ES2869352T3 - Procedimiento de fabricación de ensamblaje membrana-electrodo para pila de combustible - Google Patents

Abstract

Procedimiento de fabricación de un ensamblaje membrana-electrodo para pila de combustible, que comprende una membrana, dos refuerzos, dos juntas, capas de difusión gaseosa y una catálisis, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes: - Una etapa en el curso de la cual se deposita una junta en cada uno de los refuerzos por serigrafía, - Una etapa en el curso de la cual se adhiere en caliente, en cada una de las caras de la membrana, un refuerzo portador de una junta serigrafiada, - Una etapa en el curso de la cual se deposita un elemento químico catalizador sobre dos capas de difusión gaseosa, - Una etapa en el curso de la cual se adhiere en caliente una capa de difusión gaseosa catalizada en cada una de las caras de la membrana portadora de un refuerzo y de una junta, siendo el procedimiento tal que los diferentes elementos se mantienen sobre un soporte por aspiración durante al menos una parte de las etapas del procedimiento.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de fabricación de ensamblaje membrana-electrodo para pila de combustible

CAMPO DE LA INVENCIÓN

[0001] La presente invención se refiere al campo de las pilas de combustibles, y más en particular al campo de la fabricación y del ensamblaje de pilas de combustible.

[0002] Una pila de combustible permite la generación de energía eléctrica por una reacción electroquímica a partir de un carburante, generalmente hidrógeno, y de un comburente, generalmente oxígeno.

[0003] Una pila de combustible del tipo de membrana de intercambio de protones de electrólito sólido (PEMFC) comprende habitualmente un apilamiento de celdas elementales, en forma de placas, que constituye generadores electroquímicos, estando cada una de las celdas separada de las celdas adyacentes por placas bipolares. Cada celda comprende un elemento anódico y un elemento catódico, separados por un electrólito sólido en forma de una membrana de intercambio de iones, hecha por ejemplo de un material de polímero perfluorado sulfurado.

[0004] Este conjunto que comprende el elemento catódico, el elemento anódico y el electrolito sólido forma un ensamblaje membrana-electrodo, también llamado EME. Según una variante de realización habitual, cada placa bipolar asegura por un lado el suministro de carburante de la celda adyacente en este lado y por otro lado el suministro de comburente de la celda adyacente en este otro lado, de manera que los suministros asegurados por las placas bipolares se realizan en paralelo. Se instalan capas de difusión de gas, por ejemplo hechas de tejido de carbono, a una y otra parte de los Eme para asegurar la conducción eléctrica y la llegada homogénea de los gases reactivos suministrados mediante las placas bipolares.

[0005] La presente invención pretende proponer un procedimiento de fabricación de ensamblaje membranaelectrodo para pila de combustible.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[0006] Así la invención se refiere a un procedimiento de fabricación de un ensamblaje membrana-electrodo para pila de combustible, que comprende una membrana, dos refuerzos, dos juntas, capas de difusión gaseosa y una catálisis, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes:

- Una etapa en el curso de la cual se deposita una junta en cada uno de los refuerzos por serigrafía,

- Una etapa en el curso de la cual se adhiere en caliente, en cada una de las caras de la membrana, un refuerzo portador de una junta serigrafiada,

- Una etapa en el curso de la cual se deposita un elemento químico catalizador sobre dos capas de difusión gaseosa, - Una etapa en el curso de la cual se adhiere en caliente una capa de difusión gaseosa en cada una de las caras de la membrana portadora de un refuerzo y de una junta, siendo el procedimiento tal que los diferentes elementos se mantienen sobre un soporte por aspiración durante al menos una parte de las etapas del procedimiento.

[0007] Se precisa aquí que en lo sucesivo en la descripción, la expresión «elemento químico catalizador» podrá ser sustituida por el término «catálisis» con fines de simplificación de la exposición. Este elemento químico catalizador es preferentemente una tinta que comprende platino, agua y disolventes.

[0008] El uso de capas de difusión gaseosa es ventajoso ya que el procedimiento de catálisis de dichas capas es más sencillo que la deposición de catálisis en una membrana de intercambio de iones. De hecho, las capas de difusión tienen tendencia a atraer la catálisis, lo que hace el procedimiento más estable. Además, las capas de difusión gaseosa también son más estables mecánicamente.

[0009] Además, una capa de difusión gaseosa solo se cataliza sobre una cara. En consecuencia, en caso de deposición deficiente, se pierde únicamente una capa de difusión gaseosa. En el caso de una membrana catalizada, se deposita catálisis en las dos capas, lo que aumenta el riesgo de una catálisis deficiente, y por tanto el riesgo de tener que deshacerse de una membrana de intercambio de iones que cuesta relativamente cara.

[0010] En una realización, la etapa en el curso de la cual se deposita un elemento químico catalizador sobre una capa de difusión se efectúa usando un procedimiento de deposición directa comprendido en el grupo que comprende: flexografía, serigrafía y revestimiento.

[0011] La catálisis se deposita generalmente en forma de una tinta que contiene disolventes. Antes de manipular las capas de difusión catalizadas, resulta útil esperar a que termine la evaporación de los disolventes. En el caso en que se desee reducir este tiempo, es posible, en una realización preferente, prever una etapa de secado de la catálisis.

[0012] De la misma forma, en una realización preferente, la etapa en el curso de la cual se deposita una junta por serigrafía comprende una etapa de polimerización y de secado de las juntas.

[0013] En otra realización más, la etapa en el curso de la cual se deposita una junta por serigrafía comprende una etapa de control de la calidad de la junta. Esta etapa puede efectuarse mediante una cámara que verifica la geometría de la junta, o por una lectura láser que mide la geometría en tres dimensiones de la junta. Esta etapa puede completarse además mediante una etapa de inscripción de un número de serie y/o de identificación en el conjunto refuerzos juntas, efectuándose esta impresión por inyección de tinta, o por impresión láser o matricial.

[0014] En una realización de la invención, la etapa de adhesión en caliente se efectúa a una temperatura comprendida entre 100 °C y 150 °C, y más preferentemente todavía a una temperatura comprendida entre 100 °C y 120 °C.

[0015] La invención se refiere también a una cadena de fabricación de ensamblaje de membrana-electrodos, que comprende un circuito que permite el desplazamiento de un carro en el que se instala un molde compuesto por sectores de metal poroso de un puesto de fabricación al otro, permitiendo cada uno de los puestos la implementación de una u otra de las etapas de un procedimiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

[0016] Otros objetos y ventajas de la invención aparecerán claramente en la descripción que se ofrece a continuación de una realización preferida pero no limitativa, ilustrada por las figuras siguientes en las que:

• la figura 1 muestra esquemáticamente el conjunto de las etapas de un procedimiento de ensamblaje de pila de combustible que implementan un procedimiento de fabricación según la invención,

• la figura 2 muestra un procedimiento de serigrafía que puede implementarse en un procedimiento según la invención, • la figura 3 muestra un procedimiento de flexografía que puede implementarse en un procedimiento según la invención, y

• la figura 4 muestra una línea de ensamblaje que permite la implementación de un procedimiento según la invención. DESCRIPCIÓN DE LA MEJOR REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

[0017] En la figura 1 muestra las etapas de un procedimiento según la invención. Este procedimiento se separa esquemáticamente en tres grandes bloques:

- Un bloque A que corresponde a la deposición de las juntas por serigrafía sobre refuerzos,

- Un bloque B que corresponde a la preparación y al corte de las membranas y a su integración entre los refuerzos, - Un bloque C que corresponde a la preparación de capas de difusión gaseosa y al ensamblaje final de la pila de combustible.

Cada uno de estos bloques está compuesto por varias etapas que se describirán en detalle. En la figura 1, cada etapa se representa por un pictograma que muestra los medios materiales que permiten la implementación de esta etapa.

[0018] Deposición de las juntas por serigrafía sobre los refuerzos: Los refuerzos usados en las pilas de combustible son películas de polímeros que se suministran generalmente en forma de rodillos. Las etapas P1A y P1B corresponden así a una etapa de desenrollado de dos refuerzos, respectivamente un refuerzo superior (P1A) y un refuerzo inferior (P1B). Estos rodillos de refuerzo se suministran con adhesivo reactivable presente en una cara.

[0019] Una vez desenrollados los refuerzos, se cortan, respectivamente en las etapas P21 y P2B. Los cortes, efectuados por láser o por embutido, permiten la creación de formas interiores del refuerzo. De hecho, los elementos de refuerzos están destinados a ser colocados ulteriormente de manera que comprendan en modo sándwich el borde de la membrana en toda su periferia, dejando libre una parte central de la membrana.

