- Un reactor fotocatalítico capaz de generar una corriente eléctrica mediante el consumo de un combustible que contiene material orgánico,

comprendiendo dicho reactor una célula de combustible de oxidación directa que incluye un ánodo y un cátodo, en el que el ánodo es un ánodo asistido por fotocatálisis que comprende un fotocatalizador en una superficie de un sustrato electroconductor dispuesto para ser receptivo a la luz, y una membrana conductora de protones, transmisora de luz dispuesta entre dicho ánodo y el cátodo, de tal manera que la luz pasa a través de dicha membrana como una fase final en una trayectoria óptica hacia el fotocatalizador, siendo dicho fotocatalizador capaz de estimular la oxidación de material orgánico y de generar pares de electrón-hueco, y dicho reactor está provisto de unos medios para introducir dicho combustible, y unos medios para conectarse a un circuito eléctrico externo

CAMPO DE LA INVENCIÒN

La presente invención se refiere en general al uso de células de combustible, y concretamente a células de combustible orgánicas alimentadas con líquido en las que la oxidación del combustible se obtiene por fotocatálisis. La invención a describir en concreto en lo sucesivo en la presente memoria proporciona un reactor fotocatalítico energéticamente eficiente.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Las células de combustible son células electroquímicas en las que un cambio de energía libre que resulta de una reacción de oxidación de combustible se convierte en energía eléctrica. En una célula de combustible orgánica/de aire un material orgánico como metanol u otro combustible adecuado se oxida a dióxido de carbono en el ánodo mientras que el oxígeno del aire, o aire enriquecido con oxígeno, o el propio oxígeno gas se reduce a agua en el cátodo.

Por lo general se conocen dos tipos de células de combustible orgánicas/de aire:

1. Una célula de combustible indirecta en la que el combustible orgánico se reforma de forma catalítica y se procesa a hidrógeno, que se utiliza como el combustible propiamente dicho para la célula de combustible oxidándolo en el ánodo.

2. Una célula de combustible directa en la que el combustible orgánico se alimenta directamente a la célula de combustible y se oxida en el ánodo que por lo general emplea metales del grupo del platino o aleaciones que contienen metales del grupo del platino como catalizador.

Las células de combustible de oxidación directa son en la actualidad objeto de sustancial interés para su uso en una amplia variedad de aplicaciones. Tales células tienen el potencial de proporcionar salidas de energía útiles de una manera eficiente y “limpia” utilizando combustibles renovables como el metanol. Tales células pueden obtenerse, por ejemplo, mediante procesos de fermentación de biomasa.

Las dificultades encontradas en la producción de una célula de combustible directa práctica incluyen:

• Eficiencia y diseñó del electrodo y del catalizador, evitando contaminar y minimizando la producción de subproductos indeseables como el monóxido de carbono;

• Eficiencia del cátodo, especialmente si se utiliza aire como el gas que contiene oxígeno, el nitrógeno presente puede “envolver” o ralentizar el transporte del oxígeno a la superficie del catalizador;

• “Crossover” o paso del combustible, es decir, el ánodo y el cátodo de la célula están separados por medio de un medio iónicamente conductivo como un electrolito de alto peso molecular o una membrana sólida conductora de protones, pero si el combustible puede filtrarse a través de esa membrana y transportarse desde el ánodo al cátodo entonces se pierde eficiencia; y

• Elección del electrolito – las células de combustible de oxidación directa a menudo emplean ácido sulfúrico como electrolito pero la consiguiente presencia de sulfuro e iones de sulfato puede resultar en un rendimiento pobre.

En US 5.599.638 se describe un tipo de célula mejorado que utiliza un electrolito de un polímero sólido y electrodos mejorados, revelándose todavía otras mejoras adicionales en US 6.303.244 de los mismos inventores. Una característica destacada de ese trabajo es el uso de un electrolito de un polímero sólido, un polímero que contiene ácido perfluorosulfónico, como el “nation®”. Esto evita el uso un electrolito de ácido sulfúrico y proporciona una mejora en el rendimiento de la célula.

En US 5.094.927, se describe un electrolito sólido alternativo, un sólido conductor de protones que comprende por lo menso un óxido de un elemento seleccionado de entre los elementos de los grupos IVB, VB, VUI y VII de la Tabla Periódica, dióxido de silicio, y por lo menos un fluoruro de un elemento seleccionado de entre los elementos de los grupos IIA y IIIB de la Tabla Periódica. Tal electrolito se propone como una característica de una célula de combustible indirecta (hidrógeno/oxígeno) en esa patente.

