ES2567453T3 - Compartimento de electrodo para una célula electroquímica, un sistema refrescante para éste y una emulsión para ser usada en él - Google Patents

Compartimento de electrodo para una célula electroquímica, un sistema refrescante para éste y una emulsión para ser usada en él Download PDF

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Abstract

Compartimento de electrodo para una célula electroquímica que comprende una micro-emulsión bicontinua, donde partes catalíticas son generadas in situ en una reacción de precipitación en dicha micro-emulsión bicontinua.

Description

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Compartimento de electrodo para una celula electroqufmica, un sistema refrescante para este y una emulsion para ser usada en el
[0001] La presente invencion se refiere a un compartimento de electrodo para una celula electroqufmica.
Ademas, la invencion se refiere a un sistema refrescante para un compartimento de electrodo segun la invencion.
La invencion tambien se refiere a una emulsion para usar con un compartimento de electrodo segun la invencion.
Al mismo tiempo, la invencion se refiere a una celula electroqufmica que contiene tal compartimento de electrodo.
[0002] Celulas electroqufmicas son muyes conocido en la tecnologfa.
Una celula de combustible es un ejemplo de una celula electroqufmica.
Un sistema de celula de combustible ha sido descrito por J. Esquivel et al: “A novel method to prepare magnetic nanoparticles: precipitation in bicontinuous microemulsions”, Journal of Materials Science, vol. 42, n° 21, 20 julio 2007, paginas 9015-9020.
De aquf en adelante nos referiremos principalmente a una celula de combustible como una celula electroqufmica.
Sin embargo, se debe entender que otras celulas electroqufmicas son tambien adecuadas para aplicar en la presente invencion.
Basado en la descripcion dada de aquf en adelante, un especialista en esta tecnologfa facilmente sera capaz de decidir otras areas de aplicacion para el compartimento de electrodo segun la invencion.
[0003] De aquf en adelante nos referiremos especfficamente asf llamadas celulas de combustible de temperatura baja donde hidrogeno y oxfgeno se utilizan para proporcionar una energfa electrica.
Mas especfficamente, la celula de combustible polimerica se puede aplicar aquf, una llamada “celula de combustible de membrana de intercambio de protones” (PEMFC), donde hidrogeno se aplica como un portador de energfa.
Tal celula de combustible tiene una eficiencia electrica de entre 45%-90%, dependiendo de la calidad de la celula y las circunstancias.
[0004] Una desventaja de la PEMFC conocida es el coste para generar una energfa electrica, ponderado contra el rendimiento (cantidad de energfa generada).
La cantidad de platino necesitada en las celulas de combustible modernas es una causa para la mala proporcion de precio/rendimiento en este momento.
[0005] Asf, la presente invencion intenta proporcionar un compartimento de electrodo mejorado para una celula electroqufmica.
[0006] Mas especfficamente, de acuerdo con reivindicacion 1 la invencion intenta proporcionar un compartimento de electrodo alternativo para los compartimentos de electrodo aplicados en este momento.
[0007] Ademas, la invencion intenta proporcionar un compartimento de electrodo donde un catalizador tiene una eficiencia mejorada o una accesibilidad mejorada para los reactivos.
[0008] Ademas de eso, la invencion intenta proporcionar un sistema refrescante para un compartimento de electrodo segun la invencion.
Ademas, la invencion intenta proporcionar una emulsion para usar con el compartimento de electrodo segun la invencion.
[0009] Una celula electroqufmica es tambien parte de la invencion, por la cual esta celula contiene un compartimento de electrodo segun la invencion descrita anteriormente.
[0010] Al menos uno de los objetivos anteriormente mencionados se proporciona mediante un compartimento de electrodo para una celula electroqufmica, con una emulsion con partes de catalizador en un fluido.
Debido a que las partes de catalizador se contienen en el fluido, la accesibilidad de las partes de catalizador es inmensamente mejorada.
Las partes de catalizador son generadas in situ en la micro-emulsion bicontinua.
Esto ocurre anadiendo primero un complejo metalico (oxidante y tambien reducible para catalizador) a la fase acuosa de la primera micro-emulsion bicontinua.
Siguiente, un reductor es disuelto en la fase acuosa de una segunda micro-emulsion bicontinua.
Ambas emulsiones se mezclan para crear una micro-emulsion bicontinua donde las partes de catalizador son formadas, debido a que el complejo metalico se reduce cuando entra en contacto con el reductor.
[0011] El compartimento de electrodo segun la invencion puede hacerse como un compartimento de catodo y como un compartimento de anodo.
