MXPA01001262A - Celda de combustible de membrana de polimero electolito. - Google Patents

Celda de combustible de membrana de polimero electolito.

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Abstract

Todas las estructuras de difusion de gas conocidas hasta la fecha no pueden garantizar la compensacion del equilibrio de agua en la celda de combustible, la proteccion contra el secado y la proteccion de depositos de agua en tanto que asegure simultaneamente la distribucion uniforme de los gases de reaccion. En la estructura de difusion de gas de acuerdo con la invencion, se produce un gradiente en la permeabilidad a gas perpendicular a la membrana por un sistema estratificado. Esto garantiza humectacion constante y optima en todos los puntos de la membrana por el agua de producto formada a la temperatura de operacion apropiada y estequiometria apropiada de los reactivos. De esta manera se pueden descartar los sistemas adicionales de humectacion.

Description

CELDA DE COMBUSTIBLE DE MEMBRANA DE POLI E O- ELECTROLITO La presente invención se refiere a una celda de combustible de membrana de polímero-electrolito que comprende el producto laminado de la membrana, un electrodo que contiene un catalizador, una capa de difusión de gas, eléctricamente conductora, porosa y una placa recolectora de corriente que tiene una estructura de canal de distribución de gas, la celda tiene un gradiente de la permeabilidad de gas, gradiente que está presente al menos en un área parcial, en el producto de laminado en la dirección perpendicular a la membrana, con una mayor permeabilidad de gas más cerca a la membrana y una menor permeabilidad de gas más cerca a la placa recolectora de corriente, en donde er la operación en la membrana por una reacción de hidrógeno-oxígeno se producen agua y calor. La invención se refiere adicionalmente a un método para fabricar esta celda de combustible. La celda de combustible de membrana de polímero-electrolito o celda de combustible de PEM se opera con los gases de reacción hidrógeno y oxígeno o aire. De acuerdo a la estructura conocida (EP 0560295A), consiste de, arreglada de afuera hacia dentro, dos placas recolectoras de corriente con capas de difusión de gas, dos electrodos que contienen el catalizador y una membrana de intercambio iónico localizada entre los electrodos. Con la membrana de intercambio iónico y los electrodos que forman la unidad de electrodo de membrana (posteriormente en la presente referida como el montaje de electrodo de membrana MEA) . Típicamente, las placas recolectoras de corriente contienen estructuras que se extienden paralelas al MEA para suministrar y distribuir los reactivos a través de la superficie completa de la celda. Puesto que el voltaje de cada celda individual es demasiado bajo para cualquier aplicación práctica, se deben arreglar en serie una- multitud de estas celd s. En la pila resultante de celdas de combustible, las placas recolectoras de corriente, coincidentes se reemplazan con las llamadas placas bipolares cuya función consiste en dirigir la corriente a través de la pila y aislar los gases de reacción . Al suministrar oxígeno que es un gas de reacción típico al lado del ánodo de la celda de combustible que se coloca en un compartimiento de gas sellado al exterior, se generan cationes en la capa de catalizador del lado del ánodo, cationes que se difunden a través de la membrana de intercambio iónico. De manera simultánea, los electrones que también se producen se dirigen vía un circuito eléctrico exterior con una resistencia de carga desde el ánodo al cátodo. El agente de oxidación suministrado es oxígeno y de manera preferente la concentración de oxígeno en el ambiente es suficiente; este oxígeno ahora se reduce en el cátodo por medio de la recepción de iones hidrógeno y electrones. El agua resulta como un producto de reacrción. La entalpia de reacción se libera en la forma de energía eléctrica y calor disipado . Un problema esencial en este proceso es la economía de agua de l? celda de combustible. En la celda de combustible, inicialmente mencionada, conocida (EP 0560295A) , la economía de agua particularmente en la capa de electrodo que contiene el catalizador se ve influenciada por medio de revestimientos hidrófobos que cubren el portador de catalizador que por si mismo se cubre por el catalizador. A fin de que el catalizador entre en contacto con los reactivos, en esta capa, la porosidad se incrementa hacia la membrana. En el área de baja porosidad a mayor porcentaje, en el área de alta porosidad a menor porcentaje del