POLÍMEROS HIDRÓFILOS Y SU UTILIZACIÓN EN CELDAS ELECTROQUÍMICAS.

Polímero hidrófilo que se puede obtener mediante copolimerización de monómeros hidrófobos e hidrófilos que dan un polímero hidrófilo en la polimerización,

en el que la copolimerización se lleva a cabo en la presencia de agua y un monómero que incluye un grupo fuertemente iónico, de tal manera que el sistema de copolimerización es homogéneo, y en el que el monómero hidrófobo se selecciona de entre metacrilato de metilo, acrilonitrilo, metacriloxipropiltris(trimetiloxi)silano y metacrilato de 2,2,2-trifluoroetilo, y el monómero hidrófilo se selecciona de entre ácido metacrílico, metacrilato de 2-hidroxietilo, acrilato de etilo, 1-vinil-2-pirrolidinona, ácido propenoico, éster 2-metílico del ácido propenoico, ftalato de monometacriloiloxietilo y metacrilato de sulfatoetilo amónico

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E05077932.

Solicitante: ITM POWER (RESEARCH) LIMITED.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: 22 ATLAS WAY SHEFFIELD SOUTH YORKSHIRE S4 7QQ REINO UNIDO.

Inventor/es: HIGHGATE, DONALD JAMES.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 9 de Septiembre de 2002.

Clasificación PCT:

  • C08F226/00 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C08 COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION O PRODUCCION QUIMICA; COMPOSICIONES BASADAS EN COMPUESTOS MACROMOLECULARES.C08F COMPUESTOS MACROMOLECULARES OBTENIDOS POR REACCIONES QUE IMPLICAN UNICAMENTE ENLACES INSATURADOS CARBONO - CARBONO (producción de mezclas de hidrocarburos líquidos a partir de hidrocarburos de número reducido de átomos de carbono, p. ej. por oligomerización, C10G 50/00; Procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la síntesis de un compuesto químico dado o de una composición dada, o para la separación de isómeros ópticos a partir de una mezcla racémica C12P; polimerización por injerto de monómeros, que contienen uniones insaturadas carbono-carbono, sobre fibras, hilos, hilados, tejidos o artículos fibrosos hechos de estas materias D06M 14/00). › Copolímeros de compuestos que tienen uno o más radicales alifáticos insaturados, teniendo solamente cada uno un enlace doble carbono-carbono, y estando al menos uno terminado por un enlace simple o doble a nitrógeno o por un ciclo heterocíclico que contiene nitrógeno.
  • C08F26/00 C08F […] › Homopolímeros o copolímeros de compuestos que tienen uno o más radicales alifáticos insaturados, teniendo solamente cada uno un enlace doble carbono-carbono, y estando al menos uno terminado por un enlace simple o doble a nitrógeno o por un ciclo heterocíclico que contiene nitrógeno.
  • C25B9/02 C […] › C25 PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS; SUS APARATOS.C25B PROCESOS ELECTROLITICOS O ELECTROFORETICOS PARA LA PRODUCCION DE COMPUESTOS ORGANICOS O INORGANICOS, O DE NO METALES; SUS APARATOS (protección anódica o catódica C23F 13/00; crecimiento de monocristales C30B). › C25B 9/00 Células o acoplamientos de células; Elementos de estructura de las células; Acoplamientos de elementos de estructura, p.ej. acoplamientos de electro-diafragma. › Soportes para electrodos.
  • H01B1/12 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01B CABLES; CONDUCTORES; AISLADORES; ,o EMPLEO DE MATERIALES ESPECIFICOS POR SUS PROPIEDADES CONDUCTORAS, AISLANTES O DIELECTRICAS (empleo por las propiedades magnéticas H01F 1/00; guías de ondas H01P). › H01B 1/00 Conductores o cuerpos conductores caracterizados por los materiales conductores utilizados; Empleo de materiales específicos como conductores (conductores, cables o líneas de transmisión superconductores o hiperconductores caracterizados por los materiales utilizados H01B 12/00). › sustancias orgánicas.
  • H01M8/10 H01 […] › H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › H01M 8/00 Pilas de combustible; Su fabricación. › Pilas de combustible con electrolitos sólidos.

Clasificación antigua:

  • C08F2/10 C08F […] › C08F 2/00 Procesos de polimerización. › Solvente acuoso.
  • C08F226/06 C08F […] › C08F 226/00 Copolímeros de compuestos que tienen uno o más radicales alifáticos insaturados, teniendo solamente cada uno un enlace doble carbono-carbono, y estando al menos uno terminado por un enlace simple o doble a nitrógeno o por un ciclo heterocíclico que contiene nitrógeno. › por un ciclo heterocíclico que contiene nitrógeno.
  • C08F226/10 C08F 226/00 […] › N-vinilpirrolidona.
  • H01M6/18 H01M […] › H01M 6/00 Celdas primarias; Su fabricación. › con electrolito sólido.
  • H01M8/10 H01M 8/00 […] › Pilas de combustible con electrolitos sólidos.

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Finlandia, Rumania, Chipre.

PDF original: ES-2359345_T3.pdf

 

Ilustración 1 de POLÍMEROS HIDRÓFILOS Y SU UTILIZACIÓN EN CELDAS ELECTROQUÍMICAS.
Ilustración 2 de POLÍMEROS HIDRÓFILOS Y SU UTILIZACIÓN EN CELDAS ELECTROQUÍMICAS.
Ilustración 3 de POLÍMEROS HIDRÓFILOS Y SU UTILIZACIÓN EN CELDAS ELECTROQUÍMICAS.
Ilustración 4 de POLÍMEROS HIDRÓFILOS Y SU UTILIZACIÓN EN CELDAS ELECTROQUÍMICAS.
Ver la galería de la patente con 7 ilustraciones.
POLÍMEROS HIDRÓFILOS Y SU UTILIZACIÓN EN CELDAS ELECTROQUÍMICAS.

Fragmento de la descripción:

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a polímeros hidrófilos que son eléctricamente conductores y a su utilización en electrolizadores y celdas electroquímicas, por ejemplo, celdas de combustible.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En una celda electrolítica, el aporte de energía eléctrica da como resultado una transformación química neta. Una característica común de las celdas electrolíticas convencionales es que se requiere un aporte sustancial de energía eléctrica para llevar a cabo la reacción electrolítica a una velocidad suficiente. Este gasto de energía eléctrica reduce la eficacia de la celda.

Las celdas electroquímicas, y en particular las celdas de combustible, pueden estar en forma de un conjunto de electrodo de membranas (MEA). Los MEA de celdas de combustible de electrolitos poliméricos sólidos tienen típicamente una estructura de múltiples capas que comprende (i) una Membrana de Intercambio Protónico (PEM), (ii) un electrodo colector de la corriente, y (iii) una capa de electrocatalizador a cada lado. Una PEM funciona en virtud de los sitios catiónicos embebidos que contiene, que permiten la transmisión de aniones. Igualmente, un electrolito polimérico sólido puede contener sitios aniónicos fijos, el cual es capaz de transmitir preferentemente cationes. De este modo, las referencias a PEM más abajo no son exclusivas.

Una estructura como se describe anteriormente se monta a partir de elementos discretos, y se une en un MEA mediante el uso de calor y de presión, antes de montarla entre colectores de gas, cerrándose herméticamente toda la estructura frente a la fuga (y el paso) del gas, para formar una única celda. El procedimiento es complejo y, junto con el coste inherente de la PEM y del papel carbón recubierto con el catalizador usado habitualmente como los apartados (ii) y (iii), representa los costes principales de producción de una celda de combustible.

Una limitación del rendimiento de las celdas de combustible de PEM es la gestión del agua, a fin de que la membrana de PEM permanezca hidratada adecuadamente mientras se usa. La conversión de hidrógeno y de oxígeno en electricidad produce agua como producto, que aparece en el electrodo de oxígeno. Si la membrana ha de seguir operativa, la membrana debe tener una permeabilidad suficiente al agua para redistribuir el agua que se obtiene como producto, y evitar el secado local de la membrana. El secado conduce a un sobrecalentamiento y a un fallo catastrófico (posiblemente incluso paso de hidrógeno/oxígeno, con el potencial de fallo explosivo).

Los dispositivos de PEM funcionan en virtud sólo de las propiedades obtenidas en la membrana. En uso como un electrolizador, la adición de agua y la electricidad producen oxígeno e hidrógeno; en uso como una celda de combustible, se utilizan hidrógeno y oxígeno (o aire), y se produce electricidad.

Los materiales de PEM que existen, por ejemplo Nafion, consisten en un polímero fluorado no reticulado (esencialmente PTFE), con cadenas laterales colgantes que contienen un sitio iónicamente activo (normalmente SO3). La hidrofilia se proporciona mediante los sitios de SO3. Estos materiales se deben de mantener hidratados con agua adicional (suministrada vía un gas de combustible hidratado), a fin de que funcionen. Están disponibles como láminas delgadas, de 10 a 30 µm de grosor, para el montaje en celdas (voltaje 1 V), y de este modo en apilamientos de celdas (típicamente 100 unidades).

Un apilamiento se puede producir a partir de MEA individuales. Puesto que cada MEA se ha de producir separadamente, y la construcción del apilamiento se ha de hacer en serie, la producción de un apilamiento es laboriosa.

Se conocen polímeros hidrófilos, capaces de poseer un elevado contenido de agua. El nivel de contenido de agua determina sus propiedades. Sus propiedades eléctricas se definen por las propiedades de la disolución hidratante. Por ejemplo, ciertos materiales hidrófilos, tales como HEMA (metacrilato de 2-hidroxietilo) y MMA-VP (metacrilato de metilo-vinilpirrolidona), son bien conocidos en el campo biomédico como materiales para lentes de contacto, pero no poseen propiedades eléctricas intrínsecas. De este modo, si se hidrata en agua desionizadadestilada (DD), el polímero resultante es una buena resistencia eléctrica pero, si se hidrata en una disolución ácida o alcalina, el material es un buen conductor hasta que la disolución eléctricamente activa se elimina por lavado cuando el polímero hidratado vuelve a un sistema no conductor.

El documento US-A-4.036.788 describe hidrogeles aniónicos obtenidos mediante copolimerización de un monómero N-vinílico heterocíclico, un monómero que contiene ácido sulfónico, y un agente de reticulación. La polimerización se puede realizar en presencia de un disolvente soluble en agua, en el que los monómeros son solubles; el polímero se obtiene en forma de un organogel a partir del cual se elimina el disolvente no acuoso mediante destilación, evaporación o lavado con agua. La inmersión en agua provoca el hinchamiento, para dar un material blando, flexible, que se puede usar para recuperar materiales básicos o catiónicos a partir de un medio acuoso, o para la liberación controlada de tales materiales.

**(Ver fórmula)**

El documento WO-A-01/49824 describe un polímero que se puede obtener polimerizando un monómero libre de grupos sulfo, un monómero que contiene grupos sulfo y, opcionalmente un agente de reticulación. Los polímeros son útiles para el tratamiento y crecimiento de celdas, y para dispositivos médicos y prótesis. Tienen una elevada relación de expansión.

Los elementos de esta memoria se han publicado antes de su fecha de prioridad. Véase, por ejemplo, Delegate Manual of the Fifth Grove Fuel Cell Symposium, 22-25 de septiembre de 1997. Estos elementos no proporcionan suficiente información para el experto normal para llevar a cabo la invención descrita a continuación.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se basa, al menos en parte, en el descubrimiento de que los materiales de membranas de intercambio iónico (IEM), en particular los materiales de PEM (pero incluyendo materiales catiónicos, como se describe anteriormente), se pueden producir basándose en polímeros hidrófilos (es decir, polímeros inherentemente capaces de absorber y transmitir agua a través de su estructura molecular) según la reivindicación 1. Tales materiales, modificados para que incluyan restos de ácido sulfónico u otros restos fuertemente iónicos, se pueden obtener mediante polimerización en masa a partir de un monómero inicial o de un sistema prepolimérico mediante polimerización por radiación o térmica. La polimerización se debe realizar en presencia de agua y de otro líquido, de forma que el sistema sea homogéneo.

Según un primer aspecto de la presente invención, un polímero hidrófilo que se extiende parcialmente según la reivindicación 1, capaz de hidratarse con agua, se puede obtener por copolimerización de monómeros que comprenden: un monómero que incluye un grupo fuertemente iónico; un disolvente, por ejemplo un líquido polar. El polímero resultante está preferiblemente reticulado. Un polímero o un material de IEM de la invención que no esté hidratado con agua se puede hidratar (que para el fin de esta memoria incluye cualquier grado de hidratación, incluyendo la máxima hidratación) en uso, por ejemplo en una celda de combustible en la que se produce agua.

La presente invención se refiere asimismo a material de IEM hidrófilo que comprende una matriz de un polímero hidrófilo, y, retenida en la matriz, una molécula que incluye un grupo fuertemente iónico. Una molécula iónicamente activa se puede retener en la matriz mediante impedimento estérico y/o enlace químico. El polímero puede estar reticulado.

