ES2998519T3

ES2998519T3 - Cell frame, electrochemical cell, cell stack and operating method

Info

Publication number: ES2998519T3
Application number: ES21742327T
Authority: ES
Inventors: Jan Girschik
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2025-02-20
Anticipated expiration: 2041-07-01
Also published as: CA3187791A1; WO2022003106A1; JP2023532722A; EP4176480C0; DE102020117367B4; IL299455A; EP4176480B1; IL299455B2; EP4176480A1; US20230290974A1; DE102020117367A1; KR20230034327A; AU2021302697A1; JP7851867B2; IL299455B1

Abstract

La invención se refiere a un marco de celda (4) para formar una celda electroquímica (2), en particular una batería de flujo redox, que rodea circunferencialmente al menos un interior de celda (5) y que comprende al menos un canal de suministro (13) para suministrar electrolito al interior de celda (5), en donde el canal de suministro (13) tiene una abertura de entrada (18) separada del interior de celda (5) para los electrolitos que se van a suministrar y una abertura de salida (19) adyacente al interior de celda (5) para descargar el electrolito que se va a suministrar al interior de celda (5). Para aumentar la densidad de potencia, según la invención, el canal de suministro (13) presenta al menos un canal de transporte (21) que conecta la abertura de entrada (18) y la abertura de salida (19) al menos en secciones para transportar el electrolito a través del canal de suministro (13) al interior de la celda (5) y al menos un canal de retorno (22) para devolver parcialmente el electrolito a suministrar en contra de la dirección de transporte (T) del electrolito a suministrar en el canal de transporte (21), y el canal de retorno (22) está en contacto fluídico con el canal de transporte (21) a través de al menos una abertura de entrada (25) para introducir el electrolito a suministrar y al menos una abertura de salida (26) para descargar el electrolito a suministrar, que están espaciadas entre sí en la dirección de transporte (T) del electrolito a suministrar. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Marco de celda, celda electroquímica, pila de celdas y procedimiento de funcionamiento

La invención se refiere a un marco de celda para formar una celda electroquímica, en particular una batería de flujo redox, que encierra en el lado circunferencial al menos un espacio interior de celda y que comprende al menos un canal de alimentación para alimentar electrolito al espacio interior de celda, en donde el canal de alimentación presenta una abertura de admisión para el electrolito que se va a alimentar, separada del espacio interior de celda, y una abertura de descarga adyacente al espacio interior de celda para que fluya hacia fuera el electrolito que se va a alimentar hacia el espacio interior de celda. La invención se refiere también a una celda electroquímica y a una pila de celdas con un marco de celda de este tipo. Además, la invención se refiere a un procedimiento para el funcionamiento de una celda electroquímica o pila de celdas de este tipo.

Las celdas electroquímicas se conocen en diferentes configuraciones y a veces también se denominan reactores electroquímicos, ya que en las celdas electroquímicas se producen reacciones electroquímicas. Dependiendo de su uso, las celdas electroquímicas pueden diseñarse, por ejemplo, como celdas galvánicas en forma de fuentes de corriente electroquímica, por ejemplo, que suministran energía eléctrica utilizable mediante reacciones químicas en los distintos electrodos. Como alternativa, las celdas electroquímicas también pueden ser celdas de electrólisis, que sirven para producir determinados productos aplicando una tensión externa. Las celdas acumuladoras sirven a este respecto alternativamente como fuente de energía, como las celdas galvánicas, y también como dispositivo de almacenamiento de energía, tal como en el caso de una celda electrolítica.

La presente invención puede utilizarse con todo tipo de celdas electroquímicas. Sin embargo, la invención está de manera muy especialmente preferente relacionada con celdas acumuladoras y, en este caso, preferentemente relacionada con baterías de flujo redox, que a su vez se conocen desde hace mucho tiempo y en distintas realizaciones. Tales realizaciones se describen a modo de ejemplo en el documento EP 0051 766 A1 y el documento US 2004/0170893 A1. Una ventaja importante de las baterías de flujo redox es su aptitud para poder almacenar grandes cantidades de energía eléctrica. La energía se almacena a este respecto en electrolitos, que pueden conservarse en tanques muy grandes de manera que se ahorra espacio. Los electrolitos presentan generalmente iones metálicos de diferentes estados de oxidación. Para extraer energía eléctrica de los electrolitos o recargarlos, los electrolitos se bombean a través de una denominada celda electroquímica.

La celda electroquímica está formada a este respecto por dos semiceldas, que están separadas entre sí por un separador en forma de membrana semipermeable, y presentan en cada caso un electrolito y un electrodo. La membrana semipermeable tiene el objetivo de separar espacial y eléctricamente entre sí el cátodo y el ánodo de una celda electroquímica. Por lo tanto, la membrana semipermeable tiene que ser permeable a los iones, que hacen que la energía química almacenada se convierta en energía eléctrica o viceversa. Las membranas semipermeables pueden formarse, por ejemplo, a partir de plásticos microporosos así como telas no tejidas de fibra de vidrio o polietileno y los denominados diafragmas. En ambos electrodos de la celda electroquímica tienen lugar reacciones redox, liberándose electrones de los electrolitos en un electrodo y recogiéndose electrones en el otro electrodo. Los iones metálicos y/o no metálicos de los electrolitos forman pares redox y, en consecuencia, generan un potencial redox. Como pares redox se tienen en cuenta, por ejemplo, hierro-cromo, polisulfuro-bromuro o vanadio. Estos o también otros pares redox pueden estar presentes en principio en soluciones acuosas o no acuosas.

Los electrodos de una celda, entre los que se establece una diferencia de potencial como consecuencia de los potenciales redox, están conectados eléctricamente entre sí fuera de la celda, por ejemplo, a través de un consumidor eléctrico. Mientras que los electrones pasan de una semicelda a la otra fuera de la celda, los iones del electrolito pasan directamente de una semicelda a la otra semicelda a través de la membrana semipermeable. Para recargar la batería de flujo redox, se puede aplicar una diferencia de potencial a los electrodos de las semiceldas en lugar del consumidor eléctrico, por ejemplo por medio de un cargador, que invierte las reacciones redox que tienen lugar en los electrodos de las semiceldas.

Entre otras cosas, los marcos de celda se utilizan para formar la celda descrita, que encierra un espacio interior de celda. A este respecto, los marcos de celda normalmente no encierran completamente el espacio interior de celda, sino únicamente a lo largo de un lado estrecho circunferencial. Así, el marco de celda discurre circunferencialmente alrededor del espacio interior de celda y separa dos lados opuestos de mayor superficie, que a su vez están asociados a una membrana semipermeable o a un electrodo. A este respecto, el grosor del marco de celda, que se forma por el borde del marco de celda, normalmente es claramente menor que la anchura y la altura del marco de celda, que definen los lados opuestos de mayor superficie.

