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ES2239718T3 - Metodo y producto para mejorar el rendimiento de acumuladores/pilas de combustible. - Google Patents

Metodo y producto para mejorar el rendimiento de acumuladores/pilas de combustible.

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Publication number
ES2239718T3
ES2239718T3 ES02744984T ES02744984T ES2239718T3 ES 2239718 T3 ES2239718 T3 ES 2239718T3 ES 02744984 T ES02744984 T ES 02744984T ES 02744984 T ES02744984 T ES 02744984T ES 2239718 T3 ES2239718 T3 ES 2239718T3
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ES
Spain
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uelm
tin
fuel cell
magnesium
group
Prior art date
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Application number
ES02744984T
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English (en)
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Klaus Heinrich Oehr
Steven Splinter
Joey Chung-Yen Jung
Elod Lajos Gyenge
Colin W. Oloman
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MagPower Systems Inc
Original Assignee
MagPower Systems Inc
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Publication date
Application filed by MagPower Systems Inc filed Critical MagPower Systems Inc
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    • H01M12/06Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • HELECTRICITY
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Abstract

Un método para producir electrodos que contienen magnesio empleados en acumuladores o pilas de combustible metal/aire, que comprende: (a) la adición de uno o más aditivos a un electrólito o a una superficie de electrodo, cuales aditivos se seleccionan de entre el grupo consistente en: ditiobiuret y estaño más una sal de amonio cuaternario.

Description

Método y producto para mejorar el rendimiento de acumuladores/pilas de combustible.
Campo
La presente invención se refiere a unos métodos y productos destinados a mejorar el rendimiento de los acumuladores/pilas de combustible metal aire que contienen magnesio, en una o más maneras, incluyendo: el aumento del rendimiento de utilización anódica (supresión del desprendimiento de hidrógeno), el aumento de la densidad de energía, el aumento de la densidad de potencia o el aumento del voltaje de la pila.
Antecedentes
Es bien conocido en la técnica anterior que ciertos electrodos de acumuladores, especialmente los empleados en acumuladores/pilas de combustible metal-aire, adolecen de un desprendimiento indeseable de hidrógeno durante su "descarga" en la que las mismas generan un potencial eléctrico o cuando las mismas están almacenadas, debido a la corrosión y/o a la densidad moderada de energía, es decir, salida de vatios-hora/litro y/o voltaje bajo de la pila. Esos electrodos engloban aquellos que contienen magnesio y aluminio y/o cinc solo o en combinación, como ejemplos. La producción de hidrógeno se describe por los suministradores comerciales de pilas de combustible (acumuladores), (por ejem. www.greenvolt.com/fuel cells.htm). Este productor se refiere a ello como una cuestión de seguridad. Sin embargo, ello también representa un despilfarro de combustible metálico.
Se ha escrito ampliamente que el magnesio adolece de un desprendimiento parásito de hidrógeno en electrólitos inorgánicos. Por ejemplo, Antonyraj (Antonyraj, A. and C.O. Augustin, 1998, "Anomalous Behaviour of Magnesium Anodes in Different Electrolytes at High Concetrations", Corrosion Reviews, 16(1-2): 127-138) afirma que "cuando el metal de magnesio entra en contacto con electrólitos acuosos, la autodisolución del metal y el desprendimiento de hidrógeno tiene lugar simultáneamente" (ver pág.131). Song y otros (Song, G. y otros, 1997, "The Electrochemical Corrosion of Pure Magnesium in 1N NaCl", Corrosion Science, 39(5): 855-875) indican que "bajo condiciones de corrosión libres, la corrosión del magnesio se puede considerar que ocurre por la interacción de ánodos y cátodos locales" (ver pág.871). Song y otros sugieren que el magnesio se puede convertir en hidruro mediante la siguiente reacción electroquímica (ver pág.858):
(1)Mg + 2H^{+} +2e^{-} = MgH_{2}
(2)MgH_{2} + H_{2}O = Mg^{2+} + 2OH^{-} + 2H_{2}
Una prueba de este mecanismo sugerido es dada por Nazarov y otros (Nazarov, A.P. y otros, 1989, "Formation of MgH_{2}, on Electrochemical Dissolution of Magnesium in Aqueous Electrolytes", Zashchita Metallov, 25(5): 760-765).