catalizador se inactiva. La generación de agua toma lugar sobre el espesor de la capa y también puede desactivar partes del catalizador por inundación. Por otra parte, la membrana es capaz de desempeñarse bajo condiciones óptimas, es decir, conduce los iones hidrógeno de manera opcional, sólo si contiene una cantidad suficiente de humedad. Si cae demasiado bajo el contenido de humedad, la resistencia interna de la celda se incrementa considerablemente debido a la resistencia incrementada de la membrana, reduciendo de este modo el desempeño. De esta manera, para una operación óptima de la celda a una temperatura dada, es necesario que la humedad del aire sea al menos 100% en cada lugar de la membrana. Si el aire del gas de cátodo fluye a través de los canales de distribución de las placas recolectoras de corriente y se difunde a través de la capa de difusión de gas, tiene una baja presión parcial con respecto al vapor de agua la entrada al compartimiento de gas, y una alta en la salida debido a que el oxígeno reacciona para formar agua en el cátodo. El flujo de difusión entre la superficie de la membrana y el canal de distribución, que se provoca por las diferencias parciales de presión del hidrógeno, seca la membrana en el punto de entrada^ del gas de cátodo y en el punto de salida, por otra parte, los depósitos de agua pueden presentarse en la capa de difusión. A una temperatura de operación dada y a fin de compensar las diferencias en el equilibrio de agua de la membrana, por lo tanto .es necesario lograr una composición del gas de cátodo que sea tan constante como sea posible a través de la superficie de la membrana; lo mismo aplica para el , gas del ánodo. Con los métodos convencionales, este problema sólo se soluciona parcialmente usando sistemas externos de modificación, a veces en combinación con sistemas de enfriamiento, sistemas que, por medio de la medición de la humedad de la membrana al menos en intervalos, proporcionan ajustes del equilibrio de agua de la celda. Es un aspecto desventajoso de estos sistemas de humidificación que pueden colocar una carga adicional en el sistema de la celda de combustible en términos del consumo interno de energía y también peso, que es particularmente indeseable para su aplicación en pequeños sistemas portátiles, así como de términos del costo adicional, reduciendo de este modo la competitividad de la celda de combustible en comparación con los sistemas convencionales de suministro de energía. Adicionalmente, la solución anterior no hace frente al problema de cómo lograr una distribución uniforme de gas en la superficie del catalizador y de la membrana de la celda. El objetivo es operar una celda de combustible sin humidificar los gases de reacción. Las capas de electrodo-catalizador son porosas y permiten alguna difusión de gas también se conocen de la WO 97/20359. Estas capas también consisten de un producto laminado de varias películas y se puede reforzar por una rejilla conductora. Sin embargo, no tiene un gradiente de la permeabilidad de gas. La US-PS 5,641,586 muestra una solución a como lograr una distribución uniforme de los gases de reacción. Proporciona dos capas que se arreglan entre la capa de catalizador de electrodo y la placa recolectora de corriente; adyacente al MEA está una capa de difusión de gas, hidrófila, macroporosa, y adyacente a la placa recolectora de corriente está un campo de flujo hidrófilo, macroporoso. El campo de flujo tiene dos estructuras de canal de toma "constante, por una parte, para distribuir los gases de reacción en las capas de difusión de gas, y por otra parte, para remover los productos de reacción. Aunque este aparato permite la distribución uniforme de los reactivos a través de la superficie de la membrana y los depósitos de agua también se evitan por medio de la aplicación de una capa hidrófoba, el peligro de secado continúa permaneciendo como una amenaza debido a que la capa de difusión de gas no impide que el producto de reacción salga aún si la membrana tiene un suministro insuficiente de humedad . En una manera para mantener la economía de agua de una celda de combustible a un nivel constante y óptimo se muestra en la DE-OS 14 96 172, de acuerdo a la cual un electrodo de difusión de agua elaborado de una aleación de paladio/oro se usa, el cual es permeable para hidrógeno pero impide la penetración de fluido. Sin embargo, este diseño no es adecuado para el uso en el cátodo, donde el problema de tener que compensar los desequilibrios de agua principalmente es debido a que este electrodo no es permeable al oxígeno. De