Por la presente un oxidador se puede suministrar al compartimento de catodo y un combustible se puede suministrar al compartimento de anodo.
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Con este fin los compartimentos sera equipados con un sistema de suministro para anadir oxfgeno respectivamente combustible.
[0012] En esta invencion las partes de catalizador se absorben en un fluido.
Esto ofrece la ventaja de que despues de determinado tiempo operativo, cuando la parte de las partes de catalizador u otras sustancias se vuelven inactivas, el fluido puede sencillamente ser refrescado.
Por ejemplo, un sistema refrescante puede disponer de un contenedor de reserva para una emulsion y un contenedor de almacenamiento para emulsion usada, conductos para conectar ambos contenedores con el compartimento de electrodo y una unidad de transporte para mover la emulsion del compartimento al contenedor de almacenamiento para emulsion usada y para mover la emulsion fresca del contenedor de reserva para la emulsion fresca al compartimento de electrodo.
Una unidad de transporte podrfa ser una bomba, por ejemplo.
[0013] Este hara posible mover al menos la emulsion parcialmente usada con una actividad disminuida, del compartimento de electrodo al contenedor de almacenamiento para emulsion usada.
Siguiente, o simultaneamente, la emulsion fresca se puede suministrar al compartimento de electrodo del contenedor de reserva para emulsion fresca.
[0014] Es incluso posible, dentro del campo de la invencion, administrar una celula electroqufmica de manera que tenga lugar un refrescante continuo con emulsion en el compartimento de electrodo.
En particular, esto puede ser util cuando el catalizador rapidamente se vuelve inactivo.
[0015] Segun la invencion la celula electroqufmica comprende ademas preferentemente medios de suministro suministrar al menos uno de un oxidador, un reductor y un fluido para o del compartimento de electrodo.
[0016] Por ejemplo, esos medios pueden ser conductos, unidades de transporte y contenedores de reserva.
[0017] La invencion tambien proporciona un sistema refrescante para un compartimento de electrodo segun la invencion, incluido un contenedor de reserva para una emulsion y las otras partes como se ha descrito anteriormente.
[0018] El sistema refrescante segun la invencion comprende preferentemente contenedores de reserva y medios de suministro para suministrar al menos uno de un oxidador, un reductor, un catalizador y un fluido al compartimento de electrodo.
[0019] Finalmente de acuerdo con la reivindicacion 7 la invencion se refiere a una emulsion para un compartimento de electrodo como se ha descrito anteriormente, incluidas una fase hidrofflica, una fase hidrofobica y una sustancia tensioactiva.
La emulsion tambien contendra un catalizador en al menos una de la fase hidrofflica y las fases hidrofobicas.
[0020] La emulsion segun la invencion se puede aplicar en diferentes formas.
La emulsion concierne una micro-emulsion bicontinua que se forma por combinacion de la fase hidrofflica, fase hidrofobica y la sustancia tensioactiva.
Por ejemplo, una fase hidrofflica se puede emulsionar en la fase hidrofobica, o la fase hidrofobica se puede emulsionar en la fase hidrofflica.
Sin embargo, tambien puede formarse una estructura bicontinua.
Siguiente, una sal o un complejo metalico del material de catalizador puede despues ser suministrado a la fase hidrofflica de una de las emulsiones.
Un material de reduccion se puede suministrar a una emulsion correspondiente.
Cuando estas dos emulsiones son mezcladas, tendra lugar una reaccion de precipitacion sobre la que las partes de catalizador son formadas.
Un primer ejemplo de sales, complejos metalicos y material de reduccion que se pueden aplicar como una combinacion son lo siguiente:
- Complejo metalico: H2PtCl6
- Reductor: N2H4
[0021] Cuando partes de catalizadoras de platino combinado (Pt) son formadas.
El catalizador no tiene preferencia por H2 u O2.
Pt se adecua para ambos.
-Complejo metalico: RuCh -Reductor: NaBH4
[0022] Cuando partes de catalizador de rutenio combinado (Ru) son formadas.
El catalizador no tiene preferencia por H2 u O2.
[0023] Los complejos metalicos son de hecho precursores para las partes de catalizador.
