ES2858698T3 - Electrodo basado en carbono con grandes dimensiones geométricas - Google Patents

Abstract

Un electrodo basado en carbono con una gran área de la superficie geométrica (con una longitud de al menos 20 cm y una anchura de al menos 20 cm) que comprende una estructura de un material eléctricamente conductor con varios recortes con una área de superficie, dichos recortes están separados entre sí por porciones del material conductor, en el que los subelectrodos basado en carbono, dimensionados para cubrir al menos el área de la superficie de los recortes, están colocados en los recortes y conectados de manera conductora a, al menos, parte de cada una de las porciones del material conductor adyacentes a los subelectrodos basados en carbono.

Description

DESCRIPCIÓN

Electrodo basado en carbono con grandes dimensiones geométricas

La presente invención se refiere a un electrodo basado en carbono con una superficie aumentada en comparación con los electrodos basados en carbono existentes, en particular a un electrodo basado en carbono con una área de la superficie geométrica que es mayor en comparación con los electrodos basados en carbono existentes.

Las reacciones electroquímicas han despertado un interés significativo porque la técnica abre nuevas posibilidades para un uso más eficaz de los recursos y permite una transformación directa de energía eléctrica en energía química o viceversa, al mismo tiempo que reduce la producción de calor residual. Además de esto, la velocidad de reacción y la selectividad pueden controlarse adaptando uno o más de entre el potencial del electrodo, el catalizador, la estructura de la superficie y las concentraciones en la celda electroquímica. En celdas electroquímicas en las que un reactivo gaseoso se somete a una reacción de oxidación o de reducción, el electrodo de difusión de gas poroso contenido en su interior se ha identificado como un componente crítico, pero decisivo.

Se ha descubierto que la aplicación industrial de las tecnologías de conversión electroquímica depende en gran medida de la escala a la que se puede explotar. La disponibilidad de reactores electroquímicos de dimensiones considerables y diseños rentables es un requisito básico si se concibe una tecnología de conversión electroquímica económicamente viable.

Los reactores electroquímicos se pueden construir a partir de una pluralidad de celdas electroquímicas individuales que están conectadas eléctricamente, ya sea en una disposición unipolar o bipolar. En una disposición bipolar, la placa bipolar conecta celdas eléctricamente adyacentes en serie y los electrones generados o consumidos en la reacción electroquímica fluyen en la dirección perpendicular al plano del electrodo en la placa bipolar. La placa bipolar también conecta el ánodo de una celda y el cátodo de la celda adyacente. En una disposición unipolar, todos los cátodos están conectados eléctricamente en paralelo, y todos los ánodos están conectados eléctricamente en paralelo, y todo el conjunto se sumerge en un solo baño o depósito de electrolitos.

Los electrodos actuales basados en carbono unipolares se componen típicamente de una capa de un material electroquímicamente activo, en particular un material catalíticamente activo dispuesto en una matriz de un material de carbono activo poroso, que normalmente se aplica encima de un distribuidor de densidad de corriente poroso eléctricamente conductor, a menudo en forma de malla porosa. El distribuidor conductor de densidad de corriente añade la conductividad dentro del plano requerida al electrodo en la dirección a lo largo de la dirección del flujo de corriente principal, y también puede añadir conductividad dentro del plano en la dirección transversal del mismo. El distribuidor conductor de densidad de corriente proporciona además soporte mecánico y dimensional a la capa electroquímicamente activa del electrodo. Las rejillas o mallas metálicas con una baja resistencia eléctrica hechas de una variedad de aleaciones en una amplia combinación de espesores y áreas abiertas, están disponibles comercialmente y se usan típicamente. Un ejemplo particular de dicho distribuidor de densidad de corriente, que se ha desarrollado en VITO, se describe en la solicitud Pc T PCT/EP2014/053737.

Mientras que los reactores electroquímicos que contienen electrodos con grandes dimensiones geométricas del orden de 0,5 a 1 m2, por ejemplo, están ampliamente disponibles cuando la superficie activa del electrodo es metálica, las aplicaciones de los electrodos de difusión de gas basados en carbono se limitan, en la práctica, al uso de electrodos con un tamaño máximo de unos pocos cientos de cm2 por celda individual. Por consiguiente, el procesamiento de grandes volúmenes de reactivos exige una disposición en la que un gran número de celdas electroquímicas individuales, cada una equipada con un electrodo de difusión de gas, estén conectadas en la dirección perpendicular al plano del electrodo, lo que conlleva unos requisitos poco prácticos en términos de espacio y componentes.

Desafortunadamente, la producción de electrodos basados en carbono de grandes dimensiones no es obvia. El material poroso del electrodo de carbono es frágil y quebradizo y, en consecuencia, la producción de una lámina o placa de electrodo grande y delgada requiere técnicas de fabricación especiales como fundición o calandrado y un alto grado de habilidad. Además de estos desafíos encontrados ya en la fabricación del electrodo de difusión de gas, sencillamente aumentar el tamaño del electrodo presenta otras desventajas, como debilidad mecánica del electrodo y pérdidas óhmicas durante el funcionamiento.

Los esfuerzos para abordar las limitaciones de fabricación se adaptaron principalmente en torno a adaptaciones en la composición de la capa activa, como, por ejemplo, se describe en las publicaciones de patentes japonesas JPH04169070, US 4777083 y JPS63130791, pero estas soluciones no son en general compatibles y dependen de la naturaleza de la capa activa. La soldadura de varios electrodos en forma de placa en la parte superior de un sustrato conductor geométricamente de gran tamaño como se describe en EP1229149A1 no puede considerarse una técnica adecuada para su uso con electrodos basados en carbono, y, por supuesto, no para su uso con electrodos de difusión de gas basados en carbono, ya que ninguno de los dos componentes, el electrodo o la placa de soporte, permite la difusión de gas. Además, el espacio entre los electrodos adyacentes es de naturaleza aislante y la presencia del material de soldadura crea nuevos potenciales de tensión.

En JPH04169070 se mezclan polvos carbonosos de dos tamaños de partículas diferentes y se utilizan como componente de relleno de un adhesivo, con el propósito de formar una capa de adherencia en la que las partículas conductoras finas en el momento del horneado y carbonización, se encuentran contenidas dentro de una resina termoendurecible. La viscosidad del adhesivo debe mantenerse entre 500-5000 poises y formar una capa de 50-200 |jm de espesor. La capa de adherencia se une a una placa de electrodo carbonosa porosa para endurecer bajo presurización y calentamiento y se hornea y carboniza a 800 °C o más en una atmósfera no oxidante. Sin embargo, este proceso para producir el electrodo es duro, consume energía y, como consecuencia, es caro.

De lo anterior resulta evidente que un electrodo basado en carbono con grandes dimensiones geométricas no se puede obtener sencillamente mediante la expansión lineal del tamaño de los electrodos basados en carbono existentes.

Por consiguiente, se ha vuelto deseable, de forma similar a los electrodos metálicos de placa delgada geométricamente de gran tamaño, proporcionar electrodos basados en carbono con dimensiones geométricas sustancialmente mayores en longitud y anchura que las conocidas hasta ahora, que sean adecuados para su uso tanto con un ánodo como con un cátodo en electrodos de difusión de gas.

