Membrana intercambiadora de protones y célula que comprende dicha membrana.

Célula (1) de pila de combustible, electrolizador o acumulador,

que comprende:

-un ánodo (3),

-un cátodo (4), caracterizada porque comprende, entre el cátodo y el ánodo, una capa (2) de un material que comprende nitruro de boro activado, comprendiendo la capa nitruro de boro pulverulento contenido en una matriz polimérica.

Membrana intercambiadora de protones y célula que comprende dicha membrana.

La presente invención se refiere a las membranas intercambiadoras de protones y, más particularmente, pero no exclusivamente, a las utilizadas en las pilas de combustible.

El documento WO 2006/003328 da a conocer la utilización de una cerámica de nitruro de boro para realizar una

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colisión entre H+ y e y almacenar el hidrógeno.

La solicitud de patente US 2004/0140201 recuerda que ya se utiliza como membrana intercambiadora de protones en pilas de combustible una resina perfluorosulfónica como la comercializada por la compañía DUPONT DE NEMOURS con la marca "NAFION®". Esta resina adolece de algunos inconvenientes, en particular una capacidad de funcionamiento limitada en temperatura, así como la necesidad de presencia de agua. Esta solicitud anterior sugiere resolver estos inconvenientes utilizando moléculas de fullereno.

Las publicaciones US nº 6.864.011, EP 1 400 986, WO 02/41432 describen otras disposiciones de membranas intercambiadoras de protones para pilas de combustible.

La patente US nº 5.270.126 describe una membrana que comprende polvo de nitruro de boro enlazado por una resina fluorada impregnada de ácido fosfórico. Este último participa en el intercambio de protones.

La publicación WO 00/45457 describe unas pilas de combustible en capas finas con sistemas MEMS y la publicación US 2006/237688, un material compuesto para el almacenamiento de hidrógeno.

La invención tiene como objetivo proporcionar una nueva membrana intercambiadora de protones que permita el funcionamiento a una temperatura relativamente elevada y también a temperatura ambiente, sin que se requiera la humidificación del combustible o del oxidante.

Según un aspecto de la invención, la célula de pila de combustible, electrolizador o acumulador, comprende:

- un ánodo,

- un cátodo,

- entre el cátodo y el ánodo, una capa de un material que comprende nitruro de boro activado, por ejemplo, una cerámica.

Se trata preferentemente de una capa de nitruro de boro hexagonal. La capa comprende nitruro de boro pulverulento contenido en una matriz polimérica.

Esta célula ofrece la ventaja de funcionar a diferentes temperaturas sin adolecer de los inconvenientes mencionados anteriormente de las resinas "NAFION®". El material es preferentemente impermeable al hidrógeno. Este carácter impermeable al hidrógeno se obtiene, por ejemplo, utilizando un material no poroso, es decir, cuya porosidad no se puede detectar con los aparatos convencionales de medición de la porosidad, tales como el porosímetro con mercurio. Se puede utilizar asimismo un material que tenga una porosidad de superficie relativamente elevada, con el fin de aumentar la superficie de intercambio, pero sin porosidad interna que comunica en totalidad, y formar así una barrera durante el paso del hidrógeno por la membrana.

El cátodo puede comprender por lo menos una capa de un compuesto metálico en contacto con la capa de nitruro de boro.

El ánodo puede comprender por lo menos una capa de un compuesto metálico en contacto con la capa de nitruro de boro.

Uno o ambos electrodos, ánodo y/o cátodo, pueden comprender, por lo menos uno de los compuestos de la lista siguiente, que no es limitativa: platino, por ejemplo en forma de nanogranos, nitruro de boro, en particular nitruro de boro activado tal como se menciona a continuación, carbón activo, un ligante, por ejemplo etanol o un compuesto polimérico, por ejemplo PVA o PTFE, o también una mezcla de estos elementos.

El ánodo puede comprender, por ejemplo, una capa delgada de una mezcla de RuO2, IrO2 oRuO2, IrO2 y TiO2, o de RuO2, IrO2 y SnO2 chapado con una placa de titanio porosa (de 30% a 50% por ejemplo) . La capa delgada puede tener un grosor comprendido entre 5 !m y 20 !m, por ejemplo de 10 !m aproximadamente.

Uno u otro de los electrodos se puede realizar en forma pulverulenta, siendo pulverizado sobre la membrana constituida por la capa de nitruro de boro mencionada anteriormente. Después de la pulverización, esta capa se puede comprimir con una prensa a una presión de 5 a 40 kg/cm2, por ejemplo de aproximadamente 20 kg/m2, a una temperatura comprendida entre 15º C y 200º C, por ejemplo entre 25º C y 150º C, para mejorar la adhesión de los electrodos a la membrana. La temperatura depende de la naturaleza de la capa, en función de si comprende o no, por ejemplo, un polímero sensible a la temperatura máxima aplicada.

El grosor de la capa de nitruro de boro puede ser inferior o igual a 2.500 !m, mejor 1.000 !m, aún mejor 500 !m, preferentemente 250 !m, por ejemplo entre 80 y 120 !m.

La célula puede comprender un sustrato de soporte de la membrana. Este sustrato puede contribuir a la resistencia mecánica de la célula y permitir la utilización de una membrana relativamente fina.

El sustrato se puede seleccionar, por ejemplo, de entre: alúmina, zirconio y nitruro de boro poroso, y sus mezclas.

El sustrato puede, por ejemplo, comprender un tejido fino, fabricado por ejemplo en Nylon®, polietiletercetona, tetrafluoroetileno de etileno, tereftalato de polietileno o poliéster.