esta manera, el objeto de la presente invención es reemplazar la capa convencional de difusión de gas de las celdas de combustible de PEM con una estructura de difusión de gas cuyas propiedades de difusión serán de dimensiones de una manera tal que el equilibrio de agua en el MEA sea siempre uniforme. La celda del combustible de la presenre invención se va a fabricar por un método barato, simple para producir esta estructura de difusión de gas . De acuerdo con la invención, estos objetos se logran por una estructura de difusión de gas que se caracteriza en que existe el gradiente de permeabilidad de gas en la capa de difusión de gas que está adyacente al electrodo que contiene el catalizador, y que al menos en el área parrcial de la capa de difusión de gas, la permeabilidad a gas más cercana: a la placa recolectora de corriente sea menor a un grado que en la vecindad de la membrana que una composición de gas se presente que sobre la superficie de la membrana es aproximadamente constante y el agua que a la temperatura de operación se genera en forma de vapor crea esta corriente de difusión de vapor de agua a través de la capa de difusión de agua, que es el contenido de humedad de la membrana que es óptimo para la conductividad se mantiene materialmente, y por un método para producir la estructura de difusión de gas, método que se caracteriza en que la capa de difusión de gas se produce con una permeabilidad a gas que se incrementa en la dirección hacia la membrana. De esta manera, el gradiente se proporciona para una capa de difusión de gas que para el propósito de difusión de gas debe tener un cierto espesor y en donde la generación del agua toma lugar más allá de la superficie de delimitación orientada hacia el catalizador. El vapor de agua se difunde en una corriente administrada de vapor fuera de la zona interna de la celda de una manera tal que a lo largo de toda la membrana, existan condiciones de acceso a gas aproximadamente iguales y condiciones de humedad, condiciones que se pueden ajustar a un óptimo. El dibujo muestra una ?nodalidad preferida de una estructura de difusión de gas de acuerdo con la invención en correspondencia a los ejemplos.
La celda de combustible representada comprende una placa 1 recolectora de corriente que tiene canales 2 para la distribución de los gases de reacción, una capa exterior 3 y una capa interior. 4 de la estructura de difusión de gas, un electrodo 5 que tiene una película de catalizador, y una membrana 6 de polímero-electrolito; en el lado opuesto de esta membrana 6, siguen los elementos estructurales catódicos no presentados. Normalmente, la estructura de difusión de gas 3, 4 consiste de materiales eléctricamente conductores, porosos y es una estructura ortogonal que se debe adaptar con respecto a sus volúmenes de poro a fin de lograr un gradiente en términos de la permeabilidad de gas. Esto se puede lograr en capas o de manera continua. Un cambio casi continuo se puede lograr si se laminan un número grande de capas muy delgadas con propiedades de difusión respectivamente algo variables; en un mínimo, y subsecuentemente también de forma preferente se requieren dos capas 3, 4 con diferentes propiedades de permeabilidad de gas. La capa extexior 3, es decir, la parte de la estructura de difusión de gast que se localiza adyacente a la placa 1 recolector^ .de corriente que tiene los canales 2, tiene un volumen de poro relativamente pequeño y en consecuencia una alta resistencia a la difusión. La parte interior 4 de la estructura de difusión de gas, sin -embargo, es decir, la parte que hace contacto con el electrodo 5 que contiene el catalizador, tiene un volumen de poro relativamente alto. Por lo tanto, los gases de reacción consiguen distribuirse suficientemente bien por medio de la difusión dentro de la capa 4, también a distancias (0.5 a 5 mn) , aproximadamente en el intervalo de las costillas salientes de la placa 1 recolectora de corriente. Además, la capa exterior 3 de la estructura ortogonal de difusión de gas se realiza de forma preferente más hidrófoba que la capa interior . Esta estructura de difusión de gas de dos capas se puede complementar adicionalmente con capas adicionales que tengan difusiones respecti amente diferentes. La adición de otra capa a la capa interior 4 entre el electrodo 5 y esta capa 4, puede en realidad ser ventajoso. El propósito de la capa adicional es el relleno superficial y el alisado _ de los poros principalmente gruesos de la capa 4 que proporciona un mejor contacto entre la estructura de difusión de gas y el electrodo. En