ES2883101T3 - Procedimiento para la fabricación de una placa separadora para una celda de combustible - Google Patents

Procedimiento para la fabricación de una placa separadora para una celda de combustible Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la fabricación de una placa separadora (12) para una celda de combustible, en el que en una primera estación de mecanizado (18) se aplica sobre un material de soporte (14) un material (20) curable y eléctricamente conductor, en donde en el material (20) se forma un campo de flujo (34) para uno de los reactivos que pueden alimentarse a la celda de combustible, y en donde el material (20) se cura a continuación de la formación del campo de flujo (34), caracterizado por que - el material de soporte (14) dotado del material (20) que puede curarse y eléctricamente conductor atraviesa una pluralidad de estaciones de mecanizado (24, 26, 30), por que - el material (20) antes de la introducción del campo de flujo (34) en la respectiva estación de mecanizado (24, 26, 30) se seca al menos por zonas y/o se gelifica y/o se cura previamente, y por que - el campo de flujo (34) se forma a continuación por medio de una herramienta estampadora y/o mediante perfilado en el material (20), en donde para proporcionar el material (20) curado se usa una mezcla (28) que comprende al menos un plástico dotado de una carga eléctricamente conductora y un disolvente.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la fabricación de una placa separadora para una celda de combustible
La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de una placa separadora para una celda de combustible.
La estructura principal de una celda de combustible de membrana de polímero-electrolito - de manera abreviada PEMFC - es tal como sigue. La PEMFC contiene una disposición de membrana-electrodos - de manera abreviada MEA, que está constituida por un ánodo, un cátodo y una membrana de polímero-electrolito dispuesta entremedias (también membrana de ionómeros) - de manera abreviada PEM. La MEA está dispuesta por su parte a su vez entre dos placas separadoras, en donde una placa separadora presenta canales para la distribución del combustible y la otra placa separadora presenta canales para la distribución de agente de oxidación y en donde los canales están dirigidos a la MEA. Los canales forman una estructura de canal, un denominado flow field o campo de flujo. Los electrodos, ánodos y cátodos, pueden estar formados en particular como electrodos de difusión de gas - de manera abreviada GDE. Éstos tienen la función de derivar la corriente generada en la reacción electroquímica (por ejemplo 2 H2 + O2 ^ 2 H2O) y dejar difundir a través las sustancias de reacción, productos de partida y productos. Un GDE está constituido por al menos una capa de difusión de gas o bien estrato de difusión de gas - de manera abreviada GDL - y una capa de catalizador, que está dirigida a la PEM y en la que se desarrolla la reacción electroquímica. Un GDE puede presentar además aún una capa de distribución de gas, que sigue a la capa de difusión de gas y que está dirigida en la PEMFC a una placa separadora. La capa de difusión de gas y la capa de distribución de gas se diferencian sobre todo en sus tamaños de poro y con ello en el tipo del mecanismo de transporte para una sustancia de reacción (difusión o bien distribución). Si la capa de catalizador no está aplicada, por el contrario, en la capa de difusión de gas, sino en una o las dos superficies principales de la PEM, entonces se habla en general de una catalyst coated membrane (membrana revestida de catalizador) - de manera abreviada CCM.
Una celda de combustible de este tipo puede generar, a temperaturas de funcionamiento relativamente bajas, corriente eléctrica con alta potencia. Las celdas de combustible reales están en la mayoría de los casos apiladas para dar los denominados apilamientos de celdas de combustible - de manera abreviada bloques -, para conseguir una alta emisión de potencia, en donde en lugar de las placas separadoras monopolares se usan placas separadoras bipolares, las denominadas placas bipolares, y las placas separadoras monopolares forman sólo los dos bordes terminales del bloque. Éstas se denominan en parte placas finales y pueden diferenciarse estructuralmente de manera considerable de las placas bipolares.
Las placas bipolares están compuestas en general por dos placas parciales. Estas placas parciales presentan esencialmente de manera complementaria y con respecto a un plano de simetría formas de simetría complementaria. Las placas parciales no forzosamente deben ser, sin embargo, de simetría complementaria. Es importante únicamente que éstas presenten al menos una superficie de contacto común, en la que pueden unirse. Las placas parciales presentan una topografía desigual. Mediante esto se producen las estructuras de canal mencionadas ya anteriormente en las superficies de las placas parciales, que en cada caso apuntan alejándose una de otra. En las superficies de las placas parciales que se dirigen en cada caso una a otra existe, por ejemplo, en el caso de placas parciales metálicas estampadas, la estructura de canal complementaria a la estructura de canal mencionada anteriormente. Con la superposición de las dos placas parciales se produce debido a ello entre las placas parciales, en sus superficies que apuntan una a otra, una cavidad, que está constituida por un sistema de varios túneles unidos entre sí. La cavidad o bien el sistema de túneles están rodeados de manera hermética a líquidos por una disposición que gira esencialmente alrededor de las placas parciales en la zona de borde, en donde están previstas aberturas para la alimentación y descarga de medio refrigerador, de modo que la cavidad puede usarse para la distribución de un medio refrigerador.