Cada semicelda de la celda electroquímica comprende un marco de celda de este tipo, que se produce a partir de un plástico termoplástico, por ejemplo en el procedimiento de moldeo por inyección. Entre dos marcos de celda se dispone una membrana semipermeable que separa los electrolitos de las semiceldas entre sí con respecto a la transferencia de masa convectiva, pero permite una difusión de determinados iones de una semicelda a la otra semicelda. También se asocia en cada caso un electrodo a los espacios interiores de celda de tal manera que estén en contacto con los electrolitos que fluyen por los espacios interiores de celda. Los electrodos pueden, por ejemplo, cerrar el espacio interior de celda de cada marco de celda por el lado opuesto a la membrana semipermeable. A este respecto, el espacio interior de celda puede permanecer esencialmente libre y llenarse solo con un electrolito en cada caso. Sin embargo, el electrodo respectivo también puede estar previsto, al menos parcialmente, en el espacio interior de celda. Entonces, el electrodo está diseñado normalmente de modo que el electrolito puede fluir parcialmente a través del electrodo. En muchos casos, se tienen en cuenta en este caso electrodos con una elevada superficie específica, en la que pueden tener lugar las reacciones electroquímicas correspondientes de manera correspondientemente rápida y/o exhaustiva. En última instancia, esto conduce a una elevada potencia específica de volumen de la celda. En cambio, incluso si el electrodo se adentra en el espacio interior de celda, los espacios interiores de celda están cerrados generalmente por el electrodo en el lado opuesto a la membrana semipermeable. Como parte no porosa de los electrodos se tienen en cuenta también las denominadas placas bipolares, que pueden estar recubiertas, por ejemplo, con un reactor u otra sustancia.

Cada marco de celda presenta aberturas y canales a través de los cuales puede fluir el electrolito correspondiente desde una línea de suministro hasta el espacio interior de celda respectivo, y desde allí puede extraerse de nuevo, así como alimentarse a una línea de eliminación. Los electrolitos de las semiceldas se bombean a este respecto desde un recipiente de almacenamiento a un recipiente de recogida a través de la línea de suministro y la línea de eliminación. Esto permite reutilizar los electrolitos, por lo que no hay que desecharlos ni sustituirlos.

Si la batería de flujo redox comprende solo una única celda, hay líneas de alimentación para cada semicelda y líneas de eliminación para cada semicelda fuera de los marcos de celda que forman las semiceldas. Cada marco de celda presenta a este respecto al menos dos aberturas, de las cuales al menos una está conectada con una línea de suministro, mientras que la al menos otra abertura está conectada con la línea de eliminación. Dentro del marco de celda, cada abertura está conectada a un canal de flujo que está abierto al espacio interior de celda. Esto permite que el electrolito se alimente desde la línea de suministro al espacio interior de celda a través de un canal de alimentación y que el electrolito que fluye a través del espacio interior de celda se evacue a través de un canal de evacuación. Para distribuir el electrolito de manera más uniforme a lo largo de la anchura del espacio interior de celda y para extraer el electrolito de manera más uniforme a lo largo de la anchura del espacio interior de celda, el canal de alimentación y/o el canal de evacuación respectivos entre la abertura exterior y el espacio interior de celda, es decir, en la zona de la cubierta de marco del marco de celda, pueden ramificarse una o varias veces. Como alternativa, puede estar prevista una serie de canales de alimentación y/o canales de evacuación separados en el marco de celda para alimentar o evacuar electrolito. En ambos casos, el electrolito entra en el espacio interior de celda lo más uniformemente distribuido posible a través de las aberturas de salida de los canales de alimentación de un lado del marco de celda y sale de nuevo del espacio interior de celda lo más uniformemente distribuido posible a través de los canales de evacuación del otro lado del marco de celda. De este modo se intenta conseguir un flujo lo más uniforme posible a través del espacio interior de celda. Los canales de alimentación están conectados con la línea de suministro en su otro extremo a través de aberturas de entrada. De este modo el electrolito puede pasar de la línea de suministro a través del al menos un canal de alimentación del marco de celda de cada semicelda al espacio interior de celda correspondiente.

Si es necesario, se combina una pluralidad de celdas electroquímicas del mismo tipo en una batería de flujo redox. Las celdas se apilan generalmente unas sobre otras, por lo que el conjunto de las celdas también se denomina pila de celdas o montón de celdas. Los electrolitos suelen fluyen generalmente a través de las celdas individuales en paralelo entre sí, mientras que las celdas se conectan generalmente eléctricamente en serie. Por ello, las celdas generalmente están conectadas hidráulicamente en paralelo y eléctricamente en serie. En este caso, el estado de carga de los electrolitos es el mismo en cada una de las semiceldas de la pila de celdas. Para distribuir los electrolitos a las semiceldas correspondientes de la pila de celdas y evacuar conjuntamente los electrolitos desde las semiceldas respectivas, las semiceldas están conectadas entre sí con líneas de suministro y de eliminación. Dado que por cada semicelda o por cada espacio interior de celda de una celda circula un electrolito diferente, los dos electrolitos tienen que estar separados entre sí durante su paso por la pila de celdas. Por este motivo, a lo largo de la pila de celdas están previstos por regla general dos líneas de alimentación separadas y dos líneas de eliminación separadas. Cada uno de estos canales se forma por regla general en parte por los propios marcos de celda, que presentan cuatro orificios para ello. Los orificios se extienden a lo largo de la pila de celdas y forman las líneas de suministro y de eliminación, dispuestas una tras otra y separadas entre sí según lo requieran los materiales de sellado.

En el caso de una pluralidad de celdas electroquímicas, se ha mostrado que para aumentar la densidad de potencia es conveniente cuando los electrodos de al menos una de las semiceldas se enganchan al menos parcialmente en el espacio interior de celda, son porosos y fluye a través de ellos el electrolito correspondiente. No obstante, el aumento de la densidad de potencia suele ser insatisfactorio. Esto indica que la superficie proporcionada por el electrodo no se está utilizando completamente o de la manera más efectiva posible. Esto puede explicarse por un flujo desigual a través de los electrodos, como también puede observarse en el flujo a través de sólidos porosos similares. Incluso pequeñas irregularidades en la porosidad provocan un flujo desigual, ya que las pérdidas de presión dependen en gran medida de las correspondientes secciones transversales de flujo libres y del flujo volumétrico.

Por lo tanto, la presente invención se basa en el objetivo de diseñar y perfeccionar el marco de celda, la celda electroquímica, la pila de celdas y el procedimiento en cada caso del tipo mencionado al principio y descrito con más detalle anteriormente de tal manera que se pueda aumentar la densidad de potencia.

Este objetivo se consigue con marco de celda según el preámbulo de la reivindicación 1 por que el canal de alimentación presenta al menos un canal de transporte que conecta al menos por secciones la abertura de admisión con la abertura de descarga para transportar el electrolito a través del canal de alimentación al espacio interior de celda y al menos un canal de retorno para reconducir parcialmente el electrolito que se va a alimentar en contra de la dirección de transporte del electrolito que se va a alimentar en el canal de transporte, por que el canal de retorno está en contacto fluido con el canal de transporte a través de en cada caso al menos una abertura de entrada para la entrada del electrolito que se va a reconducir y una abertura de salida para la salida del electrolito que se va a reconducir, separadas entre sí en la dirección de transporte del electrolito que se va a alimentar.

El objetivo mencionado se consigue también con una celda electroquímica según el preámbulo de la reivindicación 9 por que al menos un marco de celda está diseñado según una de las reivindicaciones 1 a 8.

El objetivo mencionado se consigue además con una pila de celdas según el preámbulo de la reivindicación 12 por que las celdas electroquímicas están diseñadas según una de las reivindicaciones 9 a 11.

Además, el objetivo mencionado anteriormente de acuerdo con la reivindicación 13 se consigue mediante un procedimiento para el funcionamiento de una celda electroquímica según una de las reivindicaciones 9 a 11 o una pila de celdas según la reivindicación 12,

- en el que se alimenta electrolito al menos a un espacio interior de celda de al menos un marco de celda de al menos una semicelda a través de un canal de alimentación,

- en el que el electrolito al pasar por el canal de transporte, en particular por la cámara de flujo, forma de manera alternante en el tiempo al menos dos flujos principales diferentes en la dirección de la abertura de descarga y, en consecuencia, fluye de manera alternante en al menos dos direcciones de salida diferentes desde la abertura de descarga hacia el espacio interior de celda.

La invención ha reconocido que es conveniente en términos de densidad de potencia cuando el canal de alimentación se divide en al menos un canal de transporte y al menos un canal de retorno. A este respecto, el canal de transporte se extiende entre una abertura de entrada para la entrada del electrolito que se va a alimentar y una abertura de descarga del electrolito que se va a alimentar para la salida del electrolito que se va a alimentar hacia el espacio interior de celda. A este respecto, las aberturas de entrada y las aberturas de salida del canal de alimentación y del canal de transporte pueden coincidir. Pero no tiene por qué ser así. Sin embargo, al menos se dará el caso de que la abertura de admisión del canal de alimentación y la abertura de descarga del canal de alimentación estén conectadas entre sí al menos por secciones a través del canal de transporte.

Además, puede ser útil que la abertura de admisión del al menos un canal de alimentación defina la transición del electrolito que se va a alimentar desde la línea de suministro al canal de alimentación y que la abertura de descarga del canal de alimentación defina la transición del electrolito al espacio interior de celda. Pero no tiene por qué ser así. En particular, son concebibles configuraciones de un marco de celda en los que no puede decidirse con absoluta certeza dónde termina exactamente la línea de alimentación y empieza el canal de alimentación o dónde termina exactamente el canal de alimentación y empieza el espacio interior de celda. Sin embargo, esto también es de importancia secundaria para la presente invención, ya que se trata menos de la extensión concreta del canal de alimentación y más del flujo en el canal de alimentación. También puede entenderse que un canal de alimentación es una línea de alimentación cuando el canal de alimentación está completamente alojado en el marco de celda en el lado circunferencial. Sin embargo, también puede bastar con que el canal de alimentación se incorpore al marco de celda como un canal abierto, lo que puede simplificar la fabricación del marco de celda, por ejemplo en el procedimiento de moldeo por inyección. A continuación, el canal de alimentación se cierra mediante un componente contiguo al lado correspondiente del marco de celda para formar una línea de alimentación. Lo mismo se cumple en este caso también para el canal de transporte y el canal de retorno.

El canal de retorno se ramifica desde el canal de transporte y reconduce el electrolito ramificado a una zona del canal de transporte que está prevista antes de la ramificación hacia el canal de retorno, visto en la dirección de flujo del electrolito en el canal de transporte. Con ello una parte del electrolito se reconduce o una parte del electrolito circula en el canal de alimentación. El electrolito reconducido correspondientemente entra desde el canal de transporte a la abertura de entrada del canal de retorno y vuelve a entrar en el canal de transporte del canal de alimentación a través de la abertura de salida, concretamente en la dirección de transporte antes de la abertura de entrada. Es decir, el electrolito reconducido interactúa con el electrolito que se va a alimentar, que fluye por el canal de transporte, en la zona de la salida del canal de retorno de vuelta al canal de transporte.

Esta interacción depende, por ejemplo, del ángulo entre el electrolito reconducido que sale y el electrolito que se va a alimentar, que fluye por el canal de transporte en esta zona en la dirección del transporte. Este ángulo también se fija preferentemente además debido a la configuración del canal de alimentación. Sin embargo, la interacción correspondiente también depende del flujo volumétrico y de la velocidad del electrolito reconducido al canal de transporte. Por lo tanto, el flujo del electrolito reconducido puede desviar el flujo del electrolito que se va a alimentar en el canal de transporte en diversa medida, dependiendo de cuánto electrolito se reconduce y/o con qué velocidad fluye el electrolito reconducido desde la abertura de salida del canal de retorno al canal de transporte.

El canal de alimentación puede diseñarse de modo que la intensidad de la interacción del electrolito reconducido con el electrolito que se va a alimentar en la zona de la abertura de salida del canal de retorno tiene una influencia sobre cuánta o qué proporción del electrolito que se va a alimentar entra en el canal de retorno a través de la al menos una abertura de entrada en lugar de conducirse a la abertura de descarga del canal de transporte o del canal de alimentación. Esto es especialmente conveniente cuando un gran flujo volumétrico del electrolito que fluye de vuelta al canal de transporte a través de la abertura de salida del canal de retorno influye en el flujo del electrolito en el canal de transporte de tal manera que, en consecuencia, un menor flujo volumétrico de electrolito que se va a reconducir entra en el canal de retorno a través de la abertura de entrada. De este modo se reduce la influencia del flujo del electrolito que se va a alimentar por parte del electrolito reconducido en la zona de la abertura de salida del canal de retorno, lo que a su vez puede utilizarse, en el caso de una configuración adecuada del canal de alimentación, para que el flujo del electrolito que se va a alimentar fluya a través del canal de transporte de tal manera que un mayor flujo volumétrico o proporción del electrolito que se va a alimentar entre en la abertura de entrada del canal de retorno.

De esta manera, el flujo a través del canal de transporte puede modificarse repetidamente a lo largo del tiempo, alternando a este respecto entre al menos dos estados de flujo. Cuando la zona del canal de alimentación adyacente al espacio interior de celda está diseñada de modo que los dos estados de flujo dan lugar a que el electrolito que se va a alimentar fluya de manera alternante al menos esencialmente en diferentes direcciones y/o a través de diferentes aberturas de salida hacia el espacio interior de celda, no se forma en consecuencia una distribución de flujo constante en el espacio interior de celda. Más bien, habrá al menos una distribución de flujo variable en el espacio interior de celda. De esta manera, se puede impedir que se forme una distribución de flujo constante sin espacios muertos o con espacios muertos limitados en el espacio interior de celda y, en particular, en el electrodo. Así, es más probable que se formen menos espacios muertos o que estos sean más pequeños a lo largo del tiempo y/o que la posición de los espacios muertos cambie a lo largo del tiempo. De este modo, la superficie interior proporcionada por el electrodo se aprovecha de manera más efectiva para las reacciones electroquímicas.

En este contexto, en el caso de la configuración del canal de alimentación, en particular del canal de transporte, puede utilizar el principio fundamental desde el punto de vista de la reología según el cual un ensanchamiento de la sección transversal de flujo libre en el canal de alimentación conduce a la formación de un chorro de electrolito que entra en la zona del ensanchamiento y que intenta entrar en contacto con un lado de la pared del canal de transporte. En la zona de este lado de la pared prevalece a este respecto una velocidad de flujo mayor que en el lado opuesto de la pared. Dependiendo de cuánto influya el electrolito reconducido en el flujo en esta zona, el flujo se aplica a diferentes lados de la pared. A lo largo de un tramo más largo, el flujo o sus velocidades de flujo volverían a ser más uniformes debido a los efectos de la fricción. Por lo tanto, el canal de alimentación o el canal de transporte no debe diseñarse demasiado largo, pero sí suficientemente largo para que el flujo pueda aplicarse a diferentes lados de la pared, lo que requiere un cierto tramo del flujo.

