Procesos de reinicio de batería para electrodo de combustible en armazón.

Un método para reiniciar una celda electroquímica, la celda electroquímica comprende:

un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeable ordenados en una relación separada para recibir el combustible metálico electrodepositado;

un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible;

un electrodo de carga;

un medio conductor iónico que contacta los electrodos;

el electrodo de combustible y el electrodo oxidante están configurados para que, durante la descarga, oxiden al combustible metálico en el electrodo de combustible y reduzcan a un oxidante en el electrodo oxidante para generar una corriente eléctrica de descarga entre ellos para la aplicación a una carga; y

el electrodo de combustible y el electrodo de carga están configurados para que durante la recarga, reduzcan a un especie reducible del combustible para electrodepositar el combustible sobre el electrodo de combustible y oxidar una especie oxidable del oxidante mediante la aplicación de una corriente eléctrica de recarga entre ellos desde una fuente de energía;

el método comprende:

aplicar una corriente eléctrica de inicio desde una fuente de energía a la celda electroquímica, entre el electrodo de combustible y al menos otro electrodo antes mencionado con el electrodo de combustible que funciona como un ánodo y el otro electrodo antes mencionado funciona como un cátodo, de manera que el combustible metálico en el electrodo de combustible se oxide en la especie de combustible reducible; y

eliminar la corriente eléctrica de inicio para descontinuar el proceso de reinicio.

Procesos de reinicio de batería para electrodo de combustible en armazón

Campo 5

La presente invención se relaciona generalmente con una celda electroquímica, y más específicamente, con una celda metal-aire.

Antecedentes 10

Son conocidas las celdas electroquímicas que usan metal como el combustible. Un tipo de celda electroquímica es una celda metal-aire, que comprende típicamente un ánodo de combustible en el que el combustible metálico se oxida, un cátodo respirador de aire en el que el oxígeno del aire del ambiente se reduce, y un electrólito para soportar reacciones de los iones oxidados/reducidos. 15

En algunas celdas metal-aire, tales como las descritas en la solicitud patente de los Estados Unidos con núms. de serie 12/385.489 y 12/901.410, publicada como US-A-2009/0284229 y US-A-2011/086278, respectivamente, el ánodo de combustible comprende una pluralidad de cuerpos de electrodo en armazón. El combustible metálico se reduce y electrodeposita sobre los cuerpos de electrodo. Un reto con este tipo de diseño es asegurar que el crecimiento no 20 acerque prematuramente los cuerpos de electrodo adyacentes entre sí, acortando así la oportunidad de un crecimiento denso entre los cuerpos.

En tales celdas metal-aire en armazón, puede haber producción de errores, defectos, y desgaste y rasgado del cátodo respirador de aire en algunas áreas de combustible sobre los cuerpos de electrodo que no se oxidan lo suficientemente 25 rápido como en otras áreas donde la celda está en un modo de generación de corriente. Cuando tal celda se coloca después en un modo de carga, estas áreas de combustible generado pueden provocar una formación prematura de conexiones eléctricas entre los cuerpos de electrodo, que pueden reducir la capacidad de cambio, la eficiencia total de la celda, y la energía almacenada en la batería.

30 La US-A-2005/0031911 describe una celda/batería de combustible híbrido que incluye al menos un cátodo, al menos un ánodo, y al menos un electrodo auxiliar.

La US-A-2008/145719 describe un aparato relacionado con un ensamble de celdas electroquímicas. El aparato es capaz de controlar la pérdida de agua de una celda de combustible, al menos en parte, por la separación de los flujos de 35 los fluidos gas y líquido.

La EP-A0277, 937 describe un método para disolver depósitos irregulares sobre los electrodos de una batería, cuyos depósitos se forman cuando la energía se almacena y están al menos parcialmente disueltos en los electrólitos cuando se quita la energía. Los fluidos de electrólito se mantienen en circulación durante el almacenamiento y eliminación de 40 energía y el anión en su forma oxidada se suministra a al menos la cámara de electrólito o las cámaras con los depósitos metálicos.

La GB-A-1.286.173 describe un método para la descarbonatación del electrólito de un generador electroquímico recargable concertado para operar con un electrólito alcalino. El generador es del tipo que incorpora un electrodo de aire 45 y un electrodo metálico que es sustancialmente insoluble en el electrólito.