Por consiguiente a las tareas de una placa bipolar pertenece: la distribución de agentes de oxidación y de agentes de reducción; la distribución de medios de refrigeración y por consiguiente el enfriamiento (mejor dicho la regulación de la temperatura) de las celdas de combustible; la separación fluida de las celdas individuales de un bloque una de otra; además el contacto eléctrico de las celdas individuales conectadas una detrás de otra de un bloque y por consiguiente la conducción de la corriente eléctrica generada por las celdas individuales.
Las placas separadoras o bien placas bipolares separan según esto en apilamientos de celdas de combustible los reactivos o gases de reacción y el medio de refrigeración uno de otro, y distribuyen los reactivos y el medio de refrigeración en la zona de reacción de la celda de combustible. En este sentido es necesario que las placas separadoras sean eléctrica y térmicamente muy conductoras así como robustas frente a influencias químicas en la celda de combustible. Además, las placas separadoras debían tener una estabilidad mecánica suficientemente alta, para que puedan resistir las presiones de apriete mecánicas en el apilamiento de celdas de combustible. Para conducir los reactivos o bien medios gaseosos y/o líquidos hacia las celdas de combustible individuales, están integradas en la mayoría de los casos estructuras para una correspondiente alimentación de medios así como para la descarga de medios directamente en las placas separadoras.
Las placas bipolares son piezas de construcción muy caras y constituyen en el estado de la técnica de fabricación actual entre el 30 por ciento y el 45 por ciento de los costes del apilamiento de celdas de combustible. Los motivos para ello se encuentran en particular en el requerimiento de proporcionar una superficie dotada de estructuras de ranura finas con un grosor de pared o bien grosor de pared restante al mismo tiempo a ser posible bajo.
Como materiales para placas bipolares se tienen en consideración metales, tal como acero inoxidable o titanio o bien aleaciones de titanio. Además, los materiales para las placas bipolares comprenden materiales no metálicos tal como grafito, materiales compuestos duroplásticos o materiales compuestos termoplásticos así como láminas de grafito expandidas.
Las placas bipolares de un material de plástico, que está dotado de hollín como carga, son sin embargo frágiles y caras en la fabricación. Además son caras también las placas bipolares metálicas.
El documento WO 2005/117165 A1 describe una placa separadora, que está constituida por una mezcla de un plástico y cargas eléctricamente conductoras como material base. Este material base por ejemplo extruido se calienta entonces para hacer que pueda mecanizarse. En el material así preparado se introducen mediante estampación canales de flujo y la superficie de la placa separadora se reviste de manera eléctricamente conductora adicionalmente a las cargas eléctricamente conductoras, por ejemplo mediante partículas individuales o una red eléctricamente conductora.
Una placa separadora que está constituida por una mezcla de grafito-plástico que cura con UV se describe en el documento US 2010/291465 A1. La mezcla se cura sobre un sustrato a través de varias radiaciones UV con en cada caso distintas máscaras, para conseguir así la geometría deseada.
Por el documento US2015/0236366 A1 se conoce otra placa separadora de plástico. Un cuerpo base de la placa separadora curado en un molde se dota para ello, mediante pulverización catódica de metales de corriente continua, de una capa de superficie eléctricamente conductora.
El documento EP 0949704 A1 y el documento EP 1826848 A1 divulgan en cada caso una placa separadora, que se fabrican en el procedimiento de moldeo por inyección. Éstas están constituidas por una mezcla de plástico y grafito.
El documento DE 101 30347 A1 describe una placa separadora que está constituida por una mezcla de grafito y un material curable, tal como por ejemplo fenol. Ésta se fabrica mediante prensado en caliente en un molde.
Por tanto, el objetivo de la presente invención es crear un procedimiento especialmente sencillo y económico del tipo mencionado anteriormente.
Este objetivo se consigue mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1. Configuraciones ventajosas con perfeccionamientos convenientes de la invención están indicadas en las reivindicaciones dependientes.
En el procedimiento de acuerdo con la invención para la fabricación de una placa separadora para una celda de combustible se aplica sobre un material de soporte un material que puede curarse y eléctricamente conductor. En el material que puede curarse se forma un campo de flujo para uno de los reactivos que pueden alimentarse a la celda de combustible. A continuación de la formación del campo de flujo se cura el material. Mediante el material curado puede formarse la placa separadora.
En un procedimiento de fabricación de este tipo puede aprovecharse los conocimientos que pudieron obtenerse de la fabricación en sí conocida y descrita por ejemplo en el documento DE 102007 058 714 A1 de una denominada lámina de laca de transferencia. De manera correspondiente a esto puede fabricarse la placa separadora de manera especialmente sencilla y económica, facilitándose el material que puede usarse para la formación de la placa separadora, que puede curarse sobre el material de soporte. Por tanto puede conseguirse un procedimiento de fabricación altamente productivo con costes especialmente bajos.
Además son los costes de materia prima para proporcionar el material que puede curarse y eléctricamente conductor especialmente bajos, en particular más bajos que los costes para proporcionar el material para placas separadoras o placas bipolares convencionales. Esto es también ventajoso para una fabricación especialmente económica. Un procedimiento de fabricación de este tipo puede aumentarse de escala además fácilmente de modo que pueden conseguirse números de pieza altos en la fabricación de las placas separadoras.
Además pueden proporcionarse placas separadoras con un espesor o grosor de pared especialmente bajo. En un apilamiento de celdas de combustible con un tamaño dado puede aumentarse por consiguiente el número de las celdas de combustible. De manera correspondiente a esto puede proporcionarse un apilamiento de celdas de combustible con una densidad de energía elevada.
Además no se produce corrosión, tal como puede producirse en el caso de placas separadoras metálicas o bien placas bipolares en el funcionamiento de las celdas de combustible. Como consecuencia puede conseguirse un tiempo de vida útil especialmente largo de las celdas de combustible. Además pueden ajustarse las propiedades del material que puede curarse y eléctricamente conductor de manera especialmente sencilla de modo que la placa separadora fabricada no sea frágil. Esto es también ventajoso para una durabilidad prolongada de la placa separadora.
En particular, el aprovechamiento de los conocimientos obtenidos en la fabricación de la denominada lámina de laca de transferencia es ventajoso para la fabricación de la placa separadora. Una lámina de laca de transferencia de este tipo se usa por ejemplo como lámina decorativa resistente a la intemperie y estable frente a la luz UV para piezas de construcción de vehículos. Por ejemplo, desviadores de agua dispuestos en el borde lateral de un parabrisas de un vehículo pueden dotarse de una lámina de laca de transferencia de este tipo.
La capa base de la tecnología de láminas de laca es por regla general un sistema de una capa o de dos capas. Sobre el material de soporte puede aplicarse, para la fabricación de un sistema de dos capas, por ejemplo una capa adherente a base de agua, que puede estar dotada de pigmentos. Sobre la capa adherente puede disponerse una segunda capa que contiene disolvente, por ejemplo a base de acrilato, que puede curarse en particular mediante radiación tal como luz UV y/o calentamiento. Una lámina de laca de transferencia de este tipo, que comprende el material de soporte y una o varias capas de laca aplicadas sobre éste se fabrica preferentemente en un proceso de revestimiento de banda.
Para ello se aplica en primer lugar en un primer ciclo de revestimiento la capa adherente o bien la laca adherente, que está pigmentada en un tono de color deseado, sobre el material de soporte, en particular una lámina de soporte, del que puede separarse posteriormente de nuevo la laca adherente. La lámina de soporte con la laca adherente puede enrollarse dado el caso y almacenarse temporalmente. En un segundo ciclo de procedimiento puede dotarse ésta, por ejemplo, de un material de laca transparente de acrilato que contiene disolvente, que puede curarse por radiación, que se aplica sobre la capa adherente. Esta laca transparente se seca y a continuación se cura preferentemente con luz UV o por medio de radiación de partículas en cuestión de segundos. Sobre la laca transparente puede aplicarse además una lámina protectora.
La lámina de laca de transferencia dotada de la lámina protectora puede usarse entonces para el revestimiento de la pieza de construcción de vehículos. En particular puede proporcionarse en este sentido la lámina de laca de transferencia como artículo enrollado y puede representar un denominado rollo de máquina. Este artículo enrollado puede cortarse para el procesamiento posterior en distintas medidas. Por ejemplo, una pieza de construcción metálica, tal como por ejemplo una banda de aluminio, puede dotarse de PVC (poli(cloruro de vinilo)) extruido. De la lámina de laca de transferencia con la lámina protectora se retira entonces la lámina protectora. La superficie de la lámina de laca de transferencia liberada de esta manera puede aplicarse entonces sobre el material de PVC extruido. De manera correspondiente a esto se encuentran entonces las capas de laca aplicadas sobre la lámina de soporte entre la capa de PVC y la lámina de soporte, en donde la capa de PVC está dispuesta sobre la pieza de construcción metálica. La lámina de soporte puede retirarse entonces, en donde las capas de laca permanecen sobre la capa de PVC. Como resultado se transfieren las capas de laca así sobre la banda de aluminio dotada de PVC extruido.
