ES2908010T3 - Electrodo de difusión de gas, una instalación de electrólisis, así como un procedimiento para operar una instalación de electrólisis - Google Patents

Abstract

Electrodo de difusión de gas (2) con al menos dos capas (4, 6), de las cuales una primera capa (4) presenta un tejido eléctricamente conductor (8) que está incorporado al menos parcialmente en una matriz de polímeros (10) que actúa de forma hidrófoba, donde la matriz de polímeros (10) está conformada de forma hidrófoba y presenta un ángulo de contacto (14) con respecto al agua de más de 90°, y donde una segunda capa (6) presenta una porosidad abierta (12) que comprende partículas (9) que actúan de forma catalítica, y la cual presenta un grosor de entre 1 μm y 50 μm, caracterizado porque el tejido (8) comprende una fibra que contiene plata, titanio o níquel.

Description

DESCRIPCIÓN

Electrodo de difusión de gas, una instalación de electrólisis, así como un procedimiento para operar una instalación de electrólisis

La presente invención hace referencia a un electrodo de difusión de gas según la reivindicación 1, a una instalación de electrólisis para la conversión de dióxido de carbono según la reivindicación 9, así como a un procedimiento para operar una instalación de electrólisis según la reivindicación 12.

Para aprovechar la potencia eléctrica fluctuante que proviene de fuentes de energía renovables, como por ejemplo del viento y de la tecnología fotovoltaica, pueden sintetizarse materiales orgánicos que se obtienen a partir de gases residuales de la industria y de procesos de plantas de combustible fósil, en base a electrólisis acuosa de CO2. En este caso, una etapa del proceso consiste en reducir dióxido de carbono para producir monóxido de carbono con la ayuda de energía eléctrica, donde el monóxido de carbono se utiliza como material variado y como sustancia inicial para la síntesis posterior de sustancias orgánicas. Para ello se emplean instalaciones de electrólisis en forma de electrolizadores que presentan un así llamado electrodo de difusión de gas (EDG) como componente central. Esos electrodos de difusión de gas habitualmente se fabrican en base a un catalizador de plata ligado a una matriz de polímeros, donde en esa matriz por ejemplo también está introducida una red metálica para la estabilización mecánica. Sin embargo, en los electrodos de difusión de gas de esa clase resulta problemático el hecho de que los mismos tienen una resistencia demasiado reducida a largo plazo, en particular tiene lugar una penetración de líquido de electrolito en el electrodo de difusión de gas y se produce una precipitación de sales desde la solución de electrolito. Esto se conoce como una salinización del electrodo de difusión de gas, que con el tiempo lo inutiliza. En la publicación de WU JINGJIE ET AL: "Electrochemical reduction of carbon dioxide: IV dependence of the Faradaic efficiency and current density on the microstructure and thickness of tin electrode", JOURNAL OF POWER SOURCES, ELSEVIER SA, CH, tomo 258, 13). de febrero de 2014, páginas 189-194, se describe la estructura de un electrodo de difusión de gas con una capa de papel carbón, una capa de difusión, así como una capa de catalizador que se compone de polímero plástico Nafion y estaño.

En la publicación de ENDRODI B ET AL: "Continuous-flow electroreduction of carbon dioxide", PROGRESS IN ENERGY AND COMBUSTION SCIENCE, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, NL, tomo 62, 13). de junio de 2017, páginas 133-154, se describe la aptitud de partículas de plata como catalizador.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un electrodo de difusión de gas, así como una instalación de electrólisis con un electrodo de difusión de gas, y un procedimiento para operar una instalación de electrólisis, que presente una vida útil más prolongada en comparación con la estructura convencional.

La solución del objeto consiste en un electrodo de difusión de gas según la reivindicación 1, así como en una instalación de electrólisis según la reivindicación 9, así como en el procedimiento para operar una instalación de electrólisis según la reivindicación 12.

El electrodo de difusión de gas según la reivindicación 1 presenta al menos dos capas, de las cuales una primera capa presenta un tejido eléctricamente conductor que está incorporado al menos parcialmente en una matriz de polímeros que actúa de forma hidrófoba. Además, el electrodo de difusión de gas presenta una segunda capa con una porosidad abierta, que comprende partículas que actúan de forma catalítica, y la cual presenta un grosor de entre 1 |jm y 50 |jm.

La primera capa, que presenta el tejido eléctricamente conductor, se utiliza esencialmente para la estabilización mecánica del electrodo de difusión de gas y para el contacto eléctrico. Lo mencionado se trata de una característica que ya es conocida para los EDG del estado del arte. A diferencia del estado del arte, sin embargo, ese tejido está rodeado por una matriz de polímeros que actúa de forma hidrófoba, que presenta un ángulo de contacto con respecto al agua, así como con respecto al electrolito líquido que se encuentra presente, que es mayor que 90°. Esto impide una penetración de un electrolito líquido en la primera capa del EDG. A su vez, de ello resulta que también se impide la así llamada salinización debido a la precipitación de sales desde el electrolito en la matriz del EDG. Además, esto se impide debido a que existe una segunda capa en la que se encuentran presentes partículas que actúan de forma catalítica, en particular o por ejemplo partículas de plata, en una porosidad abierta de la segunda capa. Esas partículas que actúan de forma catalítica, en particular partículas de plata, a diferencia de la matriz de la primera capa, son hidrófilas, absorben el electrolito líquido y lo conducen a una superficie límite entre la primera capa y la segunda capa. En el entorno de esa superficie límite, así como dentro del mismo, tiene lugar la conversión química efectiva de un educto, donde en ese caso, mediante el tejido eléctricamente conductor, que llega hasta la superficie límite entre las dos capas, se ponen a disposición los electrones para la conversión del educto. Se evita de este modo una penetración posterior del electrolito líquido más allá de esa superficie límite, hacia la primera capa hidrófoba.

Se prevé que el tejido se componga de fibras que contengan plata o que contengan titanio, o bien que comprenda dichas fibras. Si el tejido, por medio de la matriz de polímeros hasta los puntos de contacto con la segunda capa, está protegido del humedecimiento debido al electrolito, entonces el mismo también puede comprender níquel. Se considera especialmente preferente un tejido de fibras de plata. En otras formas de ejecución no indicadas en las reivindicaciones también es posible que las fibras contengan carbono. Un material de la matriz adecuado para la matriz de polímeros de la primera capa es el politetrafluoroetileno. Éste es suficientemente hidrófobo y es adecuado para rodear el tejido lo mejor posible. El hecho de rodear de ese modo el tejido con la matriz de polímeros, por tanto, es conveniente porque de ese modo la superficie de la plata o de otros posibles materiales de fibras, que actúa de forma catalítica e hidrófila, no entra en contacto con el electrolito líquido. Del modo ya mencionado, no es deseable que en la primera capa tenga lugar una reacción catalítica entre el electrolito y el educto, ya que debido a eso podría tener lugar nuevamente una salinización de la primera capa.

De este modo, por el término matriz de polímeros no debe entenderse una matriz densa cerrada, sino una matriz porosa, como ya se ha mencionado, que permite que eductos gaseosos se difundan a través de esa matriz de polímeros y lleguen a una superficie límite entre la primera capa y la segunda capa, para la conversión reactiva. La primera capa del EDG preferentemente presenta un grosor que se encuentra entre 50 |jm y 1000 |jm. El grosor de la primera capa esencialmente está determinado por el espesor de las fibras individuales del tejido. Las fibras de un diámetro de 100 jm son muy comunes, el largo de la malla habitualmente es de 0,3 mm. Son absolutamente posibles grosores de las fibras más grandes y, con ello, grosores de las capas más grandes, de la primera capa, que son útiles para una mayor estabilidad del EDF, pero que conducen a que los eductos, en particular los eductos gaseosos, deban difundirse a través de una capa más gruesa, lo cual a su vez reduce la conversión electroquímica entre la primera y la segunda capa. De este modo debe considerarse la selección del grosor de la primera capa y el grosor del alambre o el espesor de las fibras del tejido, y la reactividad en el EDG. En general, el grosor de la primera capa se encuentra entre 100 jm y 400 jm.

Además, se considera conveniente que la matriz de polímeros de la primera capa presente una porosidad en la que el 95 % de los poros presente un diámetro que se encuentra entre 0,1 jm y 2 jm, preferentemente entre 0,6 jm y 0,9 jm. Los poros de ese tamaño aún dejan pasar bien los eductos gaseosos, pero debido a su carácter hidrófobo no dejan que penetre electrolito líquido o éste sólo apenas penetra, aun cuando el mismo, en comparación con la fase de gas en la primera capa, presenta una sobrepresión de 0,2 bar, tal como se puede presentar en celdas y pilas más grandes.

Las partículas de la segunda capa, que actúan de forma catalítica, presentan un diámetro que se encuentra entre 0,05 jm y 1 jm, preferentemente entre 0,1 jm y 0,5 jm. Las partículas finas de esa clase, en particular las partículas de plata, presentan a su vez una superficie catalítica grande, en donde puede tener lugar la reacción deseada. De este modo, las partículas que actúan de forma catalítica en particular consisten en partículas de plata que, por una parte, presentan una superficie que actúa de forma hidrófila, que favorece la absorción del electrolito líquido. Por otra parte, la superficie de las partículas de plata actúa de forma particularmente catalítica para muchas reacciones deseadas, por ejemplo para la reacción de dióxido de carbono para producir monóxido de carbono, donde se suprime la reducción inconveniente del agua que produce hidrógeno. Además, se considera conveniente que las partículas que actúan de forma catalítica estén mezcladas con ligantes que igualmente actúen de forma hidrófila, de modo que gracias a esto puede regularse una porosidad específica y tiene lugar una unión determinada entre las partículas que actúan de forma catalítica. De este modo, se considera conveniente que el ángulo de contacto de esos ligantes que actúan de forma hidrófila sea de menos de 90°.

A su vez, en este contexto también se considera conveniente que el 95 % de los poros de la segunda capa presenten un diámetro que se encuentra entre 0,1 jm y 5 jm, así como preferentemente entre 0,1 jm y 1 jm. En la medición de la porosidad, en todas las capas descritas, se recurre a procedimientos de evaluación de imágenes. De este modo, una sección transversal o una vista superior se registran microscópicamente y se evalúa la frecuencia de los poros, así como su diámetro, en el punto más grande del diámetro.

Otro aspecto de la invención consiste en una instalación de electrólisis para la conversión electrolítica de dióxido de carbono con un electrodo de difusión de gas según una de las reivindicaciones precedentes. Una instalación de electrólisis de esa clase presenta un espacio de gas y una cámara de electrolito. Entre el espacio de gas y la cámara de electrolito está incorporado el electrodo de difusión de gas, y separa los mismos uno de otro, al menos en algunas secciones. En este caso, la segunda capa del EDF está orientada hacia la cámara de electrolito; la primera capa se encuentra en contacto con el espacio de gas. En esa posición de instalación, el efecto descrito del electrodo de difusión de gas es técnicamente viable. Además, se considera conveniente que una barra de contacto entre en contacto de forma electrónica con el electrodo de difusión de gas y que se encuentre en contacto directo con partes no revestidas del tejido.

Otro aspecto de la invención consiste en un procedimiento para operar la instalación de electrólisis, donde en el espacio de gas se introduce un educto que contiene dióxido de carbono, donde el educto es guiado en el electrodo de difusión de gas y se difunde a través de la primera capa del electrodo de difusión de gas. De este modo, llega a una capa límite de la primera capa y la segunda capa del electrodo de difusión de gas y allí se transforma químicamente. En este caso, la segunda capa está impregnada por un electrolito líquido.

Con respecto al procedimiento y a la instalación de electrólisis se encuentran presentes los mismos modos de acción y ventajas ya descritos con relación al electrodo de difusión de gas. Esto aplica en particular con respecto a la estructura mencionada entre la primera y la segunda capa, donde la primera capa es hidrófoba y la segunda capa preferentemente es hidrófila y además presenta partículas que actúan de forma catalítica. En una superficie límite entre la capa hidrófila y la capa hidrófoba se produce la reacción deseada, en particular para la reducción de dióxido de carbono para producir monóxido de carbono.

Otras formas de configuración y otras características de la invención se explican con mayor detalle mediante las siguientes figuras, que muestran:

Figura 1 una representación esquemática de la disposición de un electrodo de difusión de gas en una instalación de electrólisis con espacio de gas y cámara de electrolito,

Figura 2 una representación esquemática ampliada de la microestructura del electrodo de difusión de gas en un área límite entre una primera y una segunda capa, y

Figura 3 una representación esquemática de la determinación del ángulo de contacto.

En la figura 1 está representada una representación esquemática de un sector de una instalación de electrólisis 20. Un electrolizador también puede denominarse como instalación de electrólisis 20, donde en ese caso dióxido de carbono se introduce como educto y se produce monóxido de carbono como producto. La instalación de electrólisis 20 presenta un espacio de gas 22 y una cámara de electrolito 24. El gas de educto dióxido de carbono es llevado al espacio de gas 22 mediante un dispositivo de suministro de educto, no representado aquí, y es conducido a un electrodo de difusión de gas (EDG) 2 por el espacio de gas 22. El electrodo de difusión de gas 2 comprende en este caso esencialmente dos capas, una primera capa 4 y una segunda capa 6. La primera capa 4 se caracteriza porque la misma cumple una función soporte para todo el ^e D^g 2; en la misma está incorporado un tejido 8, que por ejemplo se compone de hilos de plata. El tejido 8, a su vez, está rodeado por una matriz de polímeros 10 que, sin embargo, está conformada de forma porosa, de manera que eductos 28 en forma de dióxido de carbono pueden difundirse en forma de gas a través de la primera capa 4, hasta una superficie límite 30 del EDG 2. La superficie límite 30 marca el límite entre la primera capa 4 y la segunda capa 6. La segunda capa 6, en comparación con la primera capa 4, tiene un carácter funcional. La misma se caracteriza porque también presenta una porosidad, y en la superficie de los poros se encuentran presentes partículas 9 que actúan de forma catalítica, en forma de partículas de plata 9. También en este caso se trata de una porosidad abierta que, sin embargo, está infiltrada con un electrolito líquido 32, donde el electrolito líquido 32 en particular se encuentra presente en el espacio de electrolito 24. Además, están proporcionadas barras de contacto 26 que se apoyan en el EDG 2 de forma positiva, y que presionan el mismo contra una barra opuesta 27, mediante la cual la corriente eléctrica es conducida sobre el tejido 8 y, con ello, hacia el electrodo de difusión de gas 2.

En la figura 2 está mostrado un sector esquemático ampliado, desde el área límite entre la primera capa 4 y la segunda capa 6, que debe explicar esquemáticamente la microestructura del EDG 2. En este caso se no se trata de una representación realizada a escala; en particular la segunda capa está dibujada relativamente gruesa. En el lado derecho de la figura 2 está representada la primera capa 4 con el tejido 8, en el lado izquierdo puede apreciarse la segunda capa 6. Las dos capas 4, 6 se encuentran una con otra en la superficie límite 30. El sector representado en la figura 2, del lado derecho, muestra igualmente otra vez un sector de dos fibras del tejido 8, donde en este caso se trata de fibras de plata. La fibra inferior del tejido 8 está conectada de forma positiva a la barra de contacto 26. De este modo, se introduce corriente eléctrica en el tejido 8, que a su vez, con ello, se encuentra a disposición en la superficie límite 30 y se utiliza para la introducción de electrones en el EDG 2. Se considera ventajoso que el tejido 8 esté protegido por una matriz inerte o un revestimiento. En esta forma de configuración se trata de la matriz de polímeros 10, donde las partículas de la matriz de partículas 10, de forma ilustrativa, y para diferenciarlas mejor, están representadas como triángulos. En principio, para revestir el tejido 8 también puede utilizarse otro material diferente al que se utiliza para la matriz porosa entre las fibras individuales del tejido 8.

Pero es importante que la matriz 10 presente una porosidad 16 abierta con poros 17 individuales, de manera que el educto 28, por tanto, el dióxido de carbono, pueda difundirse a través de la primera capa 4, en la superficie límite 30. Ese recorrido de difusión está ilustrado con la flecha 28, que está identificada con CO2. Además, es importante que el material de la matriz de polímeros 10 se trate de un material hidrófobo, para impedir que electrolito líquido 32, por encima de la superficie límite 30, penetre en la primera capa 4 del EDG 2. De este modo se evita que tenga lugar una reacción electroquímica ya en la primera capa 4, lo cual, en el caso de reacciones de ecuación que son válidas para la conversión del dióxido de carbono para formar monóxido de carbono, en combinación con el electrolito, conduciría a una salinización del EDG 2 en las áreas esenciales de la primera capa 4.

