Celda electroquímica de flujo de electrolito que comprende electrodos transversales y procedimiento de fabricación.

Celda electroquímica de flujo de electrolito que comprende al menos dos electrodos que presentancaras principales planas y paralelas,

comprendiendo cada uno de los electrodos (5; 5a, 5b) una estructura (9) conuna red de pasajes transversales y perpendiculares a las caras 5 principales de dicho electrodo, caracterizadaporque dicha estructura (9) tiene base de carbono y comprende caras laterales rodeadas por una armadura maciza(10) a base de carbono.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/053750.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: BATIMENT "LE PONANT D" 25, RUE LEBLANC 75015 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: KIRCHEV,Angel,Zhivkov, KIRCHEVA,NINA.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • C25B11/03 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 11/00 Electrodos; Su fabricación no prevista anteriormente. › perforados o agujereados.
  • H01M4/86 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 4/00 Electrodos. › Electrodos inertes que tienen una actividad catalítica, p. ej. para pilas de combustible.
  • H01M4/88 H01M 4/00 […] › Procesos de fabricación.
  • H01M8/02 H01M […] › 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.
  • H01M8/20 H01M 8/00 […] › Pilas de combustible indirectas, p. ejemplo, pilas de combustible de par redox reversible (H01M 8/18 tiene prioridad).

PDF original: ES-2427603_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Celda electroquímica de flujo de electrolito que comprende electrodos transversales y procedimiento de fabricación.

Ámbito técnico de la invención La invención se refiere a una celda electroquímica de flujo de electrolito que comprende al menos dos electrodos que presentan caras principales planas y paralelas, comprendiendo cada electrodo una estructura con una red de pasajes transversales y perpendiculares a las caras principales del electrodo.

La invención también se refiere a un procedimiento de fabricación de dicha celda.

Estado de la técnica Este tipo de celda resulta adecuado para aplicaciones de almacenamiento de energía, tales como baterías. En un primer tipo de batería electroquímica de flujo de electrolito, las baterías de flujo redox, las especies que intervienen en las reacciones electroquímicas se disuelven completamente en el electrolito. Este es en particular el caso de las baterías de vanadio.

El artículo «Handbook of Batteries» de Paul C. Butler et al. (3er ed., capítulo 39 «Zinc/Bromine Batteries», 2002) describe una batería de zinc/bromo en la que una de las especies electroquímicas se deposita en forma de una capa sólida de zinc. La figura 1 representa una de estas celdas. Esta comprende al menos dos electrodos bipolares 1 y 2, hechos de un material compuesto a base de carbono y polímero, formados mediante moldeo por inyección. Se dispone un separador de polímero 3 entre los dos electrodos cuando la celda utiliza dos electrolitos. De este modo, una cara del separador se encuentra en contacto con un electrolito catódico y la otra cara se encuentra en contacto con un electrolito anódico. Esta celda está alimentada por un flujo de electrolito vertical, es decir, un flujo que es paralelo a las superficies principales de los electrodos 1 y 2. En esta configuración, la potencia de la celda es proporcional a la superficie geométrica de los electrodos en contacto con el electrolito asociado. Por consiguiente, la fabricación de celdas de alta potencia resulta difícil a causa del gran tamaño de los electrodos. Además, el bombeo en las celdas de gran tamaño resulta difícil. Otro inconveniente de esta tecnología consiste en la degradación de las estructuras de material compuesto durante el envejecimiento de la batería.

En el documento US 2005/084737 se ha propuesto una celda electroquímica que comprende dos electrodos planos y paralelos. Cada electrodo comprende una pluralidad de pasajes transversales para la circulación de un electrolito.

Asimismo, el documento WO01/15792 describe un electrodo para la desionización del agua. El agua fluye por los poros de una cara a la otra del electrodo.

No obstante, estos electrodos presentan una baja resistencia a las tensiones mecánicas y una conducción de corriente limitada.

Objeto de la invención El objeto de la invención es dar a conocer una celda electroquímica y un procedimiento de fabricación de una celda electroquímica que solucione los defectos de la técnica anterior. Más particularmente, el objeto de la invención consiste en dar a conocer una celda electroquímica sólida y compacta que resulte fácil de realizar y que, al mismo tiempo, presente un alto rendimiento.

De acuerdo con la invención, este objeto se consigue mediante las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos Otras ventajas y características se extraerán más claramente de la descripción que viene a continuación de las formas particulares de realización de la invención, dadas a título de ejemplos no limitativos y representadas en los dibujos anexos, en los que:

- la figura 1 representa una celda electroquímica de acuerdo con la técnica anterior.

- la figura 2 representa, esquemáticamente y en sección, una celda de acuerdo con la invención, que utiliza un solo electrolito.

- la figura 3 representa, esquemáticamente y en sección, una celda de acuerdo con la invención, que utiliza dos electrolitos.

- la figura 4 representa una primera forma de realización de un electrodo de una celda de acuerdo con la invención.

- la figura 5 representa una segunda forma de realización de un electrodo de una celda de acuerdo con la invención.

- las figuras. 6 y 7 representan diferentes etapas de un procedimiento de fabricación de electrodos de una celda de acuerdo con las figuras 2 o 4.

- la figura 8 representa, esquemáticamente y en sección a lo largo de A-A, la celda de acuerdo con la figura 2.