Estos bastidores de celdas son especialmente convenientes cuando estos forman una parte de una celda electroquímica o incluso una parte de una pila de celdas correspondiente. En este caso se consiguen las ventajas correspondientes ya mencionadas anteriormente, que pueden utilizarse de forma especialmente provechosa en relación con una celda electroquímica o con una pila de celdas, en particular de una batería de flujo redox. Una celda electroquímica correspondiente presenta preferentemente dos espacios interiores de celda. En casos especiales, sin embargo, también pueden estar previstos tres o más espacios interiores de celda. A este respecto, los espacios interiores de celda individuales pueden estar preferentemente separados entre sí, si es necesario, por membranas semipermeables. Además, en el caso de un número impar de espacios interiores de celda, un espacio interior de celda central puede diseñarse como una especie de espacio interior de celda mixto, una mitad del cual pertenece a una semicelda de la celda electroquímica y la otra mitad pertenece a la otra semicelda de la celda electroquímica.

Los marcos de celda descritos anteriormente permiten de acuerdo con el procedimiento que el electrolito sea convenientemente alimentado en el interior del marco de celda de al menos una semicelda a través de al menos un canal de alimentación. Cuando el electrolito fluye a través del canal de alimentación, pasa a este respecto a través de un canal de transporte, preferentemente una cámara de flujo, de un canal de transporte. A este respecto, el electrolito que se va a alimentar puede formar al menos dos flujos principales diferentes. Se entiende por flujo principal a este respecto la parte del flujo que presenta el mayor flujo a través en términos de área. En las zonas del canal de alimentación donde el flujo es desigual, existen secciones con un flujo más fuerte y secciones con un flujo más débil en los momentos de flujo desigual. Las secciones con un flujo más fuerte forman a este respecto el flujo principal, mientras que las secciones con un flujo más débil contribuyen mucho menos al flujo volumétrico del flujo del electrolito. Si el flujo a través de las zonas correspondientes se representara mediante líneas de corriente, las líneas de corriente a lo largo del flujo principal estarían muy juntas, mientras que las líneas de corriente en las zonas fuera del flujo principal estarían claramente más separadas entre sí. En el flujo principal, las líneas de corriente discurrirían en paralelo entre sí, al menos al principio o al menos esencialmente, mientras que las líneas de corriente fuera del flujo principal pueden discurrir independientemente unas de otras. Este puede ser el caso, por ejemplo, cuando se produce una turbulencia significativa del electrolito en las zonas fuera del flujo principal, lo que no debería ser el caso en el flujo principal, o al menos en un grado mucho menor.

A este respecto, el flujo principal no es constante en el tiempo, sino que pueden observarse al menos dos flujos principales diferentes en distintos momentos. Además, los tiempos de un flujo principal se alternan con los tiempos del otro flujo principal. Sin embargo, cada uno de los flujos principales se dirige a este respecto en la dirección de la abertura de descarga, ya que la proporción principal del electrolito alimentado al interior de celda se alimenta en cada caso a través del flujo principal al espacio interior de celda. A medida que se alternan los flujos principales, también se alternan las direcciones de flujo en las que el flujo principal entra en el espacio interior de celda del marco de celda a través de la abertura de descarga. En consecuencia, el flujo del electrolito que fluye hacia el espacio interior de celda y, preferentemente, también el flujo del electrolito a través del espacio interior de celda o a través del electrodo previsto al menos parcialmente en la misma cambia repetidamente o, si es necesario, continuamente.

En el caso un primer marco de celda especialmente preferido, el canal de transporte presenta una cámara de flujo al menos por secciones entre la al menos una abertura de entrada y la al menos una abertura de salida en cada caso del canal de retorno, de tal manera que el electrolito que se va a alimentar fluye de manera alternante a al menos dos flujos principales diferentes en la dirección de la abertura de descarga a través de la cámara de flujo y, como consecuencia, fluye en al menos dos direcciones de salida diferentes desde la abertura de descarga hacia el espacio interior de celda. Con ello se puede conseguir un flujo variable del electrolito hacia el espacio interior de celda y, con ello, una mayor densidad de potencia. A este respecto se prefiere especialmente que la cámara de flujo esté diseñada de modo que los flujos principales se alternen con una frecuencia al menos esencialmente constante. Esto hace que las relaciones de flujo sean más predecibles, lo que facilita y hace más fiable un aumento de la densidad de potencia. Puede ser incluso más conveniente cuando la cámara de flujo se diseña de tal manera que la frecuencia aumenta, al menos esencialmente de manera lineal, con el flujo volumétrico creciente a través del canal de transporte. Cuanto mayor sea el flujo volumétrico, mayor será el riesgo de un flujo desigual con zonas muertas considerables. Por lo tanto, es aún más importante si aumenta la frecuencia con la que varía la dirección del flujo del electrolito desde el canal de alimentación hacia el espacio interior de celda.

Como alternativa o adicionalmente el canal de transporte puede presentar una cámara de flujo al menos por secciones entre la al menos una abertura de entrada y la al menos una abertura de salida en cada caso del canal de retorno de tal manera que la cámara de flujo forma una sección transversal de flujo libre con un área de sección transversal al menos por secciones que corresponde al menos a 2 veces, preferentemente al menos a 2,5 veces, en particular al menos a 3 veces, el área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre de la abertura de admisión y/o de la abertura de descarga del canal de alimentación y/o del canal de transporte. De esta manera, el electrolito que se va a alimentar puede entrar en la sección transversal mayor de la cámara de flujo a modo de chorro libre y, dependiendo de las relaciones de flujo, puede, por ejemplo, tender a aplicarse a un lado de la pared de la cámara de flujo o a otro lado de la pared de la cámara de flujo. De este modo, en la cámara de flujo pueden formarse flujos principales alternos que, por un lado, conducen a flujos principales alternos y, por otro, a direcciones alternas con las que el electrolito que se va a alimentar se conduce desde el canal de alimentación hacia el espacio interior de celda.

Cuando el área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre de la abertura de descarga del canal de alimentación es mayor que el área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre de la abertura de descarga de la cámara de flujo, se puede proporcionar un ensanchamiento del canal de alimentación en el extremo del canal de alimentación, lo que a su vez permite que el electrolito fluya hacia el espacio interior de celda en diferentes direcciones de una manera sencilla y sin piezas móviles adicionales. Este es el caso, en particular, cuando el canal de transporte se ensancha en forma de embudo en esta zona, pudiendo estar previsto este ensanchamiento preferentemente directamente después de la cámara de flujo en la dirección de transporte del electrolito que se va a alimentar para simplificar el canal de alimentación. También es sencillo desde el punto de vista constructivo cuando el canal de transporte está previsto de manera se ensancha para convertirse en la abertura de descarga del canal de alimentación.

Resulta especialmente sencillo y fiable cambiar el flujo del electrolito que se va a alimentar a al menos dos flujos principales diferentes cuando el canal de alimentación presenta al menos dos canales de retorno para reconducir parcialmente el electrolito que se va a alimentar en contra de la dirección de transporte del electrolito que se va a alimentar en el canal de transporte. De este modo, se puede influir en la desviación del flujo principal en la zona de las aberturas de salida de las líneas de retorno a través de ambos canales de retorno uno tras otro. En aras de la simplicidad y la fiabilidad del canal de alimentación, es aconsejable que los canales de retorno estén dispuestos en lados opuestos del canal de transporte. Además, se puede conseguir una reconducción sencilla y dirigida del electrolito, en particular cuando los canales de retorno no están conectados entre sí.

Para conseguir un flujo lo más uniforme posible a través del espacio interior de celda, en particular del electrodo allí previsto, puede ser útil prever al menos dos, preferentemente al menos cuatro, en particular al menos seis canales de alimentación por marco de celda. Por el mismo motivo, tiene sentido disponer los canales de alimentación en el mismo lado del marco de celda. Independientemente de ello, los canales de alimentación pueden estar previstos preferentemente no conectados entre sí para impedir una interferencia mutua. No obstante, los distintos canales de alimentación pueden conectarse con una línea de alimentación común en el lado de entrada, lo que puede dar lugar a una configuración relativamente sencilla pero funcional del marco de celda. Además, los canales de alimentación están previstos preferentemente en paralelo de manera continua y separados entre sí.