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Otros precursores diferentes a los anteriormente mencionados y que se pueden aplicar de forma similar son, por ejemplo:
A. Precursores de platino
i. H2PtCl6 (acido hexacloroplatfnico) o H^PtC^.xl-hO (hidrato de acido de platino de hexacloruro)
ii. K2PtCl4 (tetracloroplatinato (II) de potasio) o K2PtCl4.xH2O (hidrato de tetracloroplatinato (II) de potasio)
iii. Pt(NH3)4(NO3)2 (nitrato de tetraminplatino)
iv. Pt(C5-7O2)2 (platinato (II) acetilacetonato)
B. Precursores de rutenio
i. Ru(NO)(NO3)3 (nitrosilnitrato de rutenio (III)
ii. Ru(dip)3Cl2 donde dip = 4,7-difenil-1,10-fenantrolina (Rutenio-tri-dip-cloruro),
iii. RuCl3 (cloruro de rutenio)
C. Precursores de paladio
i. Pd(NO3)2 (nitrato de paladio)
D. Precursores de nfquel
i. NiCl2 (cloruro de nfquel) o NiCl2.xH2O (hidrato de cloruro de nfquel)
ii. Ni(NO3)2 (nitrato de nfquel) o Ni(NO3)2 (hidrato de nitrato de nfquel)
iii. Ni(CH3COO)2 (acetato de nfquel) o Ni(CH3COO)2 xH2O (hidrato de acetato de nfquel)
iv. Ni(AOT)2 donde AOT = acido Bis(2-etilhexilo)-sulfo-amber (sal de nfquel de AOT)
E. Agentes reductores
i. gas H2 (hidrogeno)
ii. NaBiI4 (hidruro de boro de sodio)
iii. NaHsO3 (bisulfito de sodio)
iv. N2H4 (hidracina) o N2H4.xH2O (hidrato de hidracina)
v. C2H4(CH)2 (etilenglicol)
vi. CH3OH (metanol)
vii. C2H5OH (etanol)
[0024] Los siguientes oxidantes son los ejemplos de sustancias que se pueden aplicar con los precursores/catalizadores anteriormente mencionados.
Las preferencias de estos oxidantes son de la siguiente manera:
A. Oxidantes
i. Oxfgeno: tiene la interaccion mas fuerte con platino, despues paladio, nfquel y rutenio
ii. Aire: identico como por encima, pero la fisisorcion de nitrogeno afecta la adsorcion de oxfgeno que disminuye la eficiencia.
iii. Cloruro: afinidad maxima para nfquel, luego rutenio, seguido de paladio y platino (no completamente determinado)
iv. Dioxido de cloruro: lo mismo que arriba para cloruro (no completamente determinado)
B. Combustibles
i. Hidrogeno: mejores resultados con paladio, luego nfquel, platino y rutenio
ii. Alcohol (metanol, etanol, ...): platino es mejor, se envenena facilmente, paladio y nfquel y finalmente rutenio (no completamente determinado)
iii. Alcanos: C1, C2, C3, C4, C5, C5, C7 y ademas, como metano (C1) a heptano (C7), etcetera
iv. Acidos: acido carbonico (H2CO3), etcetera.
[0025] Una ventaja principal de la presente invencion es que una celula electroqufmica puede ser hecha facilmente, que la celula electroqufmica es muy flexible de aplicar, por ejemplo, al cambiar la concentracion o la naturaleza del catalizador, oxidador, reductor, etc. y que los compartimentos de electrodo contienen una emulsion de autocuracion. Lo ultimo se debe al hecho de que los cambios de concentracion en el fluido del compartimento de electrodo se neutralizan por mezcla natural.
[0026] Evaporacion de fluido, si el fluido es un lfquido, o evasion de gas, si el fluido es un gas, pueden facilmente ser equilibradas por fluido adicional de suministro.
Tal suministro puede llevarse a cabo a medida que se refresca el fluido.
[0027] Se ha observado como ventaja de la presente invencion que las partes de catalizador sintetizado en la microemulsion segun la invencion corresponden con los compartimentos de electrodo aplicado en la practica.
Es destacable que la cantidad de platino, que por ejemplo se usa como un catalizador, es un factor 1.000 mas bajo en los presentes compartimentos de electrodo en comparacion con los electrodos conocidos por la tecnologfa moderna.
Asf, utilizar la presente invencion inmensamente disminuira los costes en comparacion con las celulas electroqufmicas conocidas por la tecnologfa moderna.
Es tambien una ventaja que producir una celula electroqufmica segun la invencion es mucho mas simple que con la tecnologfa del estado de la tecnica.
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[0028] Arriba ya hemos descrito como la emulsion, especfficamente una micro-emulsion e incluso mas especfficamente una micro-emulsion bicontinua, se puede producir por combinacion y mezcla de dos emulsiones. Otra posibilidad es absorber una pasta con los catalizadores correspondientes en una fase acuosa o hidrofobica, una fase acuosa preferentemente.