Descripción de las formas particulares de realización La figura 2 ilustra, en una vista en sección, una forma de realización particular de una celda electroquímica de flujo de electrolito de acuerdo con la invención. La celda comprende convencionalmente, en un alojamiento 4, dos electrodos 5a y 5b, que pueden estar separados por medio de un separador 3 (figura 3) . La celda comprende al menos dos entradas distintas, encontrándose cada entrada asociada con un electrodo, y al menos una salida. En la figura 2 se representan dos orificios de entrada 6a y 6b formados en la pared delantera del alojamiento 4, mientras que en la figura 3 se representan dos orificios de salida 7a y 7b formados en la pared trasera del alojamiento 4. En la figura 2, el electrolito entra a través del orificio de entrada 6a en el volumen comprendido entre el electrodo 5a y la pared correspondiente del alojamiento 4. De manera análoga, el electrolito entra a través del orificio de entrada 6b en el volumen comprendido entre el electrodo 5b y la pared correspondiente del alojamiento 4. Cada electrodo comprende una estructura 9 (figura 4) con una red de pasajes transversales que se extiende desde una cara principal hasta la otra. Los pasajes son perpendiculares a las caras principales del electrodo. Preferentemente, todos ellos son idénticos y se encuentran separados por paredes delgadas de baja porosidad (porosidad: 5-10%) . La sección transversal de cada pasaje puede ser circular, hexagonal, cuadrada, rectangular, etc. La red formada de esta manera es preferentemente una red regular, por ejemplo, en forma de un panal de abejas.

Así pues, el electrolito fluye a través de los pasajes de los electrodos 5a y 5b, pasa a través del volumen comprendido entre los electrodos 5a y 5b y es evacuado a través de un orificio de salida que no aparece representado en la figura 2. En la forma de realización particular de la figura 3, con el separador 3, un primer electrolito entra a través del orificio de entrada 6a, pasa a través del electrodo 5a y sale a través de un primer orificio de salida 7a. De manera análoga, un segundo electrolito entra a través del orificio de entrada 6b, pasa a través del electrodo 5b y sale a través de un segundo orificio de salida 7b. Por último, los colectores metálicos 8a y 8b encaminan la corriente hacia el exterior de la celda y constituyen los bornes positivo y negativo de la celda. Los orificios de entrada 6a y 6b se encuentran situados preferentemente en la parte baja de la pared delantera del alojamiento 4, mientras que los orificios de salida 7a y 7b se encuentran situados preferentemente en la parte alta de la pared opuesta (pared trasera) .

La figura 4 representa, en perspectiva, un electrodo que comprende la estructura 9. La estructura 9 se encuentra rodeada por un armadura externa 10, maciza, es decir, compacta y tan poco porosa como sea posible. Una zona 11 de una cara exterior de la armadura 10 está metalizada y un colector metálico de corriente 8 se encuentra soldado sobre la zona 11. Las otras caras exteriores de la armadura 10 se encuentran, preferentemente, unidas de manera adhesiva a las paredes interiores del alojamiento 4. En el caso de un electrodo de grandes dimensiones, que se ilustra en la figura 5, la estructura 9 se encuentra, preferentemente, dividida en estructuras elementales, cuatro en la figura 5 (9a, 9b, 9c y 9d) , separadas por una armadura interior 12.

La estructura 9 y la armadura externa maciza 10 son a base de carbono, por ejemplo, de carbono vítreo. Los pasajes están ordenados y son homogéneos, la distribución del flujo de electrolito en la red también es homogénea, en particular con pasajes de un tamaño (diámetro o lado) comprendido entre 1 mm y 4 mm y una longitud comprendida entre 10 y 20 mm. Con estas dimensiones, la celda conserva un excelente poder de penetración, «throwing power» en inglés, en toda la longitud del pasaje. El poder de penetración representa la distribución de la densidad de corriente a lo largo de un pasaje y, en general, depende de dos parámetros: el potencial electrostático y la concentración de los reactivos. La concentración de los reactivos disminuye cuanto mayor es la distancia desde la entrada del pasaje, debido a las reacciones que consumen los reactivos.... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Celda electroquímica de flujo de electrolito que comprende al menos dos electrodos que presentan caras principales planas y paralelas, comprendiendo cada uno de los electrodos (5; 5a, 5b) una estructura (9) con una red de pasajes transversales y perpendiculares a las caras principales de dicho electrodo, caracterizada porque dicha estructura (9) tiene base de carbono y comprende caras laterales rodeadas por una armadura maciza (10) a base de carbono.

2. Celda de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende al menos dos entradas distintas, encontrándose cada entrada asociada con un electrodo, y al menos una salida.

3. Celda de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la armadura (10) está hecha de carbono vítreo.

4. Celda de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la estructura (9) está hecha de carbono vítreo.

5. Celda de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el electrodo

(5) se encuentra dividido en al menos dos partes por una armadura interior (12) a base de carbono.

6. Celda de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la armadura (10) presenta al menos una zona (11) de una cara exterior galvanizada con cobre y conectada a un colector metálico de corriente (8; 8a, 8b) por soldadura.

7. Celda de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la red de pasajes presenta la forma de un panal de abejas.

8. Celda de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque comprende un alojamiento (4) provisto de nervaduras interiores (14) para la colocación de los electrodos.

9. Procedimiento de fabricación de una celda de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la formación de los electrodos comprende:

- la realización de un soporte provisional (13) impregnado con una primera resina termoendurecible a base de carbono y que comprende dicha red de pasajes,

- el moldeo de la armadura (10) alrededor de dicho soporte provisional (13) con una mezcla que comprende al menos una segunda resina termoendurecible a base de carbono,

- el endurecimiento de dicha mezcla,

- el corte en rebanadas para formar los electrodos (5) ,

- el tratamiento térmico para obtener una estructura (9) y una armadura (10) a base de carbono.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el soporte provisional (13) está hecho de papel.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 y 10, caracterizado porque la mezcla que constituye la armadura (10) comprende, además, fibras de carbono y un disolvente inerte.

12. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque comprende sucesivamente la galvanoplastia de la zona (11) de una cara exterior de la armadura (10) con cobre y la soldadura de un colector metálico de corriente (8) .


 

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