Las ventajas del marco de celda correspondiente descritas anteriormente se tienen en cuenta entonces especialmente para aumentar la densidad de potencia de celdas electroquímicas cuando en el espacio interior de celda está previsto un elemento de relleno con una estructura de poros abiertos, que rellena el espacio interior de celda preferentemente al menos esencialmente por completo. Para conseguir un buen flujo a través de la estructura de poros abiertos y al mismo tiempo una buena reactividad específica del volumen, también puede ser útil que el elemento de relleno esté diseñado de una sola pieza, afieltrado, de grafito y/o como electrodo.

Independientemente de esto, se puede garantizar un flujo más uniforme a través del espacio interior de celda según sea necesario disponiendo los canales de salida y/o los canales de suministro de al menos un marco de celda distribuidos al menos esencialmente de manera uniforme a lo largo de un lado del al menos un marco de celda. De este modo, la sección transversal de flujo libre disponible puede aprovecharse mejor y se consigue una mayor densidad de potencia.

En el caso de una primera celda electroquímica especialmente preferida, el al menos un espacio interior de celda está delimitado en el lado circunferencial por el marco de celda, en un lado por la membrana semipermeable y en el lado opuesto por un electrodo o una placa bipolar. De esta manera, se puede conseguir una construcción sencilla y rentable de la celda electroquímica, que además es altamente funcional. Como alternativa o adicionalmente, el espacio interior de celda y el marco de celda pueden estar dispuestos circunferencialmente en un plano de marco. Esto también simplifica la construcción de la celda electroquímica, concretamente en particular cuando se van a combinar muchas celdas electroquímicas formando una pila de celdas.

Si el canal de alimentación, el canal de transporte y/o el canal de retorno están orientados al menos esencialmente en paralelo al plano de marco, es estructuralmente sencillo garantizar que el electrolito se canalice adecuadamente hacia el espacio interior de celda. Este puede ser particularmente el caso si el canal de alimentación, el canal de transporte y/o el canal de retorno están dispuestos a lo largo de toda su extensión longitudinal en el plano de marco.

En un primer procedimiento especialmente preferido, el flujo del electrolito alterna cambia entre los al menos dos flujos principales a medida que fluye a través del canal de transporte, en particular a medida que fluye a través de la cámara de flujo. El cambio debe entenderse en este caso en particular como un cambio automático o forzado entre los flujos principales durante el funcionamiento del canal de alimentación. A este respecto no es necesariamente importante la rapidez o la brusquedad con que se produce el cambio entre las corrientes principales. Sin embargo, también se prefiere cuando el cambio del flujo tiene lugar de manera alternante a los al menos dos flujos principales con una frecuencia constante. En principio, se puede conseguir en concreto un flujo más uniforme y, por tanto, más eficiente a través del espacio interior de celda. Además, puede ser útil cuando la frecuencia del cambio del flujo del electrolito que se va a alimentar a los al menos dos flujos principales es al menos esencialmente proporcional al flujo volumétrico del electrolito que se va a alimentar. Esto garantiza que el flujo del electrolito hacia el espacio interior de celda se iguale rápidamente con el tiempo con el flujo volumétrico creciente. Esto se prefiere porque, de lo contrario, las diferencias de flujo al fluir por el espacio interior de celda aumentarían con el flujo volumétrico creciente.

También puede conseguirse un flujo uniforme del electrolito a través del espacio interior de celda por que los al menos dos flujos principales están asociados a lados opuestos de la cámara de flujo y, si es necesario, también a canales de retorno opuestos. De este modo, las relaciones de flujo deseadas pueden ajustarse de manera más sencilla y mantenerse con mayor fiabilidad. Para suministrar a los espacios interiores de celda un flujo volumétrico de electrolito mayor de una manera estructuralmente sencilla, puede ser aconsejable dividir el electrolito que se va a alimentar desde al menos una línea de suministro común en varios canales de alimentación de al menos un marco de celda y alimentarlo al espacio interior de celda en paralelo a través de los canales de alimentación.

A continuación, se explica con mayor detalle la invención mediante un dibujo que representa únicamente un ejemplo de realización. En el dibujo muestra

la figura 1A-B una pila de celdas de acuerdo con la invención en forma de una batería de flujo redox,

la figura 2 una vista superior de un marco de celda de acuerdo con la invención de la pila de celdas de la figura 1,

la figura 3 un detalle del marco de celda de la figura 3 y

la figura 4A-D el detalle del marco de celda de la figura 3 en diferentes momentos durante el funcionamiento de una celda electroquímica de acuerdo con la invención que comprende el marco de celda de la figura 2.

En las figuras 1A y 1B se representa una pila de celdas 1, es decir, un apilamiento de celdas de una celda electroquímica, en particular en forma de una batería de flujo redox, en un corte longitudinal. La pila de celdas 1 comprende tres celdas 2 que presentan en cada caso dos semiceldas 3 con electrolitos correspondientes. Cada semicelda 3 presenta un marco de celda 4 que comprende un espacio interior de celda 5, a través del cual puede pasar un electrolito almacenado en un recipiente de almacenamiento y en el que encaja al menos parcialmente un electrodo 6, que también cierra y sella el espacio interior de celda 5 por un lado. Los electrolitos que fluyen a través de los espacios interiores de celda 5 difieren entre sí. El espacio interior de celda 5 respectivo está cerrado en el lado opuesto al electrodo 6 adyacente al marco de la celda 4 de la segunda semicelda 3 de la misma celda electroquímica 2 por una membrana semipermeable 7 prevista entre los marcos de celda 4 de las dos semiceldas 3. De este modo se evita una transferencia convectiva de los dos electrolitos diferentes de las dos semiceldas 3 al espacio interior de celda 5 del marco de celda 4 de la otra semicelda 3. Sin embargo, los iones pueden transferirse de un electrolito al otro electrolito a través de la membrana semipermeable 7 por difusión, lo que da lugar a un transporte de carga. Mediante reacciones redox de los pares redox de los electrolitos en los electrodos 6 de las semiceldas 3 de una celda 2 se liberan o aceptan electrones. Los electrones liberados pueden fluir de un electrodo 6 al otro electrodo 6 de una celda 2 a través de una conexión eléctrica prevista fuera de la batería de flujo redox, que presenta, si es necesario, un consumidor eléctrico. Qué reacciones que tienen lugar en cada electrodo 6 depende de si la batería de flujo redox se carga o descarga.

En la pila de celdas 1 representada, los electrodos 6 se encuentran planos sobre un lado exterior 8 del marco de celda 4. De este modo, el electrodo 6 forma una superficie de marco en la zona de contacto con el lado exterior 8 del marco de celda 4, que actúa como superficie de sellado 9. Entre los lados exteriores 8 enfrentados de los marcos de celda 4 de una celda 2 se encuentra un material de sellado 10 en el que está alojada la membrana 7 de manera estanca. El material de sellado 10 se apoya de manera plan contra los lados exteriores 8 de los marcos de celda 4 adyacentes y forma así superficies de marco que actúan como superficies de sellado 9.

