ES2274241T3 - Placas bipolares de plastico reforzadas con fibra de carbono con trayectorias electricas continuas. - Google Patents
Placas bipolares de plastico reforzadas con fibra de carbono con trayectorias electricas continuas. Download PDFInfo
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Abstract
El método para fabricar un artículo conductor eléctrico para el uso como un electrodo en una pila de combustible o una batería, que comprende las etapas de: crear una estructura que tiene fibras de refuerzo carbonizadas o grafitizadas eléctricamente conductoras; orientar mecánicamente dichas fibras mediante agujeteado en una primera dirección correspondiente a las trayectorias eléctricas preferidas incrementando de ese modo la conductividad de dicho artículo en dicha primera dirección; en donde las fibras de refuerzo carbonizadas o grafitizadas comprenden una estructura porosa impregnada con un polímero termoplástico, creando de ese modo una matriz que tiene un grosor, siendo dicha primera dirección paralela a dicho grosor.
Description
Placas bipolares de plástico reforzadas con
fibra de carbono con trayectorias eléctricas continuas.
La presente invención se dirige a un método para
fabricar una placa bipolar termoplástica reforzada con fibra de
carbono en una pila de combustible o batería.
El uso de material carbonoso junto con
recolección de electrones es bien conocido. La función del carbono
o el grafito ha sido principalmente la de un colector de corriente
eléctrica (circulación). Típicamente, se han usado placas
trabajadas a máquina a partir de bloques de grafito para tales
aplicaciones. Este sistema es costoso y tiene limitaciones
dimensionales. No pueden alcanzarse paredes delgadas con suficiente
resistencia mecánica. El colector de corriente, también conocido
como placa bipolar, se ha formado a partir de un número de
materiales conductores en un número de tamaños y geometrías. La
función secundaria de una placa bipolar es proporcionar una barrera
impermeable para separar los gases presentes en cada cara de la
placa. Típicamente están presentes hendiduras finas sobre una o
ambas superficies de la placa bipolar para alimentar y extraer las
dos especies gaseosas implicadas en el dispositivo.
A este respecto, las pilas de combustible y las
baterías se construyen típicamente ensamblando placas bipolares o
electrodos y capas de difusión de gas. La capa de difusión se
construye comúnmente a partir de una disposición de fibras de
carbonosas (papel o tela de carbono) impregnadas con un polímero de
intercambio iónico, tal como polímeros basados en flúor, y
catalizadores. Un dispositivo de este tipo puede observarse en lo
indicado en la Patente de EE.UU. Nº 4.830.938.
En esa patente, se usa material carbonoso para
los materiales bipolares. Un número de materiales se ha usado para
placas bipolares. Estos incluyen grafito sólido o flexible (véase la
Patente de EE.UU. Nº 5.532.083), materiales compuestos de
carbono-carbono; materiales compuestos reforzados
con carbono termoestables que usan, por ejemplo, refuerzo de fibra
de carbono en una resina epoxídica o fenólica; y grafito
fluorocarbonado reforzado con fibra de carbono (véase la Patente de
EE.UU. Nº 4.339.322).
Otros (Patente de EE.UU. Nº 6.248.467) han
propuesto usar compuestos de moldeo conductores usando una mezcla
de una resina de éster vinílico, diversas clases de polvo de grafito
y fibras de carbono
cortas.
cortas.
Las trayectorias eléctricas en estos diversos
sistemas de materiales están lejos de estar optimizadas. Los
materiales, tales como compuestos de grafito-resina,
necesitan una alta carga de polvo de grafito para exhibir
conductividad eléctrica aceptable. La conductividad global del
material está finalmente limitada por las zonas ricas en plástico
presentes entre el agregado de grafito.