Por hidrófobo se entiende aquí que las fuerzas capilares, que actúan sobre el electrolito líquido 32 en las superficies límite con respecto a las partículas de la matriz 10, son suficientes para impedir una penetración de ese electrolito líquido en la capa 4. En general se parte de la base de que una propiedad hidrófoba de una superficie de material 33 se encuentra presente entonces cuando el ángulo de contacto, que está representado esquemáticamente en la figura 3, es mayor que 90°. Pero preferentemente el ángulo de contacto es > 95°. Esto se muestra en la figura 3, en la mitad izquierda de la representación. Además, cabe señalar que es ventajoso que la matriz 10 en la primera capa 4 esté configurada de manera que la misma rodee las fibras del tejido 8 como capa protectora, de modo que tampoco en el caso de la utilización de hilos de plata para el tejido 8 pueda producirse un efecto catalítico entre la superficie del tejido 8 y el electrolito, o el dióxido de carbono como educto 28. Por ese motivo, las partes de la matriz triangulares, de la matriz 10, están representadas aquí de forma esquemática, de manera que las mismas representan una capa superficial protectora sobre las fibras del tejido 8. Pero en principio puede tratarse también de un revestimiento separado para el tejido 8, que sea distinto del resto de la matriz 10, en lo que respecta al material. En principio, la capa sobre las fibras de plata también puede ser porosa, en tanto el radio de los poros sea suficientemente reducido para impedir un humedecimiento de las fibras de plata con electrolito, en combinación con la propiedad hidrófoba del material de la matriz.

Dos propiedades importantes de la primera capa 4, por tanto, se encuentran presentes junto con la capacidad de carga mediante el tejido 8, que consisten en el hecho de que la misma es lo más hidrófoba posible y lo menos reactiva posible. En contraposición a ésta se encuentra la segunda capa 6, que en general está aplicada sobre la primera 4 mediante otro procedimiento de revestimiento. Esa capa en particular comprende partículas 9 que actúan de forma catalítica, que en particular están conformadas en forma de partículas de plata. Esas partículas 9, de manera preferente, también pueden estar provistas de un material ligante; en este caso se trata de un ligante hidrófilo 18, que en la figura 2 está representado de forma esquemática mediante partículas ovaladas. La estructura superficial de ese ligante hidrófilo 18 se caracteriza porque la misma, en comparación con la solución de electrolito líquida 32, presenta la mejor humectación posible, de manera que la capa 6 puede ser infiltrada por el electrolito 32, incluso cuando desde el lado de gas predomina una sobrepresión en el rango de 0,2. En particular esto se logra cuando la superficie del ligante hidrófilo presenta una tensión superficial que conduce a que el ángulo de contacto con respecto al agua, así como a una gota de agua 15 o con respecto al electrolito líquido, según la figura 3, lado derecho, sea menor que 85°. Esos ligantes 18, tal como lo indica su nombre, tienen un efecto ligante entre las partículas 9 individuales que actúan de forma catalítica, y dependiendo de la estructura y de las características de las partículas 9, son opcionales, pero ventajosos, para la producción de la capa 6.

Tanto en la capa 4, como también en la capa 6, se regula una porosidad específica, de manera que, en primer lugar, las moléculas de gas pueden difundirse a través de la primera capa 4, y el electrolito líquido 32 puede infiltrarse hacia la segunda capa 6. Se ha comprobado que es conveniente que la estructura de los poros de la primera capa 4 esté conformada de manera que el 95% de los poros presenten un diámetro que se encuentra entre 0,6 |jm y 0,9 |jm. En cuanto a la técnica del procedimiento no siempre es posible regular una estructura de los poros tan exacta sin una complejidad técnica elevada. Por ese motivo, en menor medida, también poros más grandes, de hasta 2 jm, pero también poros más reducidos, de hasta 0,1 jm, son completamente aceptables. El grosor de la primera capa 4 en particular está determinado por el diámetro de las fibras del tejido 8. El mismo habitualmente se encuentra entre 100 jm y 500 jm. Las capas más gruesas y, con ello, también las fibras más gruesas del tejido 8, si bien tendrían una mayor capacidad de carga, sin embargo significarían también un recorrido de difusión más largo del gas dióxido de carbono y del producto 29, CO, a través de la primera capa 4. Esto probablemente influiría negativamente en el grado de efectividad y en la selectividad del EDG 2 para la producción de CO. La segunda capa 6 esencialmente puede estar conformada más delgada que la primera capa 4; finalmente la segunda capa 6 en general se aplica sobre la primera capa 4 soporte mediante un procedimiento de revestimiento determinado. En cuanto a los procesos que se desarrollan de forma estrictamente química, la segunda capa 6 podría ser muy delgada; en sentido estricto ya sería suficiente con un estrato de partículas 9 que actúan de forma catalítica. En cuanto a la técnica del proceso, en particular también mediante la utilización de ligantes 18, se obtienen grosores de las capas un poco más elevados, mientras que el grosor de la capa 5 de la primera capa 4, del modo ya mencionado, se encuentra entre 100 jm y 500 jm, en donde el grosor de la capa 7 de la segunda capa 6, se encuentra entonces entre 5 jm y 50 jm. En este caso, cada partícula 9 individual de la segunda capa 6 presenta un diámetro que se encuentra entre 0,05 jm y 3 jm, de modo completamente preferente entre 0,1 jm y 0,5 jm. Con respecto a la precisión de esos valores aplica lo ya mencionado con relación a la primera capa; preferentemente se efectúa una limitación a esos tamaños de partículas, donde irregularidades en cuanto a la técnica del proceso no son perjudiciales hasta un cierto grado. Lo mismo aplica también para la porosidad de la segunda capa 6, donde también aquí 95 % de los poros se encuentran entre 0,1 jm y 5 jm, preferentemente entre 0,1 jm y 1 jm. También son convenientes partículas 9 huecas, que no están representadas aquí, que presentan una cavidad interna, a la que se puede acceder desde el exterior, con ese tamaño de los poros. En el caso de dimensiones externas más grandes, también los poros entre las partículas forzosamente son más grandes y entonces ya no son adecuados para mantener el electrolito en los poros, frente a una presión del gas que se encuentra presente.

