Un apilamiento de celdas electroquímicas.

Un apilamiento de celdas electroquimicas (1) que comprende una pluralidad de celdas dispuestas lado a lado en un apilamiento,

teniendo cada celda:

• una membrana (30),

• una primera cavidad de semicelda (23) sobre un lado de la membrana y una segunda cavidad de semicelda (24) sobre el otro lado de la membrana,

• una placa de electrodo respectiva (7) en el lado de cada semicelda opuesta a la membrana, proporcionando 10 cada placa de electrodo contacto entre las celdas adyacentes al menos para aquellas intermedias a las celdas,

• un par de chasis (2, 3), uno para una semicelda (2) y el otro para la otra (3), en donde los chasis:

• capturan la membrana (30) entre los mismos,

• localizan las placas de electrodos (7) y

• tienen: 15 • margenes continuos alrededor de vacios centrales (5, 15) que proporcionan las cavidades de semicelda,

• aberturas (41) en los margenes continuos que proporcionan conductos para el flujo del electrolito a traves del apilamiento para la distribución a las celdas, existiendo asi respectivas aberturas y conductos tanto para la alimentación como para el retorno del anolito y del catolito a las celdas,

• pasos de flujo del electrolito (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 5º) en los margenes continuos de uno u otro o ambos de los chasis del par para el flujo del electrolito desde una de las aberturas de los conductos, dentro y fuera de la semicelda y hasta otra de las aberturas de los conductos,

en el que:

• cada chasis tiene al menos dos aberturas para cada una de la alimentación y el retorno de cada uno del anolito y del catolito,

• siendo una de dichas al menos dos aberturas para alimentación (51, 53) o para retorno (52, 54) a traves de unos respectivos de los pasos de flujo del electrolito hacia y desde la semicelda definida por el chasis o a una semicelda adyacente, y

• siendo la o cada una de dichas al menos dos aberturas para alimentación (55, 57) o para retorno (56, 5º) a un semicelda remota en el apilamiento, a traves de pasos de flujo respectivos en un chasis remoto;

siendo la disposición tal que el apilamiento esta dividido en secciones (46, 47) correspondientes al numero de aberturas para cada una de la alimentación y el retorno de anolito y de catolito, por lo que la tensión a lo largo de los conductos de anolito o catolito en contacto con las celdas de la sección es la tensión total del apilamiento reducida por el cociente entre el numero de celdas de la sección y el numero total de celdas.

La presente invención se refiere a un apilamiento de celdas electroquimicas o electroliticas, en particular, aunque no exclusivamente, a un apilamiento de celdas de combustible de reducción/oxidación regenerativa (redox)

Se conoce que las celdas electroquimicas consisten tipicamente en entre dos y cincuenta semiceldas positivas y negativas alternas, aunque no se desconocen numeros mayores; ya que los componentes de las celdas se apilan entre si, dicha pluralidad de semiceldas se conoce tipicamente como un apilamiento electroquimico o un apilamiento de celdas electroliticas, a menudo simplificado brevemente a «un apilamiento». Los factores importantes en el

diseno de un apilamiento de celdas de este tipo son el procedimiento de construcción y el grosor de las celdas individuales. Las disposiciones tipicas usan lo que se conoce como un diseno de filtro prensa que comprende, dentro de cada una de las capas sucesivas de celda, de un material de empaquetadura no conductivo. Las capas comprenden chasis, que sirven para albergar el material de los electrodos, y tambien contienen dentro de sus grosores 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 diseno de los chasis tanto para las semiceldas positivas como negativas es basicamente similar y su asignación es una consecuencia de la construcción global o del uso del apilamiento, mas que una caracteristica inherente. Estos chasis se intercalan tipicamente de forma alternativa con laminas 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. Tambien es posible y deseable en algunas aplicaciones conectarse de forma electrica 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 numero de caracteristicas diferentes, incluyendo sellado hidraulico, resistencia mecanica, acomodación del electrodo y pasos de distribución de flujo, requiriendose estos pasos para proporcionar tanto aislamiento contra las corrientes derivadas internas y de forma contraria contra la resistencia al flujo minimo y distribución de flujo uniforme, normalmente se requiere un compromiso de diseno entre las caracteristicas. En particular, se sabe que es deseable conseguir una velocidad de flujo lineal elevada del electrolito dentro de la celda, que implique un espaciamiento de celda pequeno pero, dado que el grosor del chasis define el espaciamiento, este, a su vez, tiene el efecto no deseado de reducir la profundidad disponible para los pasos de distribución que tipicamente se destinan a una u otra superficie de los chasis. Adicionalmente, se conoce que para lograr un rendimiento de celda eficaz y fiable, se debe conseguir el cierre de los canales de distribución dentro de tales chasis a fin de evitar trayectorias no deseables y potenciales perjudiciales, en terminos de fuga hidraulica y de corriente electrica. Con vistas a dar a conocer un apilamiento de celdas electroquimicas mejorado, en nuestra solicitud de patente europea n.D 06 726 659, segun esta ahora concedida, (Nuestra patente anterior) hemos descrito y reivindicado un apilamiento de celdas electroquimicas que comprende una pluralidad de celdas dispuestas unas junto a otras en un apilamiento, teniendo cada celda:

• una membrana,

• una primera cavidad de semicelda en un lado de la membrana y una segunda cavidad de semicelda en 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 el otro para la otra, en donde los chasis:

• capturan la membrana entre los mismos, 50 • localizan las placas de electrodos y

• tienen:

• margenes continuos alrededor de vacios centrales que proporcionan las cavidades de

• semicelda,

• aberturas en los margenes continuos que proporcionan conductos para el flujo del 55 • electrolito a traves del apilamiento para la distribución a las celdas

• rebajes de distribución del electrolito en bordes interiores opuestos de los margenes, y

• pasos en los margenes continuos para el flujo del electrolito desde una de las aberturas de los conductos, dentro y fuera de la semicelda en los rebajes de distribución y hasta otra de

las aberturas de los conductos, 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 partes de los margenes de estos chasis extendiendose fuera de los respectivos bordes del electrodo de placa, teniendo los chasis de celdas adyacentes caras que colindan en las partes;

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

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

En Nuestra patente anterior, preferimos que los chasis sean rectangulares, es decir, que tengan cuatro margenes 15 rectos, con las aperturas de conducto del electrolito dispuestas en las esquinas y los pasos de flujo provistos solamente en dos margenes opuestos.

Ademas, hemos preferido 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 parte marginal teniendo pasos con una abertura del chasis a traves de la 20 parte en el extremo de uno de los pasos y otra de dichas aberturas en el otro chasis opuesto al extremo del otro paso.

Tambien hemos preferido que los electrodos se capturen en los rebajes de las caras que colindan de los chasis que se extienden alrededor de toda la continuidad de los margenes alrededor del vacio central.

Ademas, hemos preferido proporcionar juntas alrededor de los conductos y de los pasos que irradien desde los mismos y alrededor de los electrodos. Las juntas pueden ser de un material de empaquetadura, pero son preferentemente juntas tóricas ajustadas en ranuras de los chasis.

Dos preferencias finales fueron:

-extensiones de paso en las caras opuestas a los chasis desde las caras que colindan, prolongandose las extensiones desde las aberturas a traves del chasis hasta los respectivos rebajes de distribución del electrolito; y

-siendo los rebajes de distribución del electrolito mas amplios que los rebajes de captura del electrodo. Si bien el apilamiento de Nuestra patente anterior resolvi6 muchos problemas, los apilamientos de celdas electroquimicas 35 siguen presentando un problema de corriente en derivación inherente, que no es exclusivo del apilamiento de Nuestra patente anterior. Es el resultado de los conductos del electrolito que se extienden desde un extremo al otro de los apilamientos a traves de las aberturas. Los electrolitos son conductores y proporcionan la conexión electrica desde cada celda (o al menos cada semicelda del mismo tipo) a cada otra celda, realizandose la conexión a los conductos a traves de los pasos de flujo de los margenes. Los pasos de flujo son pequenos en comparación con los 40 conductos, por lo que el electrolito presente en ellos ofrece una resistencia relativamente alta entre las celdas individuales. Sin embargo, los conductos tienen una resistencia relativamente baja. Por lo tanto, la resistencia entre las celdas adyacentes es del mismo orden de magnitud que la resistencia entre las celdas en los extremos opuestos del apilamiento. El potencial entre los apilamientos terminales opuestos aumenta en proporción al numero de apilamientos. Asi pues, los apilamientos largos tienen una perdida inherente por corriente de derivación interna,

fluyendo la corriente de derivación por los conductos del electrolito.

En el documento US 2009/047570 se da a conocer un apilamiento electroquimico de la tecnica anterior.

El objeto de la presente invención es dar a conocer un apilamiento de celdas electroquimicas mejorado. 50 La invención se define en la reivindicación 1.