Si ahora se fabrica como en el presente caso la placa separadora según el tipo de una lámina de laca de transferencia de este tipo, entonces pueden ajustarse de manera sencilla las propiedades químicas y físicas del material que forma la placa separadora. Además pueden ajustarse de manera definida el espesor de capa deseado y también una estructura de superficie deseada, en particular en forma del campo de flujo, en el proceso de fabricación.
Por regla general es suficiente para la presente invención aplicar sobre el material de soporte una capa del material que puede curarse. Un sistema de dos capas (tal como se ha descrito anteriormente) no es necesario preferentemente en el contexto de la presente invención.
Preferentemente, el material de soporte dotado del material que puede curarse recorre una pluralidad de estaciones de mecanizado. Así puede formarse en una estación de mecanizado el campo de flujo y en otra estación de mecanizado puede curarse el material. En particular puede conseguirse así una fabricación continua muy rentable de las placas separadoras. El material puede curarse en particular mediante aplicación de radiación, por ejemplo con radiación de electrones o con luz UV. Debido a ello puede realizarse el curado de manera especialmente rápida. También es posible un curado térmico. Dado el caso puede estar previsto, por ejemplo con el uso de lacas de doble curado, un curado secuencial por medio de calor y radiación. Una laca de doble curado comprende al menos un componente que puede curarse térmicamente y al menos otro componente que puede curarse por medio de radiación, en particular por medio de radiación UV. Por ejemplo puede comprender una laca de doble curado una resina de uretanoacrilato, que puede reticular térmicamente a través de restos hidroxi o isocianato y puede reticular por radicales a través de restos acrilo.
Se ha mostrado adicionalmente ventajoso cuando el material se seca al menos por zonas y/o se gelifica antes de la introducción del campo de flujo. En una gelificación de este tipo se encuentra, de manera correspondiente a esto, el material en un estado intermedio a modo de gel, que es adecuado para la formación del campo de flujo en el material. Para el secado puede aplicarse calor al material. En particular puede curarse previamente el material mediante la aplicación de radiación tal como luz UV o térmicamente o bien puede curarse parcialmente, de modo que puedan introducirse en el material a continuación especialmente bien elementos estructurales o estructuras tal como el campo de flujo.
En particular puede estar previsto también curar térmicamente el material en una etapa con gelificación y en otra etapa posterior curar por medio de radiación, en particular por medio de radiación UV. Para ello puede usarse en particular la laca de doble curado mencionada. Tras el curado térmico pueden introducirse en una laca de este tipo aún sin problemas estructuras tal como el campo de flujo mediante deformación plástica. Una solidificación final, tras la cual apenas es aún posible la introducción de estructuras mediante una deformación plástica, puede producirse entonces mediante radiación de la laca.
Preferentemente se forma el campo de flujo por medio de una herramienta estampadora y/o mediante perfilado en el material. Así puede proporcionarse el campo de flujo de manera especialmente precisa y reproducible. En particular durante el perfilado o el perfilado por rodillo puede recorrer además el material de soporte de manera continua la estación de mecanizado que sirve para la formación del campo de flujo. Con el uso de una herramienta estampadora para la formación del campo de flujo es más fácil por el contrario mover posteriormente, durante la formación del campo de flujo, el material de soporte no en una dirección de transporte.
Preferentemente, para proporcionar el material curado se usa una mezcla que comprende al menos un plástico dotado de carga eléctricamente conductora y un disolvente. En particular pueden usarse como el al menos un plástico una resina epoxídica y/o una resina acrílica y/o una resina de poliuretano y/o una resina de poliesteracrilato. Además, la mezcla puede presentar al menos un fotoiniciador, de modo que el material puede curarse de manera especialmente fácil por medio de luz, en particular luz UV. La procesabilidad del material puede garantizarse mediante un correspondiente ajuste de la proporción del disolvente y de la proporción de sólidos. Además puede comprender la mezcla también un agente endurecedor, por ejemplo en el caso de la resina de poliuretano un agente endurecedor de isocianato.
Como plástico puede usarse sin embargo también la laca de doble curado, por ejemplo una laca de doble curado a base de la resina de uretanoacrilato mencionada.
En el caso del disolvente se trata en este sentido preferentemente de un disolvente orgánico o mezcla de disolventes, por ejemplo acetato de butilo. Básicamente es, sin embargo, también posible usar como plástico una resina a base de agua, por ejemplo una resina de poliuretano a base de agua.
Además se dota el plástico preferentemente de cargas eléctricamente conductoras de manera suficiente tal como por ejemplo hollín y/o grafito, en particular en una cantidad de modo que resulte una resistencia eléctrica del material en un intervalo de aproximadamente 10 mOhm/cm2 a aproximadamente 30 mOhm/cm2. Mediante el uso de una mezcla de este tipo puede proporcionarse de manera especialmente sencilla la placa separadora del material curado. La mezcla puede contener también otras cargas.