La patente de Estados Unidos núm. 5.024.904, publicada a Curiel, describe el uso de ánodos de metal, hechos preferiblemente de magnesio, aluminio o aleación de magnesio-aluminio, en combinación con electrólitos que contienen una sal y cátodos de aire a efectos de producir energía eléctrica portátil de corriente continua. Los ensayos del prototipo de Curiel por los inventores presentes han revelado la principal debilidad siguiente: el rendimiento de la utilización de magnesio tan bajo como 30% es debido al desprendimiento parásito del hidrógeno.
La patente de Estados Unidos núm. 4.908.281, publicada a O'Callaghan describe la producción indeseable de hidrógeno en electrodos de aluminio en pilas de aluminio aire (pág.1 líneas 63+). "Como con otros acumuladores este hidrógeno puede alcanzar fácilmente unas concentraciones explosivas". (pág. 2 líneas 10 á 12). Uno de los propósitos de la invención de O'Callaghan es crear un sistema destinado a ventilar adecuadamente el hidrógeno para ayudar a impedir las explosiones. El electrólito está diseñado para fluir hacia arriba y sobre un vertedero para descargar el producto de hidróxido de aluminio en un depósito de electrólito. El aire se emplea para diluir el hidrógeno por debajo de los límites explosivos. Tuck (Tuck, Clive D.S., Modern Battery Technology, 489-490) también describe un desprendimiento de hidrógeno gaseoso y parásito en el aluminio contenido en electrólitos acuosos.
Quraishi y otros (Quraishi, M.A. y otros, 1999, "Dithiobiurets: A Novel Class of Acid Corrosion Inhibitors for Mild Steel", Journal of Applied Electrochemistry) han descrito la inhibición del desprendimiento de la corrosión/hidrógeno en el acero, en ambientes fuertemente ácidos usando ditiobiuretos con la estructura siguiente:
R ---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
---
\delm{C}{\delm{\dpara}{S}}
---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
---
\delm{C}{\delm{\dpara}{S}}
---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
--- R'
donde R y R' son grupos funcionales arilo sustituidos tales como fenilo, tolilo etc.
La patente de Estados Unidos núm. 5.004.654 publicada a Hunter y otros describe los beneficios de una fuente de estaño, por ejemplo, iones que contienen estaño tales como iones de estannato, en el desprendimiento indeseable de hidrógeno en las pilas de aluminio /aire.
La patente de Estados Unidos núm. 3.594.235 publicada a Moran describe el empleo de un electrólito que contiene sal de amonio cuaternario en combinación con acumuladores (pilas de combustible) metal/aire que contienen electrodos de cadmio o de magnesio. El empleo de sal de amonio cuaternario como único componente del electrólito distinto que el agua, especialmente en una concentración excesivamente alta de un 10% por peso, hace que la invención de Moran sea prohibitivamente cara para aplicaciones no-militares.
El documento EP0354752 da a conocer unas baterías o pilas de combustible metal/aire que comprenden una aleación de magnesio, aluminio y estaño como ánodo o una aleación de magnesio y aluminio como ánodo, añadiéndose estannato de sodio al electrólito o una aleación de magnesio, aluminio y estaño como ánodo y añadiéndose estannato de sodio al electrólito.
El documento GB2058837 describe unas aleaciones de magnesio que contienen aluminio, cinc y estaño empleadas como ánodo en pilas primarias con agua de mar como electrólito.
El documento US5376471 se refiere a unas pilas metal/aire que comprenden un cátodo de aire y un ánodo compuesto de una aleación de aluminio, magnesio, estaño, y/o el estaño se añade como dicloruro de estaño al electrólito.
La técnica anterior relativa a los acumuladores, especialmente acumuladores (pilas de combustible) metal/aire tales como las que incluyen magnesio y aluminio y/o cinc, solos o en combinación, por ejemplo, como aleaciones, ha fallado al incorporar los conocimientos del empleo de derivados inhibidores del desprendimiento de hidrógeno para el acero, especialmente en ambientes altamente ácidos. Los intentos de minimizar el desprendimiento nocivo de hidrógeno se han limitado generalmente al uso de aleaciones metálicas exóticas y/o caras.