el ejemplo 3, se describe un método para fabricar esta capa. También, se puede adicionar otra capa entre la capa exterior 3 y las costillas salientes de la placa 1 recolectara de corriente. El propósito de esta capa consiste en mantener la resistencia de contacto eléctrico a la estructura de canal tan baja como sea posible. Para esto, la capa se puede deformar por plasticidad o elasticidad permitiendo de este modo que las tolerancias dimensionales de las capas recolectoras de corriente, o en el caso de un arreglo en una pila de celdas de combustible, de las placas bipolares se compense y pueda presentarse uniformemente a la recolección de corriente desde la estructura de difusión de gas. Subsecuentemente, se resumirá la manera en la cual funciona la estructura de difusión de gas que consiste de las capas 3 y 4. Los parámetros operacionales ajustables de la celda de combustible son la relación de aire [relación corriente de aire: aire químicamente consumido] o la estequiomet ia de hidrógeno, la presión de operación, y contenido de operación de agua de los gases de reacción en el punto de entrada de la celda y la temperatura de operaeión. La temperatura debe ser elegida tal alta como sea posible a fin de permitir un sistema de enfriamiento compacto con bajo rendimiento de refrigerante. El sistema de enfriamiento concebible más simple consiste sólo de un ventilador que transporte una cantidad de aire suficiente para el propósito de enfriamiento en el compartimiento del cátodo de la celda o de la pila. La presión de operación ajustable se debe elegir tan bajo como sea posible, idealmente la celda de combustible se debe operar a presión ambiente. De esta manera, se pueden evitar las pérdidas de energía relacionadas con eL compresor. Además, esto representa una reducción en el peso y costo. Durante la operación de acuerdo con estas o similares condiciones, el foco del problema con respecto a un equilibrio uniforme de agua se coloca principalmente en el peligro de que la membrana se seque y no en los depósitos de agua en los poros de la estructura de difusión de gas. Para propósitos de impedir -este secado, en particular -en el lado del cátodo, se demanda una composición aproximadamente constante del gas a través de la superficie completa de la membrana y una composición aproximadamente constante de gas en la estructura de canal de la placa recolectora de corriente. Esto se logra al adoptar una relación de aire relativamente grande (por ejemplo 8 a 70) a través de los canales 2 de la placa 1 recolectora de corriente. Bajo estas condiciones, los cambios de Ja composición del gas debido al retiro de oxígeno y la liberación de vapor de agua por la celda son imperceptibles. La resistencia de difusión de la capa 3 de la estructura de difusión de gas de acuerdo a la invención debe ser tal que gradiente en la presión parcial de vapor de agua, que se presenta a la temperatura de operación deseada entre la membrana bien humectada y el gas en el compartimiento de cátodo provoca un flujo de difusión de vapor de agua que transporta lejos el agua generada como producto. Por lo tanto, no se presentan los gradientes de oxígeno esencial y vapor de agua, como es habitual, en una dirección paralela pero en una dirección vertical con relación a la superficie de la membrana 6. De esta manera, las condiciones de operación son constantes a través de la superficie completa de la membrana. La capa 4 tiene el propósito de distribuir los gases de forma uniforme en ésa área de las costillas salientes en donde se interrumpe el flujo de difusión. Si se desea una relación de aire relativamente baja que provoque cambios en la composición del gas de cátodo en su manera a través de la celda para ser perceptible, la resistencia y difusión de la capa exterior 3. se debe ajustar a estas condiciones. En el punto de entrada de gas, la capa 3 se debe realizar con una resistencia mayor de difusión que en el punto de salida de gas. Además, de esta manera, se puede evitar una reducción en el desempeño basada en los cambios de la temperatura de operación dentro de la celda, por un ajuste de la resistencia de difusión. La estructura de difusión de gas de la invención es adecuada para la aplicación ventajosa no sólo en el cátodo, como se ha descrito aquí a manera de ejemplo, si no también en el ánodo, en particular si la celda se opera con hidrógeno no humectado . La producción de esta estructura ortogonal de difusión de gas en el electrodo catalítico, con el gradiente en .términos de permeabilidad de gas, se describe en el siguiente uso de ejemplos.
