivos. El adhesivo de Dow-Corning 748™ (véase la línea 8 en la Tabla II) se adhiere bien a la membrana y a muchas superficies de metal. Aunque la resistencia al despegue, a aproximadamente 1,3 kg por centímetro de unión, no es adecuada para la mayoría de los propósitos estructurales, es más que adecuada para producir un cierre hermético completamente adherente, delgado, para uso en una celda electroquímica.

Procedimientos de montaje

Montar una pila de celdas electroquímicas totalmente unidas incluye diversas etapas. Primero, todas las piezas de metal se recubren con el metal de unión, que incluye el campo de flujo de ánodo, campo de flujo de cátodo y campo de flujo de refrigeración; las barreras de gas; y el armazón alrededor del campo de flujo de refrigeración. Estas partes se apilan después en su posición, se colocan cuidadosamente, y se dejan en su sitio usando un dispositivo de alineación o plantilla para alinear. Las piezas y la plantilla para alinear se ponen después en una prensa caliente para afianzar las piezas juntas, presionando las barreras de gas firmemente contra el armazón de refrigeración y los campos de flujo firmemente contra las barreras de gas. La prensa se calienta ligeramente por encima del punto de fusión del metal de unión de fusión más alta, presente, para volver a fundir el metal de unión. Se permite después que el montaje unido se enfríe en la prensa.

Se cortan láminas de adhesivo al calor para igualar el tamaño y la forma de los armazones de la celda de ánodo y de cátodo. Estas se usan para unir los armazones de la celda a las cuñas de la celda por el uso de la prensa caliente. Esos dos premontajes de trozos están unidos a la placa bipolar montada por la misma técnica. Todas las uniones al calor se pueden hacer en una única etapa si se desea.

Una placa bipolar no refrigerada es de alguna manera más fácil de fabricar debido a que contiene pocas piezas. Los campos de flujo están unidos a lados opuestos de una barrera de gas por soldadura. Los armazones de la celda de ánodo y de cátodo están unidos a las barreras de gas y las cuñas con adhesivos al calor en una o dos operaciones de prensado.

Los siguientes ejemplos muestran algunas de las realizaciones preferidas de la presente invención, sin embargo no se tiene que considerar que sean limitantes en ningún sentido.

Ejemplo I

Este ejemplo muestra la fabricación del núcleo de una placa bipolar refrigerada por líquido.

Se fabricaron dos barreras de gas de titanio a partir de lámina de metal de 0,0045 pulgadas (0,114 mm) y se metalizó con oro. Se fabricó un armazón a partir de lámina de polietersulfona de 0,032 pulgadas (0,813 mm). Se fabricó un campo de flujo a partir de tres capas de titanio expandido, una con un espesor de aproximadamente 0,030 pulgadas (0,762 mm) a expansión completa y dos que se expandieron y se aplanaron con posterioridad de vuelta a su espesor original de 0,003 pulgadas (0,076 mm). Estas tres láminas estaban soldadas por puntos, juntas, con las láminas de 0,003 pulgadas (0,076 mm) soldadas a caras opuestas de la lámina de 0,030 pulgadas (0,762 mm) y el montaje soldado se metalizó de oro. Este campo de flujo se produjo deliberadamente más espeso que el armazón para asegurar que el campo de flujo que se comprime como un muelle, ejercería presión sobre las barreras de gas para asegurar contacto eléctrico con las barreras.

Las caras del armazón de polietersulfona estaban recubiertas con adhesivo ECLECTIC E6.000. Se presionó después el armazón, a mano, contra una barrera de gas, con ambas partes mantenidas alineadas por el uso de una plantilla para alinear, colocada, fabricada para este propósito y equipada con pasadores para asegurar que todas las piezas quedaban precisamente alineadas. El campo de flujo se puso en la cavidad producida por el armazón sobre la barrera y la segunda barrera de gas se presionó sobre la parte de arriba de las otras piezas. El montaje, aún en la plantilla para alinear, para el montaje, se puso en una prensa caliente. Los componentes se presionaron después juntos y se curaron bajo compresión suficiente para impedir que las piezas se movieran a 60ºC durante 24 horas. El resultado fue una placa bipolar que tenía una barrera de gas con acceso de fluido al campo de flujo interno adecuado para el paso de un fluido de refrigeración para el propósito de retirar calor residual de la pila de celdas de combustible. En etapas de montaje posteriores, este premontaje se trató de la misma manera como una lámina de barrera de gas
simple.

Ejemplo 2

Este ejemplo muestra la unión de dos componentes con adhesivo al calor.

Se fabricó una cuña frontal o placa 56 de cierre hermético a partir de lámina de titanio de 0,0045 pulgadas (0,114 mm), como se ilustra en la Figura 4. Se fabricó un armazón de celda de ánodo a partir de lámina de polietersulfona de 0,032 pulgadas (0,813 mm). Se usó el armazón de celda de ánodo como un molde para cortar una lámina de adhesivo al calor (BEMIS número 3.218). Los tres trozos se afianzaron en una plantilla para alinear, colocada, fabricada para este propósito y equipada con pasadores para asegurar que todas las piezas quedaban precisamente en alineación con el adhesivo entre la cuña de metal y el armazón de polímero. La plantilla para alinear, con las piezas dentro de ella, se puso en una prensa caliente, se comprimió para asegurar y mantener contacto íntimo entre los componentes de la lámina y se calentó a 150ºC. (La temperatura usada para esta etapa es una función del adhesivo usado). Después de varios minutos, se dejó enfriar la prensa y se retiró el premontaje.

Este premontaje es adecuado para uso ya que el armazón alrededor del campo de flujo de ánodo y la superficie en contacto contra la porción de membrana de un montaje de membrana y de electrodo (MyE) y se usó para montar una pila de combustible.

Ejemplo 3

Este ejemplo muestra el estañado de acero inoxidable. Se fabricó una barrera de gas a partir de lámina de acero inoxidable de 0,010 pulgadas (0,254 mm). La barrera de gas y los otros componentes requeridos para llevar a cabo la operación de estañado (fundente, soldadura, calentador, tenazas, indicador de temperatura, etc.) se pusieron en una caja de guantes y la atmósfera de la caja se purgó cuidadosamente con argón para evitar la oxidación de superficies recién limpiadas. La barrera se sumergió en un fundente líquido de tipo ácido tal como LA-CO N-3 (LA-CO Industries, Chicago, IL). Se permitió que el líquido en exceso drenara de la lámina de acero inoxidable y el trozo se sumergió lentamente en soldadura de mezcla eutéctica de plata-estaño fundida (3,5% Ag; 96,5% Sn, punto de fusión 221ºC (Kester Solder, Des Plaines, IL). Es importante sumergir el trozo lentamente puesto que el fundente sólo es activo y capaz de disolver la capa de óxido de la superficie sobre el metal durante un intervalo de temperatura limitado y una inmersión lenta asegura una exposición adecuada a la superficie total de la pieza del fundente, en su temperatura activa, pero antes de que se vaporicen todas las sales activas para disolver la película de óxido.

Después de la inmersión, se retiró la pieza de la soldadura fundida con todas las partes de la superficie que estaban limpias de óxido por la acción del fundente que se estaba recubriendo con soldadura. Se permitió que la pieza se enfriara hasta que la soldadura solidificara antes de que se volviera a sumergir en el fundente. Es preferible tener la parte restante suficientemente caliente para hacer hervir el liquido ligeramente, a medida que entra en contacto con la superficie del metal. La pieza se retiró del fundente y se volvió a sumergir lentamente en la soldadura, sirviendo el segundo ciclo para retirar la película de óxido de las partes de la superficie que no estaban limpias la primera vez y se recubrieron estas áreas con soldadura. Después de retirar la pieza de la soldadura fundida se permitió que se enfriara en el aire hasta que solidificó la soldadura. Después se pudo disponer la pieza sobre una superficie u otro soporte resistente al calor, para que se acabara de enfriar. El resultado fue un acabado similar a un espejo sobre la pieza estañada.