Cuatro canales se extienden a lo largo de la pila de celdas 1 en la batería de flujo redox representada. Dos de ellos son líneas de alimentación 11 para alimentar los dos electrolitos a los espacios interiores de celda 5 de los marcos de celda 4. Los otros dos canales son líneas de eliminación 12 para evacuar los electrolitos de los espacios interiores de celda 5 de los marcos de celda 4. En la figura 1A se representa en cada caso una línea de suministro 11 y una línea de eliminación 12. En una semicelda 3 de cada celda 2 se ramifican canales de alimentación 13 desde la línea de suministro 11, a través de los cuales se puede alimentar el electrolito al espacio interior de celda 5 correspondiente de la semicelda 3. En secciones opuestas de los marcos de celda 4 correspondientes están previstos canales de evacuación 14, a través de los cuales se puede drenar el electrolito de los espacios interiores de celda 5 a la línea de eliminación 12. La línea de suministro 11, no representada en la figura 1A, y la línea de eliminación 12, igualmente no representada, permiten que el segundo electrolito fluya a través de los otros espacios interiores de celda 5 en cada caso de las otras semiceldas 3 a través de canales de alimentación 13 y canales de evacuación 14 del mismo tipo.

En la figura 2 se representa una vista superior de un marco de celda 4. En las esquinas del marco de celda 4 están previstos cuatro orificios 15, de los cuales, cada orificio 15 forma una parte de una línea de alimentación 11 o de una línea de eliminación 12. Los canales de alimentación 13 y los canales de evacuación 14 están empotrados como depresiones o canales abiertos en el lado exterior 8 representado del marco de la cubierta de marco 16 del marco de celda 4 que rodea el espacio interior de celda 5. Los canales de alimentación 13 y los canales de evacuación 14 están cerrados en el lado circunferencial cuando se ensamblan formando una pila de celdas 1. En la pila de celdas 1 representada, por ejemplo, esto tiene lugar mediante los materiales de sellado 10 y los electrodos 6. Los electrodos 6 también podrían separarse espacialmente de las líneas de suministro 11 y de las líneas de eliminación 12 mediante materiales de sellado 10 y/o el aislamiento eléctrico de estos materiales. Como alternativa o adicionalmente, el material de sellado 10 adyacente a la membrana semipermeable 7, los canales de alimentación 13 y los canales de evacuación 14 también podrían omitirse.

En el ejemplo de realización representado, los canales de evacuación 14 están conectados entre sí para guiar el electrolito recogido hasta la línea de eliminación 12. Sin embargo, esto no es necesario. Los conductos de alimentación 13 también pueden derivarse por separado de la línea de suministro 11. En el ejemplo de realización representado de un marco de celda 4, sin embargo, se han previsto ramificaciones para distribuir gradualmente el electrolito alimentado a través de la línea de suministro 11 a los canales de alimentación 13. Para garantizar que la caída de presión a través de los canales de alimentación 13 y, con ello, el flujo a través de los canales de alimentación 13 sea lo más uniforme posible, el electrolito se alimenta a los canales de alimentación 13 a través de una línea colectora 17 con una gran sección transversal libre. La pérdida de presión del flujo del electrolito que se va a alimentar al espacio interior de celda 5 viene así determinada, al menos esencialmente, por la pérdida de presión a través de los canales de alimentación 13. En el ejemplo de realización representado de un marco de celda 4, los canales de alimentación 13 están diseñados de forma diferente a los canales de evacuación 14.

En la figura 3 se representa uno de los canales de alimentación 13 de diseño similar del marco de celda 4 de la figura 2. El canal de alimentación 13 representado presenta una abertura de admisión 18 y una abertura de descarga 19. Las posiciones de la abertura de admisión 18 y de la abertura de descarga 19 pueden determinarse en el canal de alimentación 13 representado para que la abertura de descarga 19 defina la transición directa desde el canal de alimentación 13 al espacio interior de celda 5 y que la abertura de admisión 18 esté dispuesta al comienzo de un ensanchamiento de la sección transversal de flujo libre. En el canal de alimentación 13 representado, puede suponerse que la abertura de admisión 18 se encuentra correspondientemente en un estrechamiento 20 de la sección transversal de flujo libre para el electrolito. Sin embargo, en principio no es necesario que exista un estrechamiento 20 correspondiente en el que una sección transversal de flujo libre, que se estrecha, se convierta en una sección transversal de flujo libre que se ensancha. En el canal de alimentación 13 representado, la abertura de admisión 18 para el electrolito que se va a alimentar al espacio interior de celda 5 también está prevista poco antes o junto a una zona del canal de alimentación 13 en la que un canal de transporte 21 y dos canales de retorno 22 están conectados entre sí. A este respecto, el canal de transporte 21 sirve para transportar el electrolito que se va a alimentar al espacio interior de celda 5. Por consiguiente, el canal de transporte 21 conecta la abertura de admisión 18 y la abertura de descarga 19 del canal de alimentación 13 entre sí, al menos por secciones.

A este respecto, la abertura de admisión 23 del canal de transporte 21 puede coincidir con la abertura de entrada 18 del canal de alimentación 13, como se señala en el caso del canal de alimentación 13 representado, o la abertura de admisión 23 del canal de transporte 21 está separada de la abertura de admisión 18 del canal de alimentación 13 en la dirección de transporte T del electrolito que se va a alimentar en la dirección del espacio interior de celda 5. Sin embargo, en principio no está previsto un espaciado opuesto de las aberturas de entrada 18, 23. De manera análoga, la abertura de descarga 24 del canal de transporte 21 puede coincidir con la abertura de descarga 19 del canal de alimentación 13 o estar dispuesta delante de la abertura de descarga 19 del canal de alimentación 13 en la dirección de transporte T del electrolito que se va a alimentar en la dirección del espacio interior de celda 5.

Además del canal de transporte 21, el canal de alimentación 13 representado y preferido en este sentido también comprende dos canales de retorno 22, que están dispuestos en lados opuestos del canal de transporte 21 y a través de los cuales se reconduce una parte del electrolito que se va a alimentar en lugar de suministrarse al espacio interior de celda 5. El electrolito que se va a reconducir entra en los canales de retorno 22 desde el canal de transporte 21 a través de las aberturas de entrada 25 para ser reconducido a lo largo de los canales de retorno 22 en contra de la dirección de transporte T del electrolito en el canal de transporte 21 y, a continuación, volver al canal de transporte 21 a través de las aberturas de salida 26.

El canal de transporte 21 comprende una cámara de flujo 27, que está dispuesta al menos por secciones entre las aberturas de salida 26 y las aberturas de entrada 25 de los canales de retorno 22. La cámara de flujo 27 presenta a este respecto una mayor área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre en comparación con la abertura de admisión 18 del canal de alimentación 13 y/o la abertura de admisión 23 del canal de transporte 21. De este modo, se pueden formar estados de flujo significativamente diferentes en la cámara de flujo 27. En el canal de alimentación 13 representado y en este sentido preferido, el área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre de la abertura de descarga 19 del canal de alimentación 13 es mayor que el área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre de la abertura de descarga 28 de la cámara de flujo 27, de modo que el canal de alimentación 13 se ensancha después de la cámara de flujo 27 en la dirección del espacio interior de celda 5 y permite así que el electrolito que se va a alimentar al espacio interior de celda 5 pueda fluir en diferentes direcciones hacia el espacio interior de celda 5. Esto también se ve favorecido por el hecho de que el canal de alimentación 13 se convierte en el espacio interior de celda 5 adyacente al ensanchamiento correspondiente de la sección transversal de flujo libre. Dado que el canal de transporte 21 o el canal de alimentación 13 se ensancha en forma de embudo directamente después de la cámara de flujo 27 en la dirección de transporte T del electrolito que se va a alimentar, el canal de alimentación 13 es preferentemente relativamente corto.