[0020] Las etapas P3A y P3B corresponden a la deposición de las juntas por serigrafía sobre el refuerzo superior e inferior.

[0021] Después de la deposición de las juntas por serigrafía, se prevé una etapa P4 de polimerización y de secado de las juntas. En un ejemplo particular de realización, las juntas se colocan sobre un carro que se desplaza en un túnel de una longitud de cuatro metros a una velocidad de 1,5 metros por minutos, estando el túnel colocado a una temperatura interior comprendida entre 110°C y 150°C.

[0022] A continuación se controla, en el curso de la etapa P5, la calidad de cada uno de los conjuntos «refuerzo junta». Este control se efectúa por ejemplo mediante una cámara de alta definición o mediante un lector láser. A continuación, los conjuntos «refuerzo junta» están listos para ser depositados sobre una membrana catalizada, como se describe en los próximos párrafos.

Preparación y corte de las membranas e integración entre los refuerzos:

[0023] La membrana es una película de polímero suministrada generalmente en forma de rodillos entre dos separadores. Así, de manera ventajosa, el procedimiento comprende, una etapa P6 en el curso de la cual se desenrolla la membrana y se separa de los dos separadores.

[0024] A continuación se corta la membrana, en el curso de una etapa P7, según el formato correspondiente con respecto al apilamiento deseado, usando una cortadora de tipo cúter. Durante esta etapa de corte, la membrana se mantiene en posición por aspiración con ventosas, o mediante soportes de aluminio sinterizado. Se precisa que la etapa de corte comprenda un corte en anchura y un corte en longitud. En un ejemplo de realización es posible cortar la banda en anchura antes de retirar el separador, y hacer posteriormente el corte en longitud.

[0025] A continuación se adhiere, en una etapa P8, el primer conjunto «refuerzo junta», obtenido del bloque A, sobre la cara superior de la membrana. La adhesión se efectúa en caliente a una temperatura comprendida por ejemplo entre 100°C y 150°C, y preferentemente entre 100°C y 120°C.

[0026] A continuación se adhiere, en la etapa P10, el segundo conjunto «refuerzo junta» sobre la cara inferior de la membrana. Esta adhesión se efectúa en las mismas condiciones que las de la etapa P8. A continuación se controla la calidad del conjunto membrana refuerzos juntas», por ejemplo usando una cámara de alta definición, en la etapa P11.

[0027] De manera ventajosa, las etapas P8 y P10 son simultáneas, y se presionan por tanto los dos refuerzos de manera conjunta.

[0028] Preparación de las capas de difusión gaseosa y ensamblaje final: Un procedimiento según la invención prevé el uso de capas de difusión gaseosa catalizadas. Para este fin, las etapas P13A y P13B corresponden a la deposición de una catálisis sobre las dos capas de difusión. Esta deposición de catálisis se efectúa por serigrafía, pulverización, flexografía o revestimiento. Previamente, en las etapas P12A y P12B, se desenrollan los rodillos de tejido de carbono destinado a la formación de las capas de difusión gaseosa.

[0029] A continuación se cortan las capas de difusión catalizadas, en la etapa P14, y después se depositan y se adhieren en caliente sobre cada una de las caras del conjunto «membrana refuerzos juntas». La etapa de prensado, o adhesión, en caliente de estas capas de difusión se efectúa a 135°C durante 4 minutos, aplicando una presión del orden de 10 MPa.

[0030] La etapa P16 es una última etapa de corte, que permite el corte exterior del ensamblaje membranaelectrodos y colectores de gas de la pila de combustible. En el curso de la etapa P17, se evacuan los residuos obtenidos de este corte, y la etapa P18 corresponde a la llegada de las placas bipolares y a un apilamiento alternativo de un ensamblaje membrana-electrodo / placa bipolar, para obtener una pila de combustible completa en etapa P19. Serigrafía y flexografía:

[0031] La figura 2 muestra un sistema que permite la implementación de un procedimiento de serigrafía tal como se usa en varias etapas de la presente invención. Este sistema comprende una pantalla o marco 20, formado por un tejido de PET 21, también denominado entramado, cuyas mallas y diámetro de hilo pueden adaptarse a los diferentes usos.

[0032] Para la creación del motivo que se va a realizar, se recubre el tejido con un producto fotosensible denominado emulsión en el que se deposita una plantilla correspondiente al motivo para realizar. En este caso, el motivo para realizar corresponde a la parte central de una membrana de intercambio de iones, dejada libre después de la instalación de los refuerzos.

[0033] Después de haberse sometido a una exposición a una lámpara UV, el producto fotosensible se endurece con la excepción de la zona cubierta por la plantilla. A continuación se limpia el sobrante. Así, el entramado incluye mallas abiertas 22, que forman el motivo, y mallas obturadas 23.

[0034] Una vez fabricado este marco, o pantalla, es posible efectuar una deposición de catálisis por serigrafía. Para ello, el elemento 24 para catalizar se instala sobre el soporte 25, instalándose la cara para catalizar hacia arriba.

Se precisa que, en el caso en que el elemento 24 es una capa de difusión gaseosa, la catálisis se deposita sobre una capa microporosa. Entonces se coloca la pantalla 20 sobre el soporte 25, encima del elemento 24. Se deposita entonces una cantidad suficiente de catálisis 26 sobre el marco, y se separa de forma regular en el motivo, pero sin apoyarse con demasiada fuerza para evitar que atraviese el entramado. Esta operación recibe el nombre de «napado».

[0035] A continuación, se pasa una rasqueta 27 formada por un perfil de poliuretano o metálico cuya dureza y rigidez pueden adaptarse, a lo largo del perfil con un ángulo variable cercano a 45°. Se precisa aquí que el marco 20 se instala un poco por encima del soporte 25 de manera que se evite un contacto entre los dos antes del paso de la rasqueta.

[0036] La rasqueta 27 forzará así la deformación del entramado 21, llevándolo a entrar en contacto con el soporte 32. A continuación se fuerza la catálisis con el paso de la rasqueta que atraviesa el entramado para depositarse sobre el elemento 24.

[0037] La rasqueta permite también raspar el sobrante de catálisis en la superficie de la pantalla, que está así lista para una segunda deposición.

[0038] La figura 3 permite ilustrar otro procedimiento para efectuar esta deposición en forma de motivo, en concreto, un procedimiento de flexografía, también denominado «tampón de entintado». El sistema mostrado en la figura 4 comprende un rodillo de soporte 30, en el que se instala un elemento 31 para catalizar. El sistema comprende también un rodillo de entintado 32 en el que el motivo que se depositará está formado en sobregrosor. El sistema comprende además una rueda 33 destinada a eliminar, después de templado en la bandeja, la tinta presente en las partes del rodillo de entintado que no forman el motivo.

[0039] Así, durante el contacto entre el rodillo de soporte 30 y el rodillo de entintado 32, el motivo dibujado sobre el rodillo de entintado 32 se transfiere al elemento 31.

[0040] Línea de ensamblaje: La figura 4 ilustra un ejemplo de línea de ensamblaje que permite la implementación de un procedimiento según la invención. Esta línea comprende un circuito 100 que permite el desplazamiento de un carro en el que se instala un molde de metal poroso 200 que servirá de soporte a las diferentes etapas de ensamblaje del procedimiento. En la figura 4 se representan en detalle algunos puestos, mientras que otros aparecen simplemente esbozados.

[0041] El uso de un metal poroso permite conectar, bajo el molde, bombas de vacío, no representadas en la figura, que permiten el mantenimiento de los diferentes elementos en su posición en el molde.

[0042] En la entrada de la línea de ensamblaje, en el punto 0, el molde recibe dos conjuntos «refuerzos juntas», por ejemplo obtenidos de la etapa P6 de la figura 1. En lo sucesivo, para simplificar la descripción, se usará únicamente el término «refuerzos» para designar estos conjuntos.

[0043] El puesto 1 es un puesto que permite la manipulación de la membrana 300. Así, el molde que lleva los refuerzos y las juntas se coloca bajo el puesto 1, y acoge la membrana en uno de los dos refuerzos. Este puesto permite también un recorte de la membrana, es decir, una separación de la membrana y del o de los separadores que la rodean durante su transporte en forma de rodillo. En el puesto 3, el molde está cerrado, lo que permite la colocación del segundo refuerzo. El puesto 4 permite un prensado en caliente, a una temperatura preferentemente situada entre 100°C y 120°C. La acción de prensado se efectúa mediante el empuje vertical de un gato instalado bajo el molde cuando este se encuentra presente en el puesto y en tope superior en una placa de bloqueo.

