ELECTROCATALIZADORES PARA PILAS DE COMBUSTIBLE DE MEMBRANA DE INTERCAMBIO PROTONICO.

Electrocatalizadores para pilas de combustible de membrana de intercambio protónico.

Procedimiento de obtención de un material de carbono mesoporoso (SMC) que comprende: la adición de sílice coloidal a un precursor polimérico de carbono; el curado térmico; el carbonizado del compuesto obtenido; lavado del compuesto carbonizado con ácido fluorhídrico (HF) o NaOH; y la oxidación del material lavado. Además la invención se refiere a un catalizador para pilas de combustible de electrolito polimérico basado en la utilización del nuevo soporte carbonoso mesoporoso

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200802962.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC) 90%
UNIVERSIDAD DE LA LAGUNA
.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: MOLINER ALVAREZ,RAFAEL, PASTOR TEJERA,ELENA, CALVILLO LAMANA,LAURA, LAZARO ELORRI,MARIA JESUS.

Fecha de Solicitud: 21 de Octubre de 2008.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 26 de Abril de 2011.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B01J21/18 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL.B01J PROCEDIMIENTOS QUÍMICOS O FÍSICOS, p. ej. CATÁLISIS O QUÍMICA DE LOS COLOIDES; APARATOS ADECUADOS. › B01J 21/00 Catalizadores que contienen los elementos, los óxidos o los hidróxidos de magnesio, de boro, de aluminio, de carbono, de silicio, de titanio, de zirconio o de hafnio. › Carbono.
  • B01J23/38 B01J […] › B01J 23/00 Catalizadores que contienen metales, óxidos o hidróxidos metálicos no previstos en el grupo B01J 21/00 (B01J 21/16 tiene prioridad). › de metales nobles.
  • B01J37/12 B01J […] › B01J 37/00 Procedimientos para preparar catalizadores, en general; Procedimientos para activación de catalizadores, en general. › Oxidación.
  • C01B31/02
  • H01M4/88 ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej. BATERÍAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › H01M 4/00 Electrodos. › Procesos de fabricación.
  • H01M4/92 H01M 4/00 […] › Metales del grupo del platino (H01M 4/94 tiene prioridad).
  • H01M4/96 H01M 4/00 […] › Electrodos a base de carbono.
  • H01M8/00 H01M […] › Pilas de combustible; Su fabricación.

Clasificación PCT:

  • B01J21/18 B01J 21/00 […] › Carbono.
  • B01J23/38 B01J 23/00 […] › de metales nobles.
  • B01J37/12 B01J 37/00 […] › Oxidación.
  • C01B31/02
  • H01M4/96 H01M 4/00 […] › Electrodos a base de carbono.
  • H01M8/00 H01M […] › Pilas de combustible; Su fabricación.

PDF original: ES-2342811_A1.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Electrocatalizadores para pilas de combustible de membrana de intercambio protónico.

La presente invención se refiere a un catalizador para pilas de combustible de electrolito polimérico basado en la utilización de un nuevo soporte carbonoso que permite una mayor accesibilidad de la fase activa del catalizador, mejorando así su eficiencia. Además, la presente invención también se refiere al procedimiento de obtención de dicho soporte.

Estado de la técnica anterior

El sector energético mundial se encuentra en un periodo de transición. La progresiva disminución de las reservas de combustibles fósiles y los problemas medioambientales asociados a su combustión obligan a buscar nuevas alternativas energéticas que aseguren y diversifiquen el abastecimiento energético. En este contexto, el hidrógeno surge como un nuevo vector energético, y abre una nueva era en el sector del transporte ya que permite utilizar las energías renovables, las fósiles y la nuclear para este fin, a la vez que se reducen las emisiones de CO2. Por ello, las tecnologías del hidrógeno constituyen una importante alternativa a los combustibles fósiles. Entre ellas, la más prometedora es la utilización del hidrógeno mediante pilas de combustible. Su desarrollo se ve como uno de los principales medios de futuro para combatir la presión medioambiental a la que nos somete la dependencia de los combustibles fósiles, y también como una de las soluciones a su agotamiento. En este sentido, las pilas de combustible se proponen como una alternativa tanto para aplicaciones portátiles como estacionarias y, fundamentalmente, para reemplazar a los motores de combustión interna.