Por lo tanto, la presente invención busca resolver el problema de proporcionar un electrodo basado en carbono de tamaño geométricamente grande, que sea adecuado para su uso con un ánodo y un cátodo en electrodos de difusión de gas.

Este problema se resuelve según la presente invención con un electrodo basado en carbono que muestra los rasgos característicos técnicos de la parte de caracterización de la primera reivindicación.

A este respecto, la presente invención se refiere a un electrodo basado en carbono con una superficie aumentada que comprende una estructura de un material conductor con varios recortes con una área de la superficie, dichos recortes están separados entre sí por porciones del material conductor, en el que los subelectrodos basados en carbono, dimensionados para cubrir al menos el área de la superficie de los recortes, se colocan en los recortes y se conectan de manera conductora a, al menos, parte de cada una de las porciones del material conductor adyacente a los subelectrodos basados en carbono.

En un electrodo basado en carbono de este tipo, el área total de la superficie activa del electrodo estará formada por las superficies combinadas de los subelectrodos individuales, y la integración de los subelectrodos en una estructura asegura una buena robustez mecánica. La presente invención presenta la ventaja de que el proceso de fabricación utilizado actualmente para fabricar los subelectrodos se puede mantener y no necesita adaptarse para hacer que los subelectrodos sean adecuados para su uso con la presente invención. Puesto que los subelectrodos no se colocan encima de una placa metálica de soporte continua, sino que se encajan en recortes o huecos en una estructura de soporte conductora o similar, la accesibilidad de todos los lados de la superficie activa de los subelectrodos está asegurada y se permite la difusión de gases reactivos a la capa catalíticamente activa desde todos los lados. Por tanto, la actividad catalítica individual de cada uno de los subelectrodos puede al menos mantenerse.

Además, dependiendo de la disposición de los subelectrodos en la estructura, se pueden garantizar propiedades homogéneas del electrodo en toda la superficie de la gran superficie geométrica del electrodo y una distribución uniforme de la densidad de corriente. Sin embargo, si se desea, mediante una disposición diferente de los subelectrodos, las propiedades de los electrodos pueden ser también anisotrópicas, o variar sobre la superficie del electrodo según un patrón deseado.

La presente invención presenta la ventaja sobre las soluciones del estado de la técnica a la necesidad de áreas de electrodos más grandes de electrodos basados en carbono, donde varios electrodos se apilan en la dirección perpendicular al plano de los electrodos, para permitir reducir el volumen o espacio requerido para un reactor capaz de procesar grandes volúmenes de líquido por unidad de tiempo. Cuando es necesario procesar grandes volúmenes por unidad de tiempo, la estrategia de apilamiento da como resultado un gran espacio requerido para la instalación y una gran cantidad de costosos componentes de celda y equipos periféricos. La presente invención permite mantener dichos costes relacionados con el gran número de componentes de celda y aparatos periféricos requeridos al mínimo.

La presente invención proporciona una solución al problema de que un electrodo basado en carbono con grandes dimensiones geométricas no puede producirse sencillamente mediante la expansión lineal del tamaño de los electrodos basados en carbono existentes. Esto puede ser difícil de realizar desde un punto de vista técnico, ya que deben garantizarse las propiedades homogéneas de los electrodos en la superficie entera del electrodo, y debe garantizarse una estabilidad mecánica y dimensional suficiente independientemente de las grandes dimensiones geométricas del orden de 0,5 hasta 1 m2. La presente invención también resuelve el problema de que puede garantizarse una distribución adecuada y uniforme de la densidad de corriente sobre todo el área de la superficie del electrodo.

Con el fin de minimizar el riesgo de diferencias de potencial en la interfaz donde los subelectrodos basados en carbono están conectados de manera conductora a, al menos, parte de cada una de las porciones del material conductor adyacente a los subelectrodos basados en carbono, una realización preferida de la presente invención se caracteriza por que cada uno de los subelectrodos contiene un distribuidor de densidad de corriente, y porque el distribuidor de densidad de corriente de cada uno de los subelectrodos está conectado a, al menos, parte de cada una de las porciones del material conductor adyacente al subelectrodo basado en carbono que contiene el distribuidor de densidad de corriente.

Con el fin de minimizar el riesgo de aparición de diferencias de potencial en la interfaz donde el subelectrodo basado en carbono está conectado de forma conductora a la estructura de material conductor, la estructura y el distribuidor de densidad de corriente del subelectrodo tienen una conductividad eléctrica que difiere en la menor medida posible, pero preferiblemente son iguales. El hecho de que la estructura y el distribuidor de densidad de corriente del subelectrodo tengan una conductividad eléctrica que difieran en la menor medida posible significa que la conductividad eléctrica de la estructura puede diferir de la del distribuidor de densidad de corriente en un máximo del 10 %, preferiblemente en un 5 %. Esto puede lograrse en particular mediante una estructura y un distribuidor de densidad de corriente que estén hechos del mismo material eléctricamente conductor.

El electrodo basado en carbono de la presente invención se caracteriza además por que la estructura está hecha de un material eléctricamente conductor con una resistencia eléctrica que es igual o menor que la resistencia eléctrica del distribuidor de densidad de corriente de los subelectrodos. Esto asegura una distribución uniforme de la densidad de corriente en todo el área de la superficie del electrodo basado en carbono.

La presente invención también se refiere a una celda electroquímica que comprende al menos un electrodo basado en carbono como se describe anteriormente. A menudo, el al menos un electrodo basado en carbono funcionará como cátodo.

La celda electroquímica según la invención normalmente además del al menos un cátodo, contendrá además al menos un ánodo. Para aumentar la densidad de potencia y mejorar aún más el rendimiento de la celda electroquímica, y en el caso de una instalación de purificación de agua para aumentar la DQO, se puede conectar un ánodo o una matriz que contenga varios ánodos a dos o más electrodos basados en carbono como se describe anteriormente. En una realización preferida, los lados opuestos de cada ánodo están conectados a más electrodos basados en carbono como se describe anteriormente.

Dado que el área de la superficie del cátodo es a menudo el factor limitante, en la celda electroquímica según la presente invención el cátodo tendrá preferiblemente una superficie activa que sea al menos 5 veces mayor que la superficie activa del ánodo, preferiblemente al menos 10 veces, más preferiblemente al menos 20 veces o incluso más.

Para mejorar el rendimiento del cátodo, incluso con celdas electroquímicas de mayor volumen, los subelectrodos ubicados en una posición más baja en la celda electroquímica, más cerca del fondo de la celda electroquímica, tienen preferiblemente una porosidad menor que los subelectrodos ubicados en una posición más alta en la celda electroquímica, más cerca de la parte superior de la celda electroquímica. Según otra realización, se pueden usar diferentes cátodos en el fondo de la cámara donde la presión del agua es mayor, en comparación con los cátodos en la parte superior de la cámara de agua donde hay mucho menos efecto de la presión del agua.

