EMPILADO DE CELDAS ELECTROQUIMICAS CON ELEMENTOS DE CHASIS.

Un empilado de celdas electroquímicas que comprende una pluralidad de celdas dispuestas lado a lado en un empilado,

teniendo cada celda:

- una membrana,

- una primera cavidad de semicelda sobre un lado de la membrana y una segunda cavidad de semicelda sobre el otro lado de la membrana,

- una placa de electrodo respectiva en el lado de cada semicelda opuesta a la membrana, proporcionando cada placa de electrodo contacto entre las celdas adyacentes al menos para aquellas intermedias a las celdas,

- un par de chasis, uno para una semicelda y otro para la otra, los chasis:

- capturan la membrana entre los mismos,

- localizan las placas de electrodos y

- teniendo:

- vacíos centrales alrededor de márgenes continuos que proporcionan las cavidades de semiceldas,

- aperturas en los márgenes continuos que proporcionan los ductos para el flujo del electrolito a través del empilado para la distribución a las celdas,

- rebajes de distribución del electrolito en los bordes interiores opuestos de los márgenes y

- pasos en los márgenes continuos para el flujo del electrolito desde una de las aperturas de los ductos, dentro y fuera de la semicelda en los rebajes de distribución y hasta otra de las aperturas de ductos,

en el que:

- se captura cada electrodo de placa entre un chasis de una celda y un chasis de una celda adyacente con al menos dos porciones de los márgenes de estos chasis extendiéndose fuera de los respectivos bordes del electrodo de placa, teniendo los chasis de celdas adyacentes caras que colindan en las porciones;

- se forman pasos de flujo en las caras de los márgenes y se cierran colindando con las caras del chasis opuestas; y

- se proporcionan aberturas a través del chasis en los chasis para extender los pasos de las caras que colindan de los chasis con las otras, el lado de la membrana de los chasis dentro de los rebajes de distribución

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2006/001256.

Solicitante: RE-FUEL TECHNOLOGY LIMITED.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: OVERMOOR, NESTON,CORSHAM, WILTSHIRE SN13 9TZ.

Inventor/es: RIDLEY,PETER JOHN.

Fecha de Publicación: .

Fecha Concesión Europea: 31 de Marzo de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01M8/02D2
  • H01M8/18C

Clasificación PCT:

  • C25B9/02 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.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.
  • C25B9/06 C25B 9/00 […] › Células que comprenden electrodos fijos de dimensiones estables; Acoplamientos de sus elementos de estructura.
  • C25B9/20 C25B 9/00 […] › del tipo filtro-prensa.
  • H01M8/02 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.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. › Detalles (de partes no activas H01M 2/00, de electrodos H01M 4/00).
  • H01M8/18 H01M 8/00 […] › Pilas de combustible regenerativas, p. ej., baterías de flujo redox o pilas de combustibles secundarias.

Fragmento de la descripción:

Empilado de celdas electroquímicas con elementos de chasis.

La presente invención se refiere a un empilado de celdas electroquímicas o electrolíticas, particularmente aunque no exclusivamente a un empilado de celdas de combustible de reducción/oxidación regenerativa (redox).

Se conoce que las celdas electroquímicas consisten típicamente entre dos y cincuenta semiceldas positivas y negativas alternas, aunque no se desconocen números mayores; ya que los componentes de las celdas se apilan entre sí, dicha pluralidad de semiceldas se conoce típicamente como un empilado electroquímico o un empilado de celdas electrolíticas, a menudo simplificado brevemente a "un empilado". Los factores importantes en el diseño de un empilado de celdas de este tipo son el método de construcción y el espesor de las celdas individuales. Las disposiciones típicas usan lo que se conoce como un diseño de prensa de filtro que comprende dentro de cada una de las capas sucesivas de celda de un material de junta no conductivo. Las capas comprenden chasis, que proporcionan la acomodación para el material electrodo y también contienen dentro de sus espesores los pasos de distribución del flujo de electrolito. Cada chasis se ensambla dentro de uno o dos tipos de una semicelda - positivo y negativo; debe observarse que, en general, el diseño de los chasis tanto para las semiceldas positivas como negativas es básicamente similar y su asignación es bien una consecuencia de la construcción global así como del uso del empilado en vez de una característica inherente. Estos chasis se intercalan típicamente de forma alternativa con láminas de un material electrodo adecuado y un separador de membrana adecuado. Esta construcción produce una sucesión de pares de semiceldas en serie con electrodos comunes para dos semiceldas, por consiguiente los electrodos se refieren como electrodos bipolares. También es posible y deseable en algunas aplicaciones conectarse de forma eléctrica a los electrodos intermedios y, dependiendo de la disposición de distribución del electrolito interno, operar las celdas de diversas otras formas en serie y/o en paralelo cuando alguno o todos los electrodos pueden ser unipolares en lugar de ser bipolares.