Ejemplo 4

Este ejemplo muestra el estañado de aluminio. Se fabricó un armazón de celda de refrigeración para una placa separadora bipolar, refrigerada por fluido, a partir de lámina de aluminio de 0,020 pulgadas (0,508 mm) y se metalizó con níquel. La barrera de gas y los otros componentes requeridos para llevar a cabo la operación de estañado (fundente, soldadura, calentador, tenazas, indicador de temperatura, etc.) se pusieron en una caja de guantes y la atmósfera de la caja se purgó cuidadosamente con argón para evitar la oxidación de superficies recién limpiadas. La barrera de sumergió en un fundente líquido de tipo ácido tal como LA-CO N-3 (LA-CO Industries, Chicago, IL). Se permitió que el líquido en exceso se drenara y el trozo se sumergió lentamente en soldadura de mezcla eutéctica de plata-estaño fundida (3,5% Ag; 96,5% Sn) que tenía un punto de fusión de 221ºC (Kester Solder, Des Plaines, IL). Es importante sumergir el trozo lentamente, puesto que el fundente sólo es activo y capaz de disolver la capa de óxido de la superficie sobre el metal durante un intervalo limitado de temperatura y sumergir la pieza lentamente asegura que la superficie total de la pieza se expone adecuadamente al fundente a su temperatura activa, pero antes de que se vaporicen los componentes volátiles. Después de la inmersión, se retiró la pieza de la soldadura fundida con la superficie totalmente recubierta con soldadura.

Ejemplo 5

Este ejemplo muestra la unión de componentes de aluminio y acero inoxidable para formar el núcleo de una placa bipolar refrigerada por líquido usando soldadura.

Se estañaron dos barreras de gas y un campo de flujo, como se describió en el Ejemplo 3. Un armazón de refrigeración de aluminio se estañó como se describió en el Ejemplo 4. Los componentes se apilaron como se muestra en la Figura 4 y se pusieron en una prensa caliente con un termopar en contacto con el lado del armazón y se afianzaron firmemente juntos. La prensa se calentó hasta que el termopar indicó que la carga había alcanzado y mantenido una temperatura de aproximadamente 230ºC, durante aproximadamente cinco minutos, tiempo al que se apagó la energía a los calentadores y se permitió que el montaje completo se enfriara mientras se mantenía el montaje en un estado comprimido. El resultado fue una barrera de gas refrigerada por agua con acceso de fluido al campo de flujo interno adecuado para uso como un componente en una pila de celdas de combustible, con el propósito específico de retirar calor residual de la pila. Este premontaje se trató de la misma manera que una de las láminas de barrera de gas simple en etapas de montaje posteriores.

Ejemplo 6

Este ejemplo ilustra la realización de una pila de celdas de combustible producida de acuerdo con la presente invención.

El método del Ejemplo I se usó para preparar una serie de cuatro núcleos de placa bipolar, refrigerada por agua, conformados para uso en una pila de celdas de combustible con un área activa para 125 cm^{2}. Se usaron también tres placas bipolares no refrigeradas en la pila. El método del Ejemplo 2 se usó para preparar ocho armazones de celda de ánodo con cuñas y ocho armazones de celda de cátodo con cuñas para una pila de ese tamaño. Se prepararon también componentes adicionales (MyE, campos de flujo, juntas, etc.) por medios tradicionales. Estos se usaron para fabricar una pila de celdas de combustible de MIP de ocho celdas. La pila se hizo funcionar usando combustible de hidrógeno con aire como oxidante. La Figura 5 ilustra la realización de esa pila de ocho celdas, área activa de 125 cm^{2} por celda mientras se hacía funcionar a una temperatura de MyE de 62-64ºC, una presión de gas de combustible de 103,4 kPa (15 psig), humidificados tanto el combustible como los gases oxidantes a un punto de rocío de 27ºC y suministrando aire a cuatro veces la estequiometría. La pila proporcionó una salida de 967 W/kg y 846 W/L para las unidades repetidas de esta pila, que se determinó que tenía un rendimiento de 53,4% (a un potencial de 0,651 V/celda).

Aunque lo anterior se dirige a realizaciones preferidas de la presente invención, otras y realizaciones adicionales de la invención se pueden idear sin apartarse del alcance básico de la misma y el alcance de la misma se determina por las reivindicaciones que siguen.

Claims (25)

1. Un método para preparar una placa bipolar para una celda electroquímica, que comprende: alinear un premontaje que tiene una placa y un campo de flujo, con uno o más elementos de unión dispuestos entre ellos, en el que los elementos de unión tienen una temperatura de punto de fusión que es menor que la temperatura de punto de fusión de los componentes de la placa y el campo de flujo, comprimir el premontaje, calentar el premontaje a una temperatura menor que 800ºC y permitir que el premontaje se enfríe.

2. El método según la reivindicación 1, que comprende además colocar el premontaje en una celda electroquímica.

3. El método según la reivindicación 1, que comprende además colocar el premontaje en una pila de celdas electroquímicas.

4. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la placa y el campo de flujo son componentes metálicos y el elemento de unión es un metal o aleación de metales que funde a una temperatura por debajo de 500ºC.

5. El método según la reivindicación 4, en el que los componentes metálicos se seleccionan de: acero inoxidable, níquel, aluminio, titanio, magnesio o combinaciones de los mismos.

6. El método según la reivindicación 4 ó 5, que comprende además sumergir el componente metálico en un fundente, después sumergir el componente metálico en una soldadura.

7. El método según la reivindicación 6, en el que la soldadura comprende un metal seleccionado de: estaño, bismuto, plomo, indio y aleaciones de los mismos.

8. El método según la reivindicación 6, en el que la soldadura comprende plata y estaño.

9. El método según la reivindicación 6, 7 u 8, que comprende además recubrir el componente metálico con una capa de un metal de transición, resistente a la corrosión, previamente a la inmersión del componente metálico en el fundente.

10. El método según la reivindicación 4, en el que el metal de unión se aplica a una de las superficies de componente metálico por deposición reductora a partir de un disolvente.

11. El método según la reivindicación 10, en el que el disolvente se selecciona de agua o un fluido a base de agua.

12. El método según la reivindicación 10 u 11, en el que el metal depositado comprende un componente seleccionado de: estaño, bismuto, plomo, indio o una aleación de los mismos.

13. El método según la reivindicación 4, en el que el metal de unión se aplica a una de las superficies de componente metálico por evaporación a vacío o pulverización.

14. El método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además uno o mas componentes poliméricos seleccionados de: armazones, juntas, membranas, cuñas o combinaciones de los mismos, que están unidos al premontaje con un adhesivo.

15. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la placa y el campo de flujo comprenden uno o más componentes metálicos y uno o más componentes poliméricos, y en el que el elemento de unión es un adhesivo.

16. El método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el premontaje incluye además un armazón.

17. El método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la placa bipolar comprende dos placas, un campo de flujo y un armazón, en el que el armazón y el campo de flujo están dispuestos entre las dos placas, con el armazón dispuesto alrededor del campo de flujo, y en el que el armazón tiene canales en comunicación de fluido con el campo de flujo.

18. Un montaje de placa bipolar, refrigerada por fluido, que comprende: dos placas de conductividad electrónica que tienen caras opuestas, un campo de flujo de conductividad electrónica unido, entre las dos placas de conductividad electrónica, en comunicación electrónica con una porción sustancial de las caras opuestas de las placas, un armazón dispuesto alrededor de un perímetro del campo de flujo de conductividad electrónica y unido entre las dos placas de conductividad electrónica, en el que el armazón tiene canales para proporcionar comunicación de fluido entre el campo de flujo y una fuente de fluido y un campo de flujo de cátodo de conductividad electrónica y un campo de flujo de ánodo de conductividad electrónica unidos a caras externas de las placas.

19. El montaje según la reivindicación 18, en el que el montaje está unido con un adhesivo.

20. El montaje según la reivindicación 18, en el que el montaje está unido con soldadura.

21. Una placa bipolar para celdas electroquímicas que comprende: dos o más láminas conductoras de electricidad, porosas, seleccionadas de: malla de metal expandido, malla de metal tejida, espuma de metal, espuma polimérica conductora, material de carbono conductor poroso o combinaciones de los mismos, una barrera de gas, conductora de electricidad, dispuesta en contacto eléctrico entre las láminas, y un armazón de celda dispuesto alrededor de una periferia según una cualquiera de las dos o más láminas conductoras de electricidad, porosas, en la que el armazón de celda tiene al menos una superficie que está unida a la barrera de gas, y en la que el armazón de celda incluye canales para proporcionar comunicación de fluido entre la lámina conductora de electricidad, porosa, y una fuente de fluido.

22. La placa bipolar según la reivindicación 21, en la que el armazón de celda es metálico y está unido a la barrera de gas con una unión metálica.

23. La placa bipolar según la reivindicación 21, en la que el armazón de celda es polimérico y está unido a la barrera de gas con una unión polimérica.

24. La placa bipolar según la reivindicación 22, en la que la unión metálica se forma por soldadura del armazón de celda a la barrera de gas.

25. La placa bipolar según la reivindicación 23, en la que la unión polimérica se produce por un adhesivo.