Ejemplo 1 : El gradiente en términos de permeabilidad a gas perpendicular a la "membrana 6, se logra al prensar en caliente una hoja que consiste de un material sintético termoplastico que se supone que constituye la capa 3 en un papel 4 de fibras de carbón que es homogéneo en términos de sus propiedades de difusión y que se supone que constituye la capa 4. El prensado en caliente provoca que el material sintético termoplástico se distribuya dentro de los poros cerca de la superficie del papel de fibra de carbón y da por resultado una obstrucción parcial de los poros. De forma sorprendente, la conductividad eléctrica perpendicular a la capa no se pierde de este modo debido a que las fibras de carbón penetran la hoja y por lo tanto la corriente eléctrica alcanza nuevamente la superficie. De manera preferente, el volumen inicial de poro de papel de fibra de carbón es más de 50%, y en particular, de manera preferente excede el 70%. Antes de proseguir adicionalmente, se puede impregnar con polítetrafluoroetileno (PTFE) (5 a 40% en masa) de acuerdo con el método descrito en el ejemplo 2 . El espesor del papel de fibra de carbón es de manera preferente de 0.1 mm a 1.5 mm" y en particular de forma preferente de 0.2 mm a 0.4 m . A fin de volver a la hoja del material termoplástico hidrófoba, consiste de manera »- preferente de materiales sintéticos fluorados, tal como los productos por ejemplo THV y FEP de la compañía Dyneon. Pero también adecuados para el uso son los termoplásticos convencionales, tal como polipropileno. El espesor de la hoja es de manera preferente 0.01 mm' a 0.2 m . " La resistencia de difusión se puede ajustar dentro de límites amplios, dependiendo del propósito propuesto, al elegir el espesor de la hoja y las condiciones de prensado . La temperatura durante el prensado en caliente se selecciona de forma preferente en un intervalo que está algo por arriba a algo por abajo del intervalo de difusión del termoplástico usado. Las presiones de prensado de manera preferente están entre 10 bar y 100 bar, en particular se prefieren presiones de 30 bar a 80 bar. Si des posible, las fibras del papel de fibra de carbón no se deben romper debido al prensado. La otra superficie del papel de fibra de carbón se puede revestir con un electrodo de un material que contiene catalizador, o se puede colocar o prensar directamente sobre una membrana previamente catalizada. En este último caso, sin embargo, es ventajoso aplicar una capa de lisura que compensa la rugosidad de la superficie del papel de fibras de carbón, como se resume en el ej emplo 3.