De acuerdo con la invención, se da a conocer un apilamiento de celdas electroquimicas que comprende... [Seguir leyendo]

1. Un apilamiento de celdas electroquimicas (1) que comprende una pluralidad de celdas dispuestas lado a lado en un apilamiento, teniendo cada celda: 5

• una membrana (30) ,

• una primera cavidad de semicelda (23) sobre un lado de la membrana y una segunda cavidad de semicelda

(24) sobre el otro lado de la membrana,

• una placa de electrodo respectiva (7) en el lado de cada semicelda opuesta a la membrana, proporcionando 10 cada placa de electrodo contacto entre las celdas adyacentes al menos para aquellas intermedias a las celdas,

• un par de chasis (2, 3) , uno para una semicelda (2) y el otro para la otra (3) , en donde los chasis:

• capturan la membrana (30) entre los mismos,

• localizan las placas de electrodos (7) y

• tienen: 15 • margenes continuos alrededor de vacios centrales (5, 15) que proporcionan las cavidades de semicelda,

• aberturas (41) en los margenes continuos que proporcionan conductos para el flujo del electrolito a traves del apilamiento para la distribución a las celdas, existiendo asi respectivas aberturas y conductos tanto para la alimentación como para el retorno del anolito y del catolito a las celdas,

• pasos de flujo del electrolito (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 5º) en los margenes continuos de uno u otro o

ambos de los chasis del par para el flujo del electrolito desde una de las aberturas de los conductos, dentro y fuera de la semicelda y hasta otra de las aberturas de los conductos,

en el que:

• cada chasis tiene al menos dos aberturas para cada una de la alimentación y el retorno de cada uno del anolito y del catolito,

• siendo una de dichas al menos dos aberturas para alimentación (51, 53) o para retorno (52, 54) a traves de unos respectivos de los pasos de flujo del electrolito hacia y desde la semicelda definida por el chasis o a una semicelda adyacente, y

• siendo la o cada una de dichas al menos dos aberturas para alimentación (55, 57) o para retorno (56, 5º) a un semicelda remota en el apilamiento, a traves de pasos de flujo respectivos en un chasis remoto;

siendo la disposición tal que el apilamiento esta dividido en secciones (46, 47) correspondientes al numero de aberturas para cada una de la alimentación y el retorno de anolito y de catolito, por lo que la tensión a lo largo de los conductos de anolito o catolito en contacto con las celdas de la sección es la tensión total del apilamiento reducida por el cociente entre el numero de celdas de la sección y el numero total de celdas.

2. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las aberturas 40 (51) y los conductos (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 5º) estan duplicados, es decir, hay dos de cada tipo.

3. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las celdas son rectangulares, proporcionandose los pasos de flujo de alimentación y de retorno en extremos cortos opuestos de los chasis (2, 3) .

4. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con la reivindicación 1, la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que todas las aberturas (41) para la alimentación y el retorno estan en extremos cortos opuestos de los chasis.

5. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con la reivindicación 1, la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que se proporcionan mas de dos aberturas/conductos (41) , para cada tipo de anolito/catolito y flujo/retorno, y estan dispuestos tanto en el extremo como en los lados de los chasis.

6. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 55 anteriores, que incluye juntas (14, 70) entre los chasis adyacentes.

7. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con la reivindicación 6, en el que las juntas (14, 70) son juntas tóricas, con ranuras de posicionamiento en una o en ambas caras de los chasis.

º. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con la reivindicación 6 o la reivindicación 7, en el que:

• hay una junta que rodea las aberturas de cada tipo, junto con una junta respectiva dentro de cada una de estas juntas que sella la abertura o cada una de las aberturas que forman parte del conducto para el suministro remoto de electrolito desde la abertura para el suministro local a traves de los pasos de flujo, y

• los pasos de flujo conducen a sus semiceldas a traves de aberturas del chasis.

9. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada chasis (2, 3) tiene pasos de flujo que conducen desde los respectivos de la abertura que suministra localmente el electrolito, o uno de cada dos chasis alternos tiene todos los pasos de flujo (51, 52, 53, 54) que conducen desde/hasta las aberturas que suministran localmente el electrolito, estando estos pasos de flujo en una cara del chasis que esta a nivel con una placa de electrodos entre celdas.

10. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada paso de flujo desde su conducto tiene forma de serpentina o da al menos una vuelta sobre si mismo, con el fin de aumentar la longitud del paso de flujo y la resistencia electrica a lo largo del mismo.

11. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los pasos de flujo terminan en posiciones (61) del chasis que son comunes entre un paso de flujo de una de dichas al menos dos aberturas y el otro o cada uno de los otros de dichas al menos dos aberturas.

12. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 25 anteriores, en el que los pasos de flujo estan cerrados por una cara del chasis siguiente del apilamiento de chasis.

13. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los pasos de flujo o las aberturas a traves del chasis, en el caso de que existan, se abren a rebajes en los chasis para dispersar o recoger el flujo del electrolito a traves de los extremos de las semiceldas.

14. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, en el que las semiceldas estan llenas de fieltro de grafito (25, 26) con el fin de mejorar el contacto electrico entre el electrolito y el electrodo de la semicelda.

15. Un apilamiento de celdas electroquimicas de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, en el que las membranas (30) son membranas semipermeables sostenidas de manera hermetica contra una cara plana de un chasis en un lado del mismo por medio de una junta llevada por un chasis situado en el otro lado.