El electrodo basado en carbono de la presente invención es adecuado para su uso en un gran número de aplicaciones, por ejemplo, en síntesis electroquímica mediante el uso de electrodos basados en carbono, en tratamientos de corrientes de residuos electroquímicos mediante el uso de electrodos basados en carbono. El electrodo basado en carbono de la presente invención es adecuado para su uso como cátodo de aire en una celda de combustible microbiana (MFC), por ejemplo para tratar aguas residuales (en una instalación de MFC a escala piloto con un tamaño ~ 1000 litros). En esta aplicación, el cátodo será permeable al aire por un lado, impermeable al agua por el otro lado y demostrará actividad catalítica como se describe más adelante. En una realización preferida, la celda electroquímica comprende además al menos un ánodo, en el que los lados opuestos de cada ánodo están conectados a un electrodo basado en carbono, ya que esto permite mejorar la producción de potencia y mejorar la tasa de eliminación de DQO.

La presente invención se ilustra además en los dibujos adjuntos y en la descripción de las figuras.

La Figura 1 muestra una estructura de metal con 15 recortes para montar 15 subelectrodos en su interior.

La Figura 2 muestra una representación esquemática de una estructura con recortes para montar subelectrodos en su interior.

La Figura 3 muestra una sección transversal en la dirección del espesor del electrodo de la presente invención.

La Figura 4 muestra el potencial del cátodo en función de la densidad de corriente medida en las celdas electroquímicas del ejemplo 1 para los cátodos en la cámara pequeña (SC), mediana (MC) y grande (LC) en (A) 50 mM de PBS (6,25 mS cm-1) y (B) agua corriente modificada con NaCl (1,45 ± 0,05 mS cm-1).

La Figura 5 muestra los potenciales de cátodo (Ct) de los ensayos bióticos de polarización y los ensayos abióticos electroquímicos del ejemplo 2 y los potenciales de ánodo (An) de los ensayos bióticos de polarización en la cámara (A) grande y (B) pequeña, (C) curvas bióticas de densidad de potencia en la MFC de cámara pequeña (SC) y la cámara grande (LC), (D) potenciales del ánodo medidos, no corregidos por la caída óhmica, en la LC y SC, y estimados en la SC con una separación entre electrodos aumentada de 3,45 cm.

La Figura 6 muestra (A) los potenciales de cátodo (Ct) y los potenciales de ánodo (An) con un módulo de ánodo con 8 (área proyectada = 0,25 m2) y 22 cepillos de ánodo (área proyectada = 0,60 m2) en comparación con los datos abióticos de cronopotenciometría y (B) las curvas correspondientes de densidad de potencia, según el ejemplo 3.

La presente invención se refiere a un electrodo basado en carbono con una gran área de la superficie geométrica. Por un electrodo basado en carbono con una gran área de la superficie geométrica se entiende, según la invención, un electrodo basado en carbono cuya superficie geométrica es al menos un factor 4 mayor que la de los electrodos basados en carbono de la técnica anterior, preferiblemente al menos un factor 5, más preferiblemente al menos un factor 10, lo más preferiblemente al menos un factor 50, en particular al menos un factor 100 o incluso al menos un factor 500 mayor que los electrodos basados en carbono existentes.

Dentro del alcance de la presente invención, un electrodo basado en carbono con una gran área de la superficie geométrica en particular se refiere a un electrodo que tiene una longitud de al menos 20 cm, preferiblemente al menos 30 o 40 cm, más preferiblemente al menos 50 cm, o al menos al menos 75 o incluso al menos 100 cm, y una anchura de al menos 20 cm, preferiblemente al menos 30 o 40 cm, más preferiblemente al menos 50 cm, o al menos 75 o incluso al menos 100 cm. El experto en la técnica entenderá que la longitud y la anchura del electrodo basado en carbono pueden ser iguales o diferentes.

Dentro del alcance de la presente invención, un electrodo basado en carbono con una gran área de la superficie geométrica en particular se refiere a un electrodo que tiene una superficie total, es decir, que incluye la superficie ocupada por la estructura, las porciones de la estructura y los subelectrodos, de al menos 400 cm2, preferiblemente al menos 900 o 1600 cm2, más preferiblemente al menos 1000 cm2, o al menos 75 o incluso al menos 100 cm, y una anchura de al menos 20 cm, preferiblemente al menos 30 o 40 cm, más preferiblemente al menos 50 cm, o al menos 5500 cm2 o incluso al menos 104 cm2.

La forma del electrodo basado en carbono no es crítica para la presente invención y el experto en la técnica puede seleccionarla teniendo en cuenta los requisitos impuestos por su uso previsto. El electrodo basado en carbono puede tener una forma regular o irregular, simétrica o asimétrica. El electrodo basado en carbono puede tener, por ejemplo, una forma principalmente circular, puede ser elíptica, rectangular, cuadrada o cualquier otra forma adecuada.

Como puede verse en la Figura 2, el electrodo 1 basado en carbono de la presente invención comprende una estructura 10 de un material eléctricamente conductor en el que se proporcionan varios recortes 20, 21, 22, 23. Dicha estructura puede obtenerse según diversas formas bien conocidas por el experto, en la técnica, por ejemplo, dando la forma apropiada del material eléctricamente conductor en una estructura, retirando partes de una lámina de placa eléctricamente conductora, o conectando porciones de material eléctricamente conductor, de tal manera que se forme una estructura con varios recortes, o de cualquier otra forma adecuada.

Los recortes adyacentes están separados entre sí por las porciones 11, 12 del material conductor. Las porciones 11, 12 pueden estar hechas del mismo o de un material eléctricamente conductor diferente, pero preferiblemente están hechas del mismo material eléctricamente conductor. Un borde circunferencial del electrodo basado en carbono puede comprender una estructura circunferencial 5, que puede estar hecha del mismo material que las porciones 11, 12 de material eléctricamente conductor que se prefiera, o la estructura 5 puede estar hecha de un material diferente. De manera similar, las porciones 11, 12 pueden estar hechas del mismo o de un material diferente. Para mantener la caída óhmica lo más pequeña posible, en otras palabras para disminuir la parte de la resistencia del electrodo transmitida por la estructura y mantener la salida de potencia lo más alta posible, la distancia entre subelectrodos adyacentes se mantiene preferiblemente como la más pequeña posible. Esto significa en la práctica que las dimensiones de las porciones del material conductor presentes entre los recortes se mantienen lo más pequeñas posible. Las dimensiones de la estructura y las porciones de material conductor entre los recortes se seleccionan preferiblemente de manera que el área de la superficie geométrica ocupada por ellos sea menor que el 30 % del área de la superficie geométrica total del electrodo, más preferiblemente menor que el 25 %, lo más preferiblemente menor del 20 %, en particular menor del 15 % o incluso menor del 10 %. Esto también permitirá aumentar la porción del área de la superficie activa del electrodo en relación con el área de la superficie total del electrodo.

El número de recortes no es crítico para la invención y el experto en la técnica puede seleccionarlo y modificarlo teniendo en cuenta el área de la superficie de cada recorte individual y el rendimiento electroquímico que debe conseguir el electrodo. Se entiende que rendimiento electroquímico también se refiere al potencial mostrado por, o a la tensión producida por o, a la tensión emitida por, el electrodo, o a la densidad de potencia del electrodo, a una determinada densidad de corriente.