[0044] La línea de ensamblaje incluye a continuación los puestos siguientes:

- El puesto 5 permite el enfriamiento del conjunto refuerzos membrana,

- En el puesto 6 se deposita una capa de difusión gaseosa sobre una primera cara de la membrana, y el molde se cierra. Se precisa aquí que, en algunos casos, la capa de difusión gaseosa incluye una banda de adhesión. Esta banda de adhesión se adhiere mediante una encoladora, y en este caso, la línea de ensamblaje comprende un robot equipado con una ventosa o un prensor electrostático para transportar la capa de difusión gaseosa desde la encoladora hasta la línea de ensamblaje.

- En el puesto 7, se procede a un giro del ensamblaje, con el fin de que la segunda cara de la membrana se convierta en la cara superior; este giro se efectúa por una simple apertura del molde, combinada con una orden de aspiración sobre cada una de las placas del molde. De hecho, durante la apertura del molde, la placa para la cual se ha realizado la aspiración no llevará ningún elemento, mientras el ensamblaje se mantendrá solidario con la placa para la cual se mantiene la aspiración. De manera preferente, se usan además pinzas, presentes en el molde, para reforzar la colocación de los diferentes elementos en el molde.

- En el puesto 8, se deposita una capa de difusión gaseosa en la segunda cara de la membrana, y se cierra el molde, - En el puesto 9, se prensa el conjunto en caliente, usando medios similares a los del puesto 4. Sin embargo, se precisa que esta etapa de prensado en caliente es opcional,

- En el puesto 10, se procede a la apertura del molde, y se imprimen opcionalmente sobre el ensamblaje números de serie o de identificación, por inyección de tinta o por impresión láser o matricial.

- Finalmente, en el puesto 11, se recupera la MEA para una etapa de corte final correspondiente a la etapa P17 de la figura 1.

[0045] El conjunto de las operaciones se realiza bajo una atmósfera controlada en términos de polvo, temperatura y humedad para evitar una degradación del ensamblaje. Además, como se indica anteriormente, el vacío se realiza en cada puesto a la altura de las placas del molde, para manejar el movimiento solidario de los diferentes elementos con el molde. En una realización preferente, los moldes están equipados con un depósito de emergencia para paliar cualquier microfuga que pudiera producirse durante el desplazamiento del molde entre dos puestos.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de fabricación de un ensamblaje membrana-electrodo para pila de combustible, que comprende una membrana, dos refuerzos, dos juntas, capas de difusión gaseosa y una catálisis, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes:

- Una etapa en el curso de la cual se deposita una junta en cada uno de los refuerzos por serigrafía,

- Una etapa en el curso de la cual se adhiere en caliente, en cada una de las caras de la membrana, un refuerzo portador de una junta serigrafiada,

- Una etapa en el curso de la cual se deposita un elemento químico catalizador sobre dos capas de difusión gaseosa,

- Una etapa en el curso de la cual se adhiere en caliente una capa de difusión gaseosa catalizada en cada una de las caras de la membrana portadora de un refuerzo y de una junta,

siendo el procedimiento tal que los diferentes elementos se mantienen sobre un soporte por aspiración durante al menos una parte de las etapas del procedimiento.

2. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 1, en el que la etapa en el curso de la cual se deposita un elemento químico catalizador sobre una capa de difusión gaseosa se efectúa usando un procedimiento de deposición directa comprendido en el grupo que comprende: flexografía, serigrafía y recubrimiento.

3. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 2, en el que la etapa en el curso de la cual se deposita un elemento químico catalizador comprende además una etapa de secado de la catálisis.

4. Procedimiento de fabricación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la etapa en el curso de la cual se deposita una junta por serigrafía comprende una etapa de secado de las juntas.

5. Procedimiento de fabricación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la etapa en el curso de la cual se deposita una junta por serigrafía comprende una etapa de control de la calidad de la junta.

6. Procedimiento de fabricación según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de adhesión en caliente se efectúa a una temperatura comprendida entre 100 y 150°C.

7. Línea de fabricación de ensamblajes membrana-electrodo, que comprende un circuito (100) que permite el desplazamiento de un carro en el que se instala un molde de metal poroso 200 de un puesto de fabricación al otro, permitiendo cada uno de los puestos la implementación de una u otra de las etapas de un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.