Entre los diferentes tipos de pilas de combustible, las de electrolito polimérico (PEMFC) y las de metanol directo (DMFC) son las candidatas más prometedoras para aplicaciones portátiles y estacionarias debido a su bajo peso, su baja temperatura de operación (55-95ºC), y que permiten un rápido arranque (Wee et al., J. Power Sources 165 (2007) 667). Sin embargo, a pesar de los grandes progresos realizados en el desarrollo de esta tecnología, todavía es necesario reducir su coste y resolver algunos problemas tecnológicos para hacer posible su comercialización y uso a gran escala.

Uno de los componentes que contribuye principalmente a elevar el coste de esta tecnología es el catalizador. Para reducir su coste es necesario reducir la cantidad de metal, y aumentar su durabilidad y estabilidad. Normalmente, se utilizan catalizadores basados en platino soportado en negros de carbono, concretamente Vulcan XC-72(R). El uso del Vulcan XC-72(R) se basa en su elevada conductividad eléctrica y su estructura principalmente mesoporosa. Sin embargo, también contiene una cantidad relativamente alta de microporos en su estructura (30%) que disminuyen la eficacia del catalizador. Las partículas metálicas que se depositan dentro de los microporos presentan una actividad electrocatalítica menor, o incluso pueden llegar a no presentar actividad, debido al difícil acceso de los reactivos y productos a través de estos microporos. Por otra parte, los microporos que son más pequeños que las partículas metálicas podrían llegar a bloquearse empeorando aún más la difusión de reactivos y productos (Liu et al., J. Power Sources 155 (2006) 95).

A la vista de lo anteriormente expuesto, se han empezado a utilizar nuevos materiales carbonosos con estructura mesoporosa como soporte de los electrocatalizadores. En los últimos años se ha demostrado la mayor actividad que presentan los catalizadores soportados en nanofibras y nanotubos de carbono (Tang et al., J. Colloid Interf. Sci. 269 (2004) 26; Paoleti et al., J. Power Sources 183 (2008) 84), xerogeles y aerogeles de carbono (Marie et al., J. Non-Cryst. Solids 350 (2004) 88; Job et al., Ener. Convers. Manage 49 (2008) 2461), y materiales de carbono mesoporosos ordenados (OMCs) (Calvillo et al., J. Power Sources 169 (2007) 59; Ding et al., Electrochim. Acta 50 (2005) 3131).

Los materiales de carbono sintetizados por el método de nanomoldeo (OMCs) han suscitado gran interés ya que presentan una estructura ordenada, que es una réplica inversa de las sílices mesoporosas utilizadas como moldes, además de un área superficial muy elevada y un gran volumen de poro. La mayor limitación que presenta el uso de sílices mesoporosas ordenadas como moldes es la poca flexibilidad que ofrecen a la hora de controlar el tamaño de poro de los materiales de carbono, que viene determinado por el espesor de las paredes de sus poros (aproximadamente 1-5 nm) (Gierszal et al., Carbon 45 (2007) 2171).