La introducción controlada de sitios eléctricamente activos da como resultado materiales que son tanto autohidratantes como eléctricamente conductores en agua pura. Tales materiales se pueden usar como membranas electroquímicas, y también tienen propiedades que los hacen adecuados para uso en biosensores y en dispositivos electroópticos.

La capacidad para producir materiales de IEM, mediante polimerización in situ, permite una ruta de una etapa para la producción de apilamientos. Además, es posible producir un sistema de electrodo de polímero de material compuesto, en el que un separador polimérico interpenetra y extiende la superficie específica activa del electrodo o... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Polímero hidrófilo que se puede obtener mediante copolimerización de monómeros hidrófobos e hidrófilos que dan un polímero hidrófilo en la polimerización, en el que la copolimerización se lleva a cabo en la presencia de agua y un monómero que incluye un grupo fuertemente iónico, de tal manera que el sistema de copolimerización es homogéneo, y en el que el monómero hidrófobo se selecciona de entre metacrilato de metilo, acrilonitrilo, metacriloxipropiltris(trimetiloxi)silano y metacrilato de 2,2,2-trifluoroetilo, y el monómero hidrófilo se selecciona de entre ácido metacrílico, metacrilato de 2-hidroxietilo, acrilato de etilo, 1-vinil-2-pirrolidinona, ácido propenoico, éster 2-metílico del ácido propenoico, ftalato de monometacriloiloxietilo y metacrilato de sulfatoetilo amónico.

2. Polímero según la reivindicación 1, que presenta unos sitios catiónicos.

3. Polímero según la reivindicación 1 ó 2, que presenta unos sitios aniónicos.

4. Polímero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el monómero hidrófobo es acrilonitrilo.

5. Polímero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el monómero hidrófilo es vinilpirrolidona.

6. Polímero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el polímero está reticulado.

7. Polímero según la reivindicación 6, en el que los monómeros incluyen un agente de reticulación separado.

8. Polímero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la polimerización comprende la irradiación con rayos γ o la iniciación térmica.

 

Patentes similares o relacionadas:

Procedimiento para producir un conductor de polímero conductor, del 24 de Junio de 2020, de AI Silk Corporation: Un procedimiento de producción de un conductor de polímero conductor en el que un polímero conductor se adhiere a un material base (M), que comprende: un paso […]

BATERÍAS RECARGABLES CON ENERGÍA SOLAR, BASADAS EN POLÍMEROS NANO-ESTRUCTURADOS, del 4 de Junio de 2020, de PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE: La presente invención se enmarca en el campo técnico de síntesis de nanomateriales, específicamente en la elaboración de baterías recargables con energía […]

ELECTROSÍNTESIS DE NANOHILOS POLIMÉRICOS DIRECTAMENTE SOBRE SUPERFICIES SÓLIDAS (ELECTRODOS), del 4 de Junio de 2020, de PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE: La presente invención se enmarca en el campo técnico de síntesis de nanomateriales, específicamente en la síntesis de nanohilos poliméricos directamente electrosintetizados […]

Aditivo de grafito avanzado para mejorar el ciclo de vida útil de las baterías de plomo-ácido de descarga profunda, del 29 de Abril de 2020, de EXIDE TECHNOLOGIES: Una celda de plomo y ácido de descarga profunda para baterías de fuerza motriz, que comprende: un primer electrodo que comprende plomo; un segundo electrodo que […]

Tinta de impresión de pantalla altamente catalítica, del 8 de Abril de 2020, de ANIMAS TECHNOLOGIES LLC: Una composición de polímero conductor que comprende: 0,01% a 5% en peso, basado en el peso total de la composición seca, de un catalizador de metal de transición […]

Uso de una membrana de electrolito en una batería secundaria de flujo rédox, del 19 de Febrero de 2020, de ASAHI KASEI KABUSHIKI KAISHA: Uso de una membrana de electrolito en una batería secundaria de flujo rédox, la membrana de electrolito comprende una composición de resina de intercambio […]

Método para mitigar el brillo de borde y la estructura compuesta resultante, del 29 de Mayo de 2019, de THE BOEING COMPANY: Un método para mitigar el brillo de borde en una superficie de fibra expuesta en un componente de plástico reforzado con fibra de carbono […]

Líquido iónico específico y método de preparación del mismo, del 7 de Mayo de 2019, de COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES: Líquido iónico que comprende la asociación de un catión de la fórmula (I) que sigue a continuación:**Fórmula** y de un anión elegido entre los aniones de las fórmulas […]

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