La US-A-6.091.230 describe un método para recuperar y restaurar el voltaje en una batería zinc-aire que haya caído a un primer umbral. El método incluye los pasos de desacoplar esencialmente todas las cargas de una batería zinc-aire y dejar estabilizar el voltaje, con un muestreo de voltaje para determinar si el voltaje de la batería está por debajo de un 50 segundo umbral definido, comenzar un temporizador y determinar si el voltaje se recupera hasta al menos un tercer umbral predefinido antes que se consuma el tiempo del temporizador y el muestreo periódico del voltaje para determinar si el voltaje se recupera hasta un voltaje por encima de un cuarto umbral predefinido para un período de tiempo prolongado.

55 Entre otras cosas, la presente solicitud intenta proporcionar una forma efectiva y mejorada para eliminar las áreas de combustible metálico del ánodo de combustible, al reiniciar efectivamente el ánodo de combustible de la celda de combustible a una condición recargable fresca.

Resumen 60

La presente invención se define por las reivindicaciones 1 y 8.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un método para reiniciar una celda electroquímica. La celda electroquímica incluye un electrodo de combustible, un electrodo oxidante separado del electrodo de 65

combustible, un electrodo de carga seleccionado de un grupo que consiste de (a) el electrodo oxidante, y (b) un tercer electrodo separado de los electrodos de combustible y oxidante, y un medio conductor iónico que contacta los electrodos. El electrodo de combustible y el electrodo oxidante se configuran para que, durante la descarga, oxide al combustible metálico en el electrodo de combustible en especies de combustible reducible y reduzca a un oxidante en el electrodo oxidante para generar una corriente eléctrica de descarga entre ellos para aplicar una carga. El electrodo de 5 combustible y el electrodo de carga se configuran para, durante la recarga, reducir las especies reducibles del combustible para electrodepositar el combustible sobre el electrodo de combustible y oxidar una especie oxidable del oxidante mediante la aplicación de una corriente eléctrica de descarga entre ellos desde una fuente de energía. El método incluye aplicar una corriente eléctrica de reinicio entre el electrodo de combustible y al menos uno de los electrodos antes mencionados de la celda con el electrodo de combustible funcionando como un ánodo y el otro 10 electrodo antes mencionado funcionando como un cátodo, de manera que el combustible metálico en el electrodo de combustible se oxide en las especies de combustible reducible. Con respecto al otro electrodo antes mencionado, se entiende que si el electrodo de carga es el electrodo oxidante, entonces el otro electrodo antes mencionado es el electrodo oxidante. Si el electrodo de carga es el tercer electrodo, sin embargo, entonces el otro electrodo antes mencionado puede ser o bien el electrodo oxidante o el tercer electrodo. El método puede incluir además eliminar la 15 corriente eléctrica de inicio para descontinuar el proceso de reinicio.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención se proporciona un sistema de celdas electroquímicas que comprende una celda electroquímica y un controlador. La celda electroquímica contiene un electrodo de combustible que tiene una serie de cuerpos de electrodo permeable ordenados en una relación de separación para recibir el 20 combustible metálico elecrodepositado. La celda tiene además un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible, y un electrodo de carga separado del electrodo de combustible. El electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste de (a) el electrodo oxidante, y (b) un tercer electrodo. La celda contiene además un medio conductor iónico que comunica los electrodos. El sistema de celdas electroquímica puede tener además un circuito configurado para proporcionar conexiones eléctricas entre el electrodo de combustible, el electrodo oxidante, y el electrodo de carga. 25 El sistema puede además contener un circuito de entrada de energía y un circuito de salida de energía. Puede haber también una pluralidad de conmutadores en el circuito, configurados para abrir o cerrar selectivamente las conexiones eléctricas entre el electrodo de combustible, el electrodo oxidante, el electrodo de carga, el circuito de entrada de energía, y el circuito de salida de energía. En el sistema de celda, la celda se configura para generar una corriente eléctrica de descarga por la oxidación del combustible metálico sobre los cuerpos de electrodo del electrodo de 30 combustible y por la reducción de un oxidante en el electrodo oxidante. La relación de separación de los cuerpos de electrodo permeable del electrodo de combustible puede permitir que se aplique una corriente eléctrica de recarga entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de ánodo permeable, con el electrodo de carga funcionando como un ánodo y al menos un cuerpo de electrodo permeable funcionando como un cátodo. Esta configuración puede permitir que los iones de combustible reducible se reduzcan y electrodepositen del medio conductor iónico, como un combustible 35 en forma oxidable, sobre al menos un cuerpo de electrodo permeable, en donde la electrodeposición provoca el crecimiento del combustible entre los cuerpos de electrodo permeable, tal que el combustible electrodepositado establezca una conexión eléctrica entre los cuerpos de electrodo permeable. El controlador del sistema de celdas electroquímicas puede configurarse para controlar un estado abierto o un estado cerrado de cada pluralidad de... [Seguir leyendo]