Ejemplo 2 Los poros, en parte obstruidos con un material sintético de acuerdo con el ejemplo 1, también se pueden producir al enjuagar un papel de fibras de carbón con materiales sintéticos suspendidos, de manera preferente PTFE o THV. Puesto que es muy complicado lograr un gradiente en la dirección perpendicular a la superficie del papel por medio del remojo en sólo un papel de fibras de carbón, individual, se van a usar dos papeles de fibra de carbón, uno de los cuales que se supone que constituye la capa exterior: 3 que contiene una cantidad relativamente alta de material sintético de esta manera que da por resultado una mayor resistencia a la difusión y el otro de los cuales que se supone que constituye la capa interior 4 que contiene un número relativamente alto de poros no obstruidos. El segundo papel de fibras de carbón entonces se puede equipar con una capa de electrodo que contiene catalizador o con una capa que compensa la rugosidad del papel de fibras de carbón, como se muestra en el ejemplo 3, y se puede reemplazar entonces por prensar correspondientemente sobre la membrana - que puede estar catalizada o no catalizada. Las especificaciones referidas en el ejemplo 1 aplican también en la presente para ambos papeles de fibras de carbón. De forma específica —para el presente ejemplo, se usan dos papeles de fibra de carbón con un espesor de 0.17 mm para la primera capa 3 y de 0.35 mm para la segunda capa 4, fabricados por la compañía Toray (Japón) . El primer papel se rellena parcialmente con material sintético por remojo con una dispersión acuosa al 60% de PTFE seguido por secado a una mayor temperatura."- Un paso individual de proceso que consiste de remojo y secado, sin embargo, en general no es suficiente para lograr la resistencia deseada de difusión, y la repetición de este paso de proceso solamente adiciona cantidades mínimas sólo al papel de fibras de carbón puesto que el material sintético hidrófobo ya adsorbido impide la mayor parte de cualquier penetración adicional de la dispersión en los poros. Sólo se pueden lograr mayores proporciones de relleno por tratamientos al vació y compresión, realizados subsecuentemente uno después del otro, durante el proceso de impregnación. Después de que el papel de fibras de carbón se impregna los agentes activos en la superficie, restantes de la dispersión se extruyen térmicamente, propósitos para los cuales las temperaturas de 300°C a 400°C se aplican típicamente durante un corto tiempo. La capa terminada es extremadamente hidrófoba. Contiene 45% a 75% del material sintético si se aplica para _una estructura de difusión de gas en el lado del cátodo de una celda de combustible de PEM que se va a operar a presión ambiente y a una temperatura de celda a 70°C con enfriamiento con aire del compartimiento del cátodo. La conductividad de la capa no se afecta esencialmente por esto debido a que dentro del papel de fibras de carbón, no se disuelven las conexiones conductivas entre las fibras de carbón. El segundo papel de fibras de carbón, que se puede tratar para tener propiedades ligeramente hidrófobas, se compacta en prensa con el primer papel o sólo se adiciona durante el montaje de la celda .
E emplo 3 : Un sistema laminado con muy buenas propiedades de conductividad eléctrica, que tiene un gradiente adecuado en la resistencia de difusión, también se puede fabricar al aplicar una mezcla que consiste de un polvo eléctricamente conductor y de un aglutinante a un sustrato con una baja resistencia de difusión, por ejemplo, papeles de fibra de carbón. Específicamente para este ejemplo, se usa un papel de fibras de carbón, tratado para exhibir propiedades hidrófobas, con un volumen de poro de 68% y un espesor de 0.35 mm . En general, los papeles de fibras de carbón con las especificaciones referidas en el ejemplo 1 son adecuados. Una dispersión de polvo de grafito, THV (compañía Dyneon) o PTFE (por ejemplo, Hostaflon TF 5032) en fluidos de dispersión adecuados, acuosos se rocían sobre este sustrato en uno o varios pasos de rociado en tanto -que da tiempo a secar entre los pasos de rociado. Las soluciones acuosas entre los pasos de rociado. Las soluciones acuosas de uso de agente tensioactivo o mezclas que consisten de agua y tipos de alcohol se pueden usar como fluidos de dispersión. El polvo de carbón es preferentemente adecuado como un polvo eléctricamente conductor, y en particular preferidas son las partículas de carbón en forma globular tal como por ejemplo, las microcuentas de Mesocarbono obtenibles obtenibles de la compañía Osaka Gas Japón. De manera preferente, el vaciado se lleva a cabo en una mesa de vació que permite una remoción inmediata del fluido de dispersión en exceso por succión. Después del último paso de secado, las partículas sintéticas se sinterizan a temperaturas incrementadas, y se destruyen los agentes activos en la superficie. El porcentaje de aglutinante sintético es de manera preferente de 5% a 50% de la masa seca. La masa específica por área de la capa está preferentemente entre 30 g/m2 y 300 g/m2, particularmente preferido entre" 60 g/m2 y 120 g/m2. Después de que el paso de sinterización se termina, el sustrato con la capa aplicada se compacta con prensa entre 5 bar y 100 bar, de manera preferente a 30 bar a 8.0 bar a una temperatura incrementada. Para compensar la rugosidad del papel de fibras de carbón en el lado que da hacia la membrana o el catalizador, es útil aplicar una capa muy delgada de una dispersión que consiste de negro de carbón poroso (por ejemplo, Vulcan XC 72 por la compañía Cabot) y un aglutinante polimérico (por ejemplo PTFE) a manera de rociado, posiblemente en la mesa de vacío, secando y sinterizando subsecuentemente. Nuevamente, la proporción preferida de material sintético es de 5% a 50%. Está capa también se puede compactar con prensa usando las presiones indicadas anteriormente.