Una desventaja de los tipos conocidos de célula de combustible es que por lo general requieren un combustible altamente purificado para evitar la contaminación del catalizador. La célula de combustible de US 6.303.244 requiere un metanol altamente puro, los inventores prevén tener que instalar sistemas de filtración para eliminar las trazas de hidrocarburos del combustible cuando su invención se utiliza en un entorno de automoción.

La publicación de patente japonesa Nº 2001229937 se refiere a una célula de combustible que incluye un fotocatalizador en la superficie de un canal a través del que tiene previsto pasar el combustible. El fotocatalizador se utiliza para prevenir la formación de gotitas en las paredes del canal.

La publicación de patente europea Nº 1151792 A1 se refiere a un proceso de utilización de energía de inducción electromagnética para aumentar las reacciones catalíticas que se utilizan en el procesamiento de contaminantes químicos de líquidos o gases.

La publicación de patente US Nº 2002/0083644 A1 se refiere a métodos de producción de hidrógeno mediante la descomposición de moléculas relativamente grandes, habitualmente hidrocarburos.

Es un objeto de la presente invención proporcionar mejoras en o relacionadas con las células de combustible, mediante las cuales se evitan o se mitigan las desventajas anteriormente indicadas de la técnica anterior.

Es un objeto adicional de la presenta invención proporcionar un tipo de oxidación directa de una célula de combustible alimentada con líquido que utiliza la oxidación fotocatalizada en el ánodo.

Es otro objeto de la invención proporcionar unos medios de acumulación y de guiado de la luz hacia el ánodo fotocatalítico.

Es todavía otro objeto de la invención proporcionar un reactor fotocatalítico que pueda utilizarse en la destrucción deseada de compuestos orgánicos presentes en flujos residuales de procesos industriales de una manera energéticamente eficiente.

RESUMEN DE LA INVENCIÒN

Por consiguiente, los objetos anteriormente indicados son abordados en que la presente invención proporciona un reactor fotocatalítico que incluye características de una célula de combustible de oxidación directa modificada en la que la oxidación del combustible se lleva a cabo en un ánodo que comprende un fotocatalizador sobre un sustrato conductor. Se reconocerá que mediante esta aplicación del fotocatalizador, se obtiene un ánodo en el que el fotocatalizador se utiliza para inducir la separación de cargas necesaria para permitir la reacción con el combustible, es decir, la función del fotocatalizador es la de producir electrones y huecos. Los expertos en la materia reconocerán que los electrones se eliminan mediante el circuito externo y los huecos producen protones por la interacción con el combustible. Este enfoque de la etapa de oxidación ofrece ventajas en que se emplea una tecnología de catalizador diferente comparado con una célula de combustible de oxidación directa convencional con la capacidad de utilizar una amplia gama de combustibles, incluso combustibles contaminados, en perspectiva.

Por tanto de acuerdo con la presente invención se proporciona un reactor fotocatalítico capaz de generar una corriente eléctrica mediante el consumo de un combustible que contiene material orgánico, comprendiendo dicho reactor una célula de combustible de oxidación directa que incluye un ánodo y un cátodo, en el que el ánodo es un ánodo asistido por fotocatálisis que comprende un fotocatalizador sobre una superficie de un sustrato electroconductor dispuesto para ser receptivo a la luz, y una membrana conductora de protones dispuesta entre dicho ánodo y el cátodo, de manera que la luz pasa a través de dicha membrana como etapa final en una trayectoria óptica hacia el fotocatalizador, siendo dicho fotocatalizador capaz de estimular la oxidación de material orgánico y de generar pares de electrón-hueco, y dicho reactor está provisto de unos medios para introducir dicho combustible, y unos medios para conectarse a un circuito eléctrico externo.

El cátodo puede seleccionarse de entre una malla, un elemento poroso o una banda perforada, y su material es un metal noble, p. ej., platino o plata, o metales catalíticos o aleaciones conocidas en la técnica como adecuadas para este fin, o materiales más modernos como los cerámicos.

El reactor se configura...

1. Un reactor fotocatalítico capaz de generar una corriente eléctrica mediante el consumo de un combustible que contiene material orgánico, comprendiendo dicho reactor una célula de combustible de oxidación directa que incluye un ánodo y un cátodo, en el que el ánodo es un ánodo asistido por fotocatálisis que comprende un fotocatalizador en una superficie de un sustrato electroconductor dispuesto para ser receptivo a la luz, y una membrana conductora de protones, transmisora de luz dispuesta entre dicho ánodo y el cátodo, de tal manera que la luz pasa a través de dicha membrana como una fase final en una trayectoria óptica hacia el fotocatalizador, siendo dicho fotocatalizador capaz de estimular la oxidación de material orgánico y de generar pares de electrón-hueco, y dicho reactor está provisto de unos medios para introducir dicho combustible, y unos medios para conectarse a un circuito eléctrico externo.