En la superficie límite 30, así como en el área de 2 a 3 tamaños, hacia el interior de la respectiva capa 4 o 6, tiene lugar después la conversión del educto, en general dióxido de carbono 28, formando el producto monóxido de carbono 29. Para ello, preferentemente, así como en general, se desarrollan las siguientes ecuaciones de reacción: 2CO2 H2O 2e- ^ CO 2HCO3 - Ecuación 1

CO2 H2O 2e- ^ CO 2OH- Ecuación 2

Los electrones que se necesitan para las ecuaciones de reacción son guiados en la superficie límite 30 mediante la barra de contacto 26 y el tejido 8. La respectiva agua está contenida en exceso en el electrolito que penetra en la superficie límite 30 mediante la segunda capa 6. El dióxido de carbono es suministrado en correspondencia con la ruta 28 en la figura 2; del mismo modo, el monóxido de carbono, mediante el mismo recorrido, se disipa a través de la primera capa 4. Los iones de bicarbonatos o los iones de hidróxido, en una solución acuosa, son reconducidos nuevamente a través de la capa 6, hacia el electrolito líquido; el mismo se intercambia por un flujo volumétrico, de modo que respectivamente se encuentra presente una concentración constante. Debido a que la segunda capa es delgada se favorece el transporte de todos los componentes del electrolito, de modo que se contrarresta una precipitación de bicarbonato. Mediante el efecto hidrófobo de la matriz 10 de la primera capa 4 se impide que el electrolito 32 llegue a la primera capa 4 y allí precipiten sales después de la reacción.

El grosor de la segunda capa, de 1 |jm a 50 |jm, es comparativamente reducido. De este modo, por una parte, se asegura que se disponga de una conductividad electrónica suficiente dentro de la capa de catalizador, para garantizar el suministro del EDG dentro de las mallas de la red conductora 8. Por otra parte, una superficie que actúa de forma catalítica, de las partículas 9, se encuentra a disposición de modo suficiente, a un alcance del dióxido de carbono disuelto y que debe difundirse, para llevar una densidad de corriente en la forma deseada para la reducción del dióxido de carbono. Por consiguiente, la segunda capa 6 en principio puede producirse de pocas monocapas de partículas 9 con un diámetro de 0,1 jm. También partículas 9, en particular partículas de plata con un diámetro de aproximadamente 1 jm, se encuentran aún en ese rango, lo cual conduce a una catálisis exitosa, pero no son tan adecuadas. Pero esencialmente son electroquímicamente activas sólo las superficies dentro de un área de la superficie límite hacia el interior de la capa 6, que se encuentra en el orden de magnitud de una longitud de difusión del dióxido de carbono disuelto, por tanto, en el rango de 0,1 a 1 jm. Las áreas de la segunda capa 6 que llegan más hacia el interior del espacio de electrolito, respaldan de forma irrelevante la reducción de CO2, en comparación con aquellas áreas de la capa 6 que se encuentran cerca de la superficie límite 30. El desarrollo de hidrógeno, debido a una disminución de tensión reducida en el electrolito del EDG 2, también es posible sólo en un alcance reducido, si es posible en absoluto, ya que en la segunda capa 6 porosa, en esa extensión reducida, apenas se presenta un gradiente de concentración.