Los refuerzos con fibra de carbono corta se han
usado para incrementar la conductividad eléctrica y mejorar las
propiedades mecánicas de las placas bipolares. Estos materiales
compuestos reforzados, aunque tienen una resistencia superior,
tienen ciertos inconvenientes. Por ejemplo, típicamente, el refuerzo
usado se introduce en forma de fibras de carbono cortas aleatorias
o telas planas orientadas. Estos diseños de material y sistemas de
fabricación dan como resultado materiales compuestos con fibras
dispuestas en paralelo a la dirección en el plano de la placa
bipolar. En estos materiales, con poca fibra orientada en la
dirección a través del grosor, la fibra de carbono solo contribuye
ligeramente a la electroconductividad eficaz a través del grosor.
Además, los materiales compuestos reforzados con fibras cortas y
los materiales de grafito sólidos no reforzados exhiben propiedades
mecánicas pobres o moderadas. Las técnicas de fabricación asociadas
con algunos de estos materiales tampoco son fácilmente tendentes a
la formación de una conformación de pequeños detalles tales como
hendiduras que están presentes típicamente en la superficie de las
placas bipolares. De acuerdo con esto, las placas bipolares
actuales tienen limitaciones de propiedades eléctricas o térmicas
y/o son costosas de fabricar. A este respecto, el producto final
requiere habitualmente múltiples etapas en el procedimiento de
fabricación. Un intento de minimizar el número de etapas en su
procedimiento de fabricación se encuentra, por ejemplo, en la
Patente de EE.UU. Nº 5.798.188. Este sistema es eliminar el
maquinado de los pasajes para el gas en una placa bipolar. La
patente analiza el uso de moldeo por inyección de polímero de baja
viscosidad sobre una placa de aluminio para moldear in situ
el pasaje para el gas de una placa bipolar. Las superficies que
requieren conductividad eléctrica se tratan subsiguientemente con un
metal. En esa situación, la placa de aluminio proporciona el
elemento estructural de la placa bipolar. La resina fundida se usa
para alcanzar los detalles superficiales.
Otros sistemas para crear una placa bipolar que
están destinados a mejorar durante su funcionamiento y fabricación
incluyen el indicado en la Patente de EE.UU. Nº 5.532.083 mencionada
anteriormente. Esta patente describe un componente carbonoso
flexible en el que a través del uso de una fibra de carbono de bajo
módulo (módulo de Young), el estado final de la fibra en la placa
flexible retiene su propiedad de módulo bajo. Este diseño
particular con una disposición plana de fibras continuas tiene una
buena electroconductividad en el plano de la placa bipolar pero
tiene la misma electroconductividad a través del grosor insuficiente
o baja que los sistemas previos.
De acuerdo con esto, aunque ha habido una mejora
en la estructura y la fabricación de placas bipolares, son
deseables mejoras adicionales a este respecto.
Por lo tanto, un objetivo principal de la
invención es proporcionar un método para fabricar una placa bipolar
en la que fibras de carbono están orientadas preferentemente en la
dirección a través del grosor para proporcionar trayectorias
conductivas eléctricas ininterrumpidas y maximizar la
electroconductividad a través de un apilamiento de placas.
Un objetivo adicional de la invención es
proporcionar un método para fabricar una placa bipolar, que tiene
resistencia y durabilidad superiores, y sin embargo puede ser
relativamente delgada permitiendo la introducción de un número
mayor de placas en un dispositivo.
Un objetivo adicional más de la invención es
proporcionar un método para fabricar una placa bipolar que tiene
una conductividad térmica mejorada para disipar el calor.
Un objetivo adicional más de la invención es
proporcionar un método para fabricar una placa bipolar para la que
los criterios de diseño pueden cambiarse fácilmente para cumplir una
necesidad particular.
Otro objetivo más de la invención es que sea
tendente a un bajo coste de fabricación.