En las figuras 4A-D se representa el canal de alimentación 13 con electrolito que se va a alimentar fluyendo a través del mismo, concretamente en diferentes momentos. En primer lugar, se describen las condiciones de flujo básicas en el canal de alimentación 13 con referencia a la figura 4A, haciéndose referencia a continuación a los símbolos de referencia de la figura 3 en aras de la claridad. El electrolito que se va a alimentar fluye hacia el canal de alimentación 13 a través de la abertura de admisión 18 y, a continuación, entra en la cámara de flujo 27 del canal de transporte 21, en la que el área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre corresponde aproximadamente a tres o cuatro veces el área de sección transversal en la zona de la abertura de admisión 23, 29 del canal de transporte 21 o de la cámara de flujo 27. En consecuencia, después de la abertura de admisión 23, en la zona de la cámara de flujo 27, se forma una especie de chorro libre en la cámara de flujo 27. Como resultado, la cámara de flujo 27 no fluye uniformemente, sino que se forma un flujo principal que comprende al menos la mayor parte del flujo volumétrico del electrolito que se va a alimentar. Por el contrario, fuera del flujo principal en la cámara de flujo 27 del canal de transporte 21, la velocidad de flujo es claramente menor, por lo que en este caso fluye una cantidad también claramente menor de electrolito. Además, la proporción del electrolito que fluye por allí también se arremolina en una gran parte.

Basándose en los principios fundamentales de la dinámica de fluidos, el flujo del electrolito que entra en la cámara de flujo 27 a modo de chorro libre tenderá a entrar en contacto con la pared de la cámara de flujo 27. De acuerdo con la representación de la figura 4A, el flujo principal del electrolito en la cámara de flujo 27 se ha aplicado en este caso al lado izquierdo de la cámara de flujo 27 y se extiende por este lado en dirección al extremo de la cámara de flujo 27 asociado al espacio interior de celda 5 y, con ello, en dirección a las aberturas de salida 19, 24 del canal de transporte 21 y del canal de alimentación 13 como tales. Dado que el flujo principal fluye a lo largo del lado izquierdo de la cámara de flujo 27, el flujo principal se desplaza con un cierto ángulo en la dirección al extremo de la cámara de flujo 27 en la zona de un estrechamiento 30. En el estrechamiento 30 o en la conicidad de la cámara de flujo 27, el área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre es aproximadamente tres veces o cuatro veces menor que en una sección central de la cámara de flujo 27. Después del extremo de la cámara de flujo 27 o del estrechamiento 30, el canal de transporte 21 o el canal de alimentación 13 se ensancha de modo que la sección transversal de flujo libre se hace mayor. Por este motivo, el flujo principal del electrolito procedente de la cámara de flujo 27 también puede fluir fuera de la abertura de descarga 19, 24 del canal de transporte 21 o del canal de alimentación 13 hacia el espacio interior de celda 5 en un ángulo similar en el que el flujo principal fluye hacia el estrechamiento 30.

Sin embargo, una parte del flujo principal del electrolito no pasa a través del estrechamiento 30, sino que es forzada hacia los canales de retorno 22 a través de una abertura de entrada 25 dispuesta delante del extremo de la cámara de flujo 27 en la dirección de transporte T del electrolito. A lo largo de los canales de retorno 22, el electrolito que se va a reconducir se reconduce en contra de la dirección de transporte T del electrolito en la cámara de flujo 27 y se conduce de vuelta a la cámara de flujo 27 o al canal de transporte 21 a través de las aberturas de salida 26 en la zona del comienzo de la cámara de flujo 27 o del comienzo del canal de transporte 21. Allí, el electrolito reconducido interactúa con el chorro libre del electrolito que se va a alimentar, que se dirige a la cámara de flujo 27.

En el caso representado en la figura 4A, los dos canales de retorno 22 no devuelven el mismo flujo volumétrico de electrolito. Dado que el flujo principal de electrolito fluye a lo largo del lado izquierdo de la cámara de flujo 27, se fuerza mucho más electrolito hacia el canal de retorno 22 izquierdo que hacia el canal de retorno 22 derecho opuesto. En consecuencia, sale mucho más electrolito por la abertura de salida del canal de retorno 22 izquierdo. Dado que el electrolito reconducido sale de las aberturas de salida 26 aproximadamente en ángulo recto con respecto a la dirección original del chorro libre en el canal de alimentación 13 representado y, por tanto, preferido, el chorro libre es desviado por el electrolito reconducido hacia la derecha en dirección a la pared de la cámara de flujo 27 allí presente, tal como se representa en la secuencia de la figura 4B. Por lo tanto, el flujo principal del electrolito que se va a alimentar se cambia al cabo de cierto tiempo y fluye a continuación a lo largo del lado derecho de la cámara de flujo 27 en la dirección del espacio interior de celda 5.

Esto se representa en la figura 4C. El flujo principal fluye entonces en un ángulo opuesto hacia el estrechamiento 30 en el extremo de la cámara de flujo 27 y, debido a la configuración del canal de alimentación 13, también en un ángulo similar fuera del canal de alimentación 13 así como hacia el espacio interior de celda 5. Sin embargo, debido al desplazamiento del flujo principal en la cámara de flujo 27, también se reconduce más electrolito a través del canal de retorno 22 derecho que por el canal de retorno 22 izquierdo, de modo que el electrolito reconducido que sale por la abertura de salida 26 derecha del canal de retorno 22 derecho empuja de nuevo hacia la izquierda el chorro libre en esta zona, como se representa en la figura 4D. En consecuencia, el flujo principal del electrolito que se va a alimentar vuelve a cambiar hacia la izquierda, de modo que el ciclo descrito anteriormente tiene lugar de nuevo. El tiempo de ciclo y, con ello, la frecuencia correspondiente, permanecen a este respecto al menos esencialmente constantes cuando el flujo volumétrico del electrolito que se va a alimentar es igualmente al menos esencialmente constante.

Lista de referencias

1 Pila de celdas

2 celda

3 semicelda

4 marco de celda

5 espacio interior de celda

6 electrodo

7 membrana semipermeable

8 lado exterior

9 superficie de sellado

10 material de sellado

11 línea de suministro

12 línea de eliminación

13 canal de alimentación

14 canal de evacuación

15 orificios

16 cubierta de marco

17 línea colectora

18 abertura de admisión

19 abertura de descarga

20 estrechamiento

21 canal de transporte

22 canal de retorno

23 abertura de admisión

24 abertura de descarga

25 abertura de entrada

26 abertura de salida

27 cámara de flujo

28 abertura de descarga

29 abertura de admisión

30 estrechamiento

T dirección de transporte

Claims

REIVINDICACIONES

1. Marco de celda (4) para formar una celda electroquímica (2), en particular una batería de flujo redox, que encierra en el lado circunferencial al menos un espacio interior de celda (5) y que comprende al menos un canal de alimentación (13) para alimentar electrolito al espacio interior de celda (5), en donde el canal de alimentación (13) presenta una abertura de admisión (18) para el electrolito que se va a alimentar, separada del espacio interior de celda (5), y una abertura de descarga (19) adyacente al espacio interior de celda (5) para que fluya hacia fuera el electrolito que se va a alimentar hacia el espacio interior de celda (5),

caracterizado por queel canal de alimentación (13) presenta al menos un canal de transporte (21) que conecta al menos por secciones la abertura de admisión (18) con la abertura de descarga (19) para transportar el electrolito a través del canal de alimentación (13) al espacio interior de celda (5) y al menos un canal de retorno (22) para reconducir parcialmente el electrolito que se va a alimentar en contra de la dirección de transporte (T) del electrolito que se va a alimentar en el canal de transporte (21), por que el canal de retorno (22) está en contacto fluido con el canal de transporte (21) a través de en cada caso al menos una abertura de entrada (25) para la entrada del electrolito que se va a reconducir y una abertura de salida (26) para la salida del electrolito que se va a reconducir, separadas entre sí en la dirección de transporte (T) del electrolito que se va a alimentar.

2. Marco de celda según la reivindicación 1,

caracterizado por queel canal de transporte (21) presenta una cámara de flujo (27) al menos por secciones entre la al menos una abertura de entrada (25) y la al menos una abertura de salida (26) en cada caso del canal de retorno de tal manera que el electrolito que se va a alimentar puede fluir de manera alternante, preferentemente a una frecuencia al menos esencialmente constante, a través de la cámara de flujo (27) en al menos dos flujos principales diferentes en la dirección de la abertura de descarga (19) y, en consecuencia, en al menos dos direcciones de salida diferentes desde la abertura de descarga (19) hacia el espacio interior de celda (5) y por que, preferentemente, la cámara de flujo (27) está diseñada de tal manera que la frecuencia aumenta, al menos de manera esencialmente lineal, con el flujo volumétrico creciente a través del canal de transporte (21).

3. Marco de celda según la reivindicación 1 o 2,

caracterizado por queel canal de transporte (21) presenta una cámara de flujo (27) al menos por secciones entre la al menos una abertura de entrada (25) y la al menos una abertura de salida (26) en cada caso del canal de retorno (22) de tal manera que la cámara de flujo (27) forma una sección transversal de flujo libre con un área de sección transversal al menos por secciones que corresponde al menos a 2 veces, preferentemente al menos a 2,5 veces, en particular al menos a 3 veces, el área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre de la abertura de admisión (18, 23) y/o de la abertura de salida (19, 24) del canal de alimentación (13) y/o del canal de transporte (21).

4. Marco de celda según la reivindicación 2 o 3

caracterizado por queel área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre de la abertura de descarga (19) del canal de alimentación (13) es mayor que el área de sección transversal de la sección transversal de flujo libre de la abertura de descarga (28) de la cámara de flujo (27) y por que, preferentemente, el canal de transporte (21) está diseñado de manera que se ensancha en forma de embudo, preferentemente directamente, después de la cámara de flujo (27) en la dirección de transporte (T) del electrolito que se va a alimentar, en particular de manera que se convierte en la abertura de descarga (19) del canal de alimentación (13).

5. Marco de celda según una de las reivindicaciones 1 a 4,

caracterizado por queel canal de alimentación (13) presenta al menos dos canales de retorno (22) para devolver parcialmente el electrolito que se va a alimentar en contra de la dirección de transporte (T) del electrolito que se va a alimentar en el canal de transporte (21), por que los canales de retorno (22) están dispuestos en lados opuestos entre sí del canal de transporte (21) y por que, preferentemente, los canales de retorno (22) no están conectados entre sí.

6. Marco de celda según una de las reivindicaciones 1 a 5,

caracterizado por queestán previstos al menos dos, preferentemente al menos cuatro, en particular al menos seis, canales de alimentación (13) y por que, preferentemente, los canales de alimentación (13) están previstos en el mismo lado del marco de celda (4) y/o no conectados entre sí y por que, además, preferentemente, los canales de alimentación (13) están conectados en el lado de entrada con una línea de suministro (11) común.

7. Marco de celda según una de las reivindicaciones 1 a 6,

caracterizado por queen el espacio interior de celda (5) está previsto un elemento de relleno con una estructura de poros abiertos, que preferentemente rellena al menos esencialmente por completo el espacio interior de celda (5), y por que, preferentemente, el elemento de relleno está diseñado de una sola pieza, afieltrado, de grafito y/o como electrodo (6).

8. Marco de celda según una de las reivindicaciones 1 a 7,

caracterizado por quelos canales de salida (14) y/o los canales de alimentación (13) al menos de un marco de celda (4) están dispuestos de manera distribuida al menos de manera esencialmente uniforme a lo largo de un lado del al menos un marco de celda (4).

9. Celda electroquímica (2), en particular de una batería de flujo redox, con dos semiceldas (3), en donde las semiceldas están separadas entre sí por al menos una membrana semipermeable (7) y presentan en cada caso al menos un marco de celda (4) que encierra en el lado circunferencial al menos un espacio interior de celda (5) para el paso de electrolito,

caracterizada por queal menos un marco de celda (4) está diseñado según una de las reivindicaciones 1 a 8.

10. Celda electroquímica según la reivindicación 9,

caracterizada por queel al menos un espacio interior de celda (5) está delimitado en el lado circunferencial por el marco de celda (4), en un lado por la membrana semipermeable (7) y en el lado opuesto por un electrodo (6) o una placa bipolar y/o por que el espacio interior de celda (5) y el marco de celda (4) están dispuestos circunferencialmente en un plano de marco.

11. Celda electroquímica según la reivindicación 10,

caracterizada por queel canal de alimentación (13), el canal de transporte (21) y/o el canal de retorno (22) están orientados al menos esencialmente en paralelo al plano de marco y por que, preferentemente, el canal de alimentación (13), el canal de transporte (21) y/o el canal de retorno (22) están dispuestos a lo largo de toda su extensión longitudinal en el plano de marco.

12. Pila de celdas (1), en particular de una batería de flujo redox, que comprende una pluralidad de celdas electroquímicas (2) dispuestas una junto a otra, adyacentes y unidas de manera fija entre sí,

caracterizada por quelas celdas electroquímicas (2) están diseñadas según una de las reivindicaciones 9 a 11.

13. Procedimiento para el funcionamiento de una celda electroquímica (2) según una de las reivindicaciones 9 a 11 o de una pila de celdas según la reivindicación 12,

- en el que se alimenta electrolito al menos a un espacio interior de celda (5) de al menos un marco de celda (4) de al menos una semicelda (3) a través de un canal de alimentación (13),

- en el que el electrolito al pasar por el canal de transporte (21), en particular por la cámara de flujo (27), forma de manera alternante en el tiempo al menos dos flujos principales diferentes en la dirección de la abertura de descarga y, en consecuencia, fluye de manera alternante en al menos dos direcciones de salida diferentes desde la abertura de descarga (19, 24) hacia el espacio interior de celda (5).

14. Procedimiento según la reivindicación 13,

- en el que el flujo del electrolito al pasar por el canal de transporte (21), en particular por la cámara de flujo (27), cambia de manera alternante en el tiempo entre los al menos dos flujos principales, preferentemente con una frecuencia constante, y

- en el que, preferentemente, la frecuencia del cambio del flujo del electrolito que se va a alimentar de manera alternante a los al menos dos flujos principales es al menos esencialmente proporcional al flujo volumétrico del electrolito que se va a alimentar.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 13 o 14,

- en el que los al menos dos flujos principales están asociados a lados opuestos de la cámara de flujo (27) y, preferentemente, a canales de retorno (22) opuestos y/o

- en el que el electrolito que se va a alimentar se distribuye desde al menos una línea de suministro (11) común a varios canales de alimentación (13) de al menos un marco de celda (4) y se suministra en paralelo al espacio interior de celda (5) a través de los canales de alimentación (13).