El material del sustrato puede ser inerte frente a las reacciones electroquímicas que tienen lugar en la célula.

El sustrato es permeable a las especies químicas que deben alcanzar la membrana, siendo esta permeabilidad ventajosamente intrínseca al material utilizado.

La invención tiene asimismo como objetivo, según otro de sus aspectos, una pila de combustible que comprende una célula según se ha definido anteriormente, así como un circuito de llegada de un combustible por el lado del cátodo y un circuito de llegada de un oxidante por el lado del ánodo.

El combustible puede ser hidrógeno gaseoso u otros gases o líquidos.

El oxidante puede ser aire u oxígeno.

La pila puede comprender un material en el que el hidrógeno destinado a alimentar la célula se almacena en forma de hidruro. Este material se selecciona, por ejemplo, de entre los compuestos intermetálicos, en particular de entre los hidruros intersticiales o metálicos complejos, por ejemplo se puede seleccionar de la lista siguiente: de tipo AB5 (siendo A y B metales) , por ejemplo LaNi5, las fases de lavas (Cr, Ti) (Mn, V, Cr, Ni) 2, por ejemplo ZrMn2 o TiMn2, Mg, TiFe, Mg2Ni, las disoluciones sólidas cúbicas centradas a base de vanadio, BaReH9 (la fórmula correspondiente al estado de hidruro) , Mg2FeH6 (la fórmula correspondiente al estado de hidruro) , NaAlH4 (la fórmula correspondiente al estado de hidruro) , LiBH4 (la fórmula correspondiente al estado de hidruro) , y todos sus compuestos, derivados o aleaciones.

La capa de material puede comprender una cerámica, por ejemplo que comprende nitruro de boro hexagonal, preferentemente activado por una disolución ácida en campo eléctrico, nitruro de litio, Nafion® (Dupont de Nemours) , ácido bórico, polímero conductor iónico, por ejemplo PVA. Se puede seleccionar de entre las cerámicas intercambiadoras iónicas desarrolladas para las pilas PEMFC o PCFC.

La capa de material puede, por ejemplo, comprender nitruro de boro turboestrático, es decir, cuyos planos de cristalización se pueden desplazar ligeramente con respecto a la posición de cristalización teórica, por ejemplo, de cristalización hexagonal del nitruro de boro, lo cual genera por lo menos un buen mantenimiento de los planos entre sí, estando estos últimos más espaciados.

La capa de material puede comprender granos de nitruro de boro hexagonal unidos entre sí, por ejemplo, unos granos de un tamaño medio superior a 1 nm, incluso superior a 10 nm, incluso superior a 5 !m, e inferior a 20 !m, incluso del orden de 10 !m. Los granos pueden a su vez estar compuestos por cristalitas de tamaño medio comprendido entre 0, 1 y 0, 5 !m.

Los granos de nitruro de boro pueden estar orientados preferentemente no todos en paralelo con respecto a la capa, sino por ejemplo perpendicularmente a ésta, con el fin de asegurar una mejor sujeción mecánica, o también de un modo heterogéneo, con el fin de asegurar una mejor conducción protónica.

La capa de material puede comprender granos de nitruro de boro percolados, por ejemplo, unidos entre sí mediante un compuesto, por ejemplo, un compuesto de la lista... [Seguir leyendo]

1. Célula (1) de pila de combustible, electrolizador o acumulador, que comprende: -un ánodo (3) , -un cátodo (4) , caracterizada porque comprende, entre el cátodo y el ánodo, una capa (2) de un material que comprende nitruro de

boro activado, comprendiendo la capa nitruro de boro pulverulento contenido en una matriz polimérica.

2. Célula según la reivindicación anterior, siendo el material impermeable al hidrógeno.

3. Célula según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el cátodo (4) por lo menos una capa de un compuesto metálico en contacto con la capa de nitruro de boro.

4. Célula según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el ánodo por lo menos una capa de un compuesto metálico en contacto con la capa de nitruro de boro.

5. Pila de combustible que comprende una célula (1) tal como la definida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, así como un circuito de llegada de un combustible por el lado del cátodo y un circuito de llegada de un oxidante por el lado del ánodo.

6. Pila según la reivindicación anterior, siendo el combustible hidrógeno gaseoso.

7. Pila según cualquiera de las reivindicaciones 5 ó 6, que comprende un material en el que el hidrógeno destinado a alimentar la célula se almacena en forma de hidruro.

8. Electrolizador que comprende una célula tal como la definida según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.

9. Procedimiento de fabricación de una célula (1) tal como la definida según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende la etapa siguiente: -activar una capa de un material que comprende nitruro de boro exponiéndola a un ácido.

Procedimiento según la reivindicación anterior, que comprende además la etapa siguiente: -depositar sobre por lo menos una cara de la capa de nitruro de boro una capa de un catalizador de electrodo.

11. Procedimiento según la reivindicación anterior, siendo la capa de nitruro de boro metalizada antes de la activación.

12. Procedimiento de fabricación de una membrana de material que comprende nitruro de boro hexagonal activado, en el que se expone la membrana a una disolución ácida y después se aclara.

13. Procedimiento de activación de una membrana intercambiadora de protones (2) de pila de combustible, electrolizador o acumulador, que comprende una capa de un material que comprende nitruro de boro hexagonal activado, que comprende la etapa siguiente: exponer el nitruro de boro a una disolución que permite proporcionar radicales hidroxilos -OH y crear en el nitruro de boro unos enlaces B-OH.