ES2575858T3 - Sistema de celda electroquímica con un electrodo de liberación progresiva de oxígeno/electrodo de combustible - Google Patents

Abstract

Un sistema (100) de celda electroquímica recargable para generar corriente eléctrica utilizando un combustible metálico y un oxidante, comprendiendo el sistema de celda: una celda (10) electroquímica que comprende: (i) un electrodo (12) de combustible que comprende N cuerpos (12a-d) de electrodo permeables dispuestos en relación de separación espaciados en orden de 1 a N, en donde N es un entero mayor que o igual a dos, comprendiendo el electrodo de combustible el combustible metálico sobre los cuerpos de electrodo permeables; (ii) un electrodo (14) oxidante separado con espaciamiento del electrodo de combustible; (iii) un electrodo (70) de carga seleccionado del grupo consistente de (a) el electrodo oxidante, y (b) un electrodo de carga separado espaciado del combustible y de los electrodos oxidantes; y (iv) un medio conductor de iones que comunica los electrodos para conducir iones para soportar reacciones electroquímicas en los electrodos; en donde los electrodos combustible y oxidante están configurados para, durante un modo de descarga, oxidar el combustible metálico sobre los cuerpos de electrodo permeables y reducir el oxidante en el electrodo oxidante, generando así una diferencia de potencial para aplicación a una carga; una pluralidad de conmutadores (60) para acoplar selectivamente cada cuerpo 2 a N de electrodo del electrodo combustible y el electrodo de carga a una fuente de poder (PS) para aplicación de un potencial catódico al cuerpo 1 de electrodo mediante la fuente de poder; un controlador (230) configurado para controlar la pluralidad de conmutadores durante la recarga de modo que se controla la aplicación de un potencial anódico desde la fuente de poder a los cuerpos 2 a N de electrodo permeables y el electrodo de carga de una manera tal que produzca (a) electrodeposición del combustible metálico, a través de la reducción de iones reducibles del combustible metálico desde el medio conductor de iones, para crecer progresivamente desde el cuerpo 1 de electrodo hacia el electrodo con la electrodeposición de carga conectando progresivamente cada cuerpo 2 a N de electrodo subsecuente al cuerpo 1 de electrodo para aplicación del potencial catódico a cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente, (b) eliminación del potencial anódico desde cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente. y

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Sistema de celda electroqufmica con un electrodo de liberacion progresiva de oxfgeno/electrodo de combustible Campo de la invencion

La presente invencion se relaciona con un sistema de celda electroqufmica recargable.

Antecedentes de la invencion

Las celdas electroqufmicas son bien conocidas. Una celda electroqufmica incluye un anodo o un electrodo de combustible en el cual tiene lugar una reaccion de oxidacion de combustible, un catodo o electrodo oxidante en el cual tiene lugar una reaccion de reduccion del oxidante, y un medio conductor de iones para soportar el transporte de iones. En algunas celdas metal-aire, tales como las divulgadas en las Publicaciones de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Nos. 2009/0284229, 2011/0086278 y 2011/0189551, asf como en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Serie No. 13/028,496, el electrodo del combustible comprende una pluralidad de cuerpos de electrodo en andamio, sobre los cuales se reduce y electrodeposita el combustible metalico.

Los sistemas de celdas electroqufmicas pueden comprender una pluralidad de celdas electroqufmicas. En algunos de tales sistemas de celdas electroqufmicas, el electrodo de combustible de la primera celda puede ser acoplado a un primer terminal, el electrodo oxidante de cada celda dentro del sistema de celdas puede ser conectado al electrodo de combustible de la celda subsecuente, y el electrodo oxidante de la ultima celda en la serie puede estar conectado a un segundo terminal. Asf, se crea una diferencia de potencial dentro de cada celda individual, y puesto que estas celdas estan acopladas en serie, se genera una diferencia de potencial acumulativa entre el primero y segundo terminales. Estos terminales se conectan a una carga L, creando una diferencia de potencial que impulsa corriente.

Entre otras cosas, la presente solicitud busca proveer una arquitectura mas eficiente y efectiva para recargar y descargar celdas electroqufmicas y sistemas de celdas electroqufmicas.

Resumen de la invencion

Un aspecto de la presente invencion provee un sistema de celdas electroqufmicas recargables para generar corriente electrica utilizando un combustible y un oxidante. El sistema de celdas comprende una celda electroqufmica. La celda electroqufmica incluye un electrodo de combustible que comprende N cuerpos de electrodo permeable dispuestos en relacion espaciada separada del orden de 1 a N, en donde N es un entero mayor de o igual a dos. El electrodo de combustible comprende combustible metalico sobre los cuerpos de electrodo permeables. La celda incluye adicionalmente un electrodo oxidante espaciado separado del electrodo de

combustible, y un electrodo de carga seleccionado del grupo consistente de (a) el electrodo oxidante, y (b) un

electrodo de carga separado espaciado de los electrodos de combustible y oxidante. La celda incluye

adicionalmente un medio conductor ionico que comunica los electrodos para conducir iones para soportar las reacciones electroqufmicas en los electrodos. En la celda, los electrodos de combustible y oxidante estan

configurados para que, durante un modo de descarga, oxiden el combustible metalico sobre los cuerpos de electrodo permeables y reduzcan el oxidante en el electrodo oxidante, generando asf una diferencia de potencial para aplicacion a una carga. El sistema de celda incluye adicionalmente una pluralidad de conmutadores para acoplar selectivamente cada cuerpo 2 a N de electrodo del electrodo de combustible y el electrodo de carga a una fuente de poder, para aplicacion de un potencial anodico durante un modo de recarga en el cual se aplica un potencial catodico al cuerpo 1 de electrodo mediante la fuente de poder. El sistema de celdas comprende adicionalmente un controlador configurado para controlar la pluralidad de conmutadores durante el modo de recarga para manejar la aplicacion del potencial anodico desde la fuente de poder a los cuerpos 2 de electrodo permeables a N y el electrodo de carga en una forma progresiva de tal manera que produzca la electrodeposicion del combustible metalico, a traves de la reduccion de iones reducibles del combustible metalico del medio conductor de iones, para crecer progresivamente desde el cuerpo 1 de electrodo hacia el electrodo de carga conectando progresivamente la electrodeposicion cada cuerpo 2 de electrodo subsecuente a N al cuerpo 1 de electrodo para la aplicacion del potencial catodico a cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente. El manejo de los conmutadores puede causar posteriormente eliminacion del potencial anodico de cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente, y la aplicacion del potencial anodico a al menos el cuerpo de electrodo subsecuente no conectado por la electrodeposicion, o el electrodo de carga cuando el cuerpo N de electrodo ha sido conectado por la electrodeposicion, para oxidacion de una especie oxidable del oxidante.

Otro aspecto de la presente invencion provee un metodo para cargar una celda electroqufmica. La celda electroqufmica comprende un electrodo de combustible que comprende N cuerpos de electrodo permeables dispuestos en relacion de espaciado con separacion en orden de 1 a N, en donde N es un entero mayor que o igual a dos. El electrodo de combustible comprende combustible metalico sobre los cuerpos de electrodo permeables. La celda comprende adicionalmente un electrodo oxidante espaciado en separacion del electrodo de combustible, y un electrodo de carga. El electrodo de carga se selecciona del grupo consistente de (a) un electrodo oxidante, y (b) un

5

10

15

20

25

30

35

40

45

electrodo de carga separado espaciado de los electrodos de combustible y oxidante. La celda incluye adicionalmente un medio conductor para iones que comunica los electrodos para conducir iones para soportar las reacciones electroqufmicas en los electrodos. En la celda, los electrodos de combustible y oxidantes estan configurados para que, durante el modo de descarga, oxiden el combustible metalico sobre los cuerpos de electrodo permeables y reduzcan el oxidante en el electrodo oxidante, generando asf una diferencia de potencial para aplicacion a una carga. El metodo comprende aplicar un potencial catodico al cuerpo 1 de electrodo acoplando el cuerpo 1 de electrodo a una fuente de poder. El metodo incluye adicionalmente manejar la aplicacion de un potencial anodico a los cuerpos 2 a N de electrodo, acoplando selectivamente los cuerpos 2 a N de electrodo a la fuente de poder para la aplicacion del potencial anodico. Tal manejo puede producir la electrodeposicion del combustible metalico, a traves de la reduccion de iones reducibles del combustible metalico a partir del medio conductor para iones, para crecer progresivamente desde el cuerpo 1 de electrodo hacia el electrodo de carga, conectando progresivamente la electrodeposicion cada cuerpo de electrodo 2 a N subsecuente al cuerpo 1 de electrodo para aplicacion del potencial catodico a cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente. El manejo tambien puede incluir la eliminacion del potencial anodico de cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente, y la aplicacion del potencial anodico a al menos al cuerpo de electrodo subsecuente no conectado por la electrodeposicion, o el electrodo de carga cuando el cuerpo N de electrodo ha sido conectado por la electrodeposicion, para oxidacion de una especie oxidable del oxidante. El metodo puede incluir adicionalmente el desacoplamiento de la fuente de poder para descontinuar la carga.

La presente invencion es tal como de define en las reivindicaciones anexas.

Otros objetivos, caracterfsticas y ventajas de la presente invencion seran evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada, los dibujos acompanantes y las reivindicaciones anexas.

Breve descripcion de los dibujos

La figura 1 ilustra una vista en seccion transversal de un sistema de celdas electroqufmicas que incluye dos celdas electroqufmicas;

La figura 2 ilustra una vista en despiece del sistema de celda electroqufmica de la figura 1;

La figura 3 ilustra un soporte de electrodo para una de las celdas electroqufmicas de la figura 1;

La figura 4 ilustra el soporte de electrodo de la figura 3, soportando un electrodo de combustible y una pluralidad de espaciadores conectados al soporte de electrodo;

La figura 5 ilustra uno de los espaciadores de la figura 4 en mayor detalle;

La figura 6 ilustra una conexion entre los espaciadores de la figura 5 y el soporte de electrodo de la figura 3 en mayor detalle;

La figura 7 ilustra esquematicamente conexiones electricas entre la celda electroqufmica y una carga externa o fuente de poder de acuerdo con una realizacion de un sistema de celdas de la presente invencion;

La figura 8 ilustra esquematicamente conexiones electricas entre la celda electroqufmica y una carga o fuente de poder externa de acuerdo con una realizacion de un sistema de celdas de la presente invencion;

La figura 9 ilustra esquematicamente un sistema de conmutacion de acuerdo con una realizacion del sistema de celdas de la figura 8;

La figura 10 ilustra esquematicamente un sistema de conmutacion de acuerdo con otra realizacion del sistema de celdas de la figura 8;

La figura 11 ilustra esquematicamente un sistema de conmutacion de acuerdo con otra realizacion del sistema de celdas de la figura 8;

Las figuras 12A-C ilustran esquematicamente las realizaciones de las figuras 9-11 que comprenden adicionalmente una pluralidad de celdas de un sistema de conmutacion de acuerdo con otra realizacion de la celda de la figura 8;

La figura 13 ilustra esquematicamente un sistema de conmutacion similar a la realizacion de la figura 11, que comprende adicionalmente un controlador;

La figura 14 muestra un diagrama de flujo que ilustra una realizacion de un metodo para cargar la celda, de acuerdo con la presente invencion; y

La figura 15 muestra un diagrama de flujo que ilustra una realizacion de un metodo para descargar la celda.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Descripcion detallada de las realizaciones ilustradas de la invencion

Las figuras 1 y 2 ilustran un sistema 100 de celda electroqufmica que incluye dos celdas 10 electroqufmicas configuradas para utilizar un medio de conduccion de iones lfquido en las mismas, de acuerdo con una realizacion de la invencion. Puede apreciarse que el sistema 100 de celdas electroqufmicas representado aquf es puramente de ejemplo, y en otras realizaciones las funciones o componentes de las celdas 10 electroqufmicas o del sistema 100 de celdas electroqufmicas pueden variar. Por ejemplo, en diversas realizaciones, el medio conductor de iones puede fluir a traves de multiples celdas 10, o puede circular dentro de una celda 10 individual. En algunas realizaciones, el medio conductor para iones podrfa generalmente no fluir en la celda 10. Puede ser apreciado que porciones del sistema 100 de celdas electroqufmicas, tales como pero no limitandose a una o mas celdas 10 en el mismo, y/o las porciones constituyentes de las mismas, pueden variar a traves de las realizaciones. Por ejemplo, diversas porciones de cada celda 10 electroqufmica u otros componentes del sistema 100 de celdas electroqufmicas pueden ser de cualquier estructura o composicion adecuada, incluyendo pero no limitandose a estar formadas de plastico, metal, resinas, o combinaciones de los mismos. De acuerdo con lo anterior cada celda 10 puede ser ensamblada de cualquier manera, incluyendo estar formadas a partir de una pluralidad de elementos, integralmente moldeados, o asf sucesivamente. En diversas realizaciones las celdas 10 y/o los alojamientos de las mismas pueden incluir elementos o dispositivos de una o mas de los numeros de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Series No. 12/385,217, 12/385,489, 12/549,617, 12/631,484, 12/776,962, 12/885,268, 13/028,496, 13/083,929, 61/358,339, 61/383,510 y 61/414,579. Como se representa en la realizacion ilustrada de la figura 1, sin embargo, cada celda 10 incluye un electrodo 12 de combustible y un electrodo 14 oxidante que esta espaciado del electrodo 12 de combustible. El electrodo 12 de combustible soportado por un soporte 16 de electrodo. El sistema 100 electroqufmico tambien incluye una cubierta 19 que se utiliza para cubrir las celdas 10 electroqufmicas en un lado del sistema 100, mientras que uno de los soportes 16 de electrodo es utilizado para cubrir el lado opuesto del sistema 100, como se ilustra en la figura 1.

En una realizacion, el electrodo 12 de combustible es un electrodo de combustible metalico que funciona como un anodo cuando la celda 10 opera en descarga, o en modo de generacion de electricidad, como se discute en mas detalle mas adelante. En una realizacion, el electrodo 12 de combustible puede comprender una pluralidad de cuerpos 12a-d de electrodo permeables, tales como mallas que son hechas de cualquier formacion capaz de capturar y retener, a traves de la electrodeposicion, o de alguna otra manera, partfculas o iones de combustible metalico a partir de un medio conductor para iones que circula en la celda 10, tal como se discute en mas detalle mas adelante. Los componentes de la celda 10, incluyendo por ejemplo, el electrodo 12 de combustible, los cuerpos 12a-d de electrodo permeables del mismo, y un electrodo 14 oxidante, pueden ser de cualquier construccion o configuracion adecuada, incluyendo pero no limitandose a ser construidos de nfquel o aleaciones de nfquel (incluyendo nfquel-cobalto, nfquel-hierro, nfquel-cobre (esto es Monel), o superaleaciones), cobre o aleaciones de cobre, laton, bronce, o cualquier otro metal adecuado. En una realizacion, puede aplicarse una pelfcula de catalizador a algunos o todos los cuerpos 12a-d de electrodos permeables y/o el electrodo 14 oxidante, y tener un material de alta superficie que pueda ser hecho de alguno de las materiales descritos mas arriba. En una realizacion, la pelfcula de catalizador puede ser formada por tecnicas tales como aspersion termica, aspersion por plasma, electrodeposicion, o cualquier otro metodo de recubrimiento con partfculas.

El combustible puede ser un metal, tal como hierro, zinc, aluminio, magnesio o litio. Por metal, este termino pretende abarcar todos los elementos considerados como metales en la Tabla Periodica, incluyendo pero no limitandose a metales alcalinos, metales alcalinoterreos, lantanidos, actfnidos y metales de transicion, bien sea en forma atomica, molecular (incluyendo hidruros de metal), o aleaciones cuando se recolectan sobre el cuerpo del electrodo. Sin embargo, la presente invencion no pretende estar limitada a ningun combustible especffico, y pueden utilizarse otros. El combustible puede ser provisto a la celda 10 en forma de partfculas suspendidas en el medio conductor para iones. En algunas realizaciones, puede utilizarse un combustible de hidruro metalico en la celda 10.

El medio conductor para iones puede ser una solucion acuosa. Ejemplos de medios adecuados incluyen soluciones acuosas que comprenden acido sulfurico, acido fosforico, acido trfflico, acido nftrico, hidroxido de potasio, hidroxido de sodio, cloruro de sodio, nitrato de potasio o cloruro de litio. El medio tambien puede utilizar un solvente no acuoso o un lfquido ionico. En la realizacion no limitante descrita aquf, el medio es hidroxido de potasio acuoso. En una realizacion, el medio conductor de iones puede comprender un electrolito. Por ejemplo, se puede utilizar una solucion de electrolito lfquida o semisolida convencional, o se puede utilizar un lfquido ionico a temperatura ambiente, como se menciona en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 12/776,962. En una realizacion en donde el electrolito es semisolido, pueden utilizarse pelfculas de electrolito en estado solido porosas (esto es, en una estructura suelta).

El combustible puede ser oxidado en el electrodo 12 de combustible cuando el electrodo 12 de combustible esta operando como un anodo, y un oxidante, tal como un oxfgeno, puede ser reducido en el electrodo 14 oxidante cuando el electrodo 14 oxidante opera como un catodo, lo cual sucede cuando la celda 10 esta conectada a una carga L y la celda 10 esta en modo de descarga o generacion de electricidad, como se discute en mas detalle mas adelante. Las reacciones que ocurren durante el modo de descarga pueden generar precipitados de subproductos, por ejemplo, una especie combustible reducible, en el medio conductor de iones. Por ejemplo, en realizaciones donde el combustible es zinc, puede generarse oxido de zinc como una especie subproducto combustible

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

precipitada/reducible. El zinc u otro metal oxidado tambien puede ser soportado por, oxidado con o solvatado en la solucion de electrolito, sin formar un precipitado (por ejemplo, un zincato puede ser una especie combustible reducible disuelta que permanece en el combustible). Durante un modo de recarga, lo cual se discute en mayor detalle mas adelante, la especie combustible reducible, por ejemplo, oxido de zinc puede ser reducida reversiblemente y depositada como combustible, por ejemplo, zinc, sobre al menos una porcion del electrodo 12 de combustible que funciona como un catodo durante el modo de recarga. Durante el modo de recarga, bien sea el electrodo 14 oxidante o un electrodo 70 de carga separado (el cual puede ser de construccion o configuracion similar a los cuerpos 12a-d de electrodo permeables en algunas realizaciones), y/u otra porcion del electrodo 12 combustible, como se describe mas adelante, funciona como el anodo. La conmutacion entre los modos de descarga y recarga se discuten en mayor detalle mas adelante.

El soporte 16 de electrodo define una cavidad 18 en la cual se sostiene el electrodo 12 de combustible. El soporte 16 de electrodo tambien define una entrada 20 y una salida 22 para la celda 10. La entrada 20 esta configurada para permitir que el medio conductor para iones entre a la celda 10 y/o recircule a traves de la celda 10. La entrada 20 puede estar conectada a la cavidad 18 a traves de un canal 24 de entrada, y la salida 22 puede estar conectada a la cavidad 18 a traves de un canal 26 de salida. Como se ilustra en la figura 3, el canal 24 de entrada y el canal 26 de salida pueden proveer cada uno un camino tortuoso en meandros a traves del cual puede fluir el medio conductor para iones. El camino de meandros definido por el canal 24 de entrada no incluye preferiblemente ninguna esquina aguda en la cual el flujo del medio pueda ser restringido o en el cual pueda recolectarse cualquier partfcula del medio. Como se discute en mas detalle mas adelante, la longitud de los canales 24, 26 puede estar disenada para proveer una resistencia ionica incrementada entre celdas que estan conectadas fluidamente en serie.

Para cada celda 10, un miembro 17 de sello permeable puede unirse entre las superficies sellante de los soportes 16 de electrodos y/o la cubierta 19, segun sea apropiado, para encerrar al menos el electrodo 12 de combustible en la cavidad 18. El miembro 17 de sello tambien cubre los canales 24, 26 de entrada y salida. El miembro 17 de sello es no conductor y electroqufmicamente inerte, y preferiblemente esta disenado para ser permeable al medio conductor para iones en la direccion ortogonal (esto es, a traves de su espesor), sin permitir el transporte lateral de un medio conductor para iones. Esto permite que el medio conductor para iones permee a traves del miembro 17 de sello para permitir la conductividad ionica con el electrodo 14 oxidante sobre el lado opuesto para soportar las reacciones qmmicas, sin “entorchar” el medio conductor para iones lateralmente hacia fuera desde la celda 10. Unos pocos ejemplo no limitantes de un material adecuado para el miembro 17 de sello son EPDM y TEFLON®.

En la realizacion ilustrada, la cavidad 18 tiene una seccion transversal en general rectangular, o cuadrada, que coincide sustancialmente con la forma del electrodo 12 de combustible. La cavidad 18 puede ser conectada al canal 24 de entrada por una pluralidad de entradas 34 de tal manera que cuando el medio conductor para iones precipita o entran especies combustibles reducibles en la cavidad 18, el medio conductor para iones y el combustible son distribuidos a lo largo de un lado del electrodo 12 de combustible. En algunas, un lado de la cavidad 18, especfficamente, al lado de la cavidad 18 que esta conectado al canal 24 de entrada, puede incluir una pluralidad de zonas de fluidizacion, tales como las descritas en la Publicacion de Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 2011/0086278. En otras realizaciones, el medio conductor para iones puede entrar en la cavidad 18 a traves de un difusor, tal como se describe en la Publicacion de Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 2011/189551.

Como se ilustra en la figura 4, una pluralidad de espaciadores 40, cada uno de los cuales se extiende a traves del electrodo 12 de combustible en una relacion espaciada uno con otro, puede ser conectada al soporte 16 para electrodo de tal manera que el electrodo 12 de combustible puede mantenerse en un lugar con respecto al soporte 16 de electrodo y el electrodo 14 oxidante. En una realizacion, la pluralidad de cuerpos 12a-12d, de electrodo permeables, como se ilustra en la figura 2, pueden ser separados por conjuntos de la pluralidad de espaciadores 40, de tal manera que cada conjunto de espaciadores 40 esta posicionado entre cuerpos de electrodo adyacentes para aislar electricamente los cuerpos 12a-12d de electrodo uno de otro. Dentro de cada conjunto de espaciadores 40 entre cada cuerpo de electrodo adyacente, estos espaciadores 40 estan posicionados en una relacion de espacio de una manera tal que se crean los llamados “carriles de flujo” 42 entre ellos, tal como se discute en mayor detalle mas adelante. Los carriles 42 de flujo son tridimensionales y tienen una altura que es sustancialmente igual a la altura de los espaciadores 40. En una realizacion, los espaciadores 40 pueden ser provistos por un marco individual que tiene cortes correspondientes a los carriles de flujo. En una realizacion, los carriles 42 de flujo pueden incluir una estructura tipo espuma o colmena que esta configurada para permitir que el medio conductor para iones fluya a traves de la misma. En una realizacion, los carriles 42 de flujo pueden incluir un arreglo de pasadores que estan configurados para interrumpir el flujo del medio conductor para iones a traves de los carriles de flujo. En una realizacion, el marco, los espaciadores 40, los carriles 42 de flujo, y/o otros elementos de la celda 10 pueden ser definidos por plastico conformado por moldeo por inyeccion, o material epoxi/aislante formado utilizando procesos qufmicos. La realizacion ilustrada no pretende ser limitante de manera alguna.

Los espaciadores 40 son no conductores y electroqufmicamente inertes de tal manera que son inactivos con respecto a las reacciones electroqufmicas en la celda 10. Los espaciadores 40 estan dimensionados preferiblemente de manera tal que cuando son conectados al soporte 16 para electrodo, los espaciadores 40 estan en tension, lo que permite que los espaciadores 40 presionen contra el electrodo 12 de combustible, o uno de los cuerpos 12a-12c de electrodo, de tal manera que sostengan el electrodo 12 de combustible o cuerpos del mismo en una relacion

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

plana con respecto al soporte 16 de electrodo. Los espaciadores 40 pueden ser hechos de un material plastico, tal como polipropileno, polietileno, norilo, fluoropolfmero, etc., que permita que los espaciadores 40 sean conectados al soporte 16 de electrodo en tension.

En la realizacion ilustrada en la figura 5, cada espaciador tiene una porcion 44 media elongada y una porcion 46 de conexion conformada en cada extremo. Las porciones 46 de conexion conformadas estan configuradas para ser sostenidas por aberturas 48 que tienen formas sustancialmente similares en el soporte 16 de electrodo, como se ilustra en la figura 6. En la realizacion ilustrada, las porciones 46 conformadas y las aberturas 48 tienen una forma sustancialmente triangular, aunque la forma ilustrada no pretende ser limitante de manera alguna. La forma sustancialmente triangular provee superficies 50 sobre lados opuestos de la porcion 44 elongada del espaciador 40 que estan configuradas para entrar en contacto con superficies 52 correspondientes sobre el soporte 16 del electrodo soporte. Puesto que las superficies 50, 52 estan anguladas con respecto al eje principal MA de la porcion 44 elongada del espaciador 40 y la tension en el espaciador 40 sera a lo largo del eje principal MA, las fuerzas creadas por la tension pueden ser distribuidas a traves de una superficie mas grande, en comparacion con una porcion conformada que tiene una forma circular o cuadrada con la misma area.

Una vez que los espaciadores 40 han sido conectados al soporte 16 de electrodo a traves de las porciones 46 de extremo, los carriles 42 de flujo quedan definidos a traves de la cavidad 18 del soporte 16 de electrodo. Los espaciadores 40 estan configurados para sellar esencialmente un carril 42a de flujo desde un carril 42b de flujo adyacente, que esta separado por uno de los espaciadores 40 de tal manera que el medio conductor para iones es guiado para fluir en general sustancialmente en una direccion. Espedficamente, el medio conductor de iones puede fluir en general en una primera direccion FD a traves del electrodo 12 de combustible, desde el canal 24 de entrada al canal 26 de salida. Se genera una presion de cafda adecuada entre el canal 24 de entrada y las entradas 34 de tal manera que el medio conductor de iones puede fluir a traves de la cavidad 18 y el canal 26 de salida, incluso cuando la celda 10 esta orientada de tal manera que el flujo es sustancialmente hacia arriba y contra la gravedad. En una realizacion, el medio conductor de iones puede permear tambien a traves del electrodo 12 de combustible, o un cuerpo 12a-12d de electrodo permeable individual, en una segunda direccion SD y hacia un carril de flujo que esta en el lado opuesto del electrodo 12 de combustible o del cuerpo 12a-12d de electrodo permeable.

Como se ilustra en la realizacion de la figura 7, el electrodo 12 de combustible de la celda 10 en un sistema 100 de celda electroqmmica puede ser conectado selectivamente a una carga L externa de manera que los electrones entregados por combustible a medida que el combustible es oxidado en el electrodo 12 de combustible pueden fluir hacia la carga L externa. Un sistema 60 de conmutacion que comprende una pluralidad de conmutadores, puede conectar electricamente de manera selectiva cada uno de los cuerpos 12a-12d de electrodo permeables individuales del electrodo 12 de combustible, y tambien y puede conectar selectivamente los cuerpos 12a-12d al electrodo 14 oxidante. Como se muestra, en algunas realizaciones el sistema 100 de celda electroqmmica puede comprender adicionalmente otras celdas 10. En una realizacion, el sistema 60 de conmutacion puede comprender un sistema 62 selector terminal configurado para acoplar o desacoplar la carga L externa para uso en la descarga de la celda 10, o acoplar o desacoplar una fuente de poder PS para uso en la carga de la celda 10. En otra realizacion el sistema 60 de conmutacion y el sistema 62 selector terminal pueden ser separados, pero pueden, en una realizacion, comunicarse uno con otro. El sistema 60 de conmutacion se discute en mas detalle mas adelante.

El electrodo 14 oxidante funciona como un catodo cuando el electrodo 14 oxidante es conectado a la carga L externa y la celda 10 opera en un modo de descarga. Cuando funciona como catodo, el electrodo 14 oxidante esta configurado para recibir electrones desde la carga L externa y reducir un oxidante que entra en contacto con el electrodo 14 oxidante. El oxidante puede ser cualquier especie del oxidante disponible para oxidacion en el electrodo de carga. Por ejemplo, las especies pueden ser un ion libre, o un ion enlazado a o coordinado con otros iones o constituyentes en el medio conductor de iones. En una realizacion, el electrodo 14 oxidante comprende un electrodo para respiracion de aire y el oxidante comprende oxfgeno en el aire circundante.

El oxidante puede ser suministrado al electrodo 14 oxidante mediante un sistema de transporte pasivo. Por ejemplo, cuando el oxfgeno presente en el ambiente es el oxidante, simplemente al exponer el electrodo 14 oxidante al aire ambiental a traves de aberturas en la celda, tales como las aberturas que estan provistas por los surcos 54 en la cubierta 19 y los surcos 56 en el soporte 16 de electrodo provistos en el centro del sistema 100 de celda electroqmmica, puede ser suficiente para permitir la difusion/permeacion del oxfgeno hacia el electrodo 14 oxidante. Pueden utilizarse otros oxidantes adecuados y las realizaciones descritas aqm no estan limitadas al uso del oxfgeno como oxidante. Una empaquetadura 15 periferica puede ser posicionada entre la periferia del electrodo 14 oxidante y la cubierta 19 o soporte 16 de electrodo, a medida que se aproxima, para prevenir que el medio conductor de iones escape alrededor del electrodo 14 oxidante y hacia el area en los surcos 54, 56 para exposicion al aire.

En otras realizaciones, una bomba, tal como un soplador de aire, puede ser utilizada para suministrar el oxidante al electrodo 14 oxidante bajo presion. La fuente de oxidante puede ser una fuente de oxidante contenida. En una realizacion, el oxfgeno puede ser reciclado desde la celda 10, tal como se divulga en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos 12/549,617. De la misma manera, cuando el oxidante es oxfgeno del aire ambiental, la fuente de oxidante puede ser considerada ampliamente como el mecanismo de suministro, bien si es pasiva o activa (por ejemplo, bombas, sopladores), mediante las cuales se permite que el aire fluya hacia el electrodo 14 oxidante. Asf,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

el termino “fuente de oxidante” pretende abarcar tanto oxidantes contenidos y/o como dispositivos para suministrar pasiva o activamente oxfgeno del aire ambiental al electrodo 14 oxidante.

La electricidad que puede ser extrafda por la carga L externa se genera con el oxidante cuando se reduce el oxidante en el electrodo 14 oxidante, mientras que el combustible en el electrodo 12 de combustible es oxidado a una forma oxidada. En algunas realizaciones, el potencial electrico de la celda 10 decae una vez que el combustible en el electrodo 12 de combustible es oxidado por completo o la oxidacion es detenida debido a la pasivacion del electrodo de combustible. Una porcion del sistema 60 de conmutacion puede ser posicionada entre el electrodo 14 oxidante y la carga L de tal manera que el electrodo 14 oxidante pueda ser conectado y desconectado de la carga L, segun se desee. De nuevo, se proveen mas adelante mas detalles acerca del sistema 60 de conmutacion, y la configuracion electrica del mismo.

Para limitar o suprimir la liberacion de hidrogeno en el electrodo 12 de combustible durante el modo de descarga y durante los perfodos quiescentes (circuito abierto) de tiempo, pueden agregarse sales para retardar tal reaccion. Pueden utilizarse sales de estano, plomo, cobre, mercurio, indio, bismuto o cualquier otro material que tiene un alto sobrepotencial de hidrogeno. Ademas, pueden agregarse sales de tartrato, fosfato, citrato, succinato, amonio u otros aditivos supresores de la liberacion de hidrogeno. En una realizacion, pueden utilizarse aleaciones de combustibles metalicos, tales como Al/Mg para suprimir la liberacion de hidrogeno. Pueden agregarse o alternativamente agregarse tambien otros aditivos al medio conductor de iones, incluyendo, pero no limitandose a aditivos que potencian el proceso de electrodeposicion del combustible metalico sobre el electrodo 12 de combustible, tal como se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Serie No. 13/028,496.

Despues de que el combustible en la celda 10 haya sido oxidado por completo, o cuando quiera que sea deseable regenerar el combustible dentro de la celda 10 reduciendo los iones de combustible oxidados de regreso a combustible, el electrodo 12 de combustible y el electrodo 14 oxidante pueden ser desacoplados de la carga L externa y acoplados a una fuente de poder PS. Como se anoto mas arriba, tales conexiones pueden hacerse, por ejemplo, con el uso del sistema 60 de conmutacion y el sistema 62 selector terminal.

La fuente de poder PS esta configurada para cargar la celda 10 aplicando una diferencia de potencial entre el electrodo 12 de combustible y el electrodo 14 oxidante de tal manera que la especie reducible del combustible es reducida y electrodepositada sobre al menos uno de los cuerpos 12a-12d de electrodo permeable y la correspondiente reaccion de oxidacion tiene lugar en el electrodo 14 oxidante, la cual es tfpicamente la oxidacion de una especie oxidable para liberar oxfgeno, el cual puede ser extrafdo por gasificacion desde la celda 10. En una realizacion en donde el oxfgeno es el oxidante, se oxidan iones oxfgeno en una solucion electrolftica acuosa. Los iones oxfgeno pueden ser obtenidos de un oxido del combustible (por ejemplo, ZnO cuando el combustible es zinc), iones hidruro (OH), o moleculas de agua (H20). Como se describe en detalle en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Serie No. 12/385,489, en una realizacion solamente uno de los cuerpos de electrodo permeables, tales como 12a, es conectado a la fuente de poder PS de tal manera que el combustible se reduce sobre el cuerpo de electrodo permeable y crece progresivamente sobre y hacia los otros cuerpos 12b-12d de electrodo permeable, uno por uno. El sistema 60 de conmutacion puede controlar como los cuerpos 12a-12d de electrodo permeable y el electrodo 14 oxidante participan en las reacciones electroqufmicas de la celda, tal como se describe en mayor detalle mas adelante.

La figura 8 muestra una realizacion en donde un electrodo 70 de carga separado de la celda 10 en el sistema 100 de celda electroqufmica se provee para funcionar como electrodo de carga, mas que el electrodo 14 oxidante. De nuevo, en algunas realizaciones otras celdas 10 pueden ser parte del sistema 100 de celda electroqufmica, como se muestra. Como se ilustra en la figura 2, el electrodo 70 de carga separado puede ser posicionado entre el electrodo 12 de combustible y el electrodo 14 oxidante, como un espaciador 72 y estando posicionado el miembro 17 de sello entre el electrodo 70 de carga separado y el electrodo 14 oxidante. El espaciador 72 es no conductor y tiene aberturas a traves de las cuales puede fluir el medio conductor para iones.

En la realizacion descrita mas arriba con respecto a la figura 7, el electrodo 14 oxidante funciona como el catodo durante la generacion/descarga de potencia, y es el anodo durante la carga, como se describio mas arriba. En la figura 8, el electrodo 14 oxidante sigue siendo el catodo durante la generacion/descarga de poder, pero puede ser desconectado durante la carga, mientras que el electrodo 70 de carga separado es conectado a la fuente de poder PS para funcionar como el anodo. Durante la generacion de corriente, el combustible sobre el electrodo 12 de combustible es oxidado, generando electrones que son conducidos para alimentar la carga L y luego conducidos al electrodo 14 oxidante para reduccion del oxidante (como se discutio en detalle mas arriba). En realizaciones que comprenden el electrodo 70 de carga separado, el sistema 60 de conmutacion puede controlar como los cuerpos 12a-12d de electrodo permeable, el electrodo 14 oxidante y el electrodo 70 de carga separado participan en las reacciones electroqufmicas de la celda, tal como se describe en mayor detalle mas adelante.

Tambien es posible en cualquiera de las realizaciones de la invencion al aplicar el potencial catodico a cualquiera o todos los cuerpos 12a-12d de electro del electrodo 12 de combustible, mas que solamente uno para producir un crecimiento progresivo cuerpo a cuerpo. El crecimiento progresivo que emana de un terminal es ventajoso porque provee mas densidad del combustible electrodepositado. Especfficamente, el crecimiento en los cuerpos de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

electrodo conectados previamente continua a medida que cada cuerpo subsecuente es conectado por el crecimiento progresivo. Esta y otras ventajas son discutidas en mayor detalle en la Solicitud de Patente de Los Estados Unidos Serie No. 12/385,489. Con todos los cuerpos de electrodo sujetos al mismo potencial, el crecimiento se presentara solo hasta que ocurra un corto entre el electrodo de carga, el cual es el electrodo 14 oxidante en la realizacion de la figura 7 y el electrodo 70 de carga separado en la realizacion de la figura 8, y el cuerpo de electrodo proximo a el. Asf, es posible tener un crecimiento mas rapido, pero menos denso de esta manera, el cual puede ser adecuado para ciertas necesidades de recarga.

Las realizaciones ilustradas en las figura 7 y 8 no deberfan considerarse como limitantes de manera alguna y se proveen como ejemplo no limitantes de como la celda 10 puede ser configurada para ser recargable. El modo de recarga de la presente invencion, en el contexto del sistema 60 de conmutacion, se discute en mayor detalle mas adelante. Como otro ejemplo, la Publicacion de Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 2011/0070506, describe realizaciones de un sistema de celda electroqufmica recargable con conmutacion entre los modo de carga/descarga en las celdas.

Regresando a la figura 4, despues de que el medio conductor de iones haya pasado a traves del electrodo 12 de combustible, el medio puede fluir hacia el canal 26 de salida que esta conectado a las salidas 36 de la cavidad 18 del soporte 16 de electrodo y la salida 22. La salida 22 puede ser conectada a la entrada 20 en las realizaciones en donde el medio recircula en la celda 10, o a una entrada de una celda adyacente, como se discute en mas detalle mas adelante, cuando una pluralidad de celdas 10 esta conectada de manera fluida en serie. En una realizacion, la salida 22 puede ser conectada a 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 de manera fluida en serie. Los detalles de realizaciones de celdas que estan conectadas en serie se proveen en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 12/631,484, presentada el 4 de diciembre de 2009. La salida 22 de una primera celda 10 puede estar conectada de forma fluida a la entrada 20 de una segunda celda 10, y la salida 22 de la segunda celda 10 puede estar conectada a la entrada 20 de una tercera celda, y asf sucesivamente. Aunque la realizacion de las figuras 1 y 2 ilustra dos celdas 10, pueden apilarse celdas adicionales y conectarse de manera fluida a las celdas ilustradas. Debido a los meandros, se crean caminos tortuosos mediante el canal 24 de entrada y el canal 26 de salida, descritos mas arriba e ilustrados en las figuras 3 y 4, la longitud de las vfas de paso del flujo para el medio a traves de los canales 24, 26 es mayor que la distancia entre el electrodo 12 de combustible y el electrodo 14 oxidante en cada una de las celdas 10. Esto crea una resistencia ionica entre un par de celdas conectadas de manera fluida que es mayor a la resistencia ionica dentro de una celda 10 individual. Esto puede reducir o minimizar la perdida de resistencia ionica interna del apilamiento de celda 100, como se discute en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 12/631,484.

En una realizacion de operacion, el electrodo 12 de combustible, el cual ya tiene combustible metalico depositado sobre si, es conectado a la carga L y el electrodo 14 oxidante es conectado a la carga L. El medio conductor de iones entra en la entrada 20 bajo presion positiva y fluye a traves del canal 24 de entrada, las entradas 34 de la cavidad 18, y hacia dentro de los carriles 42 de flujo. El medio conductor de iones fluye a traves de los cuerpos 12a- 12d de electrodo permeable en los carriles 42 de flujo definidos por las porciones 22 medias elongadas de los espaciadores 40. El medio conductor de iones tambien puede permear a traves de los cuerpos 12a-12d de electrodo permeables del electrodo 12 de combustible. El medio conductor de iones entra en contacto simultaneamente con el electrodo 12 de combustible y el electrodo 14 oxidante, permitiendo por lo tanto que el combustible se oxide y conduzca los electrones a la carga L, mientras que el oxidante es reducido en el electrodo 14 oxidante a traves de los electrones que son conducidos al electrodo 14 oxidante por la carga L. Despues de que el medio conductor de iones ha pasado a traves de los carriles 42 de flujo, el medio fluye hacia afuera de la cavidad 18 a traves de las salidas 36 de la cavidad 18, a traves del canal 24 de salida, y hacia afuera de la salida 22 de la celda 10.

Cuando el potencial de la celda 10 ha sido disminuido o cuando de otra manera es deseable recargar la celda 10, el electrodo 12 de combustible es conectado al terminal negativo de la fuente de poder PS y el electrodo de carga, el cual puede ser el electrodo 14 oxidante o el electrodo 70 de carga separado, es conectado al terminal positivo de la fuente de poder PS. Tales conexiones pueden de nuevo ser a traves del sistema 60 de conmutacion, discutido mas adelante. En el modo de carga o recarga, una porcion del catodo del electrodo 12 de combustible se convierte en el catodo y una porcion de anodo del electrodo 12 de combustible y/o el electrodo 14, 70 de carga se convierte en el anodo, como se describe en mayor detalle mas adelante. Proveyendo electrones a una porcion de catodo del electrodo 12 de combustible, los iones de combustible pueden reducirse al combustible y redepositarse sobre los cuerpos 12a-12d de electrodo permeable, como se describe en mayor detalle mas adelante, mientras que el medio conductor de iones circula a traves de la celda 10 de la misma manera que se describio mas arriba con respecto al modo de descarga.

Los carriles 42 de flujo proveen direccionalidad y distribucion del medio conductor de iones a traves del electrodo 12 de combustible. Los carriles 42 de flujo tambien pueden evitar que las partfculas se depositen y/o recubran los electrodos. Cuando la celda 10 esta en modo de carga, la distribucion mejorada de las partfculas a traves del electrodo 12 de combustible permite una deposicion mas uniforme del combustible reducido sobre el electrodo 12 de combustible, lo cual mejora la densidad del combustible sobre el electrodo 12 de combustible, e incrementa la

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

capacidad y la densidad de energfa de la celda 10, potenciando por lo tanto el ciclo de vida de la celda 10. Ademas, al tener la capacidad de controlar la distribucion del precipitado o subproducto de reaccion durante la descarga, puede prevenirse la pasivacion/deposicion temprana del subproducto sobre el electrodo 12 de combustible. La pasivacion lleva a una utilizacion de combustible menor y a un menor ciclo de vida, lo cual es indeseable.

Los ejemplos de las figuras 1-8 no son limitantes, y se proveen solamente para contexto con el fin de entender los principios generales de una realizacion de las celdas 10 del sistema 100 de carga. Puede utilizarse cualquier construccion o configuracion de celda. Con un entendimiento del sistema de celdas provisto, la atencion gira hacia la configuracion y operacion del sistema 60 de conmutacion de la invencion.

Como se anoto, durante un modo de carga para la celda 10, se aplica una diferencia de potencial a traves de los electrodos en la celda 10. Aunque el electrodo 14 oxidante o el electrodo 70 de carga separado funcionan generalmente como anodo durante la carga, puede aplicarse un potencial anodico a otros electrodos, tales como alguno de los cuerpos de electrodos en el electrodo 12 de combustible. De la misma manera, durante la carga un potencial catodico puede ser aplicado inicialmente al cuerpo 12a de electrodo del electrodo 12 de combustible, pero tambien puede ser aplicado inicialmente a uno o mas de los otros cuerpos 12b-12d de electrodo permeable del electrodo 12 de combustible. Como tal, aquellos cuerpos 12a-12d de electrodo permeable del electrodo 12 de combustible tienen un comportamiento de potencial catodico como catodo durante la carga, y sirven como sitio de reduccion para una especie combustible reducible, tal como los iones combustibles oxidados creados en la celda durante la descarga.

A medida que la especie combustible reducible es reducida sobre aquellos de los cuerpos 12a-12d de electrodo permeables que tienen el potencial catodico, el electrodo 14 oxidante o el electrodo 70 de carga separado y/o aquellos de los cuerpos 12b-12d de electrodo permeables que tienen el potencial anodico se oxidaran como una especie de oxfgeno oxidable, tal como la especie oxidante reducida creada en la celda durante la descarga. Asf, cuando la celda 10 es una celda de metal-aire, la especie combustible metalica reducible esta siendo reducida y electrodepositada sobre alguno de los cuerpos 12a-12d de electrodo permeable del electrodo 12 de combustible, y la especie de oxfgeno oxidable esta siendo oxidada a gas oxfgeno, el cual puede ser eliminado por gasificacion desde la celda 10. En esta realizacion, aquellos electrodos y cuerpos de electrodo que tienen un potencial anodico pueden ser considerados como un electrodo que libera oxfgeno (OEE).

Para determinar cual de los electrodos (esto es, cuerpos 12a-d de electrodo permeable, el electrodo 14 oxidante y/o el electrodo 70 de carga separado) tiene potenciales anodicos o potenciales catodicos durante la carga, pueden controlarse conexiones electricas entre ellos mediante el sistema 60 de conmutacion, como se discute en mayor detalle mas adelante.

Puede ser ventajoso para el crecimiento de combustible que la diferencia de potencial utilizada para cargar la celda 10 sea aplicada entre cuerpos adyacentes en la celda 10, de tal manera que un cuerpo de electrodo que tiene el potencial anodico es adyacente a un cuerpo de electrodo que tiene el potencial catodico. Una vez que se ha presentado un crecimiento de combustible suficiente sobre el cuerpo de electrodo que tiene el potencial catodico, el electrodo que tiene el potencial anodico puede cambiar, de tal manera que el cuerpo de electrodo permeable que previamente era parte de un conjunto de cuerpos de electrodo que tenfan un potencial anodico puede hacerse parte de un conjunto de cuerpos de electrodo que tiene el potencial catodico. En una realizacion donde hay N cuerpos de electrodo permeables, la aplicacion del potencial anodico desde la fuente de poder a los cuerpos 2 a N de electrodo permeable y al electrodo de carga puede comprender conectar todos los cuerpos de electrodo mas el electrodo de carga juntos al mismo tiempo, y luego desconectar cada uno de los cuerpos 2 a N en orden. Alternativamente, en una realizacion, la aplicacion del potencial anodico a partir de la fuente de poder a cuerpos 2 a N de electrodo permeables y el electrodo de carga podrfa comprender conectar y desconectar cada uno de los cuerpos de electrodo y el electrodo de carga individualmente en orden (de tal manera que el cuerpo 2 de electrodo esta conectado al potencial anodico, luego es desconectado y el electrodo 3 es conectado al potencial anodico y asf sucesivamente hasta que el electrodo de carga es conectado finalmente para completar el crecimiento).

En una realizacion, el electrodo de carga puede solamente ser el ultimo electrodo en recibir el potencial anodico durante la carga. Por ejemplo, el electrodo de carga podrfa ser un electrodo oxidante o un electrodo separado. Cuando el electrodo de carga es un electrodo separado, podrfa tener una construccion especializada diferente de los cuerpos de electrodo del electrodo de combustible, o podrfa ser el mismo que los cuerpos de electrodo permeable (esto es, solamente un cuerpo de electrodo mas), pero por el hecho de que ese crecimiento del combustible durante la carga no continua pasada la misma.

En la realizacion descrita mas arriba ilustrada en las figuras 1-2, el cambio progresivo de cuales electrodos tienen el potencial anodico puede seguir al crecimiento de combustible a traves de cada uno de los cuerpos 12a-12d de electrodo permeables, de tal manera que un electrodo que tenga un potencial anodico sigue siendo el cuerpo de electrodo espaciado adyacente a un electrodo que tiene el potencial catodico. Como se muestra en las realizaciones de las figuras siguientes, el sistema 60 de conmutacion puede ser configurado para conectar y desconectar selectivamente diversos electrodos y cuerpos de electrodo para mantener las posiciones adyacentes del potencial anodico y del potencial catodico.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Las figuras 9-12 muestran realizaciones del sistema 60 de conmutacion de la celda 10. La celda 10 es conectable a la fuente de poder PS, la carga L, o a otras celdas 10 en serie, a traves de un primer terminal 130 y un segundo terminal 140, en donde el primer terminal 130 es negativo (catodico) durante la recarga, y el segundo terminal 140 es positivo (anodico) durante la recarga. Como se muestra, la celda 10 tiene un electrodo 12 de combustible que comprende cuerpos 12a-12d de electrodo permeables, y un electrodo 70 de carga, y un electrodo 14 oxidante. En una realizacion, la pluralidad de conmutadores puede acoplar selectivamente al menos algunos de los cuerpos 12b- 12d de electrodo permeables a una fuente de poder, tal como una fuente de poder PS, para aplicacion de un potencial anodico durante un modo de recarga de la celda 10, en el cual se aplica un potencial catodico a al menos el cuerpo 12a de electrodo, como se describe en mayor detalle mas adelante.

En la figura 9, el sistema 60 de conmutacion incluye un conmutador 150 de desviacion PARR 47 , configurado para proveer una conexion directa entre el primer terminal 130 y el segundo terminal 140. El conmutador 150 de desviacion puede ser similar al descrito en la Publicacion de Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 2011/0070506. Una celda 10 puede ser desviada con el conmutador 150 de desviacion por un cierto numero de razones que afectan el rendimiento del apilamiento.

Por ejemplo, un corto entre un electrodo 70 de carga y los cuerpos 12a-12d de electrodo que tienen un potencial catodico durante la carga (detectado por la medicion del voltaje como se describe mas adelante) puede llevar a gasto de potencia parasita durante la carga. Un corto electrico puede llevar a una cafda repentina en el voltaje entre los electrodos de carga y combustible pues a medida que la corriente es cortada entre los electrodos de carga y combustible. Otro ejemplo es durante la descarga, donde cualquier celda 10 tiene una cinetica mas alta o la perdida ohmica afecta la eficiencia del ciclo completo y la potencia de descarga del apilamiento. Tambien, el consumo de combustible en la celda 10 durante la descarga antes de otras celdas 10 puede llevar a una reversion del voltaje en la celda 10 y a una perdida de potencia del apilamiento, y puede evitarse desviando la celda 10 cuando el voltaje de descarga cae por debajo de un valor crftico. El consumo completo de zinc o de otro combustible durante la descarga lleva a una cafda repentina en el voltaje entre los electrodos de combustible y oxidante. Puede utilizarse cualquier otro criterio para detectar el comportamiento de las celdas 10, y los ejemplos aquf no son limitantes.

Ciertas celdas 10 pueden no satisfacer los requerimientos de rendimiento (por ejemplo, potencia maxima durante la descarga) debido a complicaciones y problemas de rendimiento relacionados con la fabricacion y ensamblaje de los electrodos. Estas celdas 10 pueden estar colocadas permanentemente en modo de desviacion. Otras celdas 10 pueden satisfacer requerimientos de rendimiento inicialmente, pero sin embargo pueden tener problemas en el ciclo de vida y pueden ser colocadas en modo de desviacion despues de que el rendimiento cae por debajo de un lfmite requerido. Asf, el desvfo de una celda 10 a traves del conmutador 150 de desviacion provee una opcion para incrementar la confiabilidad y rendimiento del apilamiento.

El sistema 60 de conmutacion de la figura 9 tambien incluye un conmutador 160 de electrodo oxidante asociado con el electrodo 14 oxidante. El conmutador 160 de electrodo oxidante estarfa cerrado durante la descarga, de tal manera que un potencial electrico a traves del electrodo 12 de combustible y el electrodo 14 oxidante puede permitir que una corriente sea extrafda por una carga conectada entre el primer terminal 130 y el segundo terminal 140, los cuales durante la descarga tendrfa polaridades positiva y negativa respectivamente.

El conmutador 170 de electrodo de carga puede estar asociado con el electrodo 70 de carga, de tal manera que el electrodo 70 de carga puede estar conectado electricamente al segundo terminal 140 cuando la fuente de poder PS esta conectada entre el primer terminal 130 y el segundo terminal 140. Como se discute mas adelante, el electrodo 70 de carga puede no siempre tener un potencial anodico aplicado al mismo, y en una realizacion puede tener solamente un potencial anodico cuando se desea un crecimiento de combustible entre el y el cuerpo 12d de electrodo. Tambien se muestran conmutadores 180, 190 y 200, asociados con cuerpos 12b-12d de electrodo respectivamente todos los cuales estan configurados para conectar los cuerpos 12b-12d de electrodo al segundo terminal 140 tambien.

Como se anoto, es ventajoso que un electrodo que tenga un potencial anodico sea adyacente a un electrodo que tenga un potencial catodico, de tal manera que se potencie el crecimiento sobre el electrodo que tiene el potencial catodico. Tal potenciacion, por ejemplo puede incluir una densidad mayor de crecimiento de combustible que si el electrodo que tiene el potencial anodico esta mas alla del electrodo mas cercano que tiene el potencial catodico (esto es, si un electrodo neutro separa los electrodos que tiene los potenciales anodico y catodico). Esta densidad potenciada puede deberse a las dendritas iniciales que entran en contacto primero con el cuerpo anodico que esta siendo interrumpido puesto que carecen de suficiente seccion transversal para portar la corriente entre los cuerpos anodico y catodico. Esto es, se queman de manera similar que un elemento fusible sujeto a exceso de corriente. Esto retarda el corto entre los cuerpos anodico y catodico, el cual tiene lugar cuando la densidad se ha incrementado adicionalmente para proveer dendritas de suficiente area transversal (individual y/o colectivamente) para permitir la conduccion de corriente sin interrupcion. Otra ventaja puede ser una perdida de electrolito IR inferior en configuraciones en donde la distancia entre el electrodo 70 de carga y el electrodo 12 de combustible es menor, en comparacion con configuraciones en donde el electrodo que tiene el potencial anodico esta mas alla del electrodo mas cercano que tiene el potencial catodico (esto es, en donde electrodos neutros separan los electrodos que tienen los potenciales anodico y catodico). Esta ventaja en eficiencia de IR resultante de menos distancia entre los

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

electrodos anodico y catodico puede realizarse en ambas realizaciones en donde se presenta crecimiento metalico entre los electrodos y en otras realizaciones, tales como, un combustible de hidruro metalico en donde estan siendo reducidos iones hidrogeno.

Para alcanzar una modificacion progresiva de cuales electrodos tienen el potencial anodico, el recuento de desviaciones entre electrodos que tienen un potencial anodico versus electrodos que tienen un potencial catodico, la celda 10 en el modo de carga se configurarfa de tal manera que el conmutador 150 de desviacion esta abierto, de tal manera que la corriente no se desvfa de la celda 10. Puesto que la celda esta en modo de carga, el conmutador 160 del electrodo oxidante tambien esta abierto, de tal manera que el electrodo 14 oxidante esta desconectado electricamente de la celda 10. Puesto que se desea un crecimiento de combustible inicialmente sobre el cuerpo 12a de electrodo, solamente el cuerpo 12a de electrodo esta conectado electricamente al primer terminal 130, aplicando el potencial catodico al mismo. Para establecer un potencial anodico sobre el cuerpo de electrodo adyacente al cuerpo 12a de electrodo, al menos el cuerpo 12b de electrodo estarfa conectado electricamente al segundo terminal 140. Para alcanzar esta conexion electrica en la realizacion ilustrada, se cierra al menos el conmutador 180. En una realizacion, los cuerpos 12c-12d de electrodo y el electrodo 70 de carga tambien pueden estar conectados electricamente al segundo terminal 140 y asf pueden tener tambien el potencial anodico. Puesto que la diferencia de potencial entre los electrodos que tienen el potencial anodico (esto es, inicialmente el cuerpo 12a de electrodo) y los electrodos que tienen el potencial catodico (esto es, inicialmente al menos el cuerpo 12b de electrodo), las especies combustibles reducibles en el medio conductor de iones pueden ser reducidas en el electrodo que tiene el potencial catodico inicial (cuerpo 12a de electrodos) mientras que los cationes en el medio conductor de iones son oxidados en el cuerpo 12b de electrodo (y cualquier otro cuerpo/electrodo al cual se aplica el potencial anodico).

Una vez que el crecimiento de combustible sobre los electrodos que tienen el potencial catodico avanza hasta un cierto punto, por ejemplo, el punto en donde se forma una conexion electrica entre los electrodos que tienen el potencial catodico y el electrodo que tiene el potencial anodico, el sistema 60 de conmutacion puede desconectar el cuerpo de electrodo en corto que tiene el potencial anodico, de tal manera que el cuerpo de electrodo tiene un potencial catodico aplicado al mismo, y puede formarse una diferencia de potencial de nuevo entre cuerpos de electrodo adyacentes. Esto puede requerir la conexion electrica adicional del cuerpo de electrodo adyacente al segundo terminal 140, si la conexion electrica no existe ya, de tal manera que se cree el potencial anodico sobre ese cuerpo. Por ejemplo, en la figura 9, una vez que el crecimiento de combustible en el cuerpo 12a de electrodo produce un corto con el cuerpo 12b del electrodo, el conmutador 180 se abre de tal manera que tanto el cuerpo 12a de electrodo y, a traves de la conexion electrica del crecimiento de combustible, el cuerpo 12b de electrodo, tengan el potencial catodico. Por otro lado, el conmutador 190 se cierra (si no estaba ya cerrado antes), de tal manera que al menos el cuerpo 12c de electrodo tenga un potencial anodico, manteniendo asf la separacion del cuerpo de electrodo adyacente para la diferencia de potencial entre los electrodos que tienen el potencial catodico y los electrodos que tienen el potencial anodico.

El desplazamiento progresivo de aquellos electrodos que tienen el potencial catodico y aquellos electrodos que tienen el potencial anodico puede continuar a traves de la celda 10, con la abertura de los conmutadores 190 y 200, hasta que no se desee o sea posible una progresion adicional. Por ejemplo, en la realizacion ilustrada, donde hay un electrodo 70 de carga separado, la progresion terminara cuando el electrodo 70 de carga separado sea el unico cuerpo de electrodo que tiene el potencial anodico, y todos los cuerpos 12a-12d de electrodo permeables del electrodo 12 combustible tengan el potencial catodico. La carga de la celda 10 puede terminar subsecuentemente cuando el crecimiento de combustible sobre el cuerpo 12d de electrodo produzca una conexion electrica entre el cuerpo 12d de electrodo y el electrodo 70 de carga. En una realizacion, el sistema 70 de conmutacion puede ser configurado para tener una configuracion de sobrecarga, en donde la celda puede ser configurada para aplicar selectivamente un potencial catodico al electrodo 70 de carga abriendo el conmutador 170, y cerrando el conmutador 160, aplicando el potencial anodico al electrodo 14 oxidante, utilizandolo para cargar adicionalmente la celda 10 permitiendo un crecimiento de combustible sobre el electrodo 70 de carga.

Durante la descarga de la celda 10 en la realizacion de la figura 9, el conmutador 160 del electrodo oxidante estarfa cerrado mientras que el conmutador 170 del electrodo de carga estarfa abierto. Adicionalmente, los conmutadores 180, 190 y 200 estarfan abiertos, y el consumo de combustible serfa desde el cuerpo 12d de electrodo al cuerpo 12a de electrodo, en donde la conexion electrica entre los cuerpos 12a-12d de electrodo pasan a traves del crecimiento de combustible. En la realizacion ilustrada, es asf como los cuerpos 12a-12d de electrodo no estan en corto con respecto al electrodo 14 oxidante por el conmutador 160 de electrodo oxidante.