2. Un reactor fotocatalítico según la reivindicación 1, en el que dicha membrana conductora de protones está formada por un material conductor de luz.

3. Un reactor fotocatalítico según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la membrana comprende un vidrio conductor de luz.

4. Un reactor fotocatalítico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que una película metálica conductora de protones separa la membrana conductora de protones del cátodo.

5. Un reactor fotocatalítico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la membrana es un electrolito sólido.

6. Un reactor fotocatalítico según la reivindicación 5, en el que el electrolito sólido conductor de luz está químicamente modificado para mejorar la transmisión de luz en la superficie fotocatalítica.

7. Un reactor fotocatalítico según la reivindicación 5, en el que el electrolito sólido conductor de luz está físicamente modificado para mejorar la transmisión de luz en la superficie fotocatalítica.

8. Un reactor fotocatalítico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ánodo comprende material capaz de mostrar efectos fotocatalíticos, comprendiendo dicho material sistemas de óxido metálico de valencia mixta estables.

9. Un reactor fotocatalizador según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el ánodo comprende un material capaz de mostrar efectos fotocatalíticos seleccionados de entre tantalatos de níquel indio, óxidos de tungsteno, óxidos de titanio y combinaciones de los mismos con por lo menos uno de óxidos de tungsteno, óxidos de molibdeno y nitrógeno.

10. Un reactor fotocatalítico según la reivindicación 1, en el que el fotocatalizador se activa mediante la luz visible (400-750 nm).

11. Un reactor fotocatalítico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el combustible es un líquido acuoso que contiene contaminantes orgánicos, que son capaces de ser degradados mediante la reacción de oxidación fotocatalítica en el ánodo.

12. Un reactor fotocatalítico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cátodo se selecciona a partir de una malla, un elemento poroso o una banda perforada.

13. Un reactor fotocatalítico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cátodo está hecho de un material seleccionado de entre metales nobles, aleaciones catalíticas o cerámicos.

14. Un reactor fotocatalítico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, operacionalmente conectado en una configuración de flujo continuo a una línea de flujo de fluido que contiene un fluido contaminado que contiene contaminantes orgánicos utilizables como combustible para la célula de combustible de oxidación directa.

15. Una fuente de alimentación eléctrica que comprende una pluralidad de células de combustible de oxidación directa modificadas en la que el ánodo es un ánodo asistido por fotocatálisis que comprende un fotocatalizador en una superficie de un sustrato electroconductor dispuesto para ser receptivo a la luz, y una membrana conductora de protones, transmisora de luz dispuesta entre dicho ánodo y el cátodo, de tal manera que la luz pasa a través de dicha membrana como una etapa final en una trayectoria óptica hacia el fotocatalizador, siendo dicho fotocatalizador capaz de estimular la oxidación de material orgánico y de generar pares de electrón-hueco, estando dichas células dispuestas para formar

una pila o batería.

16. Un método para generar energía eléctrica, concretamente mediante el consumo de un combustible orgánico, mediante una reacción fotocatalítica llevada a cabo en 5 una célula de combustible de oxidación directa, comprendiendo dicho método la disposición de una célula de combustible y una fuente de combustible para la célula, proporcionando una superficie fotocatalítica en el ánodo de la célula, en la que el ánodo es un ánodo asistido por fotocatálisis que comprende un fotocatalizador en una superficie de un sustrato electroconductor dispuesto para ser receptivo a la luz, y una membrana conductora de 10 protones, transmisora de luz dispuesta entre dicho ánodo y el cátodo, de tal manera que la luz pasa a través de dicha membrana como una etapa final en una trayectoria óptica hacia el fotocatalizador, siendo dicho fotocatalizador capaz de estimular la oxidación de material orgánico y de generar pares de electrón-hueco, exponiendo la superficie fotocatalítica a la luz, y suministrando combustible al ánodo para la oxidación fotocatalítica, y generando energía

15 eléctrica como resultado de dicha oxidación fotocatalítica del combustible.

17. Un método según la reivindicación 16, en el que la célula de combustible está contenida en un reactor fotocatalítico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14.

20 18. Un método de disposición de un fluido contaminado con material orgánico contaminado que comprende la aplicación de dicho fluido en una alimentación de combustible a una célula de combustible contenida en un reactor fotocatalítico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14.