En consecuencia, es un objetivo de la presente invención el aportar unos métodos mejorados para la inhibición del desprendimiento de hidrógeno (rendimiento mejorado de la utilización anódica) y/o mejora de la densidad de energía y/o del voltaje de pila y/o de la densidad de potencia en acumuladores, especialmente acumuladores (pilas de combustible) metal/aire, especialmente aquéllos que contienen magnesio, magnesio y aluminio, magnesio y cinc.
Resumen de la invención
La invención se refiere a un método para mejorar el rendimiento de los electrodos que contienen magnesio empleados en los acumuladores (pilas de combustible) metal/aire, que comprende la adición de uno o más aditivos al electrólito o superficie del electrodo. Más específicamente, la misma se refiere a una mejora del rendimiento debido a cualquiera de los siguientes factores, solos o en combinación: la inhibición del desprendimiento de hidrógeno (mejora de la utilización del electrodo), mejora de la densidad de energía, mejora de la densidad de potencia y/o incremento en el voltaje de la pila. Los aditivos se seleccionan a partir de cualquiera de los grupos siguientes: ditiobiuret y estaño más una sal de amonio cuaternario.
Ventajosamente, se pueden usar los aditivos de ditiobiuret que tengan la estructura siguiente:
R ---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
---
\delm{C}{\delm{\dpara}{S}}
---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
---
\delm{C}{\delm{\dpara}{S}}
---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
--- R'
donde cualquiera o ambos de los grupos funcionales R ó R' contienen un grupo arilo (estructura de ciclo aromático), por ejemplo, donde R es un grupo tolilo -C_{6}H_{5}-CH_{3} y R' es un grupo fenilo C_{6}H_{5}-.
Los aditivos que contienen estaño se pueden usar ya sea en el electrólito o en la superficie del electrodo, por ejemplo, en forma de sales de estannato tales como estannato de sodio.
Los aditivos que contienen estaño también se pueden usar ya sea en el electrólito o en la superficie del electrodo, por ejemplo, en forma de sales de estannato tales como estannato de sodio, en combinación con una sal de amonio cuaternario tal como cloruro de tricaprilmetilamonio (por ejemplo Aliquat 336).
La invención también engloba las pilas de combustible y acumuladores de combustible metal/aire mejorados y basados en los métodos arriba citados.
Descripción detallada
Los siguientes ejemplos no limitativos muestran la flexibilidad de la invención aplicada a los acumuladores/pilas de combustible de magnesio/aire:
Ejemplo 1
Un ánodo laminar de aleación de magnesio AM60 (con un contenido de 94% de magnesio y 6% de aluminio por peso) fue sumergido junto con un cátodo de aire en un electrólito de agua de mar con y sin la adición de 0,0001 molar de ditiobiuret que contiene grupos funcionales p-tolilo y fenilo R y R', respectivamente. La pila trabajó con una corriente de descarga de 5 amperios (densidad de corriente anódica inicial de 32 mamp/cm^{2}) sin repostar el electrólito hasta que el voltaje de la pila cayó a cero debido a la disolución de magnesio más el aluminio. El electrólito estuvo inicialmente a temperatura ambiente. El promedio de voltaje de la pila, de la densidad de potencia (vatios por litro, W/L) de la densidad de energía (vatios hora por litro, Wh/l) y el promedio del rendimiento de utilización anódica (100% - rendimiento de producción de hidrógeno) para un sistema de una sola pila se resumen a continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
1
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo 2
Un ánodo laminar de aleación de magnesio AM60 fue sumergido juntamente con un cátodo de aire en un electrólito con un 13% por peso de cloruro sódico con y sin la adición de 0.0001 molar de ditiobiuret que contiene grupos funcionales de p-tolilo y fenilo R y R' respectivamente. La pila trabajó con una corriente de descarga de 5 amperios (densidad de corriente anódica inicial de 32 mamp/cm^{2}) sin rellenar el electrólito hasta que el voltaje de pila cayó a cero debido a la disolución del magnesio más el aluminio. El electrólito estuvo inicialmente a temperatura ambiente. El promedio de voltaje de la pila, de la densidad de potencia (vatios por litro, W/L) de la densidad de energía (vatios hora por litro, Wh/L) y el promedio del rendimiento de utilización anódica (100% - rendimiento de producción de hidrógeno) para un sistema de una simple pila se resumen a continuación:
3
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo 3
(No de acuerdo con la invención)
Un ánodo laminar de aleación de magnesio AM60 se sumergió juntamente con un cátodo de aire en un electrólito con un 24% de citrato de sodio, 12% de sulfato de sodio, 1% de cloruro de sodio (todo en % por peso) con y sin la adición de 0.003 molar de estannato de sodio (Na_{2}SnO_{3}). La pila trabajó con una corriente de descarga de 5 amperios (densidad de corriente anódica inicial de 32 mamp/cm^{2}) sin repostar el electrólito hasta que el voltaje de la pila cayó a cero debido a la disolución del magnesio más el aluminio. El electrólito estuvo inicialmente a temperatura ambiente. El promedio de voltaje de la pila, de la densidad de potencia (vatios por litro, W/L) de la densidad de energía (vatios hora por litro, Wh/L) y promedio del rendimiento de utilización anódico (100% - rendimiento de producción de hidrógeno) para un sistema de una simple pila se resumen a continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
4
Ejemplo 4
El experimento del anterior Ejemplo 3 se repitió con la nueva adición de una sal de amonio cuaternario, cloruro de tricaprilmetilamonio ([CH_{3}(CH_{2})_{7}]_{3}CH_{3}N^{+}Cl^{-}, Aliquat® 336) al electrólito con una concentración molar de 0.0001. El promedio de voltaje de pila, de la densidad de potencia (vatios por litro), de la densidad de energía (vatios hora por litro, Wh/L) y el promedio de rendimiento de utilización anódica (100%- rendimiento de producción de hidrógeno) se resumen a continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
5
Este experimento muestra claramente la interacción beneficiosa entre el estaño y los aditivos de sal de amonio cuaternario en la mejora del rendimiento del acumulador metal/aire con ánodos que contienen magnesio o sus aleaciones.
Ejemplo 5
(Ejemplo de referencia)
El experimento del anterior Ejemplo 4 se repitió con la supresión del aditivo de estaño (es decir, el estannato) del electrólito, mientras que se mantenía el aditivo de sal de amonio cuaternario Aliquat 336. El promedio de voltaje de pila, de la densidad de potencia (vatios por litro, W/L), de la densidad de energía (vatios hora por litro Wh/L) y el promedio del rendimiento de utilización anódica (100% - rendimiento de producción de hidrógeno) se resumen a continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
7
Aunque la adición del aditivo de sal de amonio cuaternario mejoró el rendimiento de la pila, la combinación de aditivos que contienen estaño con los ánodos que contienen sal de amonio cuaternario y magnesio, fue claramente superior al de una sal de amonio cuaternario sola, como se muestra por la comparación con el Ejemplo 4 de la densidad de energía y del rendimiento de utilización anódica. La combinación de un aditivo de estaño y de una sal de amonio cuaternario suprimió el desprendimiento de hidrógeno en un ánodo conteniendo magnesio en un mayor grado que con cualquier aditivo usado en solitario.
Ejemplo 6
Con el objeto de investigar el efecto de los aditivos juntamente con las aleaciones de magnesio conteniendo cinc se realizaron unos experimentos empleando un ánodo laminar de aleación AZ31 sumergido en un cátodo de aire en una mezcla de electrólito compuesta por un 24% por peso de citrato de sodio, un 12% por peso de sulfato de sodio y un 1% por peso de cloruro de sodio. Dichos experimentos se ejecutaron con y sin la presencia de aditivos en el electrólito. Los aditivos fueron ó un 0.0001 molar de Aliquat 336 o una combinación de 0.0001 molar de Aliquat 336 y un 0,003 molar de estannato de sodio. Se aplicó una descarga de corriente de 5 A por pila (densidad de corriente anódica inicial de 35 mamp/cm^{2}) y el experimento se continuó hasta que el voltaje de pila cayó a 0.8 V. El electrólito estuvo inicialmente a la temperatura ambiente y se empleó sin repostar. El promedio de voltaje de pila, de la densidad de potencia (vatios por litro, W/L), de la densidad de energía (vatios hora por litro Wh/L) y del rendimiento de utilización anódica (100% - rendimiento de producción de hidrógeno) por una sola pila se resumen a
continuación:
\vskip1.000000\baselineskip
8
9
10
El ejemplo anterior muestra que usando el aditivo de combinación (es decir, sal de amonio cuaternario Aliquat 336 y estannato) conjuntamente con la aleación AZ31, mejoraron todos los 4 factores de rendimiento de la pila de combustible magnesio-aire que contenía una aleación de magnesio-aluminio-cinc.