La forma de los recortes tampoco es crítica para la invención y el experto en la técnica puede seleccionarla y modificarla teniendo en cuenta la forma de la estructura 10 del material eléctricamente conductor. Los recortes 20, 21, 22, 23 pueden disponerse dentro de la estructura 10 de forma aleatoria, pero preferiblemente están dispuestos según un patrón geométrico regular para asegurar una distribución de la corriente sobre el electrodo que sea lo más homogénea posible. Las dimensiones de los recortes tampoco son críticas para la invención, siempre y cuando no afecten negativamente a la estabilidad mecánica y dimensional de los subelectrodos montados en su interior. Las dimensiones de los recortes corresponderán preferiblemente a las dimensiones de los electrodos basados en carbono convencionales, en particular los electrodos de difusión de gas basados en carbono, usados frecuentemente en la técnica. Las dimensiones adecuadas son, sin limitarse a ellas, una anchura de aproximadamente 5 a 50 cm y una longitud de aproximadamente 5 a 50 cm, siendo 20 x 20 cm un tamaño utilizado a menudo. Preferiblemente, en cada recorte se monta un subelectrodo.

El electrodo basado en carbono de la presente invención puede ser un ánodo o un cátodo, pero preferiblemente es un cátodo.

Un subelectrodo basado en carbono adecuado para montar en la estructura de material eléctricamente conductor como se describe anteriormente, normalmente comprende uno o más distribuidores 8 de densidad de corriente, con una capa de un material electroquímicamente activo o catalíticamente activo sobre un soporte 3 de carbono integrado en una matriz de polímero porosa y dispuesta a un lado 18 o cara del distribuidor de densidad de corriente. Si se desea, encima de la capa catalíticamente activa, se puede añadir una capa 13 repelente al agua o una capa exterior hidrófoba para la difusión de gas, que permite la difusión de gases reactivos a la capa catalítica reactiva mientras se impide que el electrolito se filtre fuera de la cámara de electrolito a través del electrodo. Estos electrodos están diseñados para su uso en aquellas celdas electroquímicas donde el ánodo y el cátodo están separados por una fase líquida de electrolito libre (por ejemplo: medio de reacción acuoso, corrientes de aguas residuales).

La "capa repelente al agua" (WRL), o la capa 2 hidrófoba para la difusión de gas, se entiende que comprende una capa de un material hidrófobo que tiene una superficie externa en contacto con el gas y que muestra porosidad al gas y la capacidad de impedir la filtración de un electrolito acuoso en la capa de difusión de gas. La "capa electroquímicamente activa" (EAL) es una capa en la que tiene lugar la reacción electroquímica que tiene una alta conductividad eléctrica y porosidad al gas y al electrolito, y que tiene una interfaz con el electrolito en una superficie y una capa repelente al agua (difusión de gas hidrófoba) en la otra.

O la cara completa del distribuidor 8 de densidad de corriente puede cubrirse con la EAL y la WRL respectivamente, o solo una parte de ella. Para asegurar una conexión óptima del subelectrodo a la estructura de material eléctricamente conductor, puede ser deseable dejar una banda 15 circunferencial del subelectrodo libre de material catalíticamente activo y material hidrófobo y con ello proporcionar una zona de conexión a cada subelectrodo. Las dimensiones de esta banda 15 en la dirección de la anchura de la banda son preferiblemente de manera que se pueda asegurar una conexión estanca a los líquidos en las porciones del material conductor adyacentes a los subelectrodos y a la estructura para minimizar el riesgo de aparición de contaminación cruzada, por ejemplo filtración de reactivo de un lado del electrodo al otro lado. Esto es de particular importancia cuando los subelectrodos son electrodos de difusión de gas, que típicamente se componen de una capa hidrófila catalíticamente activa en un lado del distribuidor de densidad de corriente y una capa porosa hidrófoba de difusión de gas permeable al gas e impermeable al líquido en el lado opuesto del distribuidor de densidad de corriente. En el momento de su utilización en un reactor electroquímico, los electrodos de la presente invención funcionan para separar diferentes electrolitos entre sí, a cada lado de las capas activas de los subelectrodos.

Una conexión estanca a los líquidos entre los subelectrodos, preferiblemente la banda circunferencial, y las porciones pertinentes de material eléctricamente conductor de la estructura eléctricamente conductora se puede lograr según diversos procedimientos conocidos por el experto en la técnica. Los procedimientos particularmente adecuados incluyen soldadura o soldadura autógena, ya que esas técnicas permiten establecer una conexión mecánicamente fuerte, con una buena resistencia a la presión y un riesgo mínimo de crear una diferencia de potencial sobre la conexión entre los subelectrodos y las porciones de la estructura eléctricamente conductora. Se pueden conseguir otras conexiones estancas a los líquidos mediante la presencia de un material de sellado a lo largo del borde circunferencial de los subelectrodos, que sujeta el subelectrodo en el recorte de una forma estanca a los líquidos, por ejemplo una junta de goma.

Un ejemplo adecuado de un distribuidor de densidad de corriente para su uso dentro de los subelectrodos de la presente invención se describe en US2016/0010227. El distribuidor de densidad de corriente preferido puede adoptar la forma de una malla porosa, por ejemplo un material tejido, tricotado o trenzado, con la porosidad que se proporciona por los poros entre las fibras tejidas, tricotadas o trenzadas. El distribuidor de densidad de corriente también puede adoptar la forma de una banda, red, placa, lámina, hoja, película o pantalla, con poros previstos en su interior, por ejemplo, con el uso de grabado fotoquímico o electroconformado. El distribuidor de densidad de corriente puede estar hecho de una amplia variedad de materiales eléctricamente conductores, por ejemplo de metal, una combinación de metal y plástico, un tipo de metal mixto, una mezcla de metal y otros materiales conductores no metálicos (tales como polímeros conductores y carbono conductor, por ejemplo, nanotubos de grafito, grafeno y carbono) y cualquier combinación de los mismos. Los ejemplos particulares de material eléctricamente conductor adecuado para su uso con la presente invención incluyen polímeros intrínsecamente conductores (ICP), aleaciones metálicas. Los materiales eléctricamente conductores preferidos incluyen aleaciones de acero inoxidable, más preferiblemente aceros inoxidables austeníticos y acero inoxidable dúplex debido a su alto límite de elasticidad y resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión frente al cloruro, en comparación con los aceros inoxidables austeníticos. Se prefieren los aceros inoxidables austeníticos y el acero inoxidable dúplex debido a su buena resistencia a la corrosión y propiedades magnéticas mínimas.

Como se ha descrito anteriormente y se muestra en la Figura 2, el electrodo 1 basado en carbono de la presente invención comprende una estructura 10 de un material eléctricamente conductor en el que se proporcionan varios recortes 20, 21, 22, 23. Preferiblemente, en cada recorte se monta un subelectrodo basado en carbono, como se describe anteriormente, de forma estanca a los líquidos. De este modo, todos los subelectrodos pueden ser iguales. Sin embargo, dentro del alcance de la presente invención, los subelectrodos en diferentes partes de la estructura también pueden ser diferentes. Esto puede ser de particular interés si se utilizan celdas electroquímicas de gran volumen, en las que existe una diferencia de presión sustancial entre una parte superior de la celda o cámara y una parte inferior en las inmediaciones del fondo de la celda o cámara. En el caso de celdas de gran volumen, puede ser preferible proporcionar en una parte inferior de la estructura subelectrodos con una porosidad más pequeña, y proporcionar en una parte superior de la estructura subelectrodos con una mayor porosidad.

La invención se ilustra además en los ejemplos siguientes.

Materiales y procedimientos

Materiales de los electrodos.

Se produjeron varios cátodos con dimensiones variables (18 X 18 cm, 324 cm2, 0,45 mm de espesor) utilizando láminas fabricadas por VITO (Mol, Bélgica), mediante el uso de un proceso patentado basado en el prensado de una mezcla de AC (70-90 % en peso; Norit SX plus, Norit Americas Inc., TX) y aglutinante de politetrafluoroetileno (PTFE) sobre un colector de corriente de malla de acero inoxidable. A continuación, se añadió una capa de difusión de PTFE (70 % de porosidad) encima de la capa catalíticamente activa que contenía el catalizador que se convirtió en el lado aire del cátodo.

Se hicieron subcátodos para cámaras pequeñas (11,3 cm2) y medianas (52 cm2) las cámaras a partir de porciones cortadas de estas láminas. Para el reactor más pequeño (0,028 litros) se utilizó un cátodo circular de 3,8 cm de diámetro (11,2 cm2) y en un reactor de tamaño mediano (0,22 litros) se utilizó un cátodo rectangular de 9,2 X 5,6 cm (52 cm2). El cátodo grande (107 cm de largo por 64 cm de altura, 0,68 m2) contenía 15 subcátodos que habían sido soldados en un único panel de acero inoxidable cortado con 15 orificios para proporcionar la estructura. Los cátodos se expusieron al agua por un lado y al aire por el otro. El uso de un único panel metálico permitió obtener una baja resistencia eléctrica de < 0,2 O entre el centro de cada subcátodo y cualquier otra parte del panel externo de acero inoxidable.

Se fabricaron ánodos de cepillo con dos tamaños diferentes para los ensayos de MFC en cámaras de diferentes tamaños. Para el reactor más pequeño, los cepillos eran de 2,5 cm de diámetro y 2,5 cm de largo, y estaban hechos de fibra de grafito (PANEX 3550K, Zoltek) enrollada entre dos cables de titanio (Mill-Rose, Mentor, OH). Los cepillos utilizados en el reactor más grande eran de 5,1 cm de diámetro y 61 cm de largo, hechos de los mismos materiales que los cepillos más pequeños (Gordon Brush, CA, EE. UU.). Todos los ánodos se trataron térmicamente a 450 °C en aire durante 30 min antes de su uso en las MFC.

Banco de reactores y a escala piloto

Se construyeron tres celdas electroquímicas diferentes para evaluar el efecto de la ampliación del tamaño de cátodo en el rendimiento electroquímico (Tabla 1). La celda más pequeña (SC) era un reactor en forma de cubo de una sola cámara construido a partir de un bloque de policarbonato de 4 cm de longitud (5 cm x 5 cm), con una cámara cilíndrica interior que tenía un diámetro de 3 cm (volumen total de 0,028 litros), y un área de cátodo expuesta de 7 cm2 (Tabla 1) que se ha utilizado en muchos estudios de laboratorio de MFC anteriores (Figura 1C). El área de la superficie específica del cátodo fue de 25 m2irr3-volumen de anolito.

Tabla 1. Especificaciones básicas de tres cámaras de ensayo de diferentes tamaños

La celda de tamaño mediano (MC) era un reactor de policarbonato de forma rectangular, con una cámara de anolito de 10,9 cm de largo, 3,5 cm de ancho y 6,2 cm de alto, llena con 0,22 litros de electrolito. La celda tenía una ranura de soporte a 3,5 cm de la pared del lado del agua, donde se unía el cátodo separando la cámara de anolito de la cámara de aire del cátodo. Los cátodos se aseguraron a la estructura con tornillos usando un elemento de fijación de plástico en forma de U y una junta de estanqueidad (caucho butílico). La cámara de aire tenía 6,8 cm de largo, 1,0 cm de ancho y 4,4 cm de alto.

La celda grande (LC) era un depósito especialmente diseñado (1,1 m de largo, 0,15 m de ancho y 0,85 m de alto) que se utilizó para examinar las propiedades físicas de los cátodos, tal como la resistencia mecánica (deformación cuando se llena) y la resistencia a presión del agua (en base a la filtración), así como para evaluar las características electroquímicas de los cátodos. El depósito tenía una ranura de soporte a 10 cm de la pared del lado del agua, donde se unía el cátodo para formar la cámara de anolito. Los cátodos se fijaron a la estructura con tornillos usando un elemento de fijación de plástico en forma de U y una de estanqueidad (espuma de vinilo de PVC de celda cerrada). El depósito de anolito se llenó con 85 litros de agua y se examinó visualmente en busca de deformaciones y filtración de agua cuando se llenó. El área de la superficie específica del cátodo fue de 7,3 m2 m-3- volumen de anolito. Esta área específica más baja del cátodo permitía tener espacio para los cepillos de ánodo de mayor diámetro y proporcionaba un amplio espacio para mover el electrodo de referencia dentro de la cámara. La cámara de aire del cátodo se formó deslizando una lámina de PVC en una ranura hendida a 5 cm del cátodo. Para reducir la deformación del cátodo provocada por la presión del agua, el espacio entre la lámina de PVC transparente y el cátodo se llenó con 19 espaciadores32, construidos enrollando malla de polipropileno (XN3110-48P, Industrial Netting, EE. UU.) en tubos de 4 cm de diámetro y 1 m de largo, con los tubos enrollados y sujetados con bridas.

Para examinar la generación de potencia real en la cámara grande, se construyó un módulo de ánodo hecho de cloruro de polivinilo (PVC) utilizando una matriz lineal de cepillos de fibra de grafito. El módulo de PVC tenía 8 o 22 cepillos (como se indica), con los extremos de los cepillos afianzados en la parte superior y en el fondo del módulo. Los módulos de cepillos se colocaron paralelos al cátodo, en medio de la cámara del ánodo, produciendo una distancia entre el borde de los cepillos del ánodo y el cátodo de 3,45 cm en los ensayos iniciales. Los ánodos se conectaron en paralelo al circuito mediante un único cable de titanio externo. En la parte superior del módulo del ánodo, se utilizó una abrazadera para reducir la curvatura de la lámina del cátodo y afianzarla en su posición y mejorar las conexiones eléctricas. En la cámara más pequeña, los ánodos se colocaron horizontalmente en medio de las cámaras (perpendiculares al cátodo) de MFC con una distancia de 1,4 cm entre el borde del cepillo y el cátodo.

Para evitar cualquier cortocircuito y reducir el crecimiento de biopelículas en el cátodo, todos los reactores se hicieron funcionar con un separador colocado en el cátodo. (PZ-1212, Contec, Estados Unidos).3435 En la cámara pequeña, se cortó un separador con la misma área del cátodo de una almohadilla separadora de 30 cm por 30 cm (PZ-1212, Contec, EE. UU.). En la cámara grande se cosieron 12 separadores y se cortaron hasta la zona final, igual que el cátodo (0,68 m2).

Los ensayos electroquímicos se realizaron utilizando un potenciostato (VMP3, BioLogic, Knoxville, TN) con el cátodo como electrodo de trabajo (WE) y la malla de acero como contraelectrodo (CE) en los reactores de las cámaras mediana y grande, y la malla de Pt como CE en la cámara pequeña. El rendimiento electroquímico de los cátodos se evaluó mediante ensayos de cronopotenciometría (CP) en una solución tampón de fosfato de 50 mM (PBS; Na2HPO4, 4,58 g L-1; NaH2PO4 ■ H2O, 2,45 g L-1; NH4Cl, 0,31 g L-1; KCl , 0,13 g L-1; pH 7.0; conductividad de K = 6.25 mS cm-1) o agua corriente modificada con cloruro de sodio (K = 1.45 ± 0,05 mS cm-1) en presencia o ausencia del separador. La corriente se fijó durante 20 minutos en un intervalo de 0 a - 4 mA en los reactores pequeños, de 0 a - 10 mA en la cámara mediana y de 0 a - 0,4 A en la cámara grande. Se utilizó un electrodo de referencia de Ag/AgCl (RE-5B, BASi, West Lafayette, IN; 0,209 V frente a SHE) en los ensayos electroquímicos SC y MC, y se colocó a 1,15 cm del cátodo. Las pérdidas óhmicas como consecuencia de la distancia entre el RE y el WE se corrigieron en base a la conductividad de la solución (véase la información en SI y la Figura S4). Se utilizó un electrodo de inmersión de referencia (AGG, Electrochemical Devices Inc., OH; 0,199 V frente a SHE) en la cámara grande y se mantuvo cerca del cátodo, en la misma posición para todos los ensayos. Todos los potenciales se notificaron frente a SHE.

Ensayos de celdas de combustible microbianas (bióticas)

Los ánodos de los reactores SC se preaclimataron completamente a las aguas residuales en las MFC durante más de cuatro meses a una resistencia externa fija de 1000 O, a una temperatura constante (30 °C). Las aguas residuales domésticas se recogieron una vez a la semana del efluente del clarificador primario en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de la Universidad Estatal de Pensilvania y se almacenaron a 4 °C antes de su uso. Los ensayos de polarización de ciclo único se llevaron a cabo variando la resistencia externa de 1000, 500, 200, 100 y 75 en un intervalo de 20 min después de un circuito abierto durante 2 h con una duración total del ensayo de 3,7 h, en una sala a temperatura constante (30 °C).

La MFC en LC se hizo funcionar a temperatura ambiente y se cultivó directamente con efluente primario de aguas residuales frescas. Durante la aclimatación de los ánodos en la primera semana de funcionamiento, la solución de alimentación fue de 35 L de efluente primario de aguas residuales mezclada con 40 L de 0,5 g L'1 acetato de sodio en 50 mM de PBS y 10 L de efluente recogido durante varias semanas procedente de las MFC cultivadas con acetato y aguas residuales. La resistencia externa fue de 1000 O durante los primeros dos días y luego se redujo diariamente a 100 O, 25 O, 10 O y 5 O. En la segunda semana de aclimatación, la solución fue 55 L de aguas residuales, 20 L de 50 mM de PBS que contenía 0,5 g L_1 acetato de sodio y 10 L de efluente de MFC. A partir de entonces, la MFC en LC se hizo funcionar utilizando solo efluente primario. Después de un ciclo estable de producción de tensión durante tres ciclos sucesivos de cultivo discontinuo, se realizaron ensayos de polarización de ciclo único con la MFC en LC cultivando el reactor con aguas residuales frescas, y manteniendo el sistema en condiciones de circuito abierto durante 2 h, y luego variando la resistencia externa de 100, 25, 10, 5, 2, 1 a 0,4 O en intervalos de 20 min.

La corriente se calculó en base a la caída de tensión (U) a través de la resistencia externa y se registró utilizando un sistema de adquisición de datos basado en ordenador (2700, Keithley Instrument, OH). Las densidades de corriente (i) y las densidades de potencia (P) se normalizaron al área total del cátodo proyectada expuesta (área de la cámara grande, ALC = 0,62 m2 y PLC de potencia; área de la cámara pequeña, ASC = 7 cm2, y potencia PSC), y se calcula como i = U/RA y P = iU, donde R es la resistencia externa. Durante cada ensayo de polarización, también se registraron los potenciales de ánodo y cátodo utilizando un electrodo de referencia. Se utilizó un electrodo de referencia de Ag/AgCl (RE-5B, BASi, West Lafayette, IN; 0,209 V frente a SHE) para medir el potencial del ánodo (EAn) en los ensayos bióticos de la cámara pequeña (SC) a una distancia de 1,15 cm del cátodo. El potencial del cátodo (ECt) se calculó a partir del potencial del ánodo y la tensión de la celda como ECt = U EAn, y luego se corrigió en base a la conductividad de la solución y la distancia desde el RE (véase la información en SI y la Figura S4). Se utilizó un electrodo de inmersión de referencia (AGG, Electrochemical Devices Inc., OH; 0,199 V frente a SHE) en los ensayos bióticos de la cámara grande (LC) para medir el potencial del cátodo (ECt) y se mantuvo cerca del cátodo, y en la misma posición para todos los ensayos. El potencial del ánodo (EAn) se estimó utilizando la tensión de la celda como EAn = U - ECt, y luego se corrigió en base a la conductividad de la solución y la distancia desde el RE (véase la información en SI y la Figura S4).

Los ensayos de cronopotenciometría en cátodos de diferentes tamaños mostraron diferencias en el rendimiento, con los cátodos más pequeños produciendo los sobrepotenciales más bajos en las diferentes densidades de corriente establecidas (Figura 4A, Figura S4). Por ejemplo, a 0,61 ± 0,00 A m-2 el cátodo pequeño produjo 0,35 ± 0,00 V, que fue solo un 5 % más alta que la tensión producida por el cátodo de tamaño medio (0,33 ± 0,00 V a 0,62 ± 0,01 A m-2) pero 118 % más alto que el obtenido con el cátodo grande (0,16 ± 0,03 V a 0,64 ± 0,00 A m-2). El efecto negativo del aumento de tamaño de un electrodo en el rendimiento fue congruente con estudios anteriores que mostraban una pérdida de potencia a medida que aumentaban los tamaños de los cátodos.

Ejemplos

Ejemplo 1.