Estos y otros objetivos y ventajas son
proporcionados por la presente invención. A este respecto, la
presente invención prevé una placa bipolar termoplástica reforzada
con fibra de carbono en la que la fibra continua está
preferentemente orientada para pilas de combustible o baterías. El
refuerzo fibroso de partida puede tomar una variedad de formas,
pero esencialmente implica una estera de fibra de carbono que está
tejida, no tejida, tricotada, cosida o una combinación de fibras
tejidas, tricotadas, cosidas y cortadas. Subsiguientemente, la
estera se punzona con agujas para orientar una gran porción de las
fibras de carbono en la dirección a través del grosor, permitiendo
que alcance una conductividad eléctrica máxima en la dirección en la
que esto es lo más importante. Para la placa bipolar, la
trayectoria preferida es paralela al grosor de la placa. Tal estera
carbonosa puede incluir fibras termoplásticas que a continuación se
moldean térmicamente en la conformación deseada para crear
hendiduras u otros rasgos superficiales hasta ahora alcanzados
típicamente mediante trabajado a máquina. Alternativamente, las
esteras pueden impregnarse con una resina termoplástica (forma de
polvo o solución) y moldearse hasta la conformación usando
temperatura y presión adecuadas. Puede fabricarse una amplia
variedad de refuerzos y conformaciones dependiendo de la aplicación
particular. Por otra parte, la necesidad de trabajar a máquina la
superficie de las placas se evita y así se elimina una tarea
complicada y difícil en su producción. Por otra parte, en vista de
la resistencia superior, que resulta de tal construcción, el grosor
de la placa puede reducirse a fin de proporcionar un número
incrementado de elementos en un apilamiento de una altura dada.
Así, mediante la presente invención, se
consiguen sus objetivos y ventajas, cuya descripción debe tomarse
junto con los dibujos, en los que:
Las Figuras 1A-1D muestran un
apilamiento de pilas de combustible y ejemplos de configuraciones de
placas bipolares.
La Figura 2 es una vista en sección lateral de
una batería de la técnica anterior, que ilustra generalmente una
construcción de la misma.
La Figura 3 es una vista general en sección
lateral de una estera de refuerzo no tejida que contiene fibras de
carbono antes del agujeteado, que incorpora las enseñanzas de la
presente invención.
La Figura 4 es una vista en sección lateral de
la estera de la Figura 2 después de agujetear, que incorpora las
enseñanzas de la presente invención.
La Figura 5 es una vista en sección lateral de
una estera tejida que incorpora fibras de carbono tejidas y fibras
cortadas, antes de agujetear, que incorpora las enseñanzas de la
presente invención.
La Figura 6 es una vista en sección lateral de
la estera de la Figura 4 después de agujetear, que incorpora las
enseñanzas de la presente invención.
La Figura 7 es una vista en sección lateral de
una placa bipolar reforzada con carbono después de moldearse como
un material compuesto usando fibras o resinas termoplásticas para
crear la conformación deseada, que incorpora las enseñanzas de la
presente
invención.
invención.
Volviendo ahora más particularmente a los
dibujos, las Figuras 1A-1D y 2 muestran dibujos
representativos de una pila de combustible y una batería
encontradas en la técnica anterior. Las Figuras
1A-1D describe un apilamiento 10 de pilas de
combustible típico en el que una membrana 12, dos capas 14 de
difusión de gas catalizadas y dos placas 16 bipolares, un ánodo 18
y un cátodo 19 constituyen una unidad de pila elemental. A medida
que se alimenta hidrógeno a través de las hendiduras de la placa
bipolar anódica y se difunde en la porosidad de la GDL (capa de
difusión de gas), el hidrógeno gaseoso se separa en protones (iones
hidrógeno) y electrones. La membrana 12 electrolítica del centro
permite que solo los protones pasen a través de la membrana 12 hacia
la cara del cátodo 19 de la pila de combustible. A media que el
oxígeno fluye dentro de las hendiduras de la placa bipolar
catódica, el revestimiento de platino de la GDL ayuda a los
protones, al oxígeno y a los electrones a combinarse y producir
agua y calor. Los electrones liberados sobre la cara del ánodo 18 no
pueden trasladarse a través de la membrana 12, fluyen a través de
la pared de la placa bipolar del ánodo hacia la siguiente pila. La
uniformidad del flujo de gas en la GDL se alcanza a través de
diferentes diseños de hendiduras en la superficie de las placas
bipolares.
La Figura 2 ilustra una batería descrita en la
Patente de EE.UU. Nº 4.830.938. A este respeto y con el propósito
de ilustrar generalmente una breve descripción de lo que se muestra
allí, está lo que sigue.
Se proporciona típicamente una carcasa o
alojamiento que es impermeable al paso de gas a su través,
incluyendo, particularmente, vapor de agua. La carcasa tiene dos
separadores de pilas internos que definen una serie de tres pilas.
Los interiores de las pilas son pares de electrodos hechos de un
material carbonoso, que puede ser del tipo analizado posteriormente
aquí. Los electrodos son de una dimensión tal que pueden
introducirse en una pila adyacente en aquella porción de la pila
adyacente que tiene una polaridad opuesta. Los electrodos se
muestran como una sola pieza curvada para que sea insertable en
pilas adyacentes. También puede haber dos electrodos conectados de
una manera que conduzca a una corriente de la misma manera que lo
haría una sola pieza. Separando los dos electrodos en una pila del
contacto eléctrico entre sí hay un miembro foraminoso, que al menos
hará pasar iones. Pueden emplearse diversas formas de material
similar a membrana, por ejemplo estera de fibra de vidrio, gasa o
película de polipropileno, membranas de exclusión iónica y
similares.
El electrolito preferido para tal pila
secundaria es típicamente una mezcla de una sal ionizable disuelta
en un líquido o una pasta acuosos no conductores. Alternativamente,
el electrolito puede ser ionizable en alguna extensión así como
cualquier sólido no conductor a través del cual se transportarán los
iones bajo la influencia de la carga y la descarga eléctrica.
La presente invención se refiere al uso de
preformas carbonadas fibrosas especialmente diseñadas que, cuando
se combinan con un polímero termoplástico, pueden usarse para
fabricar una placa bipolar plástica reforzada con fibra de bajo
coste en un procedimiento en una etapa. Se prefieren polímero
termoplásticos, ya que ofrecen una formación rápida de plásticos
reforzados y no emiten compuestos tóxicos en la fase de resina como
algunos materiales termoestables. Estas placas pueden usarse en
pilas de combustible y baterías del tipo, por ejemplo, mostrados en
las Figuras 1A-1D y 2. Este sistema de orientar las
fibras conductoras en la dirección más adecuada da placas bipolares
que exhiben comportamiento eléctrico superior que el de las placas
actuales.
La orientación de las fibras de carbono
conductoras en la dirección paralela al grosor de la placa promueve
una conductividad eléctrica y térmica mejorada a través de la placa
bipolar y "según se moldea" en detalles superficiales finos
elimina etapas de maquinado posteriores a la formación y proporciona
dos características importantes para optimizar el comportamiento y
el coste de una pila de combustible. Esto se alcanza
termoconformando una malla agujeteada de fibra de carbono
tridimensional que contiene elementos termoplásticos como una placa
compuesta. La fibra de carbono, presente a través del grosor de la
placa, también proporciona un refuerzo mecánico en la construcción
de la placa bipolar, debido a su alto módulo, y permite que puedan
usarse placas bipolares más delgadas en el montaje de pilas de
combustible más compactas.
Junto con la orientación privilegiada de las
fibras de carbono, la selección de una matriz termoplástica que
tiene propiedades físicas similares al material de la membrana debe
mejorar el comportamiento de la pila de combustible. Proporcionará
mejor superficie de contacto debido a expansiones térmicas similares
lo que conduce a una mejor conductividad eléctrica y buena
compatibilidad química/física. Por ejemplo, la posible adopción de
membranas basadas en poliéter-éter-cetona (PEEK)
porosas por la industria se adaptaría fácilmente mediante la
fabricación de una placa bipolar de carbono/PEEK.
La invención utiliza una horma textil de carbono
tridimensional, por ejemplo una malla puncionada con agujas, para
alcanzar una orientación preferente de las fibras conductoras a lo
largo de la dirección dando una conductividad electrónica máxima.