En consecuencia, aún cuando la presente invención se haya descrito con referencia a unas realizaciones ilustrativas, esta descripción no pretende ser interpretada en un sentido limitativo. Diversas modificaciones de las realizaciones ilustrativas, así como otras realizaciones de la invención, serán evidentes para las personas expertas en la técnica bajo la referencia de esta descripción. Se contempla, por lo tanto, que las reivindicaciones adjuntas cubran cualesquiera de tales modificaciones o realizaciones como cayendo dentro del alcance de la invención.

Claims (20)

1. Un método para producir electrodos que contienen magnesio empleados en acumuladores o pilas de combustible metal/aire, que comprende:
(a)
la adición de uno o más aditivos a un electrólito o a una superficie de electrodo, cuales aditivos se seleccionan de entre el grupo consistente en: ditiobiuret y estaño más una sal de amonio cuaternario.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho estaño se añade a dicho electrólito como una sal de estannato.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho estaño se añade a dicha superficie de electrodo como un metal de estaño, por ejemplo, como una aleación de magnesio/estaño.
4. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicha sal de estannato es un estannato de sodio.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho ditiobiuret tiene la estructura:
R ---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
---
\delm{C}{\delm{\dpara}{S}}
---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
---
\delm{C}{\delm{\dpara}{S}}
---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
--- R'
6. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que uno o ambos grupos funcionales R y R' contienen un grupo arilo con una estructura de ciclo aromático.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicho grupo R es un grupo tolilo (-C_{6}H_{5}-CH_{3}) y dicho grupo R' es un grupo fenilo (-C_{6}H_{5}-).
8. Una pila de combustible o acumulador metal/aire, que comprende:
(a)
un electrodo que contiene magnesio;
(b)
un electrodo de aire;
(c)
un electrólito; y
(d)
uno o más aditivos, añadiéndose dichos uno o más aditivos a dicho electrodo que contiene magnesio o a dicho electrólito, seleccionándose dichos uno o más aditivos a partir del grupo consistente en: ditiobiuret y estaño más una sal de amonio cuaternario,
en la que dicho uno o más aditivos comportan una mejora de rendimiento de dichos acumuladores o pilas de combustible metal/aire.
9. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 8, en la/el que dicho estaño se añade a dicho electrólito como una sal de estannato.
10. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 8, en la/el que dicho estaño se añade a dicha superficie de electrodo como un metal de estaño, por ejemplo como una aleación de magnesio/estaño.
11. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 9, en la/el que dicha sal de estannato es un estannato de sodio.
12. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 8, en la/el que dicho ditiobiuret tiene la estructura:
R ---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
---
\delm{C}{\delm{\dpara}{S}}
---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
---
\delm{C}{\delm{\dpara}{S}}
---
\uelm{N}{\uelm{\para}{H}}
--- R'
13. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 12, en la/el que uno o ambos de los grupos funcionales R y R' contienen un grupo arilo con una estructura de ciclo aromático.
\newpage
14. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 13, en la/el que dicho grupo R es un grupo tolilo (-C_{6}H_{5}-CH_{3}) y dicho grupo R' es un grupo fenilo (-C_{6}H_{5}-).
15. Una pila de combustible/acumulador que comprende;
(a)
un electrodo que contiene magnesio;
(b)
un electrodo de aire;
(c)
un electrólito; y
(d)
un aditivo ditiobiuret que contacta con una superficie de dicho electrodo que contiene magnesio,
en la/el que dicho aditivo ditiobiuret inhibe la formación de hidrógeno en dicho electrodo que contiene magnesio.
16. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 15, en la/el que dicho contacto se efectúa mediante la adición de dicho aditivo ditiobiuret a un líquido que está en contacto con dicho metal.
17. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 15, en la/el que dicho metal se inmerge en un líquido que contiene ditiobiuret y luego se deja secar.
18. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 17, en la/el que dicho líquido se puede evaporar.
19. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 8, en la/el que dicha sal de amonio cuaternario es cloruro de tricaprilmetilamonio.
20. La pila de combustible/acumulador de acuerdo con la reivindicación 8, en la/el que dicho electrodo que contiene magnesio también contiene aluminio y/o estaño y/o cinc.
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