Continuando con la figura 10, se ilustra otra realizacion del sistema 60 de conmutacion para la celda 10. De nuevo hay el conmutador 150 de desviacion, configurado para conectar el primer terminal 130 directamente al segundo terminal 140, desviandose de la celda 10. El sistema 60 de conmutacion tambien incluye una serie de conmutadores 210a-d de conexion, configurados para conectar selectiva y progresivamente cada uno de los cuerpos 12b-d de electrodo bien sea al primer terminal 130 o al segundo terminal 140, de tal manera que cada uno de los cuerpos 12b-d de electrodo tenga un potencial catodico (esto es, este conectado a al menos un cuerpo 12 a del electrodo) o un potencial anodico (esto es, esta conectado a al menos el electrodo 70 de carga). Como se muestra, durante la carga, el conmutador 150 de desviacion estarfa abierto de tal manera que no hay desviacion de la celda. El conmutador 160 de electrodo oxidante tambien estarfa abierto, de tal manera que el electrodo 14 oxidante esta

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

desconectado durante el proceso de carga. El conmutador 170 de electrodo de carga estarfa cerrado de tal manera que al menos el electrodo 70 de carga tendrfa un potencial anodico. Para promover una distancia minima entre los electrodos que tienen el potencial catodico (inicialmente solo el cuerpo 12a de electrodo) y los electrodos que tienen el potencial anodico, los conmutadores 210b, 201c y 210d estarian cerrados, de tal manera que el potencial anodico creado a traves de la conexion electrica al segundo terminal 140 se aplica a traves de los cuerpos 12b-12d de electrodo, asi como del electrodo 70 de carga. A medida que avanza el crecimiento de combustible sobre el cuerpo 12a de electrodo, eventualmente entrara en contacto con el cuerpo 12b de electrodo. En una realizacion, en aquel momento el conmutador 210b se abriria, de tal manera que los cuerpos 12a-12b de electrodo tendrian el potencial catodico, mientras que los cuerpos 12c-12d de electrodo y el electrodo 70 de carga tendrian el potencial anodico. En una realizacion, el conmutador 210a tambien estarfa cerrado, de tal manera que se forma una conexion electrica mas fuerte entre los cuerpos 12a-12b de electrodo, mas alla de la conexion electrica del crecimiento de combustible. Tal progresion podrfa continuar, como se indico mas arriba, con la abertura de los conmutadores 210c y 210d respectivamente, a medida que el numero de cuerpos de electrodo que tienen el potencial anodico se disminuye, mientras que el numero de electrodos que tienen el potencial catodico crece. De nuevo, en algunas realizaciones los conmutadores 210b y 210c se cerrarfan en progresion, para formar una conexion electrica mas fuerte entre los cuerpos 12a-12d de electrodo a medida que el numero de electrodos que tienen un potencial catodico crece progresivamente.

Durante la descarga de la celda 10 en la realizacion de la figura 10, el conmutador 160 de electrodo oxidante estarfa cerrado, mientras que el conmutador 170 del electrodo de carga estarfa abierto. En una realizacion los conmutadores 210a-210d podrfan permanecer abiertos y el consumo de combustible seria del cuerpo 12d de electrodo al cuerpo 12a de electrodo, en donde la conexion electrica entre los cuerpos 12a-12d de electrodo es a traves del crecimiento de combustible. En otra realizacion, los conmutadores 210a-210d estarian cerrados, de tal manera que una conexion electrica es entre todos los cuerpos 12a-12d de electrodo del electrodo 12 de combustible, y el combustible es oxidado a traves del electrodo 12 de combustible mientras que un oxidante es reducido en el electrodo 14 oxidante. Esto es permisible en esta realizacion porque la abertura del conmutador 170 tambien evita que los cuerpos 12a-d de electrodo entren en corto con el electrodo 14 oxidante mediante el conmutador 160 de electrodo oxidante.

Otra realizacion del sistema 60 de conmutacion para la celda 10 se ve en la figura 11. Una vez mas, el sistema 60 de conmutacion comprende el conmutador 150 de desviacion, configurado para conectar selectivamente el primer terminal 130 directamente al segundo terminal 140, con el fin de desviarse de la celda 10. El sistema 60 de conmutacion de la realizacion de la figura 11 incluye tambien otra serie de conmutadores 220a-d de conexion, configurados para conectar selectivamente cada uno de los cuerpos 12a-d de electrodo al electrodo 70 de carga. De nuevo, el sistema 60 de conmutacion puede estar configurado para permitir un cambio progresivo de aquellos electrodos que tienen el potencial catodico (esto es, al menos el cuerpo 12a de electrodo) y aquellos electrodos que tienen el potencial anodico (esto es, al menos el electrodo 70 de carga). Como se muestra, durante la carga, el conmutador 150 de desviacion estarfa abierto de tal manera que no hay desviacion de la celda. El conmutador 160 de electrodo oxidante tambien estarfa abierto, de tal manera que el electrodo 14 oxidante esta desconectado durante el proceso de carga. El conmutador 170 de electrodo de carga estarfa cerrado de tal manera que al menos el electrodo 70 de carga tendrfa un potencial anodico. El conmutador 220a estarfa abierto de tal manera que no hay desviacion de la celda desde el primer terminal 130 al segundo terminal 140 a traves del conmutador 220a y el conmutador 170. Para promover una distancia minima entre los electrodos que tienen el potencial catodico (inicialmente solo el cuerpo 12a de electrodos) y los electrodos que tienen el potencial anodico, al menos el conmutador 220b estarfa cerrado, de tal manera que al menos los cuerpos 12b de electrodo, asi como el electrodo 70 de carga, tengan el potencial anodico. A medida que el crecimiento de combustible sobre el cuerpo 12a de electrodo avanza, eventualmente entrara en contacto con el cuerpo 12b de electrodo. En una realizacion, en ese momento el conmutador 220b seria abierto, de tal manera que los cuerpos 12a-12b de electrodo tienen un potencial catodico (conectado a traves del crecimiento del combustible). El conmutador 220c se cerrarfa entonces, si no estaba cerrado antes, de tal manera que al menos el cuerpo 12c de electrodo, asi como el electrodo 70 de carga, tendrian el potencial anodico. Tal progresion podrfa continuar, como se indico mas arriba, con la apertura de los conmutadores 210c y 210d respectivamente, a medida que el numero de cuerpos de electrodo que tienen el potencial anodico disminuye, mientas que el numero de cuerpos de electrodo que tienen el potencial catodico crece.

Durante la descarga de la celda 10 en la realizacion de la figura 11, el conmutador 160 de electrodo oxidante estarfa cerrado, mientras que el conmutador 170 de electrodo de carga estarfa abierto. En una realizacion los conmutadores 220a-220d podrfan permanecer abiertos y el consumo de combustible seria del cuerpo 12d de electrodo al cuerpo 12a de electrodo, en donde la conexion electrica entre los cuerpos 12a-12d de electrodo son a traves del crecimiento de combustible entre ellos.

El desplazamiento progresivo de algunos cuerpos de electrodo que tienen un potencial catodico versus algunos cuerpos de electrodo que tienen un potencial anodico pueden ser analogizados al igual que la celda 10 que tiene N cuerpos de electrodo que definen dos electrodos potenciales, un electrodo de potencial catodico y un electrodo de potencial anodico. En la celda, el constituyente configurador del electrodo de potencial catodico puede comenzar con un cuerpo de electrodo individual, mientras que el electrodo de potencial anodico puede comprender al menos el cuerpo de electrodo adyacente, hasta todos los otros cuerpos de electrodo. Durante la carga, el combustible crece

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

sobre el electrodo de potencial catodico hasta que no sea posible, por ejemplo, un crecimiento adicional sobre el cuerpo de electrodo (esto es, el electrodo de potencial catodico ha entrado en corto con el electrodo de potencial anodico). En ese momento, el cuerpo de electrodo del electrodo de potencial anodico que es adyacente al electrodo de potencial catodico es reasignado para hacer parte del electrodo de potencial catodico, a traves de una conexion electrica formada por el crecimiento de combustible y/o a traves del uso de circuiterfa electrica o conmutadores asociados con los cuerpos de electrodo de las celda. Con la reasignacion, el electrodo de potencial catodico comprende ahora dos cuerpos de electrodo, mientras que el electrodo de potencial anodico tiene uno menos que su numero inicial de cuerpos de electrodo. Puesto que una diferencia de potencial puede reiniciarse entre el electrodo de potencial catodico y el electrodo de potencial anodico, el crecimiento de combustible desde la carga puede reiniciarse, de nuevo, por ejemplo, hasta que no sea posible un crecimiento adicional sobre los cuerpos de electrodo del electrodo de potencial catodico.

El desplazamiento progresivo del constituyente que configura el electrodo de potencial catodico y el electrodo de potencial anodico puede continuar a traves de la celda, por ejemplo, con la apertura y/o cierre de conmutadores asociados con los cuerpos de electrodo, hasta que no se desee o no sea posible una progresion adicional. Por ejemplo, una vez que el electrodo de potencial anodico comprende solamente un cuerpo de electrodo individual, no es posible una progresion adicional. La carga de la celda puede terminar subsecuentemente cuando el crecimiento de combustible sobre la celda produzca una conexion electrica para formarse entre el electrodo potencial catodico conceptual y el electrodo potencial anodico conceptual que comprende solamente un cuerpo de electrodo individual.

Como se anoto anteriormente, en una realizacion, pueden combinarse multiples celdas 10 electroqufmicas en el sistema 100 de celdas. Como se muestran en las figuras 12A-C sistemas 100 de celdas electroqufmicas de las realizaciones de las figuras 9-11, comprendiendo sin embargo N celdas 10 electroqufmicas. El numero N es un entero mayor que o igual a dos, y no esta limitado a ningun numero en particular. Como se ilustra, el conmutador 150 de desviacion en los sistemas 60 de conmutacion de cada celda 10 esta configurado para desviar selectivamente de cada celda 10 proveyendo una conexion directa entre el primer terminal 130 y el segundo terminal 140. Tal conexion puede ser utilizada de nuevo para desviarse de celdas 10 defectuosas, o por cualquier otra razon, tambien, en diversa realizaciones de los sistemas 100 de celdas, pueden utilizarse diferentes realizaciones del sistema 60 de conmutacion (tales como las encontradas en las figuras 9-11) en conjunto con otra en un sistema 100 de celda individual.

En cualquier realizacion, los conmutadores del sistema 60 de conmutacion (o cualquier otro conmutador descrito aquf) puede ser de cualquier tipo, y el termino conmutador pretende ampliamente describir cualquier dispositivo capaz de conmutar entre los modos o estados descritos. Por ejemplo, en algunas realizaciones no limitantes, los conmutadores pueden ser de polo simple y tiro simpe o de polo simple y tiro doble. Tambien pueden ser del tipo de rele pivotante, deslizante o de pestillo. Tambien pueden utilizarse conmutadores basados en semiconductores. Los conmutadores pueden ser activados electricamente (rele electromecanicos) o magneticamente o por otros metodos conocidos para las personas familiarizadas con el arte. Puede utilizarse cualquier otro tipo adecuado de conmutador, y los ejemplos aquf son no limitantes. En una realizacion, la pluralidad de conmutadores puede ser conectada en serie si el conmutador tiene una corriente de fuga en una direccion. Por ejemplo, el diodo de cuerpo de un conmutador basado en un semiconductor MOSFET sera conductor en una direccion y la corriente de fuga puede ser eliminada colocando conmutadores basados en semiconductor MOSFET orientados espalda con espalda en serie.

Cualquier mecanismo de control adecuado puede ser provisto para controlar la accion de los conmutadores en el sistema 60 de conmutacion y/o el sistema 62 selector de terminal. Como se muestra en la figura 13, en una realizacion los conmutadores del sistema 60 de conmutacion pueden ser controlados por un controlador 230. El controlador 230 puede ser de cualquier construccion y configuracion. En una realizacion, el controlador 230 puede estar configurado para manejar la aplicacion del potencial anodico desde la fuente de poder PS a cuerpos 12b-d de electrodo permeables y el electrodo 70 de carga. El controlador 230 pude producir electrodeposicion de combustible metalico a traves de la reduccion de iones reducibles del combustible metalico a partir del medio conductor de iones, para crecer progresivamente desde el cuerpo 12a de electrodo permeable a cada cuerpo 12b-d de electrodo subsecuente para la aplicacion de un potencial catodico a cada cuerpo 12b-d de electrodo conectados subsecuentemente. El controlador 230 tambien puede generar la eliminacion del potencial anodico desde cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente, y puede producir la aplicacion del potencial anodico a al menos el cuerpo de electrodo subsecuente no conectado por la electrodeposicion, o el electrodo de carga donde el ultimo cuerpo de electrodo (esto es, el cuerpo 12d de electrodo) ha sido conectado electricamente por la electrodeposicion en los cuerpos 12a-c de electrodo previos. Tal aplicacion del potencial anodico puede ser configurada para permitir o generar la oxidacion de una especie oxidable del oxidante.

En una realizacion, el controlador 230 puede comprender circuiterfa 232 de alambre rfgido que manipula los conmutadores con base en una entrada 234 que determina la configuracion de conmutacion apropiada. El controlador 230 tambien puede incluir un microprocesador para ejecutar decisiones mas complejas, como una opcion. En algunas realizaciones, el controlador 230 tambien puede funcionar para manejar la conectividad entre la carga L y la fuente de poder y la primera y Na celdas (esto es, puede controlar el sistema 62 selecto de terminal descrito mas arriba). En algunas realizaciones, el controlador 230 puede incluir programacion o circuiterfa apropiadas para accionar los conmutadores 150 de desviacion apropiados en respuesta a la deteccion de un voltaje

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

que alcanza un umbral predeterminado (tal como una cafda por debajo de un umbral predeterminado). En algunas realizaciones, el controlador 230 puede comprender adicionalmente o estar asociado con un dispositivo 236 sensor, que incluye, pero no se limita a un voltfmetro (digital o analogo) o potenciometro u otro dispositivo o dispositivos para la medicion de voltaje, que puedan ser utilizados para determinar cuando modificar la configuracion de la pluralidad de conmutadores, por ejemplo, mantener la proximidad del anodo y el catodo a medida que el crecimiento de combustible progresa durante la carga. En algunas realizaciones, el dispositivo 236 sensor puede en vez de ello medir la corriente, resistencia o cualquier otra propiedad electrica o ffsica a traves de o de la celda 10 que puede ser utilizada para determinar cuando modificar la configuracion de la pluralidad de conmutadores. Por ejemplo, el dispositivo 236 sensor puede medir un maximo en corriente o una cafda en diferencial de potencial entre dos cuerpos de electrodo. En algunas realizaciones, el controlador 230 puede controlar los conmutadores del sistema 60 de conmutacion con base en el paso de incrementos de tiempo. Por ejemplo, en una realizacion el tiempo para el crecimiento de combustible para avanzar entre cuerpos de electrodo adyacentes puede ser conocido, y utilizado para calcular cuando operar el sistema 60 de conmutacion de tal manera que se recableen progresivamente los electrodos para mantener una separacion adyacente entre el anodo y el catodo. En una realizacion, el controlador 230 puede controlar los conmutadores del sistema 60 de conmutacion para proveer un modo de alta eficiencia para la celda, tal como se divulga en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Serie No. 13/083,929.

En algunas realizaciones, el controlador 230 puede ser configurado para entrar selectivamente en diferentes modos de carga. Por ejemplo, en un modo una pluralidad de cuerpos de electrodo pueden tener inicialmente un potencial anodico, pero el numero disminuye a medida que los cuerpos de electrodo reciben un potencial catodico. En otro modo, solamente un cuerpo de electrodo individual tiene un potencial anodico en un momento dado, y el cuerpo de electrodo con el potencial anodico cambia a medida que los cuerpos de electrodo previos reciben el potencial catodico. Por ejemplo, en el modo inicial, el controlador 230 puede cerrar todos lo conmutadores asociados con el electrodo 70 de carga y los cuerpos 12b-d de electrodo durante la recarga, de tal manera que se aplica un potencial anodico a cada uno de los cuerpos 12b-d de electrodo y el electrodo 70 de carga. El controlador 230 puede abrir entonces progresivamente los conmutadores asociados con cada uno de los cuerpos 12b-d de electrodo a medida que los cuerpos 12b-d de electrodo se conectan progresivamente por medio electrico al cuerpo 12a de electrodo, y tienen asf un potencial catodico. En el ultimo modo, el controlador puede cerrar inicialmente solamente el conmutador asociado con el cuerpo 12b de electrodo, dando al cuerpo 12b de electrodo un potencial anodico mientras que el cuerpo 12a de electrodo tiene un potencial catodico. Cuando el crecimiento de combustible sobre el cuerpo 12a de electrodo alcanza el cuerpo 12b de electrodo, creando una conexion electrica entre ellos, el controlador 230 puede abrir el conmutador asociado con el cuerpo 12b de electrodo que dio al cuerpo 12b de electrodo el potencial anodico, de tal manera que el cuerpo de electrodo tiene un potencial catodico a traves de su conexion electrica con el cuerpo 12a de electrodo. El controlador 230 puede proceder entonces a cerrar el conmutador asociado con el cuerpo 12c de electrodo, para proveer el cuerpo 12c de electrodo con el potencial anodico, creando de nuevo una diferencia de potencial, y la progresion del crecimiento de combustible. Estas progresiones de reasignacion de conmutacion por el controlador 230 pueden continuar permanentemente o hasta que solamente el electrodo 70 de carga tenga el potencial anodico, como se describio mas arriba.

Como se ve en la figura 14, otro aspecto de la presente invencion puede incluir un metodo 240 para cargar la celda 10 electroqufmica. De nuevo, la celda 10 electroqufmica comprende el electrodo 12 de combustible que comprende la pluralidad de cuerpos 12a-d de electrodo permeables. Aunque aparecen en la lista cuatro cuerpos de electrodo permeables, es posible cualquier numero mayor que o igual a dos. La celda 10 incluye adicionalmente el electrodo 14 oxidante, y el electrodo de carga, el cual puede ser el electrodo 14 oxidante o el electrodo 70 de carga separado. La celda 10 incluye adicionalmente el medio conductor de iones, y el sistema 60 de conmutacion que comprende una pluralidad de conmutadores, en donde al menos algunos de la pluralidad de conmutadores estan asociados con uno de los cuerpos 12a-d de electrodo permeables, el electrodo 14 oxidante, y el electrodo de carga (esto es el electrodo 14 oxidante o el electrodo 70 de carga separado). Durante un modo de carga, los iones de combustible reducibles en el medio conductor de iones son reducidos y electrodepositados como combustible en forma oxidable sobre un catodo que comprende al menos el cuerpo 12a de electrodo permeable mientras que un oxidante es oxidado sobre un anodo que comprende al menos uno adyacente de los cuerpos 12b-d de electrodo permeables y/o el electrodo de carga (esto es, el electrodo 70 de carga).

El metodo 240 comienza en 250, e incluye en 260 conectar electricamente el catodo (esto es, en una realizacion, inicialmente solo el cuerpo 12a de electrodo permeable), distal del electrodo de carga, al terminal negativo de la fuente de poder PS, y el anodo (inicialmente en al menos el cuerpo 12b de electrodo permeable) al terminal positivo de la fuente de poder PS, creando una diferencia de potencial entre ellos. El metodo 240 continua en 270, en donde, el combustible es electrodepositado sobre el catodo (esto es, al menos el cuerpo 12a de electropermeable). Como se ve en la etapa 280, el metodo 240 puede continuar determinando si el crecimiento de combustible ha progresado mas alla de una cantidad umbral. En una realizacion, la cantidad umbral puede establecerse cuando la celda 10 esta en corto con el crecimiento de combustible creando una conexion electrica a traves del crecimiento de combustible entre el catodo (esto es, el cuerpo 12a de electrodo permeable) y el anodo (esto es, el cuerpo 12b de electrodo permeable). Como se muestra, si el crecimiento en combustible no ha alcanzado la cantidad umbral, el crecimiento de combustible en 270 se repite. Una vez que la cantidad umbral es alcanzada, el metodo continua en 290, donde puede determinarse si el crecimiento de combustible adicional es tanto posible como deseado. En una realizacion, la determinacion en 290 puede incluir establecer si hay cuerpos de electrodo adicionales, tales como cuerpos 12c-d de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

electrodo permeables, sobre los cuales puede ser posible el crecimiento de combustible. Si es asf, el metodo continua en 300 usando la pluralidad de conmutadores del sistema 60 de conmutacion para desconectar el cuerpo de electrodo de conexion (esto es, el cuerpo 12b de electrodo permeable) del anodo, y si fuese no conectado a traves del sistema 60 de conmutacion antes, conectar el siguiente cuerpo de electrodo adyacente (esto es, el cuerpo 12c de electrodo permeable) al anodo. Esto crea la diferencia de potencial entre el catodo (que comprende ahora los cuerpos 12 a-b de electrodos permeables) y el anodo (que comprende al menos el cuerpo 12c de electrodos). El metodo 240 regresa entonces a 270 donde continua el crecimiento de combustible sobre el catodo. Si no es posible o deseado un crecimiento de combustible adicional en 290, el metodo 240 continua a 310 desconectando al menos el terminal negativo de la fuente de poder PS de la celda 10 para descontinuar el proceso de carga. El metodo 240 termina entonces en 320.

Como se muestra en la figura 15, otro aspecto de la presente invencion puede incluir un metodo 330 para descargar la celda 10 electroqufmica, el cual puede ser similar al descrito anteriormente con relacion a la figura 14. Durante el modo de descarga, el combustible sobre los cuerpos 12a-12d de electrodo permeable es oxidado (y asf es consumido en el medio conductor de iones como iones de combustible reducibles), mientras que se reduce un oxidante en el electrodo 14 oxidante.

El metodo 330 se inicia en 340 e incluye en 350 utilizar la pluralidad de conmutadores del sistema 60 de conmutacion para conectar los cuerpos 12a-d de electrodo permeable que contienen combustible. En una realizacion, si la celda 10 esta completamente cargada todos los cuerpos 12a-d de electrodo permeable serfan conectados electricamente uno a otro. Puesto que la celda 10 esta en modo de descarga, la pluralidad de conmutadores del sistema 60 de conmutacion se configurarfa para desconectar electricamente el electrodo 70 de carga separado (si esta presente). En una realizacion, el metodo 330 continuarfa en 360 conectando electricamente el catodo (esto es, el catodo de aire, electrodo 14 oxidante) al terminal negativo de carga L, y el anodo (esto es, el electrodo 12 de combustible, que contiene los cuerpos 12a-d de electrodo permeable conectados electricamente) al terminal positivo de la fuente de poder PS, creando una diferencia de potencial entre ellos. El metodo 330 continua en 370, en donde el combustible es consumido sobre el electrodo 12 de combustible. En una realizacion, puesto que la pluralidad de conmutadores 60 conecta los cuerpos 12a-d de electrodo permeables, se aplica un potencial anodico a cada uno de los cuerpos 12a-d de electrodo permeables, y el combustible puede ser consumido desde cada uno o cualquiera de los cuerpos 12a-d de electrodos permeables. Como se ve en la etapa 380, el metodo 330 puede continuar determinando si el combustible consumible ha disminuido a partir de cualquier cuerpo 12a-d de electrodo permeable. En algunas realizaciones, la cafda del combustible puede significar que la cantidad de combustible esta por debajo de un nivel util, incluyendo cero. En una realizacion, esto puede ser indicado por una cafda en corriente desde el cuerpo 12a-d de electrodo particular, o una cafda en la diferencia de potencial. En una realizacion, un sensor tal como el dispositivo 236 de deteccion anterior, que puede incluir un sensor de corriente o voltaje, puede estar presente en la celda 10, y puede indicar cuando el combustible consumible ha disminuido a partir de uno o mas de los cuerpos 12a-d de electrodo permeables. Si no se detecta cafda, la descarga puede continuar a medida que el metodo 330 regresa a la etapa 370. Sin embargo, si ha disminuido el combustible consumible a partir de uno o mas de los cuerpos 12a-d de electropermeables, el metodo 330 puede continuar entonces a la etapa 390, en donde puede determinarse si hay cuerpos 12a-d de electrodo permeables restantes que contengan combustible consumible. Esta determinacion puede hacerse simultaneamente con la determinacion de la cafda en la etapa 380, y puede hacerse a traves de una revision de los dispositivos detectores 236, o por cualquier otro metodo apropiado.

Si el combustible consumible permanece sobre uno o mas de los cuerpos 12a-d de electrodo permeables, el metodo 330 puede continuar en la etapa 400 en donde el sistema 60 de conmutacion ajusta la pluralidad de conmutadores de tal manera que cualquiera de los cuerpos 12a-d de electrodo permeables que carecen de combustible consumible son desconectados del electrodo 12 de combustible. En una realizacion, el consumo de combustible puede ser inicialmente desde el cuerpo de electrodo que esta mas cercano al electrodo 14 oxidante (tal como, por ejemplo, el cuerpo 12d de electrodo permeable en las realizaciones ilustradas mas arriba), y el sistema 60 de conmutacion puede desconectar el cuerpo 12d, 12c y 12b de electrodo permeable en ese orden, hasta que todo el combustible es consumido a partir del cuerpo 12a de electrodo permeable. Una vez que ninguno de los cuerpos 12a- d de electrodo permeables contienen combustible consumible, o no se desea mas una descarga adicional (o no es posible), el metodo puede continuar hasta la etapa 410, en donde la carga L puede ser desconectada. En una realizacion, la carga L puede permanecer conectada a la celda 10 cuando cae, hasta que la celda 10 es recargada, en cuyo caso puede ser desconectada de tal manera que la celda 10 pueda ser conectada en vez de la fuente de poder PS. El metodo 330 puede terminar entonces en 420.

Las realizaciones anteriormente ilustradas han sido provistas solamente para ilustrar los principios estructurales y funcionales de la presente invencion, y no deben considerarse como limitantes. Por el contrario, la presente invencion pretende abarcar todas aquellas modificaciones, sustituciones y alteraciones dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (14)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   1. Un sistema (100) de celda electroqufmica recargable para generar corriente electrica utilizando un combustible metalico y un oxidante, comprendiendo el sistema de celda:

   una celda (10) electroqufmica que comprende:

   (i) un electrodo (12) de combustible que comprende N cuerpos (12a-d) de electrodo permeables dispuestos en relacion de separacion espaciados en orden de 1 a N, en donde N es un entero mayor que o igual a dos, comprendiendo el electrodo de combustible el combustible metalico sobre los cuerpos de electrodo permeables;

   (ii) un electrodo (14) oxidante separado con espaciamiento del electrodo de combustible;

   (iii) un electrodo (70) de carga seleccionado del grupo consistente de (a) el electrodo oxidante, y (b) un electrodo de carga separado espaciado del combustible y de los electrodos oxidantes; y

   (iv) un medio conductor de iones que comunica los electrodos para conducir iones para soportar reacciones electroqufmicas en los electrodos;

   en donde los electrodos combustible y oxidante estan configurados para, durante un modo de descarga, oxidar el combustible metalico sobre los cuerpos de electrodo permeables y reducir el oxidante en el electrodo oxidante, generando asf una diferencia de potencial para aplicacion a una carga;

   una pluralidad de conmutadores (60) para acoplar selectivamente cada cuerpo 2 a N de electrodo del electrodo combustible y el electrodo de carga a una fuente de poder (PS) para aplicacion de un potencial catodico al cuerpo 1 de electrodo mediante la fuente de poder;

   un controlador (230) configurado para controlar la pluralidad de conmutadores durante la recarga de modo que se controla la aplicacion de un potencial anodico desde la fuente de poder a los cuerpos 2 a N de electrodo permeables y el electrodo de carga de una manera tal que produzca

   (a) electrodeposicion del combustible metalico, a traves de la reduccion de iones reducibles del combustible metalico desde el medio conductor de iones, para crecer progresivamente desde el cuerpo 1 de electrodo hacia el electrodo con la electrodeposicion de carga conectando progresivamente cada cuerpo 2 a N de electrodo subsecuente al cuerpo 1 de electrodo para aplicacion del potencial catodico a cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente,

   (b) eliminacion del potencial anodico desde cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente. y
2. 2. Un sistema (100) de celda electroqufmica de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende adicionalmente una pluralidad de las celdas (10) electroqufmicas ensambladas adyacentes una a otra con una barrera (17) no conductora que separa el electrodo (14) oxidante y el electrodo (12) de combustible de cada par de celdas adyacentes, de tal manera que la unica conexion electrica permitida entre ellas es a traves de al menos una de dicha pluralidad de conmutadores (60).
3. 3. Un sistema (100) de celda electroqufmica de acuerdo con la reivindicacion 2, en donde dicha pluralidad de conmutadores (60) es conmutable mediante un modo de desviacion para cada celda (10) acoplando el electrodo de carga, en el modo de carga, o el electrodo (14) oxidante, en el modo de descarga, de una celda previa al electrodo (12) de combustible de una celda subsecuente.
4. 4. Un sistema (100) de celda electroqufmica de acuerdo con la reivindicacion 2, en donde la celda (10) es una celda metal-aire comprendiendo el electrodo (12) de combustible el combustible metalico, comprendiendo el electrodo (14) oxidante un catodo de aire para reduccion de oxfgeno, y siendo el electrodo (70) de carga un electrodo de liberacion de oxfgeno para oxidar una especie de oxfgeno oxidable a oxfgeno.
5. 5. Un sistema (100) de celda electroqufmica de acuerdo con la reivindicacion 4, en donde cada barrera (17) no conductora incluye uno o mas puertos para permitir que el oxfgeno fluya al catodo de aire.
6. 6. Un sistema (100) de celda electroqufmica de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde la pluralidad de conmutadores (60) incluye un conmutador conmutable entre el acoplamiento de la celda (10) a la carga (L) y el acoplamiento de la celda una fuente de poder (PS).
7. 7. Un sistema (100) de celda electroqufmica de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde cada uno de dicha pluralidad de conmutadores (60) esta asociado con uno de cada uno de la pluralidad de cuerpos (12a-d) de electrodo permeables, el electrodo (70) de carga y el electrodo (14) oxidante.

   5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45
8. 8. Un sistema (100) de celda electroqufmica de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde dicha pluralidad de conmutadores (60) son conmutables a:

   I) conectar progresivamente el cuerpo 1 de electrodo permeable a traves del cuerpo N de electrodo permeable al electrodo (70) de carga; o

   II) conectar selectivamente cada uno de los cuerpos 1 de electrodo permeables a traves del cuerpo N de electrodo permeable al electrodo (70) de carga; o

   III) conectar selectivamente cada uno de los cuerpos 1 de electrodo permeable a traves del cuerpo N de electrodo permeable al electrodo (12) de combustible.
9. 9. Un sistema (100) de celda electroqufmica de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el controlador (230) esta configurado para abrir y cerrar selectivamente al menos uno de la pluralidad de conmutadores (60) y configurado adicionalmente para:

   I) responder a uno o mas sensores asociados con la celda (10); o,

   II) abrir y cerrar selectivamente al menos uno de la pluralidad de conmutadores (60) para aplicar el potencial anodico a todos los cuerpos 2-N de electrodo permeables que no tienen el potencial catodico; o

   III) abrir y cerrar selectivamente al menos uno de la pluralidad de conmutadores para aplicar el potencial anodico a solamente uno de los cuerpos 2-N de electrodo permeables o el electrodo (70) de carga, que esta adyacente a al menos uno de los cuerpos 1-N de electrodo permeables que tienen el potencial catodico.
10. 10. Un sistema (100) de celda electroqufmica de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde el controlador (230) esta configurado para responder a uno o mas sensores asociados con la celda (10), en donde el uno o mas sensores estan configurados para medir al menos uno de un incremento en corriente por encima de un valor de umbral o un descenso en la diferencia de potencial por encima de un valor de umbral entre al menos dos de los cuerpos (12a-d) de electrodo permeables.
11. 11. Un metodo para cargar una celda (10) electroqufmica, en donde la celda electroqufmica comprende:

    (i) un electrodo (12) de combustible que comprende N cuerpos (12a-d) de electrodo permeables dispuestos en relacion de separacion espaciada en orden 1 a N, en donde N es un entero mayor que o igual a dos, comprendiendo el electrodo de combustible el combustible metalico sobre los cuerpos de electrodo permeables;

    (ii) un electrodo (14) oxidante separado con espaciamiento del electrodo de combustible;

    (iii) un electrodo (70) de carga seleccionado del grupo consistente de (a) el electrodo oxidante, y (b) un electrodo de carga separado espaciado de los electrodos de combustible y oxidante; y

    (iv) un medio conductor de iones que comunica los electrodos para conducir iones para soportar las reacciones electroqufmicas en los electrodos;

    en donde los electrodos de combustible y oxidante estan configurados para, durante un modo de descarga, oxidar el combustible metalico sobre los cuerpos de electrodo permeables y reducir el oxidante en el electrodo oxidante, generando asf una diferencia de potencial para aplicacion a una carga;

    comprendiendo el metodo:

    aplicar un potencial catodico al cuerpo 1 de electrodo acoplando el cuerpo 1 de electrodo a una fuente de poder (PS);

    controlar la aplicacion de un potencial anodico a cuerpos 2 a N de electrodo acoplando selectivamente los cuerpos 2 a N de electrodo a la fuente de poder para aplicacion del potencial anodico, de tal manera que se genere

    (a) electrodeposicion del combustible metalico, a traves de la reduccion de iones reducibles del combustible metalico a partir del medio conductor de iones, para crecer progresivamente desde el cuerpo 1 de electrodo hacia el electrodo de carga, conectando progresivamente la electrodeposicion cada cuerpo 2 a N de electrodos subsecuente al cuerpo 1 de electrodo para aplicacion del potencial catodico a cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente,

    (b) eliminacion del potencial anodico desde cada cuerpo de electrodo conectado subsecuentemente, y desacoplar la fuente de poder para descontinuar la carga.
12. 12. El metodo de la reivindicacion 11, en donde la aplicacion del potencial catodico comprende controlar un estado abierto/cerrado de una pluralidad de conmutadores (60) asociados con la celda (10).
13. 13. El metodo de la reivindicacion 11, en donde el control de la aplicacion del potencial anodico comprende controlar:

    5 I) un estado abierto/cerrado de una pluralidad de conmutadores (60) asociados con la celda (10); o

    II) una pluralidad de conmutadores (60) por un controlador (230), respondiendo el controlador a al menos un sensor asociado con la celda.
14. 14. El metodo de la reivindicacion 13, en donde el control de la aplicacion del potencial anodico comprende controlar una pluralidad de conmutadores (60) mediante un controlador,

    10 y en donde controlar un estado abierto/cerrado de la pluralidad de conmutadores comprende conectar el cuerpo 2 de electrodo permeable a traves del cuerpo N del electrodo permeable al electrodo (70) de carga, y progresivamente desconectar el cuerpo 2 de electrodo permeable a traves de N desde el electrodo de carga a medida que el crecimiento de combustible conecta electricamente y aplica un potencial catodico desde el cuerpo 1 hasta N de electrodo permeable.

    15 15. El metodo de la reivindicacion 13, en donde el control de la aplicacion del potencial anodico comprende controlar

    un estado abierto/cerrado de una pluralidad de conmutadores (60) asociados con la celda (10),

    y en donde al menos un sensor esta configurado para medirlos:

    I) un incremento en la corriente por encima de un valor de umbral o un descenso en la diferencia de potencial por encima de un valor de umbral entre al menos dos de los cuerpos de electrodo permeables; o

    20 II) un paso de un intervalo de tiempo.