El hecho de que el grosor de la segunda capa 6 sin embargo puede ser más grande que los pocos estratos de partículas mencionados, reside en que también una resistencia interna eléctrica, que se encuentra presente en la capa 6, debe ser suficientemente reducida para garantizar el suministro electrónico de corriente entre las barras de contacto 26 individuales.

Además, debe prestarse atención a que en la segunda capa 6, cerca de la superficie límite 30, el diámetro de los poros es efectivamente más reducido que el límite superior de 1 jm ya descrito. Preferentemente, sólo los poros presentan un diámetro de 0,1 jm a 0,5 jm, de manera que esté garantizado que mediante la superficie hidrófila de las partículas 9 que actúan de forma catalítica esos poros 13 estén llenos de electrolito 32, lo cual conduce a una barrera de difusión para el dióxido de carbono. Gracias a esto se forma una superficie límite estable de gaselectrolito en la capa límite 30, que debido a la estructura hidrófoba de los poros en la primera capa 4 debe ser estable por encima de diferencias de presión considerables de al menos 0,2 bar. Las partículas 9 que actúan de forma catalítica, por tanto, de manera correspondiente, deben estar fijadas en la estructura hidrófoba de la primera capa 4, en la superficie límite 30, en lo posible mediante un ligante adicional. Fundamentalmente, se considera conveniente que los sistemas de poros, tanto en la primera capa 4, que tiene una función soporte, y en la segunda capa 6, que tiene una función catalítica, presenten una porosidad lo más elevada posible. De este modo, se ha comprobado que las porosidades por sobre el 25% son muy adecuadas, por una parte, para que pueda tener lugar el transporte de gas, de dióxido de carbono y de monóxido de carbono, a través de la primera capa 4 y, por otra parte, para que pueda tener lugar la infiltración de la segunda capa 6, mediante el electrolito líquido 32. En comparación con los electrodos de difusión de gas convencionales, en este caso se acorta el trayecto que el electrolito líquido 32 debe recorrer hacia el interior del electrodo de difusión de gas 2; por otra parte, la ruta 28 que debe recorrer el dióxido de carbono a través de la primera capa 4 apenas se agranda de forma apreciable, debido a lo cual se reduce la polarización del electrodo de difusión de gas 2 descrito, en comparación con los EDG convencionales.

Además, debe proporcionarse también un ejemplo de ejecución de la producción de un electrodo de difusión de gas 2 descrito. Sobre un tejido de plata 8 con un diámetro de 180 jm y un largo de la malla de 250 jm, con la ayuda de una plantilla con un grosor de 500 jm (con una abertura de 60 mm x 120 mm), se criba una capa de material Dyneon TF 2021, y a continuación se retira con una rasqueta. La capa se lamina con una calandria de 2 cilindros, con un espacio entre cilindros de 0,3 jm, de manera que puntas de la tela metálica sobresalen desde la membrana. En otra etapa, sobre el lado posterior, con la ayuda de un aerógrafo, se pulveriza una segunda capa 6 con un grosor de 1 jm a 20 jm, que se utiliza como capa del catalizador, de nanopartículas de plata, con un diámetro de las partículas primarias de 0,1 jm. La suspensión de partículas se produce del siguiente modo: 60 mg de nanopartículas de plata (pureza > 99,9 %) y 30 mg de un ligante hidrófilo (ionómero de intercambio de aniones) se dispersan en 3 ml de n-propanol, en el baño ultrasónico, de 10 a 15 min. Se busca una carga de 0,5 mg a 3 mg de catalizador/cm2. El electrodo se seca bajo corriente de argón continua durante 12 horas. La puesta en contacto eléctrica de las nanopartículas tiene lugar mediante percolación, así como mediante las puntas sobresalientes del tejido de plata 8. El electrodo presenta una resistencia interna de 0,001 Q y ventajosamente puede ponerse en contacto desde el lado del gas.