De esta manera, por ejemplo, el catalizador se puede absorber en la fase hidrofflica de la emulsion sin una reaccion de redox.
[0029] En un experimento, descrito de aquf en adelante, una celula electroqufmica, en este caso una celula de combustible, se produce con un compartimento de electrodo segun la presente invencion.
El compartimento de anodo consistio en el compartimento de electrodo segun la invencion, mientras el compartimento de catodo consistio en un catodo conocido en la tecnologfa.
Una membrana de intercambio de proton conocida en la tecnologfa ha sido colocada en medio de estos dos compartimentos.
[0030] La figura 1 muestra una vista esquematica de la celula de combustible.
La figura 2 muestra un resultado de prueba VI.
[0031] La figura 1 muestra una seccion esquematica de un celula de combustible 1, con un lado de anodo 2 con un anodo 4 y un lado de catodo 3 con un catodo 5.
Una membrana de intercambio de proton 6 es colocada entre ambos.
Combustible, por ejemplo hidrogeno 11, se dirige a traves de un sistema de suministro 7 con la capa de difusion de gas 2' en el lado de anodo.
En el anodo 4, una molecula de hidrogeno se divide en un proton 13 y un electron 12 al entregar un electron.
Esta division es estimulada por el catalizador 18.
Combustible sin usar posiblemente sera quitado del lado de anodo 2 mediante un drenaje 8.
En el lado de catodo 3, un oxidador, por ejemplo oxfgeno 14, se dirige a traves de un sistema de suministro 9 a una capa de difusion de gas 3'.
Oxfgeno reacciona con protones 13, que se dirigen mediante un ion de HO 17 a traves de la membrana de intercambio de proton al catodo.
En este procesa el oxfgeno 14 se divide en O2- iones 16 que se combinan con los protones 13, en los electrones de absorcion 12 que se dirigen al catodo mediante un conductor 20, 21 en el exterior de celula 1, y un consumidor corriente, por ejemplo una lampara 22.
La molecula de agua aquf formada 23 se quita mediante un drenaje 10.
El calor creado durante la reaccion es tambien quitado del lado de catodo 3.
En ambos compartimentos de electrodo, carbono de conduccion 19 ha sido absorbido para facilitar la conduccion de los electrones 12.
Fluido de catalizador fresco se puede suministrar a ambos compartimentos de electrodo 4, 5 a traves de los conductos 24, 25.
El fluido (usado), que ya estaba dentro de los compartimentos de electrodo, se puede quitar a traves de los drenajes 26, 27.
[0032] Los resultados de la prueba VI mostrada en la figura 2 muestran que la celula electroqufmica da una imagen muy estable con una reduccion lineal pequena en la corriente electrica entre 50 miliamperios y 550 miliamperios.
El voltaje a aprox. 550 miliamperios es aproximadamente 600 milivoltios.
A 50 miliamperios el voltaje es aproximadamente 800 milivoltios.
[0033] Una prueba de durabilidad indicada que el compartimento de electrodo segun la invencion permanece muy estable.
Ejemplo: micro-emulsion de sfntesis Material
[0034] Bis(2-etilhexil) sal de sodio de acido sulfo-succfnico (AOT; 98%), n-heptano (>99,9%, hidrato de acido de platino de cloro (H2Ptcl6xH2O; >99,9%), N2H4xH2O, 100%), agua desmineralizada.
Sfntesis
[0035] Dos micro-emulsiones bicontinuas se preparan separadamente mediante la mezcla de agua desmineralizada, n-heptano y AOT.
Bicontinuidad se encuentra a 20 % en peso de agua y un fndice de peso de n-heptano-AOT de 2.
En la fase acuosa de una de las micro-emulsiones, el complejo metalico (H2PtCls) se anade de antemano.
En la fase acuosa de la otra micro-emulsion, el reductor (N2H4) es disuelto.
Cuando ambas micro-emulsiones han sido producidas, son mezcladas.
[0036] De esta manera las partes de catalizador de platino son formadas in situ en la micro-emulsion bicontinua.
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Celula de combustible de experimento Material:
[0037]
1. Membrana de Nafion® ALFA42177.VA de la empresa VWR internacional, Basisweg 34,1043AP Amsterdam, Pafses Bajos.
2. Papel carbon de Toray, Teflonated, TGP-60 de la empresa Alfa Aesar GmbH & Co KG, Zeppelinstrasse 7, 76185 Karlsruhe, Alemania.
3. Carbon Black Vulcan® XC 72R de la empresa Sepulchre SA/NV, Waterlelienlaan - Av. des Nenuphars 19 / B.6-1160, Bruselas, Belgica.