Ya que los chasis deben proporcionar un número de características diferentes, incluyendo sellado hidráulico, resistencia mecánica, acomodación del electrodo y pasos de distribución de flujo, requiriéndose estos pasos para proporcionar tanto aislamiento contra las corrientes derivadas internas y de forma contraria contra la resistencia al flujo mínimo y distribución de flujo uniforme, normalmente se requiere un compromiso de diseño entre las características. Particularmente, se sabe que es deseable conseguir una velocidad de flujo lineal elevada del electrolito dentro de la celda, que implique un espaciamiento de celda pequeño pero ya que el espesor del chasis define el espaciamiento este, a su vez, tiene el efecto indeseado de reducir la profundidad disponible para los pasos de distribución que típicamente se destinan a una u otra superficie de los chasis. Adicionalmente, se conoce que para un rendimiento de celda eficaz y confiable, se debe conseguir el cierre de los canales de distribución dentro de tales chasis a fin de evitar las trayectorias de daños indeseables y potenciales tanto para la fuga de corriente hidráulica y eléctrica.

El objeto de la presente invención es proporcionar un empilado de celdas electroquímicas mejorado.

De acuerdo con la invención, se proporciona un empilado de celdas electroquímicas que comprende una pluralidad de celdas dispuestas lado a lado en un empilado, teniendo cada celda:

- una membrana,
- una primera cavidad de semicelda sobre un lado de la membrana y una segunda cavidad de semicelda sobre el otro lado de la membrana,
- una placa de electrodo respectiva en el lado de cada semicelda opuesta a la membrana, proporcionando cada placa de electrodo contacto entre las celdas adyacentes al menos para aquellas intermedias a las celdas,
- un par de chasis, uno para una semicelda y otro para la otra, los chasis:
- capturan la membrana entre los mismos,
- localizan las placas de electrodos y
- teniendo:
- vacíos centrales alrededor de márgenes continuos que proporcionan las cavidades de semiceldas,
- aperturas en los márgenes continuos que proporcionan los ductos para el flujo del electrolito a través del empilado para la distribución a las celdas,
- rebajes de distribución del electrolito en los bordes interiores opuestos de los márgenes y
- pasos en los márgenes continuos para el flujo del electrolito desde una de las aperturas de los ductos, dentro y fuera de la semicelda en los rebajes de distribución y hasta otra de las aperturas de ductos,

en el que:

- se captura cada electrodo de placa entre un chasis de una celda y un chasis de una celda adyacente con al menos dos porciones de los márgenes de estos chasis extendiéndose fuera de los respectivos bordes del electrodo de placa, teniendo los chasis de celdas adyacentes caras que colindan en las porciones;
- se forman pasos de flujo en las caras de los márgenes y se cierran colindando con las caras del chasis opuestas; y
- se proporcionan aberturas a través del chasis en los chasis para extender los pasos de las caras que colindan de los chasis con las otras, el lado de la membrana de los chasis dentro de los rebajes de distribución.

Aunque son posibles otras configuraciones particularmente curvas o poligonales que tengan márgenes opuestos rectilíneos con las aperturas del ducto del electrolito dispuestas en las esquinas, normalmente los chasis serán rectangulares, es decir, que tienen cuatro márgenes rectos, con las aperturas de ducto del electrolito dispuestas en las esquinas. Los pasos de flujo se pueden distribuir en todos los cuatros márgenes, sin embargo, lo mismos se proporcionan preferiblemente sólo en dos márgenes opuestos. Es posible proporcionar todos los pasos en la cara de uno de cada par de chasis con caras que colindan, es decir, con dos pasos en cada porción marginal teniendo pasos con una abertura del chasis a través de la porción en el extremo de uno de los pasos y otra de dichas aberturas en el otro chasis opuesto al extremo del otro paso. Como alternativa, sólo se puede proporcionar un paso en cada porción marginal teniendo dicho paso de flujo. De forma conveniente, cada paso de flujo tiene entonces una abertura a través del chasis; o todas las aberturas se pueden proporcionar en la porción marginal opuesta. Estos pasos se pueden proporcionar de tal manera que los chasis sean simétricos alrededor de un eje central transverso al plano de sus caras que colindan; o que los pasos se puedan disponer para extenderse desde dos aperturas de ducto en las esquinas próximas al chasis, con los pasos extendiéndose lejos del margen que interconecta las esquinas próximas.

De forma conveniente, los electrodos se capturan en los rebajes de las caras que colindan de los chasis que se extienden alrededor de toda la continuidad de los márgenes alrededor del vacío central.

Aunque se prevé que los chasis se podrían sostener entre sí con suficiente compresión para sellar las cavidades, ductos y formas de los pasos, particularmente donde los chasis son de un material elastomérico. Sin embargo, se prefiere proporcionar sellos alrededor de los ductos y de los pasos que radien de los mismos y alrededor de los electrodos. Los sellos pueden ser de un material de junta, pero son preferiblemente anillos tipo O ajustados en los surcos de los chasis.

En la realización preferida, se proporcionan extensiones de paso en las caras opuestas a los chasis desde las caras que colindan, las extensiones prolongándose desde las aberturas a través del chasis hasta los respectivos rebajes de distribución del electrolito. Preferiblemente, los rebajes de distribución del electrolito son más amplios que los rebajes de captura del electrodo.

