ES2585055T3 - Unidad de electrodo - Google Patents

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Peter HEIDEBRECHT
Domnik Bayer
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Anna Katharina DÜRR
Katrin Freitag
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Abstract

Unidad de electrodo para un dispositivo electroquímico, el cual comprende un electrolito sólido (3), así como un electrodo poroso (7), donde el electrolito sólido (3) separa un espacio para material de cátodo y un espacio para material de ánodo, y el electrodo poroso (7) está unido de forma plana al electrolito sólido (3), donde en el espacio para material de ánodo está alojado un desplazador (23), caracterizada porque el desplazador comprende una cubierta externa (62) compuesta por acero inoxidable o grafito, y un núcleo (64) compuesto por un metal no férreo, donde el metal no férreo puede deformarse termoplásticamente a una temperatura que es inferior a la temperatura en la cual el acero inoxidable puede deformarse termoplásticamente, y donde para producir el desplazador (23) la cubierta externa (62) de acero inoxidable o grafito es presionada en el electrolito sólido (3) a través de la introducción y el calentamiento del metal no férreo, y al enfriarse se forma una abertura entre el electrolito sólido (3) y la cubierta externa (62) de acero inoxidable o grafito.

Description

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DESCRIPCION
Unidad de electrodo
La presente invencion hace referencia a una unidad de electrodo para un dispositivo electroqulmico, con un electrolito solido, as! como con un electrodo poroso, donde el electrolito solido separa un espacio para material de catodo y un espacio para material de anodo, y el electrodo poroso esta unido de forma plana al electrolito solido, y el material de catodo circula a lo largo del electrodo durante la carga o la descarga.
Los dispositivos electroqulmicos pueden utilizarse por ejemplo para almacenar energla electrica. Los mismos se denominan generalmente como baterlas o acumuladores. Otros dispositivos electroqulmicos son por ejemplo las celdas de electrolisis. Las mismas pueden utilizarse por ejemplo para producir metales alcalinos de sales que contienen metales alcalinos adecuados.
La generation de energla electrica, en el caso de las centrales electricas fosiles, se vincula a la generation de CO2, de manera que dicha generacion tiene una influencia considerable en el efecto invernadero. La generacion de energla a base de fuentes energeticas regenerativas, como por ejemplo viento, sol, geotermia o energla hidraulica, evita la desventaja mencionada. Sin embargo, esas fuentes energeticas regenerativas no se encuentran disponibles temporalmente para cualquier perfil de carga. Ademas, el lugar donde se genera la energla difiere eventualmente del lugar correspondiente a la demanda de energla. Para compensar esa desventaja se requiere un almacenamiento, un almacenamiento intermedio y eventualmente tambien un transporte de la energla generada.
Una red electrica basada exclusivamente en energlas renovables y estable a pesar de ello no puede tener lugar bajo esas condiciones. Por ese motivo existe la necesidad de compensar y amortiguar esas variaciones a traves de sistemas economicos y eficientes desde el punto de vista energetico, con un grado de efectividad elevado.
Para almacenar energla electrica se utilizan actualmente a escala tecnica centrales electricas de acumulacion por bombeo, en las cuales la energla potencial de la diferencia de altura geodesica del agua se utiliza para la transformation en corriente. Sin embargo, la estructura de las centrales electricas de acumulacion por bombeo de esa clase esta limitada por las condiciones regionales y ecologicas. Las centrales electricas de acumulacion por bombeo, en las cuales la compresion de aire se utiliza para el almacenamiento de energla, estan limitadas debido a su grado de efectividad comparativamente reducido. Tambien otras formas de acumulacion de energla, como los supercondensadores o las baterlas inerciales, apuntan a otros mercados, en particular a los acumuladores a corto plazo. Un almacenamiento efectivo de energla electrica es posible en particular con baterlas que fueron realizadas con distintos conceptos en cuanto al aspecto tecnico. En particular es necesario utilizar baterlas que sean recargables.
Las baterlas correspondientes que trabajan a base de un metal alcalino fundido como anodo y de un participante de reaction catodico, en general azufre, son conocidas por ejemplo por la solicitud DE-A 26 35 900 o por la solicitud DE-A 26 10 222. El metal alcalino fundido y el participante de reaccion catodico son separados por un electrolito solido permeable para cationes. En el catodo tiene lugar una reaccion del metal alcalino con el participante de reaccion catodico. Esta es por ejemplo la reaccion de sodio y azufre para formar polisulfuro de sodio en el caso de utilizar sodio como metal alcalino y azufre como participante de reaccion catodico. Para cargar la baterla, el sulfuro de sodio en el electrodo, a traves de la introduction de energla electrica, se separa nuevamente en sodio y azufre.
Para ampliar la capacidad de almacenamiento de las baterlas a base de un metal alcalino fundido y de un participante de reaccion catodico se utilizan baterlas en las cuales, a traves de depositos de almacenamiento adicionales, se aumenta la cantidad de reactantes utilizados. Para la descarga, el sodio llquido es conducido al electrolito solido. El sodio llquido sirve al mismo tiempo como anodo y forma cationes que son transportados a traves del electrolito solido conductor de cationes, hacia el catodo. En el catodo, el azufre que afluye hacia el catodo se reduce formando polisulfuro, es decir que reacciona con los iones de sodio formando polisulfuro de sodio. El polisulfuro de sodio correspondiente puede almacenarse en otro recipiente. De manera alternativa tambien es posible almacenar el polisulfuro de sodio con el azufre de forma conjunta en un recipiente, alrededor del espacio del catodo. Debido a la diferencia de densidad, el azufre asciende y el polisulfuro de sodio se deposita. La diferencia de densidad mencionada puede utilizarse tambien para provocar un flujo a lo largo del catodo. Un diseno de baterla correspondiente se describe por ejemplo en la solicitud WO 2011/161072.
En baterlas que trabajan con un sistema redox a base de sodio y azufre, energla electrica puede obtenerse con un grado de efectividad elevado de aproximadamente el 90% durante la reaccion de sodio y azufre para formar polisulfuro de sodio. Para cargar la baterla el proceso se invierte a traves de la alimentation de corriente y el polisulfuro de sodio se disocia en azufre y sodio. Puesto que todos los reactantes electroqulmicos se encuentran presentes en estado de fusion y el rango de conductividad optimo de la membrana ceramica conductora de iones se alcanza a temperaturas mas elevadas, la temperatura de servicio de una baterla de esa clase se ubica generalmente en unos 300°C.
El electrolito solido conductor de iones de sodio utilizado en la baterla se trata generalmente de oxido de aluminio p. Puesto que se trata de una ceramica, no puede excluirse la posibilidad de una rotura del electrolito solido. En un caso de esa clase puede producirse una reaccion no regulada entre el sodio y el azufre, lo cual puede conducir a un aumento de temperatura no deseado, debido a la reaccion exotermica. En un caso semejante, para mantener lo mas 5 reducido posible el aumento de temperatura, por ejemplo por la solicitud JP-A 10270073 se conoce el hecho de utilizar un desplazador de aluminio, con el cual del lado del sodio del electrolito solido, el espacio para el sodio se limita a una abertura con una extension de la abertura de 0,01 a 0,2 mm. La abertura se produce a traves de una combinacion de deformacion plastica y recuperacion elastica al presionar el desplazador hacia el electrolito solido, generalmente realizado de forma anular. Sin embargo, la utilization de un desplazador de aluminio conduce a una 10 reaccion no controlable cuando el electrolito solido resulta danado. En ese caso, se produce primero una reaccion entre el sodio y el azufre, la cual conduce a un aumento de la temperatura. El aumento de temperatura mencionado puede alcanzar temperaturas en las cuales tambien el aluminio comienza a reaccionar con el azufre que penetra a traves de la rotura. Esa reaccion es exotermica y no puede finalizar. Esto conduce a otro aumento de temperatura y a una destruction termica, primero del electrodo y, dependiendo de la construction de la baterla, tambien a una 15 destruccion de toda la baterla.
Junto con la utilizacion de aluminio como material para el desplazador, en la solicitud JP-A 05266919 y en la solicitud JP-A 08329981 se describe tambien la utilizacion de acero inoxidable. En la solicitud EP 0 213 828 A1 se revela una unidad de electrodo con desplazadores.
Debido a que la resistencia mecanica del acero inoxidable es mas elevada que la del aluminio y, con ello, la 20 deformacion plastica es mucho menor a la temperatura de servicio de la baterla, el acero inoxidable no puede adaptarse a la forma del electrolito solido en el caso de una realization cillndrica del electrolito solido. A causa de la expansion termica puede producirse por tanto una rotura del electrolito solido cuando el desplazador realizado de acero inoxidable es presionado de forma irregular contra el electrolito solido. Una presion irregular de esa clase del desplazador en el electrolito solido resulta por ejemplo de las imprecisiones de production al fabricar el electrolito 25 solido ceramico.
El objeto de la presente invention consiste en proporcionar una unidad de electrodo con un desplazador, la cual no presente las desventajas de los electrodos conocidos por el estado del arte.
De acuerdo con la invencion, dicho objeto se alcanzara a traves de una unidad de electrodo para un dispositivo electroqulmico segun la revindication 1.
30 A traves de la utilizacion de un desplazador de acero inoxidable o de un desplazador con una cubierta externa de acero inoxidable, en particular en el caso de la rotura del electrolito solido se impide una destruccion termica no controlada de la baterla en su totalidad, ya que el acero inoxidable reacciona con el azufre solo al alcanzar temperaturas mucho mas elevadas, donde tambien reacciona con menos intensidad que el aluminio. Gracias a ello, la seguridad durante el funcionamiento de una baterla de esa clase que trabaja en base a un metal alcalino y a 35 azufre, puede aumentar en gran medida. Debido a que el desplazador se situa elasticamente en la geometrla interna del electrolito solido, pueden compensarse las modificaciones de longitud a causa de la expansion termica.
En el marco de la presente invencion, como material de anodo se entiende un reactante llquido que es suministrado al lado del anodo durante la descarga. Preferentemente, el material de anodo es electricamente conductor, donde en particular como material de anodo se utiliza un metal alcalino llquido. Son materiales de anodo adecuados por 40 ejemplo el litio, sodio o potasio, en particular el sodio o el potasio.
El material de catodo es un reactivo llquido que reacciona electroqulmicamente con el material de anodo. Generalmente, el material de catodo, a traves de una reaccion qulmica con el material de anodo, forma una sal. Son materiales de catodo adecuados por ejemplo el azufre o el polisulfuro. El material de catodo se utiliza llquido. Como material de catodo adecuado se considera tambien una mezcla de cloruro de sodio y un metal del grupo secundario 45 8, por ejemplo hierro, nlquel o cobalto, en combinacion con un electrolito en estado de fusion, como NaAlCk
Otros materiales de catodo adecuados en combinacion con un metal alcalino como material de anodo son por ejemplo los oxidos de nitrogeno (NO o NO2), un halogeno, por ejemplo cloro, yodo o bromo, un halogenuro metalico, por ejemplo NiCl2 o FeCb, un halogenuro semimetalico, por ejemplo SiCL o Si2Cl6. Tambien es posible utilizar una sal solida que puede modificar su potencial redox. Una sal de esa clase es por ejemplo NaFePO4.
50 Se consideran preferente los materiales de catodo gaseosos, donde las condiciones de funcionamiento, en particular presion y temperatura del dispositivo electroqulmico, pueden adecuarse de manera que el material de catodo se encuentra presente en forma gaseosa. De este modo, en caso de utilizar azufre como material de catodo, es posible suministrar el azufre no solo como masa fundida sino, de forma alternativa, tambien como vapor de azufre. Para mejorar la conductividad, en caso de utilizar materiales de catodo gaseosos, es posible utilizar adicionalmente un 55 electrolito llquido. Este debe ser compatible con el par redox utilizado. En caso de utilizar sodio y azufre los mismos
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son por ejemplo sales de metal alcalino con aniones de acido sulfhldrico, como sulfito de sodio o sulfato de sodio. En caso de utilizar metal alcalino y oxido de nitrogeno son adecuados por ejemplo los nitratos y nitritos de metal alcalino. En caso de utilizar un halogeno pueden emplearse sales complejas en base a un halogenuro de metal alcalino y a un halogenuro metalico, por ejemplo NaAlCU o NaZnCb.
Un dispositivo electroqulmico en el sentido de la presente invencion es un dispositivo para almacenar energla electrica, el cual se denomina tambien baterla o acumulador, o una celda de electrolisis.
El transporte a traves del electrodo poroso tiene lugar preferente solo debido a la conveccion y a la difusion. Gracias a ello es posible prescindir de bombas o de otros dispositivos similares con los cuales se provoca un transporte forzado. La desventaja de los dispositivos de esa clase generalmente reside en el hecho de que los mismos requieren energla electrica que despues ya no se encuentra disponible. Otra desventaja de los dispositivos de transporte forzado reside en su desgaste.
Una ventaja de la utilizacion de un desplazador es que, gracias a la misma, puede reducirse la cantidad de material de anodo llquido. Al utilizar un desplazador, el material de anodo circula hacia un espacio entre el desplazador y el electrolito solido. A traves de la utilizacion del desplazador, el espacio en donde se encuentra el material de anodo se reduce a una abertura o, en funcion de la conformacion del desplazador, se reduce tambien en varios canales a traves de los cuales puede circular el material de anodo. La afluencia del material de anodo puede tener lugar por ejemplo mediante una abertura anular en el extremo del electrolito solido o, de forma alternativa, puede ser suministrado en el desplazador a traves de un canal de flujo. Preferentemente, el suministro del material de anodo se realiza a traves un canal de flujo en el desplazador.
De manera especialmente preferente, el desplazador, as! como la cubierta externa del desplazador, estan realizados de acero inoxidable. Como acero inoxidable son adecuados en particular los aceros inoxidables estabilizados con molibdeno 1.4571, 1.4401, 1.4404, 1.4405 y 1.4539. Ademas, preferentemente, el desplazador esta realizado de una chapa de acero inoxidable.
Una carga lo mas posiblemente reducida del electrolito solido se alcanza de modo adicional debido a que para la fabricacion del desplazador se utiliza una chapa de acero inoxidable con un grosor en el rango de 0,05 a 0,5 mm, preferentemente en el rango de 0,07 a 0,15 mm, por ejemplo con un grosor de 0,1 mm.
Para mantener una forma elastica en cuanto a la geometrla interna, el desplazador presenta preferentemente un contorno externo con salientes y cavidades. Los saliente y las cavidades pueden estar realizados por ejemplo a traves de una conformacion ondulada o en forma de zigzag del desplazador.
Cuando el desplazador comprende una cubierta externa de acero inoxidable o de grafito y un nucleo de un material no ferreo, la cubierta externa de acero inoxidable o de grafito, en una primera forma de ejecucion, es una lamina flexible de acero inoxidable o de grafito. En una segunda forma de ejecucion alternativa, la cubierta externa comprende una chapa curvada cillndricamente, cuyos bordes se superponen en direccion axial. De manera adicional, la cubierta externa puede estar revestida. De este modo, por ejemplo es posible utilizar para la cubierta externa acero inoxidable revestido con grafito. El grafito puede encontrarse presente por ejemplo en forma de un fieltro de grafito. De manera alternativa tambien es posible utilizar fieltro de grafito como material para la cubierta externa.
Cuando la capa externa comprende una chapa curvada cillndricamente, cuyos bordes se superponen en direccion axial, se considera ademas preferente que este comprendida una base que, con un borde curvado hacia arriba, rodea la chapa curvada cillndricamente o que es rodeada por la chapa curvada cillndricamente, de manera que la base es relativamente desplazable con respecto a la cubierta externa durante la fabricacion del desplazador.
De manera adicional con respecto a la cubierta externa, en otra forma de ejecucion, el desplazador presenta tambien una cubierta interna, donde el desplazador esta estructurado en ese caso como cuerpo hueco. Entre la cubierta interna y la cubierta externa de acero inoxidable o de grafito se encuentra un nucleo de un metal no ferreo.
Como material no ferreo para el desplazador son adecuados por ejemplo el aluminio, el cinc o al menos una aleacion que contiene uno de esos metales.
Para producir el desplazador, la lamina de acero inoxidable o grafito o la chapa curvada cillndricamente, y eventualmente la base, se colocan en el electrolito solido. Se considera preferente en particular que la lamina o la chapa curvada cillndricamente y eventualmente la base, se situen de forma adyacente en el electrolito solido. A continuacion se introduce el metal no ferreo. Despues, el metal no ferreo, junto con el electrolito solido y la lamina de acero inoxidable o la lamina de grafito, es calentado hasta que el mismo puede deformarse plasticamente, pero aun no se encuentra en estado de fusion. De manera alternativa tambien es posible introducir una pieza en bruto ya calentada de un metal no ferreo.
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Sobre el metal no ferreo se ejerce una presion interna, de manera que con el metal no ferreo la lamina o la chapa y eventualmente la base pueden ser presionadas en el electrolito solido. Al enfriarse, el metal no ferreo se contrae, donde la lamina o la chapa curvada cillndricamente y eventualmente la base se adhieren en el metal no ferreo, de manera que entre el electrolito solido y la lamina o la chapa curvada cillndricamente, y eventualmente la base de acero inoxidable o de grafito, se forma una abertura. Esa abertura es lo suficientemente grande, de manera que metal alcalino fundido puede fluir a traves de la abertura, entrando en contacto con el electrolito solido, de manera que el dispositivo electroqulmico puede ser operado.
Junto con la produccion a traves de la colocacion de una lamina o una chapa para la cubierta externa y con la introduccion subsiguiente del metal no ferreo tambien es posible introducir en el electrolito solido una pieza en bruto de metal no ferreo, revestida con grafito o acero inoxidable, calentarla, y despues presionar en el electrolito solido aplicando una presion interna. El calentamiento puede efectuarse antes o despues de la introduccion de la pieza en bruto revestida, de metal no ferreo.
Puesto que el acero inoxidable solo es electricamente conductor de forma moderada, se considera preferente que el desplazador comprenda adicionalmente medios para la conduccion de corriente. A traves de los medios para la conduccion de corriente se asegura un suministro de corriente regular tanto en la carga, como tambien durante la descarga. Como medios para la conduccion de corriente son adecuados por ejemplo colectores de corriente distribuidos de forma regular sobre la circunferencia del desplazador, los cuales, en una forma de ejecucion preferente, estan realizados de un tubo de acero inoxidable cerrado en ambos lados, en donde se encuentra colocado un nucleo de un material electricamente buen conductor. El tubo de acero inoxidable se situa de forma adyacente completamente en el nucleo de material electricamente buen conductor. A traves del tubo de acero inoxidable, el nucleo electricamente buen conductor es protegido del deterioro a traves del azufre y del polisulfuro en el caso de una rotura del electrolito solido.
En una forma de ejecucion alternativa, los medios para la conduccion de corriente comprenden un revestimiento de toda la superficie o estructurado, de un material electricamente buen conductor, en el lado interno del desplazador.
Como material electricamente buen conductor para los medios para la conduccion de corriente se consideran adecuados por ejemplo el cobre, el aluminio, la plata o el oro. Si se utiliza un colector de corriente con un tubo de acero inoxidable, el material electricamente buen conductor tambien puede ser el sodio. En el caso de una temperatura de servicio de generalmente 300°C, el sodio es llquido, pero no puede escapar debido al tubo de acero inoxidable. De manera especialmente preferente, el material electricamente buen conductor es cobre o aluminio. Junto con el metal puro pueden emplearse tambien mezclas o aleaciones que contengan al menos uno de los metales mencionados. Sin embargo, se considera preferente la utilizacion en un estado no mezclado o no aleado.
Para garantizar un buen funcionamiento de la unidad de electrodo es necesario que los medios para la conduccion de corriente esten conectados de modo que se produzca una buena conduccion electrica con el desplazador. Para ello, en caso de utilizar colectores de corriente, por ejemplo es posible soldar los colectores de corriente respectivamente con el desplazador. No obstante, se considera preferente apretar los colectores de corriente en cavidades del desplazador. De manera preferente, los colectores de corriente estan dispuestos en el lado externo del desplazador.
Para conectar los colectores de corriente de forma fija con el desplazador, por ejemplo es posible realizar las cavidades en forma de una omega, donde el diametro de la omega corresponde al diametro externo del alambre. En el caso de una realizacion correspondiente de las cavidades, los alambres pueden ser apretados en las cavidades respectivamente con una union estable, estableciendo un contacto regular con el desplazador sobre toda la longitud.
Cuando el desplazador comprende una cubierta externa y un nucleo de un metal no ferreo, es posible utilizar el nucleo de metal no ferreo para la conduccion de corriente.
El electrodo del lado del electrolito solido, en donde se encuentra el espacio para el material de catodo, puede estar realizado tal como se conoce por el estado del arte.
En particular en el caso de dispositivos electroqulmicos de gran tamano para el almacenamiento de energla electrica, a continuacion llamados tambien baterlas, para mantener un funcionamiento regular de todo el electrodo, en una forma de ejecucion preferente para dispositivos de gran tamano para el almacenamiento de energla electroqulmico, la pared tubular o de chapa plana se encuentra estructurada en forma de una chapa ondulada, de manera que entre el llmite del material de electrodo poroso y la pared tubular o de chapa ondulada se forman canales longitudinales orientados perpendicularmente de forma alternada, los cuales sin embargo pueden comunicarse con las cavidades huecas del material de electrodo. En los canales longitudinales mencionados, impulsado por la diferencia de presion por ejemplo entre el polisulfuro y el azufre, se forma un flujo de conveccion que durante la carga se orienta hacia arriba y durante la descarga se orienta hacia abajo.
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En una forma de ejecucion especialmente preferente, el material de electrodo poroso esta dividido en segmentos longitudinales, donde entre los segmentos longitudinales preferentemente estan dispuestos bloqueos de flujo para forzar un intercambio de masa, de material de catodo llquido, entre el electrodo poroso y el canal longitudinal.
En otra forma de ejecucion, los segmentos de electrodo poroso se encuentran en forma de camaras, adicionalmente mediante paredes de segmentos cerrados lateralmente, para forzar una afluencia y una salida apropiadas desde el electrodo poroso. De este modo, la pared del segmento, en esta forma de ejecucion preferente, presenta varias hileras de aberturas de entrada y de aberturas salida alineadas transversalmente con respecto a la direccion de flujo, donde las aberturas de entrada y las aberturas de salida se alternan respectivamente en la direccion de flujo y, en la direccion de flujo, respectivamente antes de las aberturas de entrada y despues de las aberturas de salida, estan alojados bloqueos de flujo en el electrodo poroso.
Al descargar la baterla, es decir, al emitir energla electrica, el material de catodo ingresa en el electrodo poroso a traves de aberturas de entrada, reaccionando electroqulmicamente con el material de anodo. El producto de la reaccion sale entonces a traves de aberturas de salida. Los bloqueos de flujo en el electrodo poroso sirven para que el producto de la reaccion sea forzado a salir en las aberturas de salida, de manera que el producto de la reaccion no pueda continuar fluyendo hacia el electrodo poroso. Esto posibilita que el material de catodo pueda ingresar en el electrodo poroso a traves de las aberturas de entrada que siguen a las aberturas de salida y que all! pueda reaccionar. Gracias a ello, toda la longitud del electrodo puede utilizarse de modo uniforme para la reaccion electroqulmica del material de anodo con el material de catodo.
Para poder aprovechar toda la superficie del electrodo poroso, se considera ademas preferente que respectivamente a una hilera de aberturas de salida siga inmediatamente una hilera de aberturas de entrada. En ese caso, el material de catodo que eventualmente no ha reaccionado y el producto de la reaccion fluyen hasta un bloqueo de flujo y salen desde el electrodo a traves de las aberturas de salida y, directamente debajo del bloqueo de flujo material de catodo fresco que reacciona con el material de anodo, es suministrado al electrodo poroso.
Para evitar que el producto de la reaccion formado en el electrodo poroso, el cual sale a traves de las aberturas de salida, ingrese nuevamente en el electrodo poroso, directamente en las aberturas de entrada situadas detras, se considera ademas preferente que las aberturas de entrada que siguen a las aberturas de salida en la direccion de flujo del material de catodo, se encuentren dispuestas desplazadas con respecto a las aberturas de salida.
De este modo, por ejemplo es posible realizar las aberturas de entrada y las aberturas de salida respectivamente con una seccion transversal rectangular y, respectivamente entre dos aberturas de entrada contiguas, as! como dos aberturas de salida contiguas, proporcionando en la anchura de las aberturas de entrada, as! como de salida, un elemento de union del electrodo plano. Para la disposicion desplazada, respectivamente a una abertura de entrada sigue el elemento de union entre dos aberturas de salida y a una abertura de salida sigue el elemento de union entre dos aberturas de entrada.
Junto con una conformacion con aberturas de entrada y aberturas de salida rectangulares, tambien es posible realizar las aberturas de entrada y las aberturas de salida con cualquier otra forma. De este modo, pueden estar realizadas por ejemplo de forma circular, semicircular, de forma ellptica, ovalada, triangular o en forma de un pollgono con cualquier cantidad de lados. Se considera preferente una forma circular, semicircular o rectangular de las aberturas de entrada y las aberturas de salida. Tambien es posible proporcionar aberturas de entrada y aberturas de salida de diferente forma, donde se considera preferente que las aberturas de entrada y las aberturas de salida presenten la misma forma.
De acuerdo con la invencion, la pared del segmento se encuentra conectada al electrodo poroso de forma electricamente conductora. Durante la descarga del dispositivo, la tension electrica que se libera en la reaccion electroqulmica del material de anodo con el material de catodo es conducida a la pared del segmento mediante el electrodo poroso y puede ser extralda de la pared del segmento. Se considera como especialmente preferente que la pared del segmento se encuentre conectada de forma electricamente conductora a uno o a varios conductores colectores. Para evitar el riesgo, condicionado por el material, de una reaccion exotermica no deseada del conductor de corriente con azufre o polisulfuro, en una forma de ejecucion preferente, los colectores conductores estan revestidos de materiales que son buenos conductores como aluminio, cobre o sodio con acero inoxidable, o se encuentran en forma de camaras. El conductor colector puede estar realizado tambien en forma de una tapa la cual, preferentemente, esta disenada de manera que a traves de la tapa se forman canales de flujo a lo largo del electrodo. De manera alternativa tambien es posible proporcionar una tapa realizada de manera que a lo largo del electrodo se conformen canales de flujo que proporcionan el contacto electrico a traves de la tapa, disponiendo el conductor colector por fuera de la tapa. Sin embargo, se considera preferente realizar la tapa de forma electricamente conductora, como un conductor colector. Se considera aun mas preferente que en la tapa esten alojados adicionalmente electrodos de barra, donde los electrodos de barra preferentemente estan realizados de un material electricamente buen conductor que difiere del material de la tapa. Los electrodos de barra pueden estar colocados por ejemplo por fuera en la tapa o se encuentran rodeados por el material para la tapa. Preferentemente, los electrodos de barra individuales estan dispuestos de forma equidistante en la tapa. Por ejemplo, es posible
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disponer los electrodos de barra respectivamente entre dos canales de flujo. Sin embargo, de manera alternativa, los electrodos de barra pueden estar dispuestos tambien en el area de un canal de flujo.
En una forma de ejecucion especialmente preferente, para conformar los canales de flujo, la tapa esta realizada de forma ondulada, donde respectivamente los senos de la onda se situan de forma adyacente en el electrodo plano y los canales de flujo estan formados por las crestas de las ondas correspondientes. Junto con una realizacion en forma de ondas, de manera alternativa, tambien es posible realizar la tapa de forma plana con elementos de union, donde los canales de flujo respectivamente estan conformados entre dos elementos de union y los elementos de union para conformar los canales de flujo se situan de forma adyacente en el electrodo plano.
En una forma de ejecucion especialmente preferente, el electrolito solido esta disenado de forma cillndrica y el electrodo poroso rodea el electrolito solido. En ese caso, el material de anodo se encuentra en el interior del electrolito solido realizado de forma cillndrica y el material de catodo circula por fuera, a lo largo del electrodo poroso. En el caso de una realizacion cillndrica del electrolito solido, la pared del segmento, de manera preferente, esta formada por al menos un manguito que rodea el electrodo poroso. Las aberturas de entrada y las aberturas de salida estan realizadas en el manguito. Para mantener el flujo de corriente desde el electrodo poroso hacia el electrodo plano realizado en forma de manguito, el diametro externo del electrodo poroso corresponde al diametro interno del manguito. Debido a ello el manguito se situa de forma plana y adyacente en el electrodo poroso.
Cuando la pared del segmento esta formada solo por un manguito, entonces es posible conformar varias hileras de aberturas de entrada y de aberturas de salida en el manguito. Sin embargo, se considera preferente una realizacion con varios manguitos, donde las aberturas de entrada y las aberturas de salida, en ese caso, estan realizadas respectivamente en los extremos de un manguito. A modo de ejemplo, es posible disenar los extremos del manguito respectivamente en forma de un perfil rectangular. En el caso de un manguito, los perfiles rectangulares opuestos estan disenados de manera que los mismos se situan de forma opuesta a las cavidades. Sobre el electrodo se colocan varios manguitos unos detras de otros, los cuales respectivamente se encuentran rotados unos con respecto a otros, de manera que los salientes de un manguito se situan de forma opuesta con respecto a las areas sobresalientes situadas entre medio. De este modo, las aberturas de entrada y las aberturas de salida se forman a traves de las cavidades y de los manguitos contiguos.
En el caso de un electrolito solido realizado de forma cillndrica, la tapa esta realizada del mismo modo preferentemente como manguito y esta disenada de manera que los canales estan alineados en direccion axial a lo largo del electrodo poroso. De este modo, es posible realizar la tapa como manguito anular provisto de elementos de union, a traves de los cuales los canales de flujo individuales estan separados, o el manguito esta realizado en forma de ondas, de manera que los canales se conforman a traves de las crestas de las ondas y los senos de las ondas, donde las crestas de las ondas se situan de forma adyacente respectivamente en los manguitos que forman las paredes del segmento. Durante la descarga de la baterla, el material de catodo circula a traves de los canales de flujo e ingresa en el electrodo poroso respectivamente mediante aberturas de entrada, donde despues de la reaccion electroqulmica sale nuevamente desde las aberturas de salida como producto de la reaccion. A traves de la disposicion desplazada de aberturas de entrada y las aberturas de salida, el material que sale desde las aberturas de salida no puede ingresar directamente otra vez al electrodo poroso a traves de las aberturas de entrada consecutivas. Gracias a ello se asegura que a traves de las aberturas de entrada suficiente material de catodo que no ha reaccionado alcance el electrodo poroso.
Junto con la forma de ejecucion precedente, en donde las aberturas de entrada y las aberturas de salida sucesivas estan dispuestas directamente unas sobre otras y los canales de flujo estan realizados en direccion axial a lo largo del electrodo poroso, tambien es posible que los canales de flujo se extiendan en forma de un espiral. En el caso de una unidad de electrodo plana, los canales de flujo pueden extenderse en forma oblicua. En ese caso, preferentemente, la disposicion de las aberturas de entrada y las aberturas de salida es tal, que respectivamente en un canal de flujo una abertura de salida sigue a una abertura de entrada, y la abertura de entrada que sigue inmediatamente a la abertura de salida se situa en un canal de flujo contiguo. Tambien en este caso, a traves de la disposicion correspondiente de las aberturas de entrada y las aberturas de salida se asegura que el producto de la reaccion que sale desde las aberturas de salida no ingrese directamente a continuacion nuevamente en las aberturas de entrada, en el electrodo poroso.
Anteriormente se describieron los dispositivos de transporte y las vlas de transporte del material de catodo y del material de anodo, respectivamente para el proceso de descarga, en donde se genera corriente. Para cargar el dispositivo para almacenar energla electrica, el transporte tiene lugar en la direccion opuesta. En ese caso, el producto de la reaccion que se produce durante la descarga, a traves de las aberturas de salida, es conducido hacia el electrodo poroso, en el electrodo poroso reacciona formando material de anodo y material de catodo, y el material de catodo sale nuevamente a traves de las aberturas de entrada, desde el electrodo poroso, y fluye hacia un deposito de reserva. Los cationes formados durante el proceso de carga son transportados a traves del electrolito solido, absorben un electron y son transportados nuevamente al deposito de reserva como material de anodo neutral a traves del canal de flujo en el desplazador o a traves del dispositivo de suministro anular, a traves del cual el material de anodo circula durante la carga.
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La unidad de electrodo acorde a la invencion es adecuada en particular para ser utilizada en dispositivos para almacenar energla electrica, los cuales son operados con un metal alcalino como material de anodo. Como material de anodo son adecuados por ejemplo el litio, el sodio o el potasio, preferentemente el sodio o el potasio. El dispositivo para almacenar energla electrica se opera a una temperatura en la cual el metal alcalino utilizado se encuentra presente en estado llquido. Para proporcionar las temperaturas correspondientes, en este ejemplo en posible realizar el desplazador contenido en el electrolito solido de forma cillndrica al mismo tiempo como elemento calentador, de manera que a traves del mismo la temperatura en la unidad de electrodo puede mantenerse en un rango en el cual el material de anodo se encuentra presente en estado llquido. Puesto que el material de anodo es un metal llquido el mismo es electricamente conductor, de modo que puede utilizarse directamente como anodo. Para ello solo es necesario poner en contacto un conductor electrico con el material de anodo llquido, a traves del cual pueda circular la corriente.
Como material de catodo se utiliza un material que puede reaccionar qulmicamente con el material de anodo. Preferentemente, como material de catodo se utiliza azufre o polisulfuro.
En una forma de ejecucion preferente, como electrolito solido se utiliza una ceramica. Como material para el electrolito solido se considera especialmente preferente el oxido de aluminio p o el oxido de aluminio p”. Preferentemente el mismo es estabilizado, por ejemplo con MgO o U2O.
De manera alternativa con respecto al oxido de aluminio p o al oxido de aluminio p” tambien otros materiales ceramicos pueden utilizarse como electrolito solido. Por ejemplo, puede utilizarse la ceramica denominada como NASCION®, cuya composicion se indica en la solicitud EP-A 0 553 400. De manera alternativa con respecto a la ceramica pueden utilizarse tambien cristales conductores de iones de sodio o zeolitas y feldespato. Sin embargo, se consideran especialmente preferentes el sodio - oxido de aluminio p”, el sodio - oxido de aluminio p, sodio -oxido de aluminio p/p. Cuando el electrolito solido esta realizado de forma cillndrica, las ceramicas conductoras de iones de sodio preferentemente son tubos cerrados por debajo de un lado, abiertos arriba, de paredes delgadas. En ese caso, se considera preferente que los tubos presenten un diametro de 20 a 50 mm y una longitud en el rango de 0,5 m a 2 m. El grosor de la pared se ubica preferentemente en el rango de 0,5 mm a 3 mm, en particular en el rango de 1,5 mm a 2 mm.
El electrodo poroso esta realizado de un material que es inerte con respecto a las sustancias utilizadas en la reaccion electroqulmica. Como material para el electrodo es adecuado por ejemplo carbono, en particular en forma de grafito.
Para que las sustancias que participan en la reaccion electroqulmica puedan circular a traves del electrodo, de acuerdo con la invencion, este ultimo es poroso. Lo mencionado se logra por ejemplo debido a que el material de los electrodos porosos esta presente en forma de un filtro o de un producto textil no tejido. De manera especialmente preferente, el electrodo es un electrodo de fieltro de grafito.
Para evitar un contacto directo del electrodo con el electrolito solido, entre el electrodo poroso y el electrolito solido esta dispuesta preferentemente una capa cargada con electrolitos llquidos porosos, aislantes en cuanto a la conduccion de electrones. Dentro del marco de la presente invencion, como "aislante en cuanto a la conduccion de electrones" se entiende un material cuya resistencia especlfica presenta al menos 108 ohmios*cm y en particular al menos 109 ohmios*cm. El material para la capa aislante debe seleccionarse de manera que los cationes que son transportados a traves del electrolito solido puedan alcanzar el electrodo poroso tambien a traves de la capa aislante, donde la conductividad de los electrones es minima. Como material electricamente aislante que se encuentra dispuesto entre el electrolito solido y el electrodo se consideran adecuados por ejemplo los tejidos de aluminio anodizados o sulfuro - pasivados, fibras ceramicas, fibras de vidrio o tejido de carbono. A traves del material no electricamente conductor se evita que material de catodo no conductor, por ejemplo azufre, se deposite sobre el electrolito solido, limitando con ello el flujo durante la carga.
La pared del segmento, mediante la cual el electrodo poroso se encuentra unido con conduccion de corriente al el conductor colector, preferentemente esta realizada de un material metalico, en particular de acero. Se consideran adecuados los mismos aceros que pueden utilizarse tambien para el desplazador.
Si la pared del segmento esta realizada de acero, al igual que en el caso del desplazador, se considera preferente la utilizacion de medios adicionales para la conduccion de corriente. Puesto que la pared del segmento se encuentra en contacto a ambos lados con azufre y polisulfuro, no es posible aqui un revestimiento con un material electricamente buen conductor. Por lo tanto, como medios para la conduccion de corriente se consideran preferentes colectores de corriente compuestos por un tubo de acero inoxidable cerrado a ambos lados con un nucleo electricamente buen conductor, tal como el que se ha descrito mas arriba para el desplazador. A traves de la utilizacion de los medios para la conduccion de corriente se mejora la conductividad electrica del electrodo. En una forma de ejecucion especialmente preferente, el tubo de acero inoxidable del conductor colector adicionalmente se encuentra cromado.
Al igual que en el caso del desplazador se considera preferente disponer los alambres electricamente conductores con una union por apriete en senos de las ondas del electrodo plano disenado de forma ondulada.
De modo preferente, la tapa que forma los canales se encuentra realizada igualmente de un material electricamente conductor y, en una forma de ejecucion especialmente preferente, representa al mismo tiempo el conductor colector. 5 De manera alternativa tambien es posible proporcionar los conductores colectores por fuera de la tapa. Preferentemente, la tapa tambien se encuentra realizada de un material metalico, como por ejemplo de acero. Preferentemente se utiliza el mismo material que para la pared del segmento.
En las figuras se representan ejemplos de ejecucion de la presente invencion, los cuales se explican en detalle en la siguiente descripcion.
10 Las figuras muestran:
Figura 1: una representacion en seccion a traves de una unidad de electrodo realizada segun la invencion;
Figura 2: una vista superior de una unidad de electrodo realizada segun la invencion, con pared del segmento;
Figura 3: una representacion tridimensional de la unidad de electrodo segun la invencion, con pared del 15 segmento;
Figura 4: una representacion en seccion de un desplazador realizado segun la invencion;
Figura 5: una representacion en seccion de un electrodo plano realizado segun la invencion;
Figura 6: un desplazador realizado segun la invencion en una segunda forma de ejecucion;
Figura 7: un desplazador realizado segun la invencion en una tercera forma de ejecucion;
20 Figura 8: el desplazador segun la figura 7 como seccion longitudinal;
Figura 9: la estructura del desplazador en una forma de ejecucion con una chapa curvada de forma cillndrica como cubierta, antes del moldeo con el nucleo;
Figura 10: la estructura del desplazador con cubierta externa curvada cillndricamente y base, antes del moldeo con el nucleo.
25 En la figura 1 se representa una unidad de electrodo acorde a la invencion, en forma de una seccion longitudinal.
Una unidad de electrodo 1 comprende un electrolito solido 3 que en la forma de ejecucion aqul representada esta disenado de forma cillndrica y que en un lado se encuentra cerrado. El electrolito solido 3 generalmente es una membrana ceramica, la cual es permeable para cationes especiales. Del modo antes descrito, como material para el electrolito solido 3 se considera adecuado por ejemplo el oxido de aluminio p”.
30 Al electrolito solido 3 le sigue una capa intermedia 5 aislante con respecto a la conduccion de electrones. La capa intermedia 5 aislante con respecto a la conduccion de electrones es por ejemplo un tejido de aluminio pasivado, por ejemplo un tejido de aluminio anodizado o sulfuro - pasivado, fibras ceramicas, fibras de vidrio o tejido de carbono. De manera alternativa, como capa intermedia 5 aislante con respecto a la conduccion de electrones, tambien es posible colocar un revestimiento especial sobre el electrodo poroso. En este contexto, aislante con respecto a la 35 conduccion de electrones significa que la resistencia especlfica de la capa es superior a 108 ohmios*cm, preferentemente superior a 109 ohmios*cm y en particular superior a 2 x 109 ohmios*cm.
La capa intermedia 5 aislante con respecto a la conduccion de electrones esta rodeada por un electrodo poroso 7. El electrodo poroso 7 esta realizado por ejemplo de un fieltro de grafito. El electrodo poroso 7, en una forma de ejecucion preferente, tal como se representa en las figuras 2 y 3, esta rodeado por una pared del segmento 9. En la 40 forma de ejecucion aqul representada con electrolitos solidos 3 cilfndricos, la pared del segmento 9 esta realizada en forma de un manguito.
A la pared del segmento 9 le sigue una tapa 11. La tapa 11, en la forma de ejecucion aqul representada, esta realizada en forma de un tubo de envoltura que presenta una seccion transversal ondulada. La tapa 11 realