MX2012004237A

MX2012004237A - Celda metalica-aire recargable con sistema de manejo de flujo.

Info

Publication number: MX2012004237A
Application number: MX2012004237A
Authority: MX
Inventors: Cody A Friesen; Ramkumar Krishnan; Grant Friesen
Original assignee: Fluidic Inc
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-10-03
Also published as: AU2010303211A1; JP5734989B2; EP2486622B1; JP2013507741A; CN102549834B; EP2486622A1; WO2011044528A1; CN102549834A; US20110086278A1; AU2010303211B2; US8492052B2

Abstract

Una celda híbrida electroquímica incluye un electrodo de combustible metálico y un cátodo. Un soporte de electrodo (16) incluye una cavidad (18) para sostener el electrodo de combustible (12a, 12b, 12c), por lo menos una entrada conectada a la cavidad en un lado de la cavidad y configurada para suministrar un medio iónicamente conductor a la cavidad, y por lo menos una salida conectada a la cavidad en un lado opuesto de la cavidad y configurada para permitir que el medio iónicamente conductor fluya fuera de la cavidad. Una pluralidad de separadores (40) se extiende a través del electrodo de combustible (12a, 12b, 12c) y la cavidad en una relación separada entre sí para definir una pluralidad de carriles de flujo en la cavidad.

Description

CELDA METÁLICA-AIRE RECARGABLE CON SISTEMA DE MANEJO DE FLUJO Referencia Cruzada con Solicitudes Relacionadas Esta solicitud reclama el beneficio de prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos de América No. de Serie 61/249,917, presentada el 8 de octubre de 2009, cuyo contenido se incorpora aquí como referencia en su totalidad.

Campo de la Invención La presente invención se relaciona en general con una celda electroquímica, y más en particular, con una celda metal-aire.

Antecedentes de la Invención Las celdas electroquímicas que utilizan metal como combustible son bien conocidas. Los ejemplos de tales dispositivos se muestran en por ejemplo, las Patentes de Estados Unidos de América No. 7,276,309; No. 6,942,105; No. 6,911,274 y No. 6,787,260, las cuales se incorporan aquí como referencia en su totalidad. Una corta lista de las desventajas de estas modalidades previas incluye: una acumulación de productos de reacción precipitados en el espacio del ánodo y en el espacio del cátodo, problemas relacionados con la alimentación de combustible de partículas sólidas, la lenta velocidad de oxidación neta del combustible debida a una concentración incrementada de combustible oxidado cerca del combustible todavía no oxidado.

Una celda metal-aire típicamente comprende un ánodo en el cual el combustible de metal se oxida, un cátodo de respiración de aire en donde el oxígeno del aire ambiental se reduce y un electrólito para dar soporte a las reacciones de los iones oxidados/reducidos.

La presente invención también abarca proporcionar una forma efectiva y mejorada para manejar el flujo de fluido, que puede incluir partículas de combustible y/o precipitados, mientras carga o recarga la celda.

Breve Descripción de la Invención De conformidad con un aspecto de la presente invención, se proporciona una celda electroquímica que incluyen un electrodo de combustible, un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible, y un medio iónicamente conductor que hacen contacto con los electrodos. El electrodo de combustible y el electrodo oxidante están configurados para que durante la descarga, se oxide el combustible de metal en el electrodo de combustible y reducir el oxidante en el electrodo oxidante para generar una diferencia potencial de descarga entre ellos para aplicación a una carga. La celda electroquímica también incluye un sujetador de electrodo que incluye una cavidad para sostener el electrodo de combustible, por lo menos una entrada conectada con la cavidad en un lado de la cavidad y configurada para suministrar un medio iónicamente conductor a la cavidad y por lo menos una salida conectada con la cavidad en un lado opuesto de la cavidad, como la por lo menos una entrada y configurada para permitir que el medio iónicamente conductor fluya fuera de la cavidad. La celda electroquímica también incluye una pluralidad de separadores extendidos a través del electrodo de combustible y la cavidad en una relación separada entre sí para definir una pluralidad de carriles de flujo en la cavidad, para que el medio iónicamente conductor fluya dentro de cada carril de flujo a través de por lo menos una entrada, a través del electrodo de combustible y fuera del carril de flujo a través de la por lo menos una salida.

De conformidad con un aspecto de la invención, se proporciona un método para fabricar un electrodo de combustible para una celda electroquímica. El electrodo de combustible incluye una pluralidad de cuerpos de electrodo permeables, y una pluralidad de separadores esencialmente paralelos extendidos entre los cuerpos del electrodo permeables. El método incluye inyectar un material dentro de la pluralidad de cavidades, cada cavidad está definida por dos separadores fabricados, los cuerpos del electrodo permeables adyacentes están sostenidos esencialmente paralelos a y separados entre sí con los separadores de fabricación entre ellos, de modo que los cuerpos del electrodo se extienden dentro de las cavidades, los separadores de fabricación son esencialmente paralelos entre sí, lo que endurece el material para formar separadores esencialmente paralelos del electrodo de combustible, y separar los cuerpos del electrodo permeables de los separadores de fabricación para que los cuerpos del electrodo permeables y los separadores esencialmente paralelos formados del material sean una sola unidad integrada.

De conformidad con un aspecto de la presente invención, se proporciona un método para cargar una celda electroquímica. La celda electroquímica incluye un electrodo de combustible, un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible, un electrodo de carga, y un medio iónicamente conductor en contacto con los electrodos. El electrodo de combustible y el electrodo oxidante están configurados para que durante la descarga, oxiden el combustible de metal en el electrodo de combustible y reduzcan el oxidante en el electrodo oxidante para generar una diferencia potencial de descarga entre ellos para la aplicación de una carga. El electrodo de combustible y el electrodo de carga están configurados para que durante la re-carga, reduzcan las especies que se puedan reducir del combustible para electrodepositar el combustible en el electrodo de combustible y oxidar las especies que se puedan oxidar del oxidante por la aplicación de una diferencia potencial de descarga entre ellos como una fuente de energía. La celda electroquímica también incluye un sujetador de electrodo que incluye una cavidad para sostener el electrodo de combustible, por lo menos una entrada conectada con la cavidad en un lado de la cavidad y configurada para suministrar el medio iónicamente conductor a la cavidad y por lo menos una salida conectada con la cavidad en un lado opuesto de la cavidad como la por lo menos una entrada y configurada para permitir que el medio iónicamente conductor fluya fuera de la cavidad. La celda electroquímica también incluye una pluralidad de separadores extendidos a través del electrodo de combustible y la cavidad en una relación separada entre sí para definir una pluralidad de carriles de flujo en la cavidad, para que el medio iónicamente conductor fluya dentro de cada carril de flujo a través de la por lo menos una entrada, a través del electrodo de combustible y salga del carril de flujo a través de por lo menos una salida. El método incluye hacer fluir el medio iónicamente conductor que comprende especies de combustible que se pueden reducir a través de la por lo menos una entrada y dentro de los carriles de flujo, aplicar una corriente eléctrica entre el electrodo de carga y el electrodo de combustible con el electrodo de carga que funciona como un ánodo y el electrodo de combustible funciona como un cátodo, de modo que las especies de combustible que se pueden reducir se reducen y se electrodepositan como combustible en forma oxidable en el electrodo de combustible y remover la corriente eléctrica para descontinuar la carga.

Otros aspectos de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, los dibujos acompañantes y las reivindicaciones anexas.

Breve Descripción de los Dibujos Las modalidades de la invención serán ahora descritas, solamente a manera de ejemplo, con referencia a los dibujos esquemáticos acompañantes, en donde los símbolos de referencia correspondientes indican partes correspondientes, y en los cuales: La Figura 1 ilustra una vista en sección transversal de un sistema de celda electroquímica que incluye dos celdas electroquímicas.

La Figura 2 ilustra una vista en despiece de un sistema de celda electroquímica de la Figura 1.

La Figura 3 ilustra un sujetador de electrodo de una de las celdas electroquímicas de la Figura 1.

La Figura 4 ilustra un sujetador de electrodo de la Figura 3 para sostener un primer electrodo y una pluralidad de separadores conectados con el sujetador de electrodo.

La Figura 5 ilustra uno de los separadores de la Figura 4 con más detalle.

La Figura 6 ilustra una conexión entre el separador de la Figura 5 y el sujetador de electrodo de la Figura 3, con más detalle.

La Figura 7 ilustra una zona de fluidización definida en parte por el sujetador de electrodo de la Figura 3, con más detalle.

La Figura 8 ilustra esquemáticamente las conexiones eléctricas entre la celda electroquímica y una carga externa y un suministro de energía, de conformidad con una modalidad de la presente invención.

La Figura 9 ilustra esquemáticamente conexiones eléctricas entre la celda electroquímica y una carga externa y un suministro de energía de conformidad con una modalidad de la presente invención.

La Figura 10 ilustra una modalidad de una porción de otra celda electroquímica de conformidad con una modalidad de la presente invención La Figura 11 ilustra el detalle A de la Figura 10; y La Figura 12 ilustra una vista en sección transversal de un electrodo tomado a lo largo de la línea XII-XII en la Figura 11.

Descripción Detallada de la Invención Las Figuras 1 y 2 ilustran un sistema 100 de celda electroquímica que incluye dos celdas 10 electroquímicas de conformidad con una modalidad de la invención. Como se ilustra, cada celda 10 incluye un primer electrodo 12, y un segundo electrodo 14 que está separado del primer electrodo 12. El primer electrodo 12 está soportado por un sujetador 16 de electrodo. El sistema 100 electroquímico también incluye una cubierta 19 que se utiliza para cubrir las celdas 10 electroquímicas en un lado del sistema 100, mientras uno de los sujetadores 16 de electrodo se utiliza para cubrir el lado opuesto del sistema 100, como se ilustra en la Figura 1.

En una modalidad, el primer electrodo 12 es un electrodo de combustible de metal que funciona como un ánodo cuando la celda 10 opera en descarga, o en un modo generador de electricidad, como se describe con más detalle después. En una modalidad, el primer electrodo 12 puede comprender un cuerpo 12a del electrodo permeable, tal como un pantalla que está hecha de cualquier formación con la capacidad de capturar y retener, a través de electrodepositado, o de otra forma, partículas o iones de combustible de metal de un medio iónicamente conductor que circula en la celda 10, como se describe con más detalle después.

Los componentes de la celda 10, incluyen por ejemplo, un primer electrodo 12, el cuerpo 12a de cuerpo del electrodo permeable del mismo, y el segundo electrodo 14, que puede tener cualquier construcción o configuración deseada, incluyendo sin limitar ser construido de níquel o de aleaciones de níquel (incluyendo níquel-cobalto, níquel-hierro, níquel-cobre (es decir, Monel), o super-aleaciones), cobre o aleaciones de cobre, latón o bronce o cualquier metal apropiado. En una modalidad, una placa catalizadora se puede aplicar en el primer electrodo 12 y/o en el electrodo 14 oxidante, y tiene un material de alta superficie que puede estar hecho con algunos materiales antes descritos. En una modalidad, la placa catalizadora se puede formar con diferentes técnicas, tales como, rocío térmico, rocío de plasma, electrodeposición o cualquier otro método de recubrimiento por partículas.

El combustible puede ser un metal, tal como hierro, zinc, aluminio, magnesio o litio. Por metal, este término significa que abarca todos los elementos considerados como metales en la tabla periódica, incluyendo sin limitar, metales álcali, metales de tierra alcalina, actínidos, y metales de transición, ya sea atómicos, moleculares (incluyendo híbridos metálicos) o formas de aleación cuando se recolectan en el cuerpo del electrodo. Sin embargo, la presente invención no está limitada a cualquier combustible específico, ya que se pueden utilizar otros. El combustible puede ser provisto a la celda 10 como partículas suspendidas en el medio iónicamente conductor. En algunas modalidades, se puede utilizar un combustible híbrido de metal en la celda 10.

El medio iónicamente conductor puede ser una solución acuosa. Los ejemplos de medios apropiados incluyen soluciones acuosas que comprenden ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido tríflíco, ácido nítrico, hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, cloruro de sodio, nitrato de potasio, o cloruro de litio. El medio también puede utilizar un solvente no acuoso o un líquido iónico. En una modalidad no limitante aquí descrita, el medio es hidróxido de potasio acuoso. En una modalidad, el medio iónicamente conductor puede comprender un electrólito. Por ejemplo, se puede utilizar un líquido convencional o una solución de electrólito semi-sólido o un líquido iónico a temperatura ambiente, como se menciona en la Solicitud de Patente de Estados Unidos de América No. de Serie 12/776,962, presentada el 10 de mayo de 2010, cuyo contenido se incorpora aquí como referencia en su totalidad. Se puede utilizar una modalidad en donde el electrólito es una película de electrólito de estado sólido, poroso, semi-sólido (es decir, en una estructura suelta).

El combustible se puede oxidar en el primer electrodo 12 cuando el primer electrodo 12 opera como un ánodo, y un oxidante, tal como el oxígeno se puede reducir en el segundo electrodo 14 cuando el segundo electrodo 14 opera como un cátodo, que es cuando la celda 10 está conectada con una carga y la celda 10 está en el modo de descarga o en el modo generador de electricidad, como se describe con más detalle después. Las reacciones que ocurren durante el modo de descarga pueden generar sub-productos, por ejemplo, precipitados que incluyen especies de combustible que se pueden reducir, en el medio iónicamente conductor. Por ejemplo, en modalidad en donde el combustible es zinc, el óxido de zinc puede generarse como un precipitado sub-producto/especies de combustible que se pueden reducir. El zinc oxidado u otro metal también puede estar soportado por, oxidado o solvatado en la solución de electrólito, sin formar un precipitado (por ejemplo el zincato se puede ser una especie de combustible que se puede reducir disuelta que resta en el combustible). Durante el modo de recarga, que se describe con más detalle después, las especies de combustible que se pueden reducir, por ejemplo, óxido de zinc, se pueden reducir y depositar en forma reversible como el combustible, por ejemplo, zinc, sobre el primer electrodo 12, el cual funciona como un cátodo durante el modo de recarga. Durante el modo de recarga, ya sea que el segundo electrodo 14 o un electrodo 70 de carga separado, descrito más adelante, funciona como el ánodo. El cambio entre los modos de descarga y recarga se describe con más detalle después.

El sujetador 16 del electrodo define una cavidad 18 en donde se mantiene el primer electrodo 12. El sujetador 16 de electrodo también define una entrada 20 y una salida 22 para la celda 10. La entrada 20 está configurada para permitir que el medio iónicamente conductor entre en la celda 10 y/o recircule a través de la celda 10. La entrada 20 se puede conectar con la cavidad 18 a través de un canal 24 de entrada, y la salida 22 se puede conectar con la cavidad 18 a través del canal 26 de salida. Como se ilustra en la Figura 3, cada uno del canal 24 de entrada y del canal 26 de salida puede proporcionar una trayectoria tortuosa divagante a través de la cual puede fluir el medio iónicamente conductor. La trayectoria tortuosa definida por el canal 24 de entrada, de preferencia, no incluye ninguna esquina afilada en donde el flujo del medio se quede atorado o en donde cualquier partícula en el medio se pueda recolectar. Como se describe con más detalle después, la longitud de los canales 24, 26 puede estar diseñada para proporcionar una resistencia iónica incrementada entre las celdas que están conectadas en comunicación de fluidos en serie.