En el caso de una placa bipolar, la trayectoria electrónica
preferida es a través del grosor de la placa. El puncionado con
agujas de fibras de longitud corta y/o fibras continuas permite la
introducción de una cantidad substancial de fibras en la dirección
paralela al grosor de las preformas. Además, el uso de fibra de
carbono preoxidada tratada térmicamente, fibra embreada termoestable
tratada térmicamente, fibra de PAN o fibra de carbono embreada a
través del grosor de la placa bipolar optimizará la conductividad
eléctrica térmica.
La combinación de fibra de carbono de una resina
o fibras termoplásticas para fabricar en una etapa una placa
conductora estructural permite la posibilidad de fabricar una placa
bipolar de paredes delgadas para optimizar el tamaño de paquetes de
pilas de combustible. Las fibras o la resina termoplásticas
proporcionan los medios para alcanzar una pared impermeable entre
los gases de alimentación. La combinación de fibras de carbono con
una matriz polímera da un material compuesto que exhibe resistencia
y tolerancia al daño excelentes. El polímero puede seleccionarse
para la aplicación particular para soportar el ambiente de
funcionamiento de la pila de combustible y, a este respecto, debe
ser resistente térmicamente y químicamente.
Por ejemplo, el polímero asociado con el
refuerzo de carbono puede ser uno cualquiera de los siguientes
polímeros: polipropileno, poliamida, poliéster, fluoropolímeros,
poli(sulfuro de fenileno) (PPS), polieterimida (PEI),
poliéter-éter-cetona (PEEK),
poliéter-cetona-cetona (PEKK) y
cualesquiera otros polímeros termoplásticos adecuados para el
propósito de que puedan extruirse en una forma fibrosa, puedan ser
una resina puesta en forma de solución o puedan estar disponibles
en una forma en polvo.
Las preformas de carbono fibrosas pueden ser una
fibra de longitud corta, papel, cinta unidireccional, tela tejida y
no tejida incluyendo tela multiaxial tricotada y cosida, ligamentos
fibrosos bi- y tri-direccionales. Fibras de coste
inferior, tales como fibra de vidrio u otras cargas (cargas
carbonosas conductoras y no conductoras), pueden combinarse con las
fibras de carbono en la estera agujeteada para reducir el coste. El
procesamiento del producto final se efectúa mediante un número de
procedimientos de termoconformación (aplicación de temperatura y
presión): formación en diafragma, moldeo por compresión, formación
por presión/vacío, moldeo por transferencia de resina,
estratificación o estampamiento para consolidar la matriz
termoplástica.
Para alcanzar la orientación deseada de las
fibras, la estera de carbono se somete a punzonado con aguja. El
punzonado con aguja de fibras de carbono se usa actualmente para
formar pletinas gruesas para discos de frenos o equipo de
propulsión de aviones. Las preformas carbonadas fibrosas se preparan
habitualmente a partir de fibras precursoras de PAN preoxidadas y
subsiguientemente se tratan térmicamente a alta temperatura para
transformar la fibra de bajo contenido de carbono en una fibra de
carbono. La temperatura de carbonización o grafitización determina
el contenido de carbono de la fibra. Durante el procedimiento de
agujeteado (o enmarañamiento mecánico de las fibras) un cierto
porcentaje de las fibras se orienta en la dirección paralela al
grosor de la preforma. La cantidad de fibra a través del grosos se
relaciona con el tipo de aguja usada y la intensidad del
agujeteado. Las preformas agujeteadas carbonosas también pueden
fabricarse directamente a partir de fibras de PAN y fibras de brea
carbonizadas.
La presente invención prevé la fabricación de
esteras agujeteadas finas directamente a partir de fibras de PAN
grafitizadas y/o fibras de brea carbonizadas. Un procedimiento
alternativo es la fabricación a partir de fibras de PAN preoxidadas
o fibras de brea termoestables. Las fibras de partida pueden ser de
dos formas generales. Una es las fibras preoxidadas o fibras
termoestables en las que las fibras se tratan térmicamente solo
parcialmente. Estas se denominan a veces fibras crudas. Las fibras
preoxidadas requerirán un tratamiento térmico completo
(carbonización y grafitización) antes de la introducción del
termoplástico. La segunda forma de fibras son aquellas que se
tratan térmicamente completamente hasta altas temperaturas, lo que
permite la introducción del termoplástico en una fase anterior.
Dependiendo del estado de la fibra de carbono, el componente
plástico de la placa bipolar se introduce en fases de fabricación
específicas.
A este respecto, el tipo, la longitud y la
geometría de las fibras preoxidas o termoestables, los parámetros
de agujeteado y el tipo de agujas se seleccionan para fabricar
preformas agujeteadas que exhiben una cantidad específica de fibra
a través del grosor y volumen de fibra. Después del tratamiento
térmico a temperaturas seleccionadas de la estera agujeteada
carbonada precursora de fibras de PAN preoxidadas o fibras de brea,
la estera agujeteada fibrosa puede impregnarse con un número de
polímeros termoplásticos. Esto se alcanza usando procedimientos de
revestimiento en solución y revestimiento con polvo. También pueden
introducirse polvos inorgánicos de alta conductividad térmica
dentro de la porosidad de la preforma carbonada durante esa etapa.
La estera de producto preimpregnado está lista para termoconformase
hasta la geometría final de la placa bipolar usando un número de
procedimientos de termoconformación: formación en diafragma,
formación por compresión, formación por presión/vacío, moldeo por
transferencia de resina o cualquier otro procedimiento de formación
adecuado para el propósito. La estera agujeteada preimpregnada
también puede formarse como una placa preconsolidada, llamada un
estratificado, y subsiguientemente moldearse hasta la conformación
final usando, por ejemplo, estampación.
En la situación en la que se usan fibras de PAN
o fibras de brea carbonizadas para la estera que exhiben un alto
módulo, estas son más difíciles de agujetear pueden manejarse usando
técnicas y materias primas apropiadas. Pueden usarse dos sistemas
para introducir el componente polímero en la preforma. Cuando las
fibras no requieren tratamientos a altas temperaturas, las fibras
de carbono pueden combinarse realmente con fibras termoplásticas
antes de fabricar la preforma agujeteada. La fibra termoplástica
puede ser cualquiera de los siguientes polímeros: polipropileno,
poliamida, poliéster, poli(sulfuro de fenileno) (PPS),
poli-éter-éter-cetona (PEEK),
poli-éter-cetona-cetona (PEKK) o
cualquier otra composición fibrosa adecuada para el propósito. La
fibra puede precombinarse con la fibra de carbono (hilo comezclado,
cinta unidireccional comezclada, tela comezclada, etc.) o mezclarse
y alimentarse a la máquina de agujeteado con el hilo de carbono. La
fibra termoplástica, cuando se funde y se somete a presión,
encapsula las fibras de carbono y permite la formación de detalles
superficiales muy finos durante el moldeo. Las fibras
termoplásticas se convierten en la matriz de la placa bipolar
compuesta.
Otro sistema es agujetear la fibra de PAN
carbonada y subsiguientemente impregnar la porosidad de la preforma
carbonada con un polímero termoplástico seleccionado del tipo que se
apunta anteriormente con respecto a las esteras agujeteadas
preoxidadas. Esto se alcanza usando revestimiento con solución y
revestimiento con polvo. La estera preimpregnada puede
termoconformarse hasta la geometría final de la placa bipolar usando
un número de procedimientos de moldeo tales como formación en
diafragma, formación por compresión, moldeo por transferencia de
resina o formación por presión/vacío. Además, la estera
preimpregnada puede formarse como una placa preconsolidada, tal
como un estratificado formado hasta su conformación final mediante
estampación.
La estera de PAN carbonada agujeteada también
puede incluir alguna carga tal como fibra de vidrio para reducir el
coste de la preforma.
Según se apunta anteriormente, la fabricación de
placas bipolares puede tomar otras formas de preforma de fibra de
carbono. Por ejemplo, fibra de carbono troceada mezclada con una
resina termoplástica; cintas unidireccionales, telas
bidimensionales, tela de ligamento tridimensional montada
directamente en un material textil híbrido organizado que incluye
fibras termoplásticas o impregnada subsiguientemente con una resina
termoplástica también pueden usarse para fabricar placas bipolares
termoplásticas reforzadas con detalles finos.
Con fibras de carbono, que exhiben en su forma
final un alto módulo (es decir, mayor que 33 MSI), es deseable
empezar con una fibra de módulo bajo para alcanzar una preforma
agujeteada con la cantidad más alta posible de fibra a través del
grosor, ya que las grapaldinas de las agujas tienden a cortar fibras
de módulo alto y la eficacia de transferencia es bastante
pobre.
De acuerdo con esto, el puncionado con agujas de
las fibras de carbono en una preforma se beneficiaría de un módulo
bajo de las fibras. Las fibras de PAN preoxidadas, las fibras de
brea termoestables o las fibras de brea de baja temperatura de
carbonización son fibras de módulo bajo deseables con las que
comenzar a optimizar la transferencia de fibras a través del
grosor. Algunas fibras de PAN de módulo superior específicas también
pueden usarse, sin embargo con una eficacia menor. Dependiendo de
las fibras de partida, las preformas pueden someterse a
tratamientos térmicos adicionales para elevar el contenido de
carbono de la fibra.
La conductividad eléctrica en la fibra de
carbono se relaciona tanto con la naturaleza de la fuente de carbono
como con el nivel de grafitización al que está sometido la fibra.
Las fibras basadas en brea, son por ejemplo, mejores conductores
que las fibras basadas en PAN y el tratamiento térmico de la
preforma tendrá un doble beneficio: incrementar la conductividad
eléctrica y también elevar el módulo. En una aplicación a pilas de
combustible, fibras de módulo definitivamente superior son deseables
al final para elevar la rigidez de las placas bipolares.
Teniendo en cuenta lo precedente, las Figuras 3
a 7 ilustran la estera 20 carbonada de la presente invención. La
Figura 3 muestra una estera no tejida hecha de fibras 22 carbonadas.
Las fibras 22 carbonadas están orientadas aleatoriamente. Incluida
en la estera como se apunta anteriormente podría estar la fibra
termoplástica o fibras de carga. A fin de orientar apropiadamente
las fibras, particularmente las fibras 22 carbonadas, la estera 20
se punciona con agujas por medio de un dispositivo 24 de agujeteado
que se ilustra generalmente y es bien conocido en la técnica. En la
Figura 4, se muestra generalmente la orientación de las fibras
después de puncionar con agujas una porción de la estera 20. A este
respecto, las fibras, particularmente las fibras 22 carbonadas, se
orientan paralelas al grosor T de la estera 20. El número de fibras
así orientadas dependerá del grado hasta el que se realice el
puncionado con agujas. Obviamente, el número más alto de fibras
carbonadas así orientadas es el más deseable y toda la estera 22 se
somete a puncionado con agujas. Si la estera 20 comprende fibras
que necesiten carbonización adicional, entonces puede tratarse de
acuerdo con esto para efectuar la misma. Una vez que esto se
completa, la estera 20, si contiene fibras termoplásticas, se
sometería a conformación mediante termoformación u otros medios
adecuados para el propósito como un material compuesto.
Si no se usan fibras termoplásticas para crear
la matriz del material compuesto, alternativamente la estera 20
puede impregnarse con un polímero termoplástico apropiado, que a
continuación se procesa de una manera como la apuntada
anteriormente en un material compuesto. El material compuesto forma
la placa 26 bipolar ilustrada generalmente en la Figura 7. A este
respecto, la placa 20 puede proporcionarse como parte del
procedimiento de moldeo (por ejemplo, termoformación) con una
configuración 28 superficial de una naturaleza deseable. El
producto resultante es una placa 26 bipolar, que tiene fibras de
carbono orientadas en una matriz que tiene la configuración
superficial deseada. La placa 22 es mecánicamente rígida,
impermeable, altamente conductora y de la conformación deseada con
la necesidad de maquinado totalmente eliminada.