En una forma de realización preferente comprende la mezcla como carga eléctricamente conductora un material a base de carbono del grupo con carbón activo (AC), fibra de carbón activo (AFC), aerogel de carbono, grafito, grafeno y nanotubos de carbono (CNT).
En el caso de carbón activo se trata como es sabido de una modificación de carbono porosa, especialmente de grano fino con superficie interna grande.
Las fibras de carbón activo pueden obtenerse del carbón activo. Éstas son igualmente porosas, presentan una superficie interna grande y tienen en la mayoría de los casos un diámetro típico de aproximadamente 10 pm. Además de una capacidad específica alta, las fibras de carbón activo presentan una conductividad eléctrica extraordinariamente buena a lo largo del eje de fibra.
El aerogel de carbono es un material sintético, altamente poroso de un gel orgánico, en el que el componente líquido del gel se sustituyó mediante pirólisis con un gas. Los aerogeles de carbono pueden prepararse por ejemplo mediante pirólisis de resorcina-formaldehído. Éstos presentan una conductividad eléctrica mejor que el carbón activo.
En el caso de grafeno se trata de una modificación de carbono con estructura bidimensional. Una pluralidad de anillos de benceno encadenados forma un patrón en forma de panal de abejas, en el que cada átomo de carbono ésta rodeado en un ángulo de 120° por tres átomos de carbono adicionales y en donde todos los átomos de carbono están con hibridación sp2. El grafeno ofrece la superficie teóricamente máxima que puede conseguirse con carbono por unidad de peso.
En el caso de nanotubos de carbono se trata de capas de grafeno conformadas para dar nanotubos cilíndricos.
Existen nanotubos de una pared y nanotubos de múltiples paredes, en los que varios nanotubos de una pared están dispuestos intercalados coaxialmente uno en otro.
Lógicamente pueden usarse los materiales a base de carbono mencionados también en combinación entre sí. En este sentido es concebible cualquier relación de mezcla. En una forma de realización especialmente preferente comprende la mezcla como carga eléctricamente conductora el grafeno.
Se ha mostrado que en particular con el uso de grafeno como carga eléctricamente conductora es suficiente una cantidad inesperadamente baja de la carga para la fabricación de las placas separadoras. La proporción de grafeno en la mezcla se encuentra preferentemente en el intervalo del 3 % en peso al 10 % en peso.
En una forma de realización especialmente preferente comprende la mezcla los siguientes componentes en las siguientes proporciones:
• la carga eléctricamente conductora, en particular el grafeno, en una proporción del 3 % en peso al 30 % en peso, preferentemente del 3 % en peso al 20 % en peso, de manera especialmente preferente del 3 % en peso al 10 % en peso
• el plástico, en particular la resina de uretanoacrilato, en una proporción del 40 % en peso al 97 % en peso
• dado el caso al menos un aditivo para la influencia de las propiedades de procesamiento de la mezcla o de las propiedades de la placa separadora que va a fabricarse en una proporción del 0,1 % en peso al 10 % en peso En las variantes que contienen disolvente comprende la mezcla además el disolvente o mezcla de disolventes en una proporción del 10 % en peso al 50 % en peso, preferentemente del 10 % en peso al 30 % en peso.
Se prefiere en todas las variantes que las proporciones en peso de los componentes de la mezcla sumen el 100 % en peso.
Como aditivo pueden añadirse a la mezcla, por ejemplo, fotoiniciadores, agentes desespumantes y agentes de nivelación.
Adicionalmente o como alternativa se ha mostrado ventajoso cuando se usa una lámina como el material de soporte. Preferentemente está constituida la lámina esencialmente por plástico, en particular de fluoropolímeros tal como etilen-tetrafluoroetileno (ETFE), poli(tereftalato de etileno), poliolefina, policarbonato, acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), acrilo-estireno-acrilonitrilo (ASA), acrilonitrilo-butadieno-estireno/policarbonato (ABS/PC), acrilo-estirenoacrilonitrilo/policarbonato (ASA/PC), poliacrilato, poliestireno, policarbonato/poli(tereftalato de butileno) (PC/PBT) y/o poli(metacrilato de metilo).
En particular puede usarse como el material de soporte una lámina se poliéster, preferentemente una lámina de poliéster orientada biaxialmente o bien estirada biaxialmente. Por ejemplo puede usarse una lámina de PET (PET = poli(tereftalato de etileno)), que puede obtenerse con la denominación "Mylar A" del fabricante DuPont. Un material de soporte de este tipo es muy adecuado para la aplicación del material que puede curarse y es adecuado en particular para el recorrido de varias estaciones de mecanizado en la fabricación de la placa separadora debido a su alta resistencia a la tracción.
Preferentemente se proporciona el material de soporte como banda de material continua, en donde para la fabricación de la placa separadora se separa al menos una zona del material de soporte dotado del material curado. Así pueden preverse en el material que forma la placa separadora de manera sencilla las aberturas o pasos, que sirven como entrada de combustible, salida de combustible, entrada de agente de oxidación, salida de agente de oxidación así como entrada de medio de refrigeración y salida de medio de refrigeración. Además puede predeterminarse por ejemplo un contorno exterior deseado de la placa separadora. La separación puede realizarse mediante punzonamiento y/o corte, en particular corte por láser, y similares.
Preferentemente se proporciona el material curado en un espesor de aproximadamente 50 pm a 150 pm sobre el material de soporte. En particular cuando el material curado presenta un espesor de 100 pm e inferior, por ejemplo aproximadamente 90 pm, 80 pm, 70 pm, 60 pm o 50 pm, puede ajustarse una relación muy ventajosa de un espesor del material con respecto a una altura o bien profundidad de ranuras o estructuras similares, que forman el campo de flujo. Además, un bajo espesor del material curado conduce a una reducción de la cantidad de material que va a proporcionarse. Además puede reducirse especialmente en su mayor parte un tiempo para el secado y/o curado del material.
Se prefiere que el material curado ya no presente propiedades termoplásticas, o sea ya no sea posible una deformación plástica reversible con calentamiento del material curado.
Para proporcionar la placa separadora se separa preferentemente el material curado del material de soporte. En particular puede proporcionarse de esta manera una placa parcial, que mediante unión con otra placa parcial puede formar la placa separadora o placa bipolar. De manera correspondiente a esto, la cavidad prevista entre las placas parciales puede formar un campo de flujo de medio de refrigeración. Mediante la separación del material curado del material de soporte puede garantizarse de manera especialmente sencilla que la placa separadora sea eléctricamente conductora.
Otras ventajas, características y detalles adicionales de la invención resultan de la siguiente descripción de un ejemplo de realización preferente así como por medio del dibujo. Las características y combinaciones de características mencionadas anteriormente en la descripción así como las características y combinaciones de características mencionadas a continuación en la descripción de las figuras y/o mostradas solas en las figuras pueden usarse no sólo en la combinación indicada en cada caso, sino también en otras combinaciones o en posición única, sin apartarse del marco de la invención.
A este respecto muestran:
la figura 1 esquemáticamente una instalación de fabricación para la fabricación de placas bipolares para celdas de combustible de un apilamiento de celdas de combustible; y
la figura 2 una vista superior aumentada sobre una placa bipolar fabricada.
Una instalación de fabricación 10 mostrada de manera esquemática en la figura 1 sirve para la fabricación de placas separadoras, en donde se muestra una placa separadora bipolar en forma de una placa bipolar 12 en la figura 2 en una vista superior, que puede fabricarse en la instalación de fabricación 10. Las placas bipolares 12 están previstas para celdas de combustible de un apilamiento de celdas de combustible, tal como puede usarse por ejemplo en un vehículo.
En la fabricación de las placas bipolares 12 se proporciona en primer lugar un material de soporte que se encuentra en forma de una lámina de soporte 14. En este caso puede encontrarse la lámina de soporte 14 enrollada en un rollo 16. Como lámina de soporte 14 puede usarse en particular una lámina de poliéster biaxialmente estirada o bien biaxialmente orientada.
Del rollo 16 se desenrolla la lámina de soporte 14 y a continuación se alimenta a otras estaciones de mecanizado de la instalación de fabricación 10. En una primera estación de mecanizado 18 se aplica sobre la lámina de soporte 14 una mezcla 28, que comprende un material 20 eléctricamente conductor, pudiéndose curar el material 20. Por ejemplo puede cargarse la lámina de soporte 14 a través de una boquilla ranurada 22 o dispositivo de aplicación similar con la mezcla 28, que comprende una resina epoxídica y/o resina acrílica, al menos un disolvente, fotoiniciadores y cargas eléctricamente conductoras tal como por ejemplo hollín y/o grafito. Además puede presentar la mezcla 28 también otras cargas. En una estación de mecanizado 24 siguiente se realiza una evaporación del disolvente de la mezcla 28. Debido a ello se modifica la consistencia del material 20. La evaporación puede realizarse por ejemplo durante aproximadamente un minuto.