Para cada celda 10, un miembro 17 de sello permeable se puede unir entre las superficies de sellado en los sujetadores 16 del electrodo y/o en la cubierta 19, según sea apropiado, para encerrar por lo menos el primer electrodo 12 en la cavidad 18. El miembro 17 de sello también cubre los canales 24, 26 de entrada y de salida. El miembro 17 de sello es no conductor y es electroquímicamente inerte, y de preferencia, está diseñado para ser permeable ante el medio iónicamente conductor en la dirección ortogonal (es decir, a través de su espesor), sin permitir el transporte lateral del medüo iónicamente conductor. Esto permite que el medio iónicamente conductor se permee a través del miembro 17 de sello para permitir la conductividad de iones con el segundo electrodo 14 en el lado opuesto para dar soporte a las reacciones químicas, sin "quemar" en el medio iónicamente conductor en forma lateral hacia afuera de la celda 10. Unos ejemplos no limitantes del material apropiado para el miembro 17 de sello son EPDM y TEFLON®.

En la modalidad ilustrada, la cavidad 18 tiene una sección transversal generalmente rectangular o cuadrada que coincide esencialmente con la forma del primer electrodo 12. Un lado de la cavidad 18, específicamente, el lado de la cavidad 18 que está conectado con el canal 24 de entrada, incluye una pluralidad de zonas 28 de fluidización que cada una está conectada con el canal 24 de entrada a través de un múltiple que incluye una pluralidad de entradas 34 de cavidad, de modo que cuando el medio iónicamente conductor y cualquier partículas del combustible, precipitados o especies que se pueden reducir entran en la cavidad, el medio iónicamente conductor y el combustible entran en las zonas 28 de fluidízación. Como se muestra con más detalle en la Figura 7, cada zona 28 de fluidízación está definida, parcialmente, por dos superficies 30, 32 que están en ángulo una con respecto a la otra, pero que no se tocan entre sí, para así definir superficies divergentes con respecto a un eje que se extiende desde la entrada 34 a través del centro de la zona 28 de fluidízación. En la modalidad ilustrada, las superficies 30, 32 definen esencialmente una "V" con una parte inferior abierta que está abierta a la entrada 34, como se ilustra en la Figura 3. Aunque la modalidad ilustrada muestra las superficies 30, 32 como relativamente rectas, las superficies pueden ser curvas o parcialmente curvas, siempre que las superficies 30, 32 son divergentes desde la entrada 34.

Las zonas 28 de fluidízación están configuradas para que el medio iónicamente conductor con partículas fluya dentro de la cavidad 18 a través del canal 24 de entrada, las partículas son fluidos en el medio iónicamente conductor, que permiten que las partículas se distribuyan más uniformemente en el medio iónicamente conductor, conforme el medio iónicamente conductor hace contacto con el primer electrodo 12. Esto es particularmente conveniente cuando la celda 10 electroquímica está orientada con la parte inferior abierta de las zonas 28 fluidizadas en forma de V hacia abajo, como se ilustra en la Figura 7. Esto se debe a que la gravedad tiende a provocar que las partículas se acumulen en el extremo de entrada de la cavidad 18 entre el canal 24 de entrada y el canal 26 de salida. Al hacer fluir las partículas en el medio iónicamente conductor, y al proporcionar una caída de presión a través de la cavidad 18, como se describe con detalle después, las partículas fluirán más uniformemente a través de la cavidad 18, con esencialmente menos o sin acumulación en el extremo de entrada de la cavidad 18. Esto puede mejorar la eficiencia de la celda 10 al proporcionar una distribución más uniforme de las partículas a través de la superficie del primer electrodo 12.

Como se ilustra en la Figura 4, una pluralidad de separadores 40, cada uno de los cuales se extiende a través del primer electrodo 12 en una relación separada entre sí, se puede conectar con el sujetador 16 de electrodo para que el primer electrodo 12 se pueda sostener en su lugar con relación al sujetador 16 de electrodo y con el segundo electrodo 14. En una modalidad, el primer electrodo 12 puede contener una pluralidad de cuerpos 12a-12c de electrodo permeables, como se ilustra en la Figura 2 que pueden estar separados por grupos de la pluralidad de separadores 40, de modo que cada juego de separadores 40 está colocado entre los cuerpos de electrodo adyacentes para aislar eléctricamente los cuerpos 12a-12c de electrodo entre sí. Dentro de cada juego de separadores 40 entre los cuerpos de electrodo adyacentes, los separadores 40 están colocados en una relación separada en una manera que crea los llamados "carriles de flujo" 42 entre ellos, como se describe con más detalle después. Los carriles 42 de flujo son tridimensionales y tienen una altura que es esencialmente igual a la altura de los separadores 40. En una modalidad, los separadores pueden ser provistos por un solo marco que tiene cortes correspondientes a los carriles de flujo. En una modalidad, los carriles de flujo pueden incluir una estructura de tipo espuma 9 de tipo panal que está configurada para permitir que el medio iónicamente conductor fluya a través de ellos. En una modalidad, los carriles de flujo pueden incluir un arreglo de clavijas que están configuradas para interrumpir el flujo del medio iónicamente conductor a través de los carriles de flujo. En una modalidad, el marco, los separadores, los carriles de flujo y/u otros elementos de la celda se pueden definir por plástico formado por moldeo de inyección o un material de epoxi/aislante formado con el uso de procesos químicos, como se describe con más detalle después. La modalidad ilustrada no tiene la intención de ser limitante en ningún sentido.

En una modalidad, los cuerpos 12a-12c del electrodo permeables pueden tener esencialmente el mismo tamaño. En una modalidad, los cuerpos del electrodo permeables pueden tener diferentes tamaños para que se pueda utilizar una configuración de apoyo escalonado, como se describe en la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos de América No. de Serie 61/358,339, presentada el 24 de junio de 2010, cuyo contenido se incorpora aquí como referencia en su totalidad.

Los separadores 40 son no conductores y electroquímicamente inertes de modo que están inactivos con respecto a las reacciones electroquímicas en la celda 10. De preferencia, los separadores 40 tienen el tamaño tal que cuando se conectan con el sujetador 16 del electrodo, los separadores 40 están en tensión, lo cual permite que los separadores 40 se presionen contra el primer electrodo 12 o uno de los cuerpos 12a- 12c de electrodo, para así sostener el primer electrodo 12 o los cuerpos de los mismos en una relación plana con relación al sujetador 16 de electrodo. Los separadores 40 pueden estar hechos de un material plástico, tal como polipropileno, polietileno, noryl, fluoropolímeros, etc., que permite que los separadores 40 estén conectados con el sujetador 16 de electrodo en tensión.

En la modalidad ilustrada en la Figura 5, cada separador tiene una porción 44 media alargada, y una porción 46 de conexión con forma en cada extremo. Las porciones 46 de conexión con forma están configuradas para ser sostenidas por aberturas 48 que tienen esencialmente formas similares en el sujetador 16 de electrodo, como se ilustra en la Figura 6 En la modalidad ilustrada, las porciones 46 con forma y las aberturas 48 tienen esencialmente una forma triangular, aunque la forma ilustrada no tiene la intención de limitar en ningún sentido. La forma esencialmente triangular proporciona superficies 50 en los lados opuestos de la porción 44 alargada del separador 40 que está configurada para hacer contacto con las superficies 52 correspondientes del sujetador 16 del electrodo. Debido a que las superficies 50, 52 están en ángulo con respecto al eje MA mayor de la porción 44 alargada del separador 40 y la tensión del separador 40 se encontrará a lo largo del eje MA mayor, las fuerzas creadas por la tensión se pueden distribuir a través de una superficie más grande, comparada con la porción con forma que tiene una forma circular o cuadrada con la misma área.

Una vez que los separadores 40 han sido conectados con el sujetador 16 del electrodo a través de las porciones 46 de extremo los carriles 42 de flujo se definen a través de la cavidad 18 del sujetador 16 del electrodo. Los separadores 40 están configurados para sellar esencialmente un carril 42a de flujo del carril 42b de flujo adyacente, que está separado por uno de los separadores 40, de modo que el medio iónicamente conductor es guiado para fluir generalmente en una dirección. Específicamente, el medio iónicamente conductor puede fluir en general, en una primera dirección FD a través del primer electrodo 12, desde el canal 24 de entrada hasta el canal 26 de salida. Una caída de presión se genera entre el canal 24 de entrada y las zonas 28 de fluidizacíón para que el medio iónicamente conductor pueda fluir a través de la cavidad 18 y en el canal 26 de salida, incluso cuando la celda 10 está orientada de modo que el flujo es esencialmente ascendente y contra la gravedad. En una modalidad, el medio iónicamente conductor puede también permear a través del primer electrodo 12, o en un cuerpo 12a-12c del electrodo permeable individual, en una segunda dirección SD y dentro del carril de flujo que está en el lado opuesto del primer electrodo 12 o el cuerpo 12a-12c del electrodo permeable.

Como se ilustra en la Figura 8, el primer electrodo 12 está conectado con una carga L externa de modo que los electrones proporcionados por el combustible, conforme el combustible se oxida en el primer electrodo 12 fluyen hacia la carga L externa. La carga L externa puede estar acoplada con cada uno de los cuerpos 12a-12c del electrodo permeables en paralelo, como se describe con detalle en la Solicitud de Patente de Estados Unidos de América No. de Serie 12/385,489, presentada el 9 de abril de 2009 e incorporada aquí como referencia en su totalidad.

El segundo electrodo 14 funciona como un cátodo cuando el segundo electrodo 14 está conectado con la carga L externa y la celda 10 opera en el modo de descarga. Cuando funciona como un cátodo, el segundo electrodo 14 está configurado para recibir electrones desde la carga L externa, y reducir un oxidante que hace contacto con el segundo electrodo 14. En una modalidad, el segundo electrodo 14 comprende un electrodo de respiración de aire y el oxidante comprende oxígeno en el aire circundante.

El oxidante puede ser entregado al segundo electrodo 14 por un sistema de transporte pasivo. Por ejemplo, cuando el oxígeno presente en el aire ambiental es el oxidante, simplemente al exponer el segundo electrodo 14 al aire ambiental a través de las aberturas en la celda, tal como las aberturas que están provistas por las ranuras 54 en la cubierta 19 y las ranuras 56 en el sujetador 16 de electrodo provistas en el centro del sistema 100 de celda electroquímica, puede ser suficiente para permitir la difusión/permeación de oxígeno dentro del segundo electrodo 14. Otros oxidantes apropiados pueden ser utilizados y las modalidades aquí descritas no están limitadas al uso de oxígeno como el oxidante. Un empaque 15 periférico puede estar colocado entre la periferia del segundo electrodo 14 y la cubierta 19 o el sujetador 16 del electrodo, según sea apropiado, para evitar que el medio iónicamente conductor se fugue alrededor del segundo electrodo 14 y dentro del área en las ranuras 54, 56 para la exposición del aire.

En otras modalidades, una bomba, tal como un soplador de aire, se puede utilizar para entregar el oxidante al segundo electrodo 14 bajo presión. La fuente de oxidante puede ser una fuente contenida de oxidante. De la misma forma, cuando el oxidante es oxígeno del aire ambiental, la fuente de oxidante se puede considerar ampliamente como un mecanismo de suministro, ya sea pasivo o activo (por ejemplo, bombas, sopladores, etc.) con lo cual, se permite que el aire fluya al segundo electrodo 14. De este modo, el término "fuente de oxidante" tiene la intención de abarcar tanto los oxidantes contenidos como los arreglos para suministrar, en forma pasiva o activa, oxígeno del aire ambiental al segundo electrodo 14.

La electricidad que se puede entonces arrastrar por la carga L externa se genera cuando se reduce el oxidante en el segundo electrodo 14, mientras el combustible en el primer electrodo 12 se oxida en una forma oxidada. El potencial eléctrico de la celda 10 se agota una vez que el combustible en el primer electrodo 12 se oxida por completo o cuando la oxidación se arresta debido a la pasividad del electrodo de combustible. Un interruptor 60 puede estar colocado entre el segundo electrodo 14 y la carga L para que el segundo electrodo 14 se pueda conectar y desconectar de la carga L, según sea conveniente.

Para limitar o suprimir la evolución de hidrógeno en el primer electrodo 12 durante el modo de descarga y durante periodos quiescentes de tiempo (circuito abierto), se pueden añadir sales para retrasar tal reacción. Se pueden utilizar las sales de estaño, plomo, cobre, mercurio, indio, bismuto o cualquier otro material que tiene un alto sobrepotencial de hidrógeno. Además, se pueden añadir las sales de ta rtrato , fosfato, citrato, succinato, amonio u otros aditivos supresores de la evolución de hidrógeno. En una modalidad, se pueden utilizar aleaciones de combustible de metal, tal como Al/Mg para suprimir la evolución de hidrógeno.

Después de que el combustible en la celda 10 se ha oxidado por completo, o cuando sea deseable regenerar el combustible dentro de la celda 10 al reducir los iones de combustible oxidado de regreso al combustible, el primer electrodo 12 y el segundo electrodo 14 se pueden desacoplar de la carga L externa y se acoplan con el suministro PS de energía con el uso de interruptores 62 apropiados, como se ilustra en la Figura 8. El suministro PS de energía está configurado para cargar la celda 10 al aplicar una diferencia de potencial entre el primer electrodo 12 y el segundo electrodo 14, de manera que las especies que se pueden reducir del combustible se reducen y se electrodepositan sobre los cuerpos 12a-12c del electrodo permeables y se lleva a cabo la reacción de oxidación correspondiente en el segundo electrodo 14, que típicamente es la oxidación de una especie que se puede oxidar para volverse oxígeno, que puede ser desgasificado de la celda 10. Como se describe con detalle en la Solicitud de Patente de Estados Unidos de América No. de Serie 12/385,489, presentada el 9 de abril de 2009, e incorporada aquí como referencia en su totalidad, solamente uno de los cuerpos de electrodo permeables, tal como el 12a, se puede conectar con el suministro PS de energía para que el combustible se reduzca sobre el cuerpo del electrodo permeable y crece progresivamente en y en los otros cuerpos 12a-12b del electrodo permeables, uno por uno. Los interruptores 62 pueden controlar cuando la celda 10 opera en el modo de descarga y en el modo de carga.

Cualquier mecanismo de control apropiado puede ser provisto para controlar la acción de los interruptores 62 entre las posiciones abierta y cerrada. Por ejemplo, se puede utilizar un interruptor de relé que se impulsa hacia la posición abierta, con una bobina inductiva acoplada con el suministro de energía que provoca el cierre del interruptor cuando empieza la carga. Además, un interruptor más complejo que permite la conexión individual de los cuerpos 12a-12c del electrodo permeables se puede utilizar para proporcionar la conexión/desconexión de y hacia la carga, y desde y entre sí.

La Figura 9 muestra una modalidad, en donde se proporciona un tercer electrodo 70 para funcionar como un electrodo de carga, mejor que el segundo electrodo 14. Como se ilustra en la Figura 2, el tercer electrodo 70 puede ser colocado entre el primer electrodo 12 y el segundo electrodo 14, con un separador 72 y el miembro 17 de sello colocado entre el tercer electrodo 70 y el segundo electrodo 14. El separador 72 es no conductor y tiene aberturas a través de las cuales puede fluir el medio iónicamente conductor.

En la modalidad antes descrita con respecto a la Figura 8, el segundo electrodo 14 funciona como el cátodo durante la generación/descarga de energía, y como el ánodo durante la carga, como se describe antes. En la Figura 9, la carga está acoplada en paralelo con cada uno de los cuerpos 12a-12c del electrodo permeables del primer electrodo 12, y también con el tercer electrodo 70, durante la recarga. Durante la generación de corriente, el combustible en el primer electrodo 12 se oxida, lo cual genera electrones que se conducen para energizar la carga L y después se conducen al segundo electrodo 14 para la reducción del oxidante (como se describe con más detalle después).

También es posible que cualquiera de las modalidades de la invención apliquen un potencial catódico en forma simultánea en todos los cuerpos 12a-12c del electrodo del primer electrodo 12, mejor que en solamente uno para producir un crecimiento progresivo cuerpo a cuerpo. El crecimiento progresivo que emana de una terminal es ventajoso debido a que proporciona más densidad. Específicamente, el crecimiento en los cuerpos del electrodo previamente conectados continúa conforme cada cuerpo subsiguiente es conectado por el crecimiento progresivo. Con todos los cuerpos del electrodo sometidos al mismo potencial, el crecimiento ocurrirá solamente hasta que ocurra un corto entre el electrodo de carga, que es el segundo electrodo 14 en la modalidad de la Figura 8 y el tercer electrodo 70 en la modalidad de la Figura 9, y el cuerpo del electrodo cercano al mismo. De este modo, es posible tener un crecimiento más rápido, pero menos denso, el cual puede ser apropiado para ciertas necesidades de recarga.

Las modalidades ilustradas en las Figuras 8 y 9, no se deben considerar limitantes en ningún sentido y son provistas como ejemplos no limitantes de la forma en que la celda 10 se puede configurar para ser recargable. Por ejemplo, la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos de América No. de Serie 61/243,970, presentada el 18 de septiembre de 2009 y la Solicitud de Patente de Estados Unidos de América No. de Serie 12/885,268, presentada el 17 de septiembre de 2010, cuyo contenido se incorpora aqui como referencia, describen modalidades de un sistema de celda electroquímica recargable con cambio de modo de carga/descarga en las celdas.

Además, cualquiera de las modalidades de los interruptores antes descritos (por ejemplo, para permitir e modo de carga y el modo de descarga) se pueden utilizar con una pluralidad de celdas electroquímicas que tienen un electrodo/electrodo de combustible que evoluciona en oxígeno dinámicamente cambiante (es decir, de carga), tal como el progresivo descrito en la Solicitud de Patente de Estados Unidos de América No. 61/383,510, presentada el 16 de septiembre de 2010, incorporada aquí como referencia en su totalidad. Por ejemplo, como se describe en la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos de América No. 61/383,510, cada celda 10 puede tener su propia pluralidad de interruptores asociados con los cuerpos de electrodo para permitir el crecimiento progresivo de combustible.

Por ejemplo, en una modalidad, durante la carga, el electrodo de carga de cada celda 10 se puede acoplar con el primer electrodo 12 de la celda 10 subsiguiente. En una modalidad, durante la carga, el primer cuerpo 12a del electrodo del primer electrodo 12 puede tener un potencial catódico y el resto de los cuerpos del electrodo y/o electrodo de carga separado puede tener un potencial anódico. En tal modalidad, durante el crecimiento progresivo de combustible del primer electrodo 12, el combustible puede crecer en el primer cuerpo 12a del electrodo que tiene el potencial catódico y que provoca un corto con el cuerpo 12b del electrodo adyacente que tiene un potencial anódico. El cuerpo 12b de electrodo adyacente puede entonces desconectarse de la fuente del potencial anódico, tal como a través de la conexión eléctrica, el cuerpo 12b del electrodo adyacente tiene el potencial catódico. Este proceso puede continuar con el resto de los cuerpos del electrodo hasta que ya no es posible el crecimiento (es decir, el potencial catódico ha acortado el último cuerpo del electrodo que tiene un potencial anódico o un electrodo de carga por separado). Una pluralidad de interruptores puede ser provista para conectar/desconectar los cuerpos del electrodo entre sí y/o con las fuentes de potencial catódico o anódico. De este modo, en tales modalidades que tienen un crecimiento progresivo del combustible, el electrodo de carga puede ser un electrodo de carga por separado del primer electrodo 12 o por lo menos puede ser un cuerpo de electrodo adyacente al primer electrodo 12, hasta todos los otros cuerpos del electrodo, que tienen un potencial anódico. En otras palabras, el electrodo de carga puede ser un electrodo de carga separado, un cuerpo del electrodo que tiene un potencial anódico ubicado adyacente al por lo menos un cuerpo del electrodo que tiene un potencial catódico y/o un grupo de cuerpos del electrodo que tienen un potencial anódico ubicado adyacente al por lo menos un cuerpo del electrodo que tiene un potencial catódico.

De este modo, el electrodo de carga, ya que el término se utiliza en aspectos más amplios de esta solicitud, no necesariamente son estáticos o electrodos dedicados que solamente juegan un papel de carga anódica (aunque puede ser), y en algunas veces, puede ser un cuerpo o cuerpos dentro del electrodo de combustible al cual se aplica un potencial anódico. Por lo tanto, el término dinámico se utiliza para referirse al hecho de que el elemento físico funciona como un electrodo de carga y que recibe un potencial anódico durante la carga puede variar.

Durante la descarga, el segundo electrodo 14 de una celda 10 puede estar conectado en forma operativa con el primer electrodo 12 de la celda 10 subsiguiente y el consumo de combustible será a través de los cuerpos del electrodo (en donde la conexión eléctrica entre los cuerpos del electrodo es a través del crecimiento de combustible). Cuando una celda 10 no está funcionando apropiadamente o por otras razones, la celda 10 se puede derivar con el uso de características de conmutación de derivación, como se describe en la Solicitud de Patente de Estados Unidos de América No. de Serie 12/885,268.

También, en algunas modalidades, las celdas se pueden diseñar como "bi-celdas". Este término se refiere a un par de electrodos de aire que están en los lados opuestos del electrodo de combustible. Durante la descarga, los electrodos de aire están generalmente al mismo potencial catódico y el electrodo de combustible está a un potencial anódico. Típicamente, el par de electrodos de carga dedicados pueden estar dispuestos en el medio iónicamente conductor entre los electrodos de aire y los electrodos de combustible. Durante la carga, los electrodos de carga están generalmente al mismo potencial anódico, y el electrodo de combustible está a un potencial catódico (en forma alternativa, el electrodo de carga puede estar cargado dinámicamente, como se describe antes). De este modo, los electrodos de aire pueden compartir una terminal común, y el electrodo de combustible tiene su propia terminal, y los electrodos de carga también pueden compartir una terminal común. Como tal, electroquímicamente hablando, tal bi-celda se puede considerar como una celda única (aunque dentro de la bi-celda, ciertos aspectos de la celda, tal como el crecimiento bi-direccional del combustible puede provocar que la bi-celda sea considerada como dos celdas para ciertos propósitos, sin embargo, a un nivel más alto para el modo de descarga y el manejo de conexión, esos aspectos son menos relevantes y la bi-celda se puede considerar como una sola celda). En una modalidad, el par de electrodos de aire pueden corresponder al segundo electrodo 12, el electrodo de combustible puede corresponder con el primer electrodo 12 y el par de electrodos de carga pueden corresponder al tercer electrodo 70.

Con referencia a la Figura 4, después de que el medio iónicamente conductor ha pasado a través del primer electrodo 12, el medio puede fluir dentro del canal 26 de salida que está conectado con las salidas 36 de la cavidad 18 del sujetador 16 de electrodo y la salida 22. La salida 22 puede estar conectada con la entrada 20 en las modalidades en donde el medio se recircula en la celda 10 o para una entrada de una celda adyacente, como se describe con más detalle después, cuando una pluralidad de celdas 10 están conectadas en comunicación de fluidos en serie. En una modalidad, la salida 22 se puede conectar con un recipiente para recolectar el medio que ha sido utilizado en la celda 10.

Las celdas 10 ilustradas en las Figuras 1 y 2 pueden estar conectadas en comunicación de fluidos en serie. Los detalles de las modalidades de las celdas que están conectadas en serie son provistos en la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos de América No. de Serie 61/193,540, presentada el 5 de diciembre de 2008 y en la Solicitud de Patente de Estados Unidos de América No. de Serie 12/631,484, presentada el 4 de diciembre de 2009, ambas incorporadas aquí como referencia en su totalidad. La salida 22 de una primera celda 10 puede estar conectada en comunicación de fluidos con la entrada 20 de una segunda celda 10, y la salida 22 de la segunda celda 10 puede estar conectada con la entrada 20 de una tercera celda, y asi sucesivamente. Aunque la modalidad de las Figuras 1 y 2 ilustran dos celdas 10, las celdas adicionales pueden estar apiladas y conectadas en comunicación de fluidos con las celdas ilustradas. Debido a la tortuosidad, las trayectorias tortuosas que se crean por el canal 24 de entrada y el canal 26 de salida, antes descritos e ilustrados en las Figuras 3 y 4, la longitud de los pasajes de flujo para el medio a través de los canales 24, 26 es mayor que la distancia entre el primer electrodo 12 y el segundo electrodo 14, en cada una de las celdas 10. Esto crea una resistencia iónica entre el par de celdas conectadas en comunicación de fluidos que es mayor que la resistencia iónica dentro de una celda 10 individual. Esto puede reducir o minimizar la pérdida de resistencia iónica interna de la pila de celdas 100, como se describe en la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos de América No. 61/193,540, presentada el 5 de diciembre de 2008 y la Solicitud de Patente de Estados Unidos de América No. de Serie 12/631,484, presentada el 4 de diciembre de 2009.

Durante la operación, el primer electrodo 12, que ya tiene combustible de metal depositado en el mismo, está conectado con la carga L y el segundo electrodo 14 está conectado con la carga L. El medio iónicamente conductor entra por la entrada 20 bajo presión positiva y fluye a través del canal 24 de entrada, las entradas 34 de la cavidad 18 y dentro de las zonas 28 de fluidización de los carriles 42 de flujo. El medio iónicamente conductor fluye a través de los cuerpos 12a-12c del electrodo permeables en los carriles 42 de flujo definidos por las porciones 22 medias alargadas de los separadores 40. El medio iónicamente conductor puede permear a través de los cuerpos 12a-12c del electrodo permeables del primer electrodo 12. El medio iónicamente conductor hace contacto simultáneo con el primer electrodo 12 y con el segundo electrodo 14, lo cual permite que el combustible se oxide y conduzca electrones a la carga L, mientras el oxidante se reduce en el segundo electrodo 14 a través de los electrones que se conducen al segundo electrodo 14 por la carga L. Después de que el medio iónicamente conductor ha pasado a través de los carriles 42 de flujo, el medio fluye fuera de la cavidad 18 a través de las salidas 36 de la cavidad 18, a través del canal 24 de salida y fuera de la salida 22 de la celda 10.

Cuando el potencial de la celda 10 ha sido agotado o de otra forma, es deseable recargar la celda 10, el primer electrodo 12 está conectado con la terminal negativa del suministro PS de energía y el electrodo de carga, que es el segundo electrodo 14 en la modalidad ilustrada en la Figura 8 y el tercer electrodo 70 en la modalidad ilustrada en la Figura 9, está conectada con la terminal positiva del suministro PS de energía. En el modo de carga o recarga, el primer electrodo 12 se vuelve el cátodo y el electrodo 14, 70 de carga se vuelve el ánodo. Al proporcionar electrones al primer electrodo 12, los iones de combustible pueden reducirse en combustible y redepositarse sobre los cuerpos 12a-12c del electrodo permeables mientras el medio iónicamente conductor circula a través de la celda 10 en la misma manera que la antes descrita con respecto al modo de descarga.

Los carriles 42 de flujo proporcionan un patrón de flujo uniforme, e incluso la distribución uniforme del medio iónicamente conductor a través del primer electrodo 12. Las zonas 28 de fluidización agitan las partículas y cualquier precipitado que se ha formado durante el modo de descarga de la celda 10 dentro del medio iónicamente conductor y evitan que las partículas se asienten fuera del medio en el fondo de la cavidad, lo cual permite que las partículas fluyan con el medio iónicamente conductor a través del primer electrodo 12. Los carriles 42 de flujo pueden también evitar que las partículas se asienten y/o cubran los electrodos. Cuando la celda 10 está en el modo de carga, la distribución mejorada de las partículas a través del primer electrodo 12 permiten una deposición más uniforme del combustible reducido sobre el primer electrodo 12, lo cual mejora la densidad del combustible en el primer electrodo 12, e incrementa la capacidad y la densidad de energía de la celda 10, lo cual mejora el ciclo de vida de la celda 10. Además, al tener la capacidad de controlar la distribución de las partículas o la reacción de los sub-productos durante la descarga, se puede evitar la pasivación/deposición temprana del subproducto en el primer electrodo 12. La pasivación lleva a una menor utilización del combustible y a un menor ciclo de vida, lo cual no es conveniente.

Las Figuras 10-12 ilustran una celda 110 de combustible electroquímica de conformidad con otra modalidad de la presente invención. La celda 110 ilustrada en las Figuras 10-12 por lo general incluye las mismas características que la celda 10 antes descrita, con la excepción del primer electrodo, los separadores y el sujetador del electrodo. Por lo tanto, solamente esas características serán descritas con detalle. Por ejemplo, como se ¡lustra en la Figura 10, la celda 110 incluye un primer electrodo 112 colocado en la cavidad 118 de un sujetador 116 del electrodo, de manera que está soportado por el sujetador 116 del electrodo, y una pluralidad de separadores 140 que crean carriles 142 de flujo en el primer electrodo 112.

En una modalidad, el primer electrodo 112 es un electrodo de combustible de metal que funciona como un ánodo cuando la celda 110 opera en el modo de descarga o en el modo generador de electricidad, como se describe con detalle después. En una modalidad, el primer electrodo 112 comprende una pluralidad de cuerpos 112a-112f de electrodo permeables, como se ilustra en la Figura 12. Cada cuerpo del electrodo puede incluir una pantalla que está hecha de cualquier formación con la capacidad de capturar y retener a través de electrodepositado u otra forma, partículas o iones del combustible de metal desde el medio iónicamente conductor que circula en la celda 110.