Se realizaron ensayos de cronopotenciometría en los cátodos de diferentes tamaños en agua corriente modificada con cloruro de sodio (K = 1,45 ± 0,05 mS cm-1), para evaluar el rendimiento en una solución sin tampón con una conductividad similar a la de las aguas residuales domésticas (Figura 4B). Los sobrepotenciales de todos los cátodos fueron mayores en la solución menos conductora, y el cátodo grande tenía sobrepotenciales mucho mayores con respecto a los otros dos cátodos a una densidad de corriente dada. El gran tensión del cátodo a una densidad de corriente de 0,64 A m-2 fue de 0,09 ± 0,01 V, en comparación con 0,23 ± 0,00 V del cátodo de tamaño mediano a 0,63 ± 0,00 A m-2 y 0,26 ± 0,01 V a 0,62 ± 0,00 A m-2 del cátodo más pequeño.

Se llevaron a cabo ensayos de cronoamperometría adicionales utilizando la cámara grande para evaluar el efecto de la presencia del separador en el rendimiento electroquímico del cátodo en un intervalo de densidad de corriente pertinente para el funcionamiento de la MFC más grande usando aguas residuales (Figura S4A). La presencia de la capa extra de la almohadilla redujo la salida de tensión a 0,64 A m-2 de 0,16 ± 0,03 V a 0,13 ± 0,01 V en PBS, y de 0,09 ± 0,01 V a 0,06 ± 0,00 V en una solución de baja conductividad. Un flujo de aire insuficiente en la cámara del cátodo podría reducir la disponibilidad de oxígeno y el rendimiento del cátodo. Por lo tanto, se realizó un ensayo electroquímico adicional soplando aire en el fondo de la cámara de aire a 0,5 Lpm (Figura S4B). Este flujo de aire a través del cátodo no afectó el rendimiento del cátodo, lo que indica que el tamaño de la cámara de aire fue suficiente para proporcionar pasivamente la transferencia de oxígeno al cátodo.

Ejemplo 2. Producción de potencia de la MFC de 85 L cultivada con aguas residuales domésticas (22 ánodos)

Después de la aclimatación de la MFC de 85 L con el módulo del ánodo (Figura S2) durante tres ciclos de cultivo discontinuo, se realizaron 13 ensayos de polarización utilizando aguas residuales domésticas (Figura 5). La densidad de potencia máxima fue de 0,083 ± 0,006 W m-2, que fue un 73 % menor que la obtenida en la MFC de la cámara pequeña (0,304 ± 0,009 W m-2 en aguas residuales). Los potenciales del cátodo fueron similares en los ensayos abióticos y bióticos en los reactores de 85 L y en los de 28 mL (Figura 5A y 5B). Hubo una diferencia significativa entre el OCV de los ensayos bióticos (0,32 ± 0,00 V) y abióticos (0,44 ± 0,00 V) en la cámara pequeña, pero los potenciales del cátodo coincidieron bien en el intervalo de densidad de corriente pertinente para el funcionamiento de las MFC cultivadas con aguas residuales. El rendimiento del ánodo fue un factor en la reducción de producción de potencia por la MFC grande en comparación con las MFC pequeñas. La corrección del potencial del ánodo en la cámara pequeña con una separación entre electrodos mayor (3,45 cm en LC y 1,4 cm en SC) resultó en un rendimiento anódico superior al registrado en el ensayo biótico en LC (véase la información en SI y la Figura S6). Por ejemplo, la pendiente de la línea de tendencia de la linealización del potencial del ánodo fue de 0,56 O m-2 en el ensayo biótico de LC, un 65 % más alta que los 0,34 O itt2 de la corrección del ensayo biótico de SC con una separación entre electrodos mayor (Figura 5D). Sin embargo, hubo una reducción mucho mayor en el rendimiento del cátodo (cambio de |0,30 V|, de 0,37 ± 0,04 V a OCV a 0,07 ± 0,02 V a 0,46 ± 0,03 A itt2) comparado con el de los ánodos (cambio de |0,13 V|, de -0,31 ± 0,01 V a OCV a -0,18 ± 0,02 V a 0,46 ± 0,03 A m-2). Esta mayor diferencia para el cátodo indicó que en este sistema el cátodo limitaba principalmente la producción de potencia. La disminución en el rendimiento del ánodo fue probablemente el resultado tanto del aumento de tamaño de los ánodos como del rendimiento del cátodo. Los ánodos en la MFC de 85 L eran mucho más largos y tenían un diámetro mayor que los de la MFC pequeña, que pudieran haber contribuido a sobrepotenciales más altos. El aumento de la presión del agua también podría haber disminuido el rendimiento de los cátodos, particularmente en el fondo de la MFC, donde la presión del agua era más alta, en relación con los de la parte superior del reactor. Este cambio en el rendimiento del cátodo podría haber afectado al rendimiento de los ánodos opuestos al cátodo en el fondo del gran reactor. El área activa reducida del cátodo como consecuencia de la estructura de metal también podría haber sido un factor en la reducción del rendimiento del ánodo, ya que la estructura de metal representó el 23 % del área proyectada expuesta del cátodo. La normalización de la potencia producida solo por el área activa del cátodo produciría una densidad de potencia de 0,10 W m-2.

Ejemplo 3. Producción de potencia de la MFC de 85 L cultivada con aguas residuales domésticas utilizando 8 ánodos

Para examinar más a fondo el efecto de los ánodos en el rendimiento, se realizaron ensayos utilizando 8 ánodos en lugar de 22 ánodos. La reducción del número de ánodos disminuyó el área anódica proyectada en un 58 % (de 0,60 m2 a 0,25 m2), pero esto disminuyó la densidad de potencia máxima en solo un 27 %, de 0,083 ± 0,006 W m-2 hasta 0,061 ± 0,003 W m-2 en base al área proyectada del cátodo (Figura 6). La potencia normalizada al área proyectada del ánodo fue de 0,152 ± 0,009 W m-2, lo cual es congruente con los resultados anteriores que muestran que un área de cátodo más grande mejora el rendimiento relativo del cátodo. La reducción del número de ánodos dio como resultado un sobrepotencial del ánodo ligeramente mayor. Por ejemplo, el potencial del ánodo a la máxima densidad de potencia con 8 ánodos fue - 0,121 ± 0,002 V a 0,206 ± 0,006 A m-2 (normalizado al área del cátodo proyectada o transversal) en comparación con - 0,16 ± 0,01 V a la densidad de corriente más alta de 0,250 ± 0,006 A m-2 con 22 ánodos. Por tanto, maximizar la cobertura total de los cátodos por los ánodos permitirá mejorar la producción de potencia.37.

Ejemplo 4. Producción de potencia con 22 ánodos

La MFC con 8 o 22 ánodos logró una eficacia de eliminación de la DQO similar del 75-80 %. Por lo tanto, la presencia de un mayor número de ánodos no aumentó la tasa de eliminación de DQO, aunque el número de ánodos sí tuvo un efecto en la cantidad de DQO convertida en electricidad. La eficiencia culómbica38 CE fue del 27 % cuando se usaron 22 ánodos, pero disminuyó al 13 % con 8 ánodos.