En formas de realización especialmente preferentes puede usarse en lugar de la mezcla con la resina epoxídica y/o la resina acrílica también una mezcla de los siguientes componentes como mezcla 28:
• el 9,4 % en peso de un poliol que contiene dobles enlaces (libre de disolvente) con un contenido en OH del 5,7 % y una densidad de dobles enlaces de 3,5 mol/kg
• el 28,2 % en peso de un uretanoacrilato que contiene dobles enlaces (libre de disolvente) con un contenido en NCO del 5,4 % y una densidad de dobles enlaces de 1,5 mol/kg
• el 28,2 % en peso de un uretanoacrilato que contiene dobles enlaces (libre de disolvente) con una temperatura de transición vítrea de 2 °C (determinada por medio de calorimetría diferencial dinámica con una velocidad de calentamiento de 10 °C/min) y una densidad de dobles enlaces de 4 mol/kg
• el 1,4 % en peso de un fotoiniciador habitual en el comercio
• el 0,5 % en peso de un agente de nivelación habitual en el comercio
• el 1,0 % en peso de un agente desespumante habitual en el comercio
• el 25,3 % en peso de acetato de butilo
• el 6 % en peso de grafeno.
Por ejemplo por medio de un equipo de calentamiento 26 se seca previamente a continuación la mezcla 28 o bien el material 20 que está aplicado sobre la lámina de soporte 14. La carga de la mezcla 28 con calor en el equipo de calentamiento 26 conduce en cuestión a una gelificación o gelificación incipiente de la mezcla 28 o bien del material 20. En una estación de mecanizado 30 opcional, siguiente puede curarse parcialmente o bien puede curarse previamente de manera adicional el material 20. Para ello, en la estación de mecanizado 30 puede aplicarse luz al material 20, en particular luz UV.
A continuación, en el material 20 gelificado de manera incipiente o bien curado parcialmente se introducen estructuras, aproximadamente en forma de canales 32 (véase la figura 2), que en la placa bipolar 12 fabricada forman un campo de flujo 34. Mediante un correspondiente ajuste de la proporción del disolvente y de los cuerpos sólidos en la mezcla 28 puede conseguirse que en el material 20 secado previamente o bien gelificado de manera incipiente y/o parcialmente curado mediante luz UV en la estación de mecanizado 30 pueden formarse estructuras superficiales deseadas.
Para la formación de las estructuras superficiales de la placa bipolar 12, que comprenden el campo de flujo 34 puede usarse como herramienta 36 por ejemplo una herramienta estampadora, en particular de dos partes. Adicionalmente o como alternativa puede realizarse esta estructuración mediante una herramienta 36 adecuada para el perfilado o perfilado por rodillos. En particular pueden configurarse de esta manera los canales 32 o bien estructuras de ranura en el material 20.
El campo de flujo 34 formado por medio de la correspondiente herramienta 36 (véase la figura 2) permite la carga de una disposición de membrana-electrodo (no mostrada) de la celda de combustible con un reactivo, por ejemplo con hidrógeno como combustible o bien con oxígeno o aire como agente de oxidación. En las estructuras superficiales pueden proporcionarse por medio de la herramienta 36 además elementos estructurales, que están previstos en la placa bipolar 12 en una respectiva zona de transición 40 entre el campo de flujo 34 y correspondientes entradas o bien salidas para los reactivos que participan en la reacción de celdas de combustible (véase la figura 2).
Debido a la previsión de los fotoiniciadores en la mezcla 28 puede curarse completamente el material 20 en una etapa de mecanizado siguiente. Para ello está previsto en otra estación de mecanizado una correspondiente fuente de luz 38, en particular fuente de luz UV. Tras el curado del material 20 por ejemplo por medio de la luz UV emitida por la fuente de luz 38 se han formado las correspondientes estructuras de manera permanente en el material 20.
En una etapa de mecanizado siguiente puede formarse por ejemplo mediante punzonamiento 42 una pluralidad de pasos 44 en el material 20 (véase la figura 2). Mediante pasos 44 de este tipo se han proporcionado habitualmente una entrada de combustible y una salida de combustible, una entrada de agente de oxidación y una salida de agente de oxidación así como una entrada de medio de refrigeración y una salida de medio de refrigeración. En las celdas de combustible apiladas una sobre otra forman estos pasos 44 correspondientes canales para la alimentación y descarga de los reactivos o bien del medio de refrigeración.
Mediante corte 46 puede producirse en una etapa de mecanizado siguiente o bien en una estación de mecanizado siguiente un contorno exterior 56 de la placa bipolar 12 tal como se desee. Para el corte 46 puede usarse en particular un láser o similar. Además, por medio de un láser pueden quitarse zonas del material 20 curado, para formar estructuras deseadas en la placa bipolar 12.