1. Un método para reiniciar una celda electroquímica, la celda electroquímica comprende:

un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeable ordenados en una relación separada para recibir el combustible metálico electrodepositado; 5

un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible;

un electrodo de carga;

un medio conductor iónico que contacta los electrodos;

el electrodo de combustible y el electrodo oxidante están configurados para que, durante la descarga, oxiden al combustible metálico en el electrodo de combustible y reduzcan a un oxidante en el electrodo oxidante para 10 generar una corriente eléctrica de descarga entre ellos para la aplicación a una carga; y el electrodo de combustible y el electrodo de carga están configurados para que durante la recarga, reduzcan a un especie reducible del combustible para electrodepositar el combustible sobre el electrodo de combustible y oxidar una especie oxidable del oxidante mediante la aplicación de una corriente eléctrica de recarga entre ellos desde una fuente de energía; 15

el método comprende:

aplicar una corriente eléctrica de inicio desde una fuente de energía a la celda electroquímica, entre el electrodo de combustible y al menos otro electrodo antes mencionado con el electrodo de combustible que funciona como un ánodo y el otro electrodo antes mencionado funciona como un cátodo, de manera que el combustible metálico en el electrodo de combustible se oxide en la especie de combustible reducible; y 20

eliminar la corriente eléctrica de inicio para descontinuar el proceso de reinicio.

2. El método de la reivindicación 1, en donde la corriente eléctrica de reinicio entre el electrodo de combustible y el otro electrodo antes mencionado proporcionan aproximadamente una diferencia de potencial capaz de oxidar un combustible metálico sobre el electrodo de combustible, y reducir un oxidante en el otro electrodo antes 25 mencionado.

3. El método de la reivindicación 1, más aún comprende determinar si se requiere del proceso de reinicio para la celda electroquímica, antes de aplicar la corriente eléctrica de reinicio desde la fuente de energía.

4. El método de la reivindicación 3, en donde determinar si se requiere el proceso de reinicio para la celda electroquímica comprende uno de:

a) detectar una capacidad de carga actual para la celda electroquímica;

comparar la capacidad de carga actual con una capacidad de carga inicial; y 35

si la capacidad de carga actual es menor que una capacidad de carga inicial en una cantidad mayor que el umbral, determinar si se requiere de un proceso de reinicio;

b) determinar si una cantidad predeterminada de tiempo transcurrido ha tenido lugar desde que la celda electroquímica se descargó por última vez, o desde que la celda electroquímica se reinició por última vez;

c) detectar un voltaje actual entre los cuerpos de electrodo permeable; 40

comparar el voltaje actual con un voltaje inicial; y si el voltaje actual es menor que el voltaje inicial en una cantidad mayor que el umbral, determinar si se requiere de un proceso de reinicio; o

d) detectar una resistencia actual entre los cuerpos de electrodo permeable;

comparar la resistencia actual con una resistencia inicial; y 45

si la resistencia actual es menor que la resistencia inicial en una cantidad mayor que el umbral, determinar si se requiere de ese proceso de reinicio.

5. El método de la reivindicación 3, en donde la determinación de si se requiere del proceso de reinicio para la celda electroquímica comprende: 50

determinar si la celda entra en un régimen de pasivación donde el combustible metálico tiene una incrementada probabilidad de pasivación; y, si la celda entra en el régimen de pasivación, aplicar la corriente eléctrica de reinicio, en donde la corriente eléctrica de reinicio corresponde a la oxidación del combustible metálico en un régimen transpasivo, donde el combustible metálico tiene una disminuida probabilidad de pasivación. 55

6. El método de la reivindicación 5, que comprende además, antes de aplicar la corriente eléctrica de reinicio, controlar que el voltaje actual y/o la corriente eléctrica de descarga consuma una cantidad de umbral del combustible sin entrar en el régimen de pasivación.

7. El método de la reivindicación 1, en donde el electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste de (a) el electrodo oxidante, (b) un tercer electrodo separado del electrodo oxidante, y (c) una porción del electrodo de combustible.