Una ventaja especial de esa estructura de electrodos reside en el hecho de que el lugar de reacción en la superficie límite entre la primera y la segunda capa, en ciertos límites, se fija independientemente de la diferencia de presión entre el lado de gas y el lado de líquido. Esto se garantiza debido a que la presión que se necesita para empujar el electrolito desde la segunda capa, preferentemente hidrófila, se encuentra en el rango de preferentemente más de 0,2 bar, y de forma inversa, una sobrepresión de esa magnitud, del lado del electrolito, no es suficiente para dejar penetrar el electrolito en la primera capa. De este modo, en la zona de reacción se encuentran presentes condiciones de funcionamiento muy adecuadas, sin tener que regular cuidadosamente la presión entre el lado de gas y el lado de electrolito. El EDG descrito es robusto frente a fluctuaciones de presión, tal como las que se producen debido a la presión del peso en celdas o pilas de celdas más grandes, o también durante la circulación por las celdas, durante el funcionamiento. En un EDG estructurado de forma convencional, que se compone de una única capa, la profundidad de penetración del electrolito es localmente diferente y depende de la diferencia de presión en el rango de mbar. De manera correspondiente, los poros llenados con electrolito o gas, hasta el lugar de reacción, son de una longitud diferente y, con ello, hay puntos en los que se favorece la reducción de agua no deseada.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Electrodo de difusión de gas (2) con al menos dos capas (4, 6), de las cuales una primera capa (4) presenta un tejido eléctricamente conductor (8) que está incorporado al menos parcialmente en una matriz de polímeros (10) que actúa de forma hidrófoba, donde la matriz de polímeros (10) está conformada de forma hidrófoba y presenta un ángulo de contacto (14) con respecto al agua de más de 90°, y donde una segunda capa (6) presenta una porosidad abierta (12) que comprende partículas (9) que actúan de forma catalítica, y la cual presenta un grosor de entre 1 |jm y 50 jm, caracterizado porque el tejido (8) comprende una fibra que contiene plata, titanio o níquel.

2. Electrodo de difusión de gas según la reivindicación 1, caracterizado porque la matriz de polímeros (10) comprende politetrafluoroetileno.

3. Electrodo de difusión de gas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera capa (4) presenta un grosor que se encuentra entre 50 jm y 1000 jm, en particular entre 100 jm y 400 jm.

4. Electrodo de difusión de gas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la matriz de polímeros (10) presenta una porosidad (16), y porque el 95% de los poros (17) presentan un diámetro que se encuentra entre 0,1 jm y 2 jm, preferentemente entre 0,6 jm y 0,9 jm.

5. Electrodo de difusión de gas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las partículas (9) que actúan de forma catalítica de la segunda capa (6) presentan un diámetro que se encuentra entre 0,05 jm y 1 jm, preferentemente entre 0,1 jm y 0,5 jm.

6. Electrodo de difusión de gas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la segunda capa (6), como partículas (9) que actúan de forma catalítica, comprende partículas de plata.

7. Electrodo de difusión de gas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las partículas (9) de la segunda capa (6) están mezcladas con un ligante hidrófilo (18) que presenta un ángulo de contacto (14) con respecto al agua de menos de 90°.

8. Electrodo de difusión de gas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos el 95% de los poros (13) de la segunda capa (6) presentan un diámetro que se encuentra entre 0,1 jm y 5 jm, preferentemente entre 0,1 jm y 1 jm.

9. Instalación de electrólisis para la conversión electrolítica de dióxido de carbono, con un electrodo de difusión de gas según una de las reivindicaciones precedentes.

10. Instalación de electrólisis según la reivindicación 9, caracterizada porque la instalación de electrólisis presenta un espacio de gas (22) y una cámara de electrolito (24), donde la segunda capa (6) del electrodo de difusión de gas (2) está orientada hacia la cámara de electrolito (24).

11. Instalación de electrólisis según una de las reivindicaciones 9 ó 10, caracterizada porque una barra de contacto (26) contacta eléctricamente el electrodo de difusión de gas (2).

12. Procedimiento para operar una instalación de electrólisis según una de las reivindicaciones 9 a 11, donde en el espacio de gas (22) se introduce un educto (28) que contiene dióxido de carbono, el educto (28) es guiado en el electrodo de difusión de gas (2) y se difunde a través de la primera capa (4) del electrodo de difusión de gas (2), después de lo cual alcanza una superficie límite (30) de la primera capa (4) con respecto a la segunda capa (6) del electrodo de difusión de gas (2) y allí se reduce, donde la segunda capa (6) está impregnada con un electrolito líquido.