El material 20 puede unirse por lo demás mediante un procedimiento de unión adecuado, en particular mediante adhesión, con otra parte formada tal como se ha descrito anteriormente a partir del material 20. De manera correspondiente puede proporcionarse mediante el material 20 una primera placa parcial de la placa bipolar 12, que mediante unión 48 puede unirse con una segunda placa parcial de la placa bipolar 12. De esta manera, en una cavidad o espacio intermedio 50 entre dos placas parciales de este tipo (véase la figura 2) puede proporcionarse un campo de flujo para un medio de refrigeración. Preferentemente, un espesor 52 del material 20 curado (véase la figura 2) es muy bajo. En particular, el espesor 52 preferentemente es claramente más bajo que una profundidad 54 de las ranuras o bien canales 32, que están formadas en la zona del campo de flujo 34 para los reactivos o bien en la zona del campo de flujo para el medio de refrigeración.
Además, el material 20 es hermético frente al aire o bien oxígeno y frente a hidrógeno. Además, el material 20 presenta una resistencia mecánica suficiente e integridad estructural para proporcionar las placas bipolares 12, que deben usarse en las celdas de combustible del apilamiento de celdas de combustible. La resistencia eléctrica se ha ajustado mediante cargas adecuadas tal como por ejemplo las partículas de hollín o bien partículas de grafito de modo que el material 20 presente una buena conductividad eléctrica. Por ejemplo puede encontrarse la resistencia eléctrica del material 20 en el intervalo de 10 mOhm/cm2 a 30 mOhm/cm2.
La lámina de soporte 14 dotada del material 20 curado puede proporcionarse también en primer lugar como producto intermedio o bien producto semielaborado, antes de que se confiera su configuración definitiva mediante correspondientes etapas de mecanizado adicionales tal como por ejemplo el punzonamiento 42, el corte 46 o bien la unión 48 de la placa bipolar 12. El producto intermedio puede enrollarse en particular para dar un rollo.
Además puede estar previsto que de la lámina de soporte 14 dotada del material 20 curado se separen zonas tal como por ejemplo los pasos 44, y de ese modo se facilite un producto intermedio o bien producto semielaborado que comprende la lámina de soporte 14 con el material 20 curado y se enrolle en particular para dar un rollo. De un producto intermedio de este tipo, mediante el corte 46 y la unión 48 tras una separación del material 20 de la lámina de soporte 14 puede formarse la placa bipolar 12 con el contorno exterior 56 deseado. En particular puede cortarse en primer lugar el producto intermedio y tras la separación del material 20 de la lámina de soporte 14 puede formarse mediante unión de las placas parciales así obtenidas la placa bipolar 12.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para la fabricación de una placa separadora (12) para una celda de combustible, en el que en una primera estación de mecanizado (18) se aplica sobre un material de soporte (14) un material (20) curable y eléctricamente conductor, en donde en el material (20) se forma un campo de flujo (34) para uno de los reactivos que pueden alimentarse a la celda de combustible, y en donde el material (20) se cura a continuación de la formación del campo de flujo (34),
caracterizado por que
- el material de soporte (14) dotado del material (20) que puede curarse y eléctricamente conductor atraviesa una pluralidad de estaciones de mecanizado (24, 26, 30), por que
- el material (20) antes de la introducción del campo de flujo (34) en la respectiva estación de mecanizado (24, 26, 30) se seca al menos por zonas y/o se gelifica y/o se cura previamente, y por que
- el campo de flujo (34) se forma a continuación por medio de una herramienta estampadora y/o mediante perfilado en el material (20), en donde para proporcionar el material (20) curado se usa una mezcla (28) que comprende al menos un plástico dotado de una carga eléctricamente conductora y un disolvente.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por que
el material (20) puede curarse mediante la aplicación de luz UV.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2,
caracterizado por que
el material (20) se cura previamente mediante aplicación de luz UV.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado por que
para proporcionar el material (20) curado se usa una mezcla (28) que comprende al menos una resina epoxídica y/o una resina acrílica dotadas de una carga eléctricamente conductora y un disolvente, y que presenta al menos un fotoiniciador.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado por que
como el material de soporte (14) se usa una lámina, en particular una lámina de poliéster orientada preferentemente de manera biaxial.
6. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado por que
la mezcla (28) comprende la carga eléctricamente conductora, preferentemente grafeno, en una proporción del 3 % en peso al 30 % en peso, preferentemente del 3 % en peso al 20 % en peso, de manera especialmente preferente del 3 % en peso al 10 % en peso.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado por que
el material de soporte (14) se proporciona como banda de material continua, en donde para la fabricación de la placa separadora (12) se separa al menos una zona (44) del material de soporte (14) dotado del material (20) curado.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado por que
el material (20) curado se proporciona en un espesor (52) de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 150 pm sobre el material de soporte (14).
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado por que
para proporcionar la placa separadora (12) se separa el material (20) curado del material de soporte (14).
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