Ej emplo 4 Para propósitos de impregnar el papel de fibras de carbón, como una variación del ejemplo 2, es posible usar, en lugar del material sintético fluorado, una mezcla de partículas eléctricamente conductoras como por ejemplo un material fluorado sintético como un aglutinante. La ventaja es la conductividad eléctrica algo superior de la estructura de difusión de gas. Las partículas eléctricamente conductoras, adecuadas son grafito, negro de carbón conductor o fibras de carbón cortas. De forma específica, para el presente ejemplo, se puede usar para la impregnación una suspensión que consiste de 50 g de agua, 16.6 g de suspensión al 60% de PTFE y 10 g de grafito con un tamaño de partícula medio de 15 µm. Después de que se logra la masa de materia sólida apropiada para el propósito de aplicación (por ejemplo, 2 mg/cm2 a 10 mg/cm2) el material de capa se sinteríza a fin de solidificar la estructura y desintegrar térmicamente los materiales de dispersión complementarios. El proceso de impregnación logrado por secado intermitente, se puede repetir varias veces. En caso que también en paralelo a la superficie de la capa, un gradiente en la resistencia a la difusión se desea debido a la aplicación específica este gradiente se puede lograr fácilmente por medio de aplicar respectivamente diferentes números de pasos de impregnación en diferentes áreas parciales. Preferida en este caso es la impregnación de áreas parciales del electrodo de difusión a manera de aplicación por rociado de la suspensión y permitiendo solo humectar de acuerdo con el ejemplo 2 o ej emplo 4. El gradiente en la resistencia a la difusión perpendicularmente a la capa se puede lograr al unir otro papel de fibras de carbón ya sea en el lado que da la membrana o en el lado lejos de esta . En la alternativa, también se puede usar para este propósito una capa aplicada de acuerdo con el ejemplo 3 y que consiste de negro de carbón altamente poroso. Las posibles técnicas de aplicación son rociado, aplicación por cuchilla, por rodillos o impresión con estarcido. De manera preferente en la presente, se usan cargas de material sólido de 0.4 mg/cm2 a 3.5 mg/cm2.
Lista de Referencias (1) Plata recolectora de corriente (2) Canales para distribución de- los gases de reacción (3) Capas exteriores de la estructura ortogonal de difusión de gas (4) Capas interiores de la estructura ortogonal de "difusión de gas (5) Electrodo que contiene catalizador (6) Membrana de polímero-electrolito

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES 1. Una celda de combustible de membrana de polímero-electrolito que comprende un producto laminado de una membrana, un electrodo que contiene un catalizador, una capa de difusión de gas eléctricamente conductora, porosa y una placa recalectora de corriente que tiene una estructura de canal de distribución de gas, la celda tiene un gradiente de permeabilidad a gas, el gradiente que está presente al menos en una área parcial, en el producto laminado en la dirección perpendicular a la membrana, con una mayor permeabilidad a gas más cerca a la membrana, una menor permeabilidad a gas más cerca a la placa recolectora de corriente, en donde en la operación de la membrana por una reacción de hidrógeno-oxígeno, se produce en agua y calor, caracterizado en que el gradiente de permeabilidad a gas existe en la capa de difusión de gas que está adyacente al electrodo que contiene un catalizador, y que al menos en el área espacial de la capa de difusión del gas, la permeabilidad a gas más cerca a la placa recolectora de corriente es menor a un grado que en la vecindad de la membrana, que una composición de gas se presenta, que sobre la superficie de la membr na es aproximadamente constante, y el agua que a la temperatura de operación se genera en forma de vapor crea una corriente de difusión de vapor de agua a través de la capa de difusión de gas tal que se mantiene materialmente un contenido de humedad de la membrana que es óptimo para la conductividad.
  2. 2. La celda de combustible según la reivindicación 1, caracterizada en que la capa de difusión de gas eléctricamente conductora consiste de una pluralidad de capas parciales que se siguen cada una entre si a lo largo del espesor, las permeabilidades específicas a gas de estas capas parciales se incrementan hacia el lado de la membrana desde una capa parcial a la próxi a.
  3. 3. La celda de combustible según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada en que la capa de difusión de gas eléctricamente conductora tiene una mayor densidad de volumen de poro en las zonas con la mayor permeabilidad a gas que en las zonas con menor permeabilidad a gas.
  4. 4. La celda de combustible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada en que la capa de difusión de gas tiene un gradiente de permeabilidad a gas también en una dirección paralela a la membrana.
  5. 5. El método para producir una celda de combustible de membrana de polímero-electrolito según cualquiera de las rei indicaciones 1 a 4, la celda comprende una capa de difusión de gas, eléctricamente conductora, porosa que se arregla a lo largo de una membrana con un electrodo que contiene un catalizador que se arregla entre estos, el método comprende producir esta capa de difusión de gas, con un gradiente de permeabilidad a gas, en la dirección del espesor, caracterizado en que la capa de difusión de gas # se produce con un permeabilidad a gas que se incrementa en la dirección hacia la membrana. 6J El método según la rei indicación 5, caracterizado en que la capa de difusión de gas se produce en la forma de al menos dos capas parciales con diferentes permeabilidades a gas, y que en la celda de combustible, la capa o capas parciales que tienen mayor permeabilidad a gas se localizan en la membrana. 7. El método según la reivindicación 6, caracterizado en que las diferentes permeabilidades a gases se obtienen al producir diferentes densidades de volumen de poro. 8. El método según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado en que la capa de difusión de gas se produce de papel poroso de fibras de carbón y que para obtener la diferente permeabilidad a gas, los poros del papel de fibras de carbón cerca a una de sus superficies se cierra parcialmente por un material sintético termoplástico al poner encesta superficie una hoja mientras que se ejerce presión y temperatura elevada . 9-. El método según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado en que para obtener las diferentes permeabilidades a gases, iniciando desde un material de capa que tiene permeabilidad uniforme a gas, los poros de la capa porosa de difusión de gas están parcialmente cerrados con una suspensión de partículas plásticas . 10. El método según la reivindicación 9, caracterizado en que la capa de difusión de gas se produce de papel poroso de fibras de carbón y la suspensión se introduce en el papel de fibras de carbón por remojado y secado. 11. El método según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado en que para obtener las permeabilidades a gas no" uniformes, iniciando de un material de capa que tiene permeabilidad uniforme a gas, en una de las superficies de la capa de difusión de gas, se deposita una capa adicional de partículas eléctricamente conductoras y partículas aglutinantes . 12. El método según la reivindicación 11, caracterizado en que la capa adicional se deposita al dispersar las partículas conductoras que consisten de manera preferente de carbón y las partículas aglutinantes que consisten de forma preferente de material fluorado, sintético en una suspensión y rociar esa suspensión sobre la superficie respectiva de la capa de difusión de gas, luego secar y posiblemente sinterizar la capa.
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