Otro tipo de molde, que permite controlar el tamaño de poro de los materiales carbonosos por encima de 5 nm, es la sílice coloidal (Han and Hydeon, Carbon 37 (1999) 1645). Estos moldes consisten en una disolución coloidal de partículas de sílice esféricas, cuyo diámetro puede ajustarse variando las condiciones de preparación. El uso de sílices coloidales comerciales representa una alternativa al uso de sílices porosas para sintetizar materiales de carbono mesoporosos con poros esféricos uniformes de cualquier diámetro por encima de 5 nm. Los materiales de carbono obtenidos por este método presentan elevadas áreas superficiales y grandes volúmenes de poro, que son generalmente superiores a los obtenidos por la técnica de nanomoldeo (Han et al., Chem. Mater. 12 (2000) 3337). De esta forma, no se requiere la síntesis previa del molde silíceo y además, el diámetro de poro del material carbonoso se puede controlar fácilmente utilizando una sílice coloidal apropiada, que está disponible en un amplio rango de tamaños de partícula (Joo et al., J. Electroceram. 17 (2006) 713), o variando las condiciones de síntesis como el pH o la relación molar entre el precursor de carbono y la sílice (Joo et al., Catal. Today 111 (2006) 171). Estos materiales se han utilizado como soporte de electrocatalizadores de Pt, PtRu (Kim et al., J. Power Sources 145 (2005) 139) o PtCr (Choi et al., J. Power Sources 156 (2005) 466). Al utilizar estos materiales carbonosos como soporte se obtienen mejores resultados que con los catalizadores comerciales, lo que se atribuye a la elevada área superficial que presenta este tipo de materiales, que combinada con su estructura mesoporosa, tienen un efecto positivo sobre la dispersión del metal y la difusión de reactivos y productos hasta y desde las partículas metálicas.

Sin embargo, la conductividad electrónica de los electrodos durante las reacciones electroquímicas al usar estos electrocatalizadores no es elevada debido, entre otros factores, a la baja conductividad del material carbonoso. Esto provoca mayores pérdidas óhmicas en la pila de combustible y, por tanto, disminuye su eficacia.

Descripción de la invención

La presente invención proporciona un procedimiento para preparar un material de carbono mesoporoso (SMC) como soporte de electrocatalizadores para pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC ó DMFC). Este material tiene modificada su química superficial mediante tratamientos sencillos de oxidación, tanto en fase gas o en fase líquida, para crear grupos oxigenados superficiales y mejorar así la interacción metal-soporte.

Las excelentes propiedades texturales de los materiales carbonosos obtenidos mediante el uso de una sílice coloidal, como la elevada área superficial y el gran volumen de poro, facilitan el acceso del gas hasta las partículas metálicas, aumentando el área catalítica activa ya que facilitan el contacto entre el gas, el catalizador y el electrolito, que es donde tienen lugar las reacciones electroquímicas (O'Hayre et al., J. Electrochem Soc. 152 (2005) A439; Sasikumar et al., J. Power Sources 132 (2004) 11). Por otra parte, los grupos oxigenados superficiales, creados durante los tratamientos de oxidación, permiten mejorar la transferencia electrónica desde las partículas metálicas hasta el soporte durante las reacciones electroquímicas, mejorando así la conductividad electrónica en los electrodos. Ambos efectos dan lugar a menores pérdidas de polarización en la pila de combustible durante su funcionamiento, mejorando así su eficiencia energética.

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material de carbono mesoporoso (SMC) que comprende los siguientes pasos:

a. adición de sílice coloidal a un precursor polimérico de carbono, antes o después de su polimerización dependiendo del precursor,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de obtención de un material de carbono mesoporoso (SMC) que comprende:

a. adición de sílice coloidal a un precursor polimérico de carbono;

b. curado térmico del compuesto obtenido en el paso (a);

c. carbonizado del compuesto obtenido en el paso (b);

d. lavado del compuesto carbonizado en el paso (c) con ácido fluorhídrico (HF) o NaOH.

e. oxidación del material obtenido en el paso (d).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la polimerización del precursor de carbono se lleva a cabo antes de adicionar la sílice coloidal.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, que además comprende los pasos de: secar, lavar con agua y volver a secar el compuesto obtenido en el paso (d).

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el precursor de carbono es una resina furánica.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la oxidación del paso (e) se lleva a cabo con ácido nítrico.

6. Material de carbono mesoporoso (SMC) obtenible por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.

7. Procedimiento para la obtención de un electrocatalizador que comprende:

a. la impregnación o deposición de un metal en el material de carbono mesoporoso (SCM) descrito en la reivindicación 6.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, que además comprende:

b. reducción del metal soportado en el material de carbono mesoporoso obtenido en el paso (a).

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, donde el metal es Pt ó PtRu.

10. Electrocatalizador obtenible por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, que comprende un metal soportado en un material carbonoso mesoporoso según la reivindicación 6.

11. Uso del electrocatalizador según la reivindicación 10, para la fabricación de una MEA.

12. MEA que comprende un electrocatalizador según la reivindicación 10.

13. Uso de MEA según la reivindicación 12, para la fabricación de una celda de combustible de membrana de intercambio de protones.

14. Celda de combustible que comprende MEA según la reivindicación 12.

15. Uso de la celda de combustible según la reivindicación 14, para la obtención de energía.


 

Patentes similares o relacionadas:

Compuestos de electrolitos orgánicos para baterías de flujo redox, del 25 de Marzo de 2020, de FUNDACION CENTRO DE INVESTIGACION COOPERATIVA DE ENERGIAS ALTERNATIVAS CIC ENERGIGUNE FUNDAZIOA: Electrolito orgánico redox que comprende un compuesto seleccionado de: **(Ver fórmula)** donde en el compuesto de fórmula (i): R1-R6 se seleccionan independientemente […]

Diseños de sello para placas bipolares de múltiples componentes de una celda electroquímica, del 18 de Marzo de 2020, de Nuvera Fuel Cells, LLC: Un método para sellar una placa bipolar de múltiples componentes, donde el método comprende: insertar un primer sello entre un primer componente y un segundo componente, […]

Conjunto de electrodos tubular, uso de dicho conjunto, pila de combustible microbiana que comprende dicho conjunto y proceso para la conversión de energía luminosa en electricidad, del 24 de Abril de 2019, de Plant-E Knowledge B.V: Conjunto de electrodos tubular para su uso en una pila de combustible que comprende: - un espacio interno central tubular de suministro de aire ; - un cátodo anular […]

Método y sistema de gestión de humidificación de celdas de combustible, del 20 de Marzo de 2019, de Nuvera Fuel Cells, LLC: Un método de gestión de humidificación para un sistema de energía de celda de combustible, que comprende: suministrar aire a una corriente […]

DISPOSITIVO DE ANÁLISIS PARA UNA MUESTRA LÍQUIDA, del 8 de Noviembre de 2018, de FUELIUM, SL: 1. Un dispositivo de análisis para una muestra liquida, que comprende: un canal de análisis microfluídico hecho de un material absorbente […]

SISTEMA DE CONTROL ELECTRÓNICO DE REACTORES ELECTROQUÍMICOS PARA LA PRODUCCIÓN DE GAS OXIHIDRÓGENO, del 21 de Junio de 2018, de ENERCOTEC, S.A.P.I. DE C.V: La invención se refiere a un sistema de control electrónico de reactores electroquímicos para la producción de gas oxihidrógeno caracterizado por comprender […]

Separador bipolar para apilamiento de pilas de combustible, del 4 de Abril de 2018, de Nuvera Fuel Cells, LLC: Separador bipolar para un apilamiento de pilas de combustible, que comprende una lámina de cátodo y una lámina de ánodo , al menos una de […]

Proceso para fabricar estructuras cerámicas tubulares, del 27 de Diciembre de 2017, de Watt Fuel Cell Corp: Un proceso para fabricar estructuras cerámicas tubulares que comprende: (a) hacer girar un conjunto mandril - husillo que comprende un componente mandril […]

Utilizamos cookies para mejorar nuestros servicios y mostrarle publicidad relevante. Si continua navegando, consideramos que acepta su uso. Puede obtener más información aquí. .