Volviendo ahora a las Figuras 5 y 6, se dirigen
a una estera 30 que está tejida, tricotada, o es de otra
construcción usando hilos de material adecuado (por ejemplo,
carbono, etc.). El patrón de ligadura puede ser uno cualquiera
adecuado para el propósito. La estera 30 incluye fibra cortada hecha
de carbono 32 y/u otro material como los mencionados anteriormente.
La estera 30 se punciona con agujas por medio del dispositivo 24 de
agujeteado que sirve para orientar las fibras en la dirección
deseada (es decir, paralelas al grosor T de la estera). La estera
30 resultante se muestra en la Figura 6. La estera 30 puede
procesarse de una manera como la apuntada anteriormente con
respecto a la estera 20.
Así, puede observarse que puede fabricarse una
placa bipolar que tiene una estructura y características superiores
mientras que se evita la necesidad de maquinar la superficie.
Además, debido a la resistencia mecánica de tal estructura
compuesta reforzada, puede ser relativamente delgada a fin de
permitir el apilamiento compacto y reducir de otro modo el tamaño
de la pila de combustible. Además, puesto que la placa bipolar se
moldea, además de poder moldearse en configuraciones superficiales,
la propia placa puede moldearse en diferentes conformaciones para
cumplir diferentes aplicaciones que se añaden a la versatilidad del
diseño.
Así, mediante la presente invención, sus
objetivos y ventajas se han conseguido, y aunque se han divulgado y
descrito aquí modalidades preferidas, su alcance no debe limitarse
por las mismas; en cambio, su alcance debe estar determinado por el
de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (7)
1. El método para fabricar un artículo conductor
eléctrico para el uso como un electrodo en una pila de combustible
o una batería, que comprende las etapas de: crear una estructura que
tiene fibras de refuerzo carbonizadas o grafitizadas eléctricamente
conductoras; orientar mecánicamente dichas fibras mediante
agujeteado en una primera dirección correspondiente a las
trayectorias eléctricas preferidas incrementando de ese modo la
conductividad de dicho artículo en dicha primera dirección; en
donde las fibras de refuerzo carbonizadas o grafitizadas comprenden
una estructura porosa impregnada con un polímero termoplástico,
creando de ese modo una matriz que tiene un grosor, siendo dicha
primera dirección paralela a dicho grosor.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la estructura también comprende fibras de carga.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1
ó 2, en el que dichas fibras carbonizadas o grafitizadas se toman
del grupo que consiste en fibras de PAN grafitizadas y fibras de
brea carbonizadas.
4. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones previas, en el que el polímero se toma del grupo
que consiste en polipropileno, poliamida, poliéster,
poli(sulfuro de fenileno) (PPS), polieterimida (PEI),
poli(éter-éter-cetona) (PEEK),
poli(éter-cetona-cetona) (PEKK) y
otros polímeros termoplásticos.
5. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones previas, en el que dichas fibras carbonizadas o
grafitizadas están en forma de una estera en la que las fibras
están orientadas mecánicamente de modo que sean paralelas al
grosor, teniendo la estera una construcción de fibras tomada del
grupo que consiste en estructuras tejidas, tejidas con fibras
cortadas, no tejidas, tricotadas, cosidas, de cinta unidireccional,
de papel y otras estructuras tridimensionales (3D).
6. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones previas, en el que la matriz se forma mediante un
procedimiento tomado del grupo que consiste en termoformación,
formación en diafragma, moldeo por compresión, moldeo por
transferencia de resina, formación por presión y vacío,
estratificación o estampación.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 6,
en el que la matriz tiene una superficie que tiene una configuración
sobre la misma formada usando uno o más de dichos
procedimientos.
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