8. Un sistema de celdas electroquímicas que comprende:

una celda electroquímica que comprende:

un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables ordenados en 5 una relación de separación para recibir el combustible metálico electrodepositado;

un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible;

un electrodo de carga;

un medio conductor iónico que comunica los electrodos;

un circuito configurado para proporcionar conexiones eléctricas entre los electrodos, un circuito de entrada de 10 energía, y un circuito de salida de energía;

una pluralidad de conmutadores en el circuito, que se configura para selectivamente abrir o cerrar las conexiones eléctricas entre los electrodos, el circuito de entrada de energía, y el circuito de salida de energía;

en donde la celda se configura para generar una corriente eléctrica de descarga mediante la oxidación del combustible metálico sobre los cuerpos de electrodo del electrodo de combustible y la reducción de un 15 oxidante en el electrodo oxidante; y en donde la relación de separación entre dichos cuerpos de electrodo permeable del electrodo de combustible permiten que se aplique una corriente eléctrica de recarga entre el electrodo de carga y que al menos uno de los cuerpos de ánodo permeable con el electrodo de carga funcione como un ánodo y al menos que un cuerpo de electrodo permeable funcione como un cátodo, de manera que los iones de 20 combustible reducible se reducen y electrodepositan desde el medio conductor iónico como combustible en forma oxidable en al menos un cuerpo de electrodo permeable, de manera que la electrodeposición provoque el crecimiento del combustible entre los cuerpos de electrodo permeable, de manera que el combustible electrodepositado establezca una conexión eléctrica entre los cuerpos de electrodo permeable; y un controlador configurado para controlar un estado abierto o un estado cerrado de cada pluralidad de 25 conmutadores de la celda electroquímica, en donde el controlador está configurado además para iniciar un proceso de reinicio por:

una operación selectiva de la pluralidad de conmutadores al aplicar una corriente eléctrica de reinicio desde una fuente de energía al circuito de entrada de energía y entre el electrodo de combustible y al menos uno de los otros electrodos antes mencionados, donde el electrodo de combustible funciona como un ánodo y el otro 30 electrodo antes mencionado funciona como un cátodo, de manera que el combustible metálico sobre el electrodo de combustible se oxide a una especie de combustible reducible; y una operación selectiva de la pluralidad de conmutadores para eliminar la corriente eléctrica de reinicio para descontinuar el proceso de reinicio.

9. El sistema de celdas electroquímicas de la reivindicación 8, en donde el electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste de (a) el electrodo oxidante, (b) un tercer electrodo separado del electrodo oxidante, y (c) una porción del electrodo de combustible.

10. El sistema de celdas electroquímicas de la reivindicación 9, en donde el sistema de celdas electroquímicas 40 comprende uno de:

a) el electrodo de carga durante la recarga es un electrodo de carga dinámico que comprende al menos alguno de los cuerpos de electrodo permeable;

b) el electrodo de carga es el electrodo oxidante, y el otro electrodo antes mencionado es además el 45 electrodo oxidante, y en donde el otro electrodo antes mencionado reduce al oxígeno;

c) el electrodo de carga es el tercer electrodo, y el otro electrodo antes mencionado es el electrodo oxidante, y en donde el otro electrodo antes mencionado reduce al oxígeno;

d) el electrodo de carga es el tercer electrodo, y el otro electrodo antes mencionado es además el tercer electrodo, y en donde el otro electrodo antes mencionado reduce al agua en el medio conductor iónico; o 50

e) el electrodo de carga es el tercer electrodo, y el otro electrodo antes mencionado es además el tercer electrodo, y en donde el otro electrodo antes mencionado reduce al oxígeno disuelto dentro del medio conductor iónico.

11. El sistema de celdas electroquímicas de la reivindicación 8, que comprende además una pluralidad de la celda 55 electroquímica y una segunda pluralidad de conmutadores entre ellos, en donde el controlador se configura además para abrir y/o cerrar selectivamente la segunda pluralidad de conmutadores para aplicar la corriente eléctrica de reinicio desde la fuente de energía a los circuitos de entrada de energía de una o más pluralidades de la celda electroquímica.

12. El sistema de celdas electroquímicas de la reivindicación 11, en donde el controlador se configura además para determinar si se requiere un proceso de reinicio para cada pluralidad de celdas electroquímicas, y si se requiere el proceso de reinicio para al menos algunas de las pluralidades de las celdas electroquímicas, que inician el proceso de reinicio para al menos alguna de la pluralidad de celdas electroquímicas.

13. El método de la reivindicación 1, en donde la fuente de energía que aplica la corriente eléctrica de reinicio está separada de la fuente de energía que aplica la corriente eléctrica de recarga.

14. El sistema de celdas electroquímicas de la reivindicación 8, en donde la fuente de energía que aplica la corriente eléctrica de reinicio está separada de la fuente de energía para aplicar la corriente eléctrica de recarga. 5

15. El sistema de celdas electroquímicas de la reivindicación 8, en donde la fuente de energía que aplica la corriente eléctrica de reinicio es otra celda electroquímica dentro del sistema de celdas electroquímicas.