4. Micro-emulsion auto-ensamblada y con crecida en las partes de nano de platino de DelftChemTech, Technische Universiteit Delft, Julianalaan 136, 2628BL Delft, Pafses Bajos.
Equipo:
[0038]
1. Celula de combustible de membrana de intercambio de proton (PEMFC) de la empresa h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH, Hydrogen Energy Systems, Lindenstrasse 48a, D-23558 Luebeck, Alemania.
2. Electrolizadores que producen hidrogeno y oxfgeno de las varias fuentes.
3. Voltfmetro, medidor de amperio, diferentes resistores y cableado electrico de varias fuentes.
4. Cristalerfa (retortas conicas, placas, pipetas o cilindros de medicion) de varias fuentes.
5. Cuchillo de medico, llave inglesa y llave Allen, espatula de varias fuentes.
[0039] La micro-emulsion bicontinua esta totalmente cubierta por un compartimento de electrodo que es parte de una celula de combustible.
En este experimento un catodo con un diseno comercial ha sido tomado.
El anodo consiste en la micro-emulsion bicontinua.
Despues, en el lado de anodo H2 y en el lado de catodo O2 aparece, usando un electrolizador.
Luego la curva VI de esta celula de combustible es medida.
[0040] En otras variantes, desviacion de los disenos especfficos anteriormente descritos son posibles en las medidas de proteccion de las siguientes conclusiones.
Por ejemplo, ambos compartimentos de electrodo de una celula electroqufmica pueden ser hechos segun la invencion.
Ademas, dependiendo del diseno practico, si el oxidador especffico anteriormente mencionado es por ejemplo oxfgeno, otro oxidador puede siempre usarse, por ejemplo aire o cloruro o dioxido de cloruro, dependiendo del tipo de catalizador u otras sustancias usadas en el sistema.
Esto se aplica analogamente al reductor/combustible que se puede usar en el sistema.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Compartimento de electrodo para una celula electroqufmica que comprende una micro-emulsion bicontinua, donde partes catalfticas son generadas in situ en una reaccion de precipitacion en dicha micro-emulsion bicontinua.
  2. 2. Compartimento de electrodo segun la reivindicacion 1, como un compartimento de catodo.
  3. 3. Compartimento de electrodo segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por el hecho de que incluye un sistema de suministro para suministrar oxfgeno al compartimento.
  4. 4. Compartimento de electrodo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que es parte de un sistema refrescante con un contenedor de reserva para una emulsion y un contenedor de almacenamiento para emulsion usada, conductos para conectar cada uno de los contenedores con el compartimento de electrodo y una unidad de transporte, por ejemplo una bomba, para mover la emulsion.
  5. 5. Compartimento de electrodo segun la reivindicacion 4, caracterizado por el hecho de que el sistema tambien comprende medios de suministro para suministrar al menos uno de un oxidador, un reductor y un fluido.
  6. 6. Celula electroqufmica, que incluye un compartimento de electrodo segun una de las reivindicaciones 1-5.
  7. 7. Micro-emulsion bicontinua que incluye una fase hidrofflica, una fase hidrofobica y una sustancia tensioactiva; asf como un catalizador en como mfnimo una de la fase hidrofflica y fase hidrofobica, donde dicho catalizador ha sido generado in situ en una reaccion de precipitacion por reduccion de un complejo metalico, dicha micro-emulsion bicontinua se puede obtener mediante la mezcla (i) de una primera micro-emulsion bicontinua que comprende una fase hidrofflica, una fase hidrofobica y un agente tensioactivo, a dicha micro-emulsion bicontinua se suministra una sal o un complejo metalico de un material de catalizador en la fase hidrofflica, y una (ii) segunda micro-emulsion bicontinua que comprende una fase hidrofflica, una fase hidrofobica y un agente tensioactivo, ademas con un material de reduccion, donde al realizar la mezcla tiene lugar una reaccion de precipitacion en la que se forma el catalizador.
  8. 8. Sistema refrescante para un compartimento de electrodo segun una de las reivindicaciones 1-3, que consiste en un contenedor de reserva que comprende una micro-emulsion bicontinua segun la reivindicacion 7, y un contenedor de almacenamiento para micro-emulsion bicontinua usada, conductos para conectar cada uno de los contenedores con el compartimento de electrodo y una unidad de transporte para mover la emulsion.
  9. 9. Sistema refrescante segun la reivindicacion 8, con contenedores de reserva y medios de suministro para suministrar al compartimento de electrodo al menos uno de un oxidador, un reductor y un fluido.
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