Para ayudar al entendimiento de la invención, a continuación se describirá a modo de ejemplo una realización específica de la misma haciendo referencia a los dibujos acompañantes, en los que:

La Figura 1 es una vista en perspectiva de una parte de un empilado de celdas de la invención, un empilado completo teniendo en la práctica más celdas que las que se muestran;

La Figura 2 es una vista del despiece de dos chasis, un electrodo y una membrana del empilado de la Figura 1;

La Figura 3 es una vista lateral de la sección transversal del empilado de la Figura 1 sobre el plano III-III mostrado en la Figura 1;

La Figura 4 es otra vista lateral de la sección...

 


Reivindicaciones:

1. Un empilado de celdas electroquímicas que comprende una pluralidad de celdas dispuestas lado a lado en un empilado, teniendo cada celda:

- una membrana,
- una primera cavidad de semicelda sobre un lado de la membrana y una segunda cavidad de semicelda sobre el otro lado de la membrana,
- una placa de electrodo respectiva en el lado de cada semicelda opuesta a la membrana, proporcionando cada placa de electrodo contacto entre las celdas adyacentes al menos para aquellas intermedias a las celdas,
- un par de chasis, uno para una semicelda y otro para la otra, los chasis:
- capturan la membrana entre los mismos,
- localizan las placas de electrodos y
- teniendo:
- vacíos centrales alrededor de márgenes continuos que proporcionan las cavidades de semiceldas,
- aperturas en los márgenes continuos que proporcionan los ductos para el flujo del electrolito a través del empilado para la distribución a las celdas,
- rebajes de distribución del electrolito en los bordes interiores opuestos de los márgenes y
- pasos en los márgenes continuos para el flujo del electrolito desde una de las aperturas de los ductos, dentro y fuera de la semicelda en los rebajes de distribución y hasta otra de las aperturas de ductos,

en el que:

- se captura cada electrodo de placa entre un chasis de una celda y un chasis de una celda adyacente con al menos dos porciones de los márgenes de estos chasis extendiéndose fuera de los respectivos bordes del electrodo de placa, teniendo los chasis de celdas adyacentes caras que colindan en las porciones;
- se forman pasos de flujo en las caras de los márgenes y se cierran colindando con las caras del chasis opuestas; y
- se proporcionan aberturas a través del chasis en los chasis para extender los pasos de las caras que colindan de los chasis con las otras, el lado de la membrana de los chasis dentro de los rebajes de distribución.

2. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 1, que tiene márgenes opuestos rectilíneos con aperturas de ducto del electrolito dispuestas en las esquinas.

3. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 2, en el que los pasos de flujo se proporcionan en dos márgenes opuestos.

4. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 3, en el que todos los pasos se proporcionan en la cara de uno de cada par de los chasis con caras que colindan.

5. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 3, en el que se proporciona sólo un paso en cada porción marginal que tiene uno de dichos pasos de flujo.

6. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 5, en el que cada paso de flujo tiene una abertura a través de su chasis.

7. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 5, en el que todas las aberturas que pasan por el chasis se proporciona en la porción marginal opuesta al extremo de los respectivos pasos.

8. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 5, reivindicación 6 o reivindicación 7, en el que los pasos de flujo se proporcionan de tal manera que los chasis tienen una simetría alrededor del eje central transversal al plano de sus caras que colindan.

9. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 5, reivindicación 6 o reivindicación 7, en el que los pasos se disponen para extenderse desde dos aperturas de ductos en las esquinas próximas del chasis, con los pasos que se extienden en las porciones marginales lejos del margen que interconecta las esquinas próximas.

10. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los electrodos se capturan en los rebajes en las caras que colindan de los chasis que se extienden alrededor de toda la continuidad de los márgenes alrededor del vacío central.

11. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 10, en el que los rebajes de distribución de electrolitos son más amplios que los rebajes de captura de electrodos.

12. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 11, que incluye los elementos de propagación de flujo en los rebajes de distribución del electrolito.

13. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los chasis se sostienen juntos con suficiente compresión para sellar las cavidades, los ductos y los caminos de paso, siendo los chasis de un material elastomérico.

14. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que los sellos se proporcionan alrededor de los ductos y de los pasos que radian de los mismos, alrededor de los electrodos y alrededor de las cavidades de semicelda entre el chasis y las membranas.

15. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 14, en el que los sellos son anillo tipo O ajustados en los surcos en los chasis, estando los anillos tipo O sobre un lado de la membrana desviados en una dimensión diametral menor que aquella del otro lado, con lo que los anillos tipo O se desvían uno de los otros.

16. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la reivindicación 14 o reivindicación 15, en el que los sellos de anillo tipo O se proporcionan sobre los lados opuestos de las placas de electrodos, sellando los mismos con los chasis que capturan los mismos.

17. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos alguno de los chasis de semicelda adyacente se unen entre sí.

18. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye una extensión de paso en las caras opuestas de los chasis desde las caras que colindan, las extensiones que se extienden desde las aberturas a través del chasis hasta los respectivos rebajes de distribución del electrolito.

19. Un empilado de celdas electroquímicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye electrodos tridimensionales que se extienden desde los electrodos de placa dentro de las respectivas semiceldas.


 

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