La pluralidad de separadores 140, cada uno de los cuales se extiende a través del primer electrodo 112 está en una relación separada entre sí, se pueden conectar con el sujetador 116 del electrodo para que el primer electrodo 112 se pueda mantener en su lugar con relación al sujetador 116 del electrodo y con el segundo electrodo (no mostrado en las Figuras 10-12). Los cuerpos 112a-112f de electrodo permeables, como se ilustra en la Figura 12, pueden estar separados por juegos de la pluralidad de separadores 140, de modo que cada juego de separadores 140 está colocado entre los cuerpos del electrodo adyacente para aislar eléctricamente los cuerpos 112a-112f del electrodo entre sí. Dentro de cada juego de separadores 140 entre los cuerpos del electrodo adyacentes, los separadores 40 están colocados en una relación separada de manera que se crean los llamados "carriles de flujo" 142 entre ellos. Los separadores 140 son no conductores y son electroquímicamente inertes de modo que están inactivos con respecto a las reacciones electroquímicas en la celda 110. Los separadores 140 pueden estar hechos de un material plástico apropiado, tal como polipropileno, polietileno, poliéster, etc. Similar a los carriles 42 de flujo antes descritos, los carriles 142 de flujo son tridimensionales y tienen una altura que es esencialmente igual que la altura de los separadora 140, como se ilustra en la Figura 12.

En la modalidad ilustrada, la cavidad 118 tiene una cavidad que tiene una forma generalmente cuadrada que coincide esencialmente con la forma del primer electrodo 112. Un lado o extremo de la cavidad 118 está conectado con un canal 124 de entrada a través de una pluralidad de entradas 134 de cavidad. El canal 124 de entrada está conectado con una entrada 120 a través de la cual entra en medio iónicamente conductor en la celda 110. Cada entrada 134 de cavidad está alineada esencialmente con un carril de flujo correspondiente, como se ilustra en la Figura 11. Después de que el medio iónicamente conductor ha fluido a través de los carriles 142 de flujo, el medio iónicamente conductor puede salir de la cavidad 118 a través de la salida 136 de cavidad, ilustrada en la Figura 10.

Los cuerpos 112a-112f permeables y los separadores 140 se pueden formar como una sola unidad antes de que el primer electrodo 112 sea colocado en el sujetador 116 del electrodo. En otras palabras, el primer electrodo ¡lustrado en la Figura 12 se puede formar como una sola unidad con el uso de cualquier proceso de fabricación deseado. Por ejemplo, en una modalidad, los separadores de fabricación (no mostrados) que son esencialmente del tamaño de los carriles 142 de flujo, se pueden colocar entre los cuerpos 112a-112f permeables adyacentes para sostener los cuerpos 112a-112f del electrodo permeables en una relación separada esencialmente paralela. Los separadores de fabricación que están ubicados entre los mismos cuerpos del electrodo permeables adyacentes de preferencia, son esencialmente paralelos entre sí y están separados igualmente a lo largo de los cuerpos 112a-112f del electrodo y los separadores de fabricación que están ubicados en los lados opuestos del mismo electrodo, de preferencia, están alineados esencialmente entre si. Después de que los cuerpos 12a-12f del electrodo y los separadores de fabricación están en su lugar y se mantienen juntos con cualquier medio apropiado, el material apropiado a ser usado para los separadores 140 se pueden inyectar entre los separadores de fabricación y a través de los cuerpos 112a-112f del electrodo permeables. Después de que el material se cura o se endurece, los separadores de fabricación pueden removerse del primer electrodo 112 para crear una sola unidad 112 de apoyo del electrodo, ilustrada en la Figura 12.

En una modalidad, un molde de inyección se puede fabricar de modo que los separadores de fabricación son parte del molde. Se pueden formar ranuras en el molde para acomodar los cuerpos 112a-112f del electrodo permeables y las cavidades que definen el volumen para los separadores 140 también se forman. Cada uno de los cuerpos 112a-112f del electrodo pueden ser insertados dentro del molde en una relación separada paralela a un cuerpo adyacente, y el material a ser utilizado para los separadores 140 se puede inyectar dentro de las cavidades para formar los separadores 140. Después de que el material se ha enfriado en el molde, el primer electrodo 112 se puede expulsar del molde como una sola unidad que contiene los cuerpos 112a-112f del electrodo permeables y los separadores 140. Por supuesto, se puede utilizar cualquier método de fabricación que permita que los separadores 140 sean formados integrados en o a través de los cuerpos 112a-112f del electrodo permeable para que los primeros electrodos 112 que comprenden los cuerpos 112a-112f y los separadores son una sola unidad. Los métodos antes descritos no tienen la intención de ser limitantes en ningún sentido.

Al igual que los cuerpos 12a-12c del electrodo permeables antes descritos, en una modalidad, los cuerpos 112a-112f del electrodo permeables pueden tener esencialmente el mismo tamaño. En una modalidad, los cuerpos 112a-112f del electrodo permeables pueden tener diferentes tamaños para que se pueda utilizar una configuración de apoyo escalonada, como se describe en la Solicitud de Patente de Estados Unidos de América No. de Serie 61/358,339, presentada el 24 de junio de 2010.

Las modalidades de la presente invención no están limitadas al manejo del sub-producto de reacción que se genera durante el modo de descarga, como se describe antes, y se reduce y electrodeposita en forma invertida como combustible durante la recarga. Más bien, las modalidades de la presente invención se pueden usar cuando las especies de combustible que se pueden reducir son diferentes del producto de reacción y se suministran en forma separada. Las modalidades de la presente invención proporcionan un patrón de flujo uniforme del medio iónicamente conductor a través del primer electrodo y una distribución uniforme del medio iónicamente conductor entre los cuerpos del electrodo permeables que forman el primer electrodo, lo cual puede mejorar la eficiencia de las celdas electroquímicas y los sistemas antes descritos.

Cuando los electrodos son referidos aquí, se debe entender que varias estructuras en las modalidades pueden funcionar como uno o más electrodos en diferentes formas, dependiendo del modo operativo del dispositivo. Por ejemplo, en algunas modalidades, en donde el electrodo oxidante es bi-funcional como un electrodo de carga, la misma estructura del electrodo actúa como un electrodo oxidante durante la descarga y como un electrodo de carga durante la carga. De manera similar, en la modalidad en donde el electrodo de carga es un electrodo de carga dinámica, todos los cuerpos del electrodo de combustible actúan como el electrodo de combustible durante la descarga, pero durante la carga de uno o más de los cuerpos actúa como un electrodo de combustible al recibir el combustible electrodepositado y uno o más de los otros cuerpos actúan como el electrodo de carga para volverse el oxidante (por ejemplo, oxígeno) y el electrodo de combustible crece conforme el crecimiento electrodepositado se conecta con más de los cuerpos. De este modo, la referencia a un electrodo se define expresamente como una estructura de electrodo diferente o como un papel funcional de una estructura con la capacidad de realizar múltiples funciones del electrodo, durante los diferentes modos operativos de la celda (y por lo tanto, la misma estructura multi-funcional se puede considerar que satisface múltiples electrodos por esta razón).

Lo anterior ilustra las modalidades ejemplificativa y ha sido provisto para ilustrar los principios estructurales y funcionales de la presente invención y no tienen la intención de limitar. Por ejemplo, la presente invención se puede practicar con el uso de diferentes combustibles, diferentes oxidantes, diferentes electrólitos, y/o diferente configuración estructural o materiales. De este modo, la presente invención tiene la intención de abarcar todas las modificaciones, sustituciones, alteraciones y equivalentes dentro del espíritu y el alcance de las siguientes reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una celda electroquímica caracterizada porque comprende: un electrodo de combustible; un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible; un medio iónicamente conductor que hace contacto con los electrodos; el electrodo de combustible y el electrodo oxidante están configurados para que durante la descarga, oxiden el combustible de metal en el electrodo combustible y reduzcan el oxidante en el electrodo oxidante para generar una diferencia del potencial de descarga entre ellos para la aplicación de una carga; un sujetador de electrodo que comprende una cavidad para sostener el electrodo de combustible, por lo menos una entrada conectada con la cavidad en el lado de la cavidad y configurada para suministrar el medio iónicamente conductor a la cavidad y por lo menos una salida conectada con la cavidad en un lado opuesto de la cavidad, como la por lo menos una entrada y configurada para permitir que el medio iónicamente conductor fluya fuera de la cavidad; y una pluralidad de separadores extendidos a través del electrodo de combustible y la cavidad en una relación separada entre si para definir una pluralidad de carriles de flujo en la cavidad para que el medio iónicamente conductor fluye dentro de cada carril de flujo a través de por lo menos una entrada, a través del electrodo de combustible, y fuera del carril de flujo a través de por lo menos una salida; en donde el electrodo de combustible comprende una pluralidad de cuerpos permeables en una relación separada y en donde la pluralidad de separadores son provistos entre los cuerpos permeables para permitir que el medio iónicamente conductor permee a través de los cuerpos permeables y para que fluya a través de los cuerpos permeables en los carriles de flujo.

2. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque además comprende un electrodo de carga, en donde el electrodo de combustible y el electrodo de carga están configurados para que durante la recarga, reduzcan las especies que se pueden reducir del combustible para electrodepositar el combustible en el electrodo de combustible y oxidar las especies que se puedan oxidar del oxidante por la aplicación de una diferencia potencial de recarga entre ellos desde una fuente de energía.

3. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque el electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste de: (a) un electrodo oxidante; (b) un tercer electrodo separado del electrodo oxidante y (c) una porción del electrodo de combustible.

4. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque el electrodo de combustible comprende una pluralidad de cuerpos del electrodo permeables en una relación separada, y en donde el electrodo de carga durante la recarga es un electrodo de carga dinámica que comprende algunos de los cuerpos del electrodo permeables.

5. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque cada separador está acoplado en los extremos opuestos de la misma con el sujetador del electrodo en tensión para asegurar el electrodo de combustible con el sujetador del electrodo.

6. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque cada separador comprende una porción central alargada y una porción de extremo con forma en cada extremo de la porción central alargada, y en donde el sujetador del electrodo comprende una pluralidad de aberturas con forma que corresponden a las porciones de extremo con forma de los separadores para que los extremos de cada separador se puedan sostener por las aberturas con forma en el sujetador del electrodo.

7. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque las porciones de extremo con forma y las aberturas con forma tienen una forma esencialmente triangular.

8. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque por lo menos una entrada comprende una pluralidad de entradas, en donde por lo menos una salida comprende una pluralidad de salidas, y en donde una de la pluralidad de entradas y una de la pluralidad de salidas está asociada con cada carril de flujo para que el medio iónicamente conductor fluya dentro de cada carril de flujo a través de la entrada asociada, a través del electrodo de combustible y fuera del carril de flujo a través de la salida asociada.

9. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque lia cavidad comprende superficies divergentes en la entrada de cada carril de flujo, las superficies divergentes definen, parcialmente, un volumen en donde las partículas en el carril de flujo fluyen con el medio iónicamente conductor que fluye dentro del carril de flujo.

10. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque las entradas están configuradas para proporcionar una caída de presión entre un canal de entrada en un sujetador de electrodo y los carriles de flujo.

11. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque cada carril de flujo es tridimensional y tiene una altura esencialmente igual a los separadores que definen el carril de flujo.

12. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el combustible cuando se oxida durante la descarga forma un óxido en el medio iónicamente conductor.

13. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque cada separador se moldea dentro o sobre el electrodo de combustible.

14. La celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 13, caracterizada porque el electrodo de combustible comprende una pluralidad de cuerpos permeables en una relación separada, y en donde la pluralidad de separadores están moldeados dentro o sobre los cuerpos permeables para sostener los cuerpos permeables en una relación separada y permitir que el medio iónicamente conductor permee a través de los cuerpos permeables y que fluya a través de los cuerpos permeables en los carriles de flujo.

15. Un método para fabricar un electrodo de combustible para una celda electroquímica, el electrodo de combustible comprende una pluralidad de cuerpos de electrodo permeables y una pluralidad de separadores esencialmente paralelos extendidos entre los cuerpos de electrodo permeables, el método está caracterizado porque comprende: inyectar un material dentro de la pluralidad de cavidades, cada cavidad está definida por dos separadores de fabricación, los cuerpos de electrodo permeables adyacentes están sostenidos esencialmente paralelos y separados entre sí con los separadores de fabricación entre ellos, para que los cuerpos del electrodo se extiendan dentro de las cavidades, los separadores de fabricación son esencialmente paralelos entre sí; endurecer el material para formar separadores esencialmente paralelos del electrodo de combustible; y separar los cuerpos del electrodo permeables de los separadores de fabricación para que los cuerpos del electrodo permeables y los separadores esencialmente paralelos formados del material sean una sola unidad integrada.

16. El método para fabricar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la pluralidad de cavidades están formadas en un molde.

17. El método para fabricar de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque los separadores de fabricación son partes integradas del molde.

18. El método para fabricar de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque los separadores de fabricación son partes individuales.

19. Un método para cargar una celda electroquímica, la celda electroquímica está caracterizada porque comprende: un electrodo de combustible; un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible; un electrodo de carga; un medio iónicamente conductor que hace contacto con los electrodos; el electrodo de combustible y el electrodo oxidante están configurados para que durante la descarga, oxiden el combustible de metal en el electrodo de combustible y reduzcan el oxidante en el electrodo oxidante para generar un diferencia potencial de descarga entre ellos para la aplicación de una carga, el electrodo de combustible y el electrodo de carga están configurados para que durante la recarga, reduzcan las especies que se pueden reducir del combustible para electrodepositar el combustible en el electrodo de combustible y oxidar las especies que se pueden oxidar del oxidante por la aplicación de una diferencia potencial de recarga entre ellos desde la fuente de energía; un sujetador del electrodo que comprende una cavidad para alojar al electrodo de combustible, por lo menos una entrada conectada con la cavidad en un lado de la cavidad y configurada para suministrar el medio iónicamente conductor a la cavidad y por lo menos, una salida conectada con la cavidad en un lado opuesto de la cavidad, como la por lo menos una entrada y configurada para permitir que el medio iónicamente conductor fluya fuera de la cavidad; y una pluralidad de separadores extendidos a través del electrodo de combustible y la cavidad en una relación separada entre sí, para definir una pluralidad de carriles de flujo en la cavidad para que el medio iónicamente conductor fluye dentro de cada carril de flujo a través de por lo menos una entrada, a través del electrodo de combustible y fuera del carril de flujo a través de por lo menos una salida; en donde el electrodo de combustible comprende una pluralidad de cuerpos permeables en una relación separada y en donde la pluralidad de separadores son provistos entre los cuerpos permeables para permitir que el medio iónicamente conductor pase a través de los cuerpos permeables y que fluye a través de los cuerpos permeables en los carriles de flujo; el método comprende: hacer fluir el medio iónicamente conductor que comprende especies de combustible que se pueden reducir a través de por lo menos una entrada y dentro de los carriles de flujo; aplicar una corriente eléctrica entre el electrodo de carga y el electrodo de combustible con el electrodo de carga que funciona como un ánodo y el electrodo de combustible que funciona como un cátodo, de modo que las especies de combustible que se pueden reducir se reducen y se electrodepositan como combustible en forma oxidable en el electrodo de combustible; y remover la corriente eléctrica para descontinuar la carga.

20. El método para cargar de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque 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.

21. Una celda electroquímica de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el electrodo de carga es un electrodo de carga dinámica y comprende por lo menos algunos de los cuerpos de electrodo permeable durante la recarga.