Ejemplo 5. Influencia de la separación entre electrodos

En los ejemplos 1-4 se hizo uso de una separación entre electrodos de 3,45 cm. La resistencia de la solución en la cámara grande con una separación entre electrodos de 3,45 cm fue de 0,47 O, lo cual era el 21 % de la resistencia interna del reactor (2,19 O). Reducir el espacio de 3,45 cm a 1,4 cm podría disminuir la resistencia interna del 60 % a 0,19 O y aumentar la densidad de potencia máxima.

Ejemplo 6.

Se fabricó un cátodo para incluir un distribuidor de densidad de corriente de malla de acero inoxidable de 316 L y un catalizador de carbón activado con las especificaciones que se describen a continuación:

• Densidad actual > 0,3 A/m2 usando 50 mM de tampón de fosfato y acetato como combustible.

• Densidad de potencia máxima > 100 mW/m2 usando 50 mM de tampón de fosfato y acetato como combustible.

• Resistencia a la presión del agua: no mostrará filtraciones visibles a una presión del cabezal de agua de > 3 pies (>1 m).

• Variabilidad del rendimiento del cátodo fabricado a escala completa (densidad de corriente, densidad de potencia y resistencia máxima a la presión del agua) < 10 %.

Las láminas del cátodo cumplen los requisitos dimensionales del reactor de demostración (1,07 m de ancho x 0,64 m de largo).

Etapa 1: fabricación de 15 electrodos de difusión de gas VITO CoRE® (20*20 cm2)

Cada electrodo tiene las siguientes características:

• lámina plana, rectangular, PSA máx. 20x20 cm, espesor total aprox. 0,07 cm

• Con capa exterior de difusión de gas hidrófoba (capa blanca en la imagen de abajo);

• Capa activa (capa de malla: basada en carbón activado; relación carbón activado: capa negra de ptfe 80:20

• Distribuidor de densidad de corriente: acero inoxidable 316 L, diámetro del cable 0,02 cm, abertura de la malla 0,045 cm, suministrado por Solana; 200x200 mm

Etapa 2: realización de una estructura metálica eléctricamente conductora para el montaje de los electrodos utilizando una placa de acero inoxidable 316 L de TESTAS, Bélgica de 1070 x 640 mm2. Los espacios para montar los electrodos basados en carbono se cortaron con láser de la placa metálica, que estaba hecha del material como el distribuidor anterior conductor de densidad de corriente de los electrodos individuales, también de acero inoxidable 316 L. La estructura metálica y la malla metálica del distribuidor de densidad de corriente de los electrodos son del mismo metal; el espesor de la estructura metálica es 2,5 veces el espesor de los cables que forman la malla metálica. La conductividad de estos materiales era la misma, pero la estructura tenía una resistencia eléctrica más baja que el distribuidor de densidad de corriente eléctricamente conductor presente dentro de los subelectrodos, como consecuencia del mayor espesor de la estructura.

Etapa 3: montaje de los electrodos de difusión de gas en la estructura de metal

Esto se hace soldando con láser a la estructura de metal los bordes de la gasa o malla de metal de los GDE. El espesor total del conjunto no es mayor que el espesor de un electrodo individual.

Para lograr que el electrodo compuesto de placa delgada sea estanco a los líquidos, se sella la conexión soldada entre la estructura conductora y los (sub)electrodos. Esto se puede hacer aplicando material de sellado alrededor de los bordes de la soldadura para asegurar la estanqueidad del conjunto. Se aplicó pegamento de dos componentes (MacroPlast de Loctite) en las costuras/juntas en el lado de la capa blanca (lado de alimentación del gas), se deja secar durante 2 días.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un electrodo basado en carbono con una gran área de la superficie geométrica (con una longitud de al menos 20 cm y una anchura de al menos 20 cm) que comprende una estructura de un material eléctricamente conductor con varios recortes con una área de superficie, dichos recortes están separados entre sí por porciones del material conductor, en el que los subelectrodos basado en carbono, dimensionados para cubrir al menos el área de la superficie de los recortes, están colocados en los recortes y conectados de manera conductora a, al menos, parte de cada una de las porciones del material conductor adyacentes a los subelectrodos basados en carbono.

2. Un electrodo basado en carbono según la reivindicación 1, en el que cada uno de los subelectrodos contiene un distribuidor de densidad de corriente, y en el que el distribuidor de densidad de corriente está conectado a, al menos, parte de las porciones del material conductor adyacentes al subelectrodo basado en carbono que contiene el distribuidor de densidad de corriente.

3. Un electrodo basado en carbono según la reivindicación 2, en el que la estructura tiene una conductividad eléctrica que es la misma que la conductividad eléctrica del distribuidor conductor de densidad de corriente, preferiblemente la estructura y el distribuidor de densidad de corriente del subelectrodo están hechos del mismo material eléctricamente conductor.

4. Un electrodo basado en carbono según las reivindicaciones 2 ó 3, en el que la estructura tiene una resistencia eléctrica que es igual o menor que la resistencia eléctrica del distribuidor de densidad de corriente.

5. Un electrodo basado en carbono según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que los subelectrodos basado en carbono encajan en los recortes de forma estanca al agua.

6. Un electrodo basado en carbono según la reivindicación 5, en el que se aplica un material de sellado a la conexión del subelectrodo con la estructura.

7. Un electrodo basado en carbono según una cualquiera de las reivindicaciones 1 -6, en el que la estructura de material conductor está hecha de metal.

8. Un electrodo basado en carbono según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que el electrodo basado en carbono es un electrodo de difusión de gas.

9. Un electrodo basado en carbono según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que las dimensiones de la estructura y las porciones de material conductor entre los recortes se seleccionan de manera que su área de la superficie geométrica ocupe como máximo el 30 % del área de la superficie geométrica total del electrodo, más preferiblemente como máximo el 25 %, más preferiblemente como máximo el 20 %, en particular como máximo el 15 % o incluso como máximo el 10 %.

10. Un electrodo basado en carbono según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que el electrodo tiene una superficie total de al menos 400 cm.2, preferiblemente al menos 900 cm2, más preferiblemente al menos 1600 cm2, lo más preferiblemente al menos 1000 cm2.

11. Una celda electroquímica que comprende al menos un electrodo basado en carbono según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10.

12. Una celda electroquímica según la reivindicación 11, que comprende además al menos un ánodo, en el que los lados opuestos de cada ánodo están conectados a un electrodo basado en carbono según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10.

13. Una celda electroquímica según la reivindicación 12, en la que el cátodo tiene una superficie activa que es al menos 5 veces mayor que la superficie activa del ánodo, preferiblemente al menos 10 veces.

14. Una celda electroquímica según una cualquiera de las reivindicaciones 11-13, en la que los subelectrodos ubicados en una posición más baja en la celda electroquímica más cerca del fondo de la celda electroquímica tienen una porosidad más pequeña que los subelectrodos ubicados en una posición más alta en la celda electroquímica más cerca de la parte superior de la celda electroquímica.

15. Una celda electroquímica según una cualquiera de las reivindicaciones 11 - 14, en la que la celda electroquímica es una celda para síntesis electroquímica, una celda de tratamiento electroquímico de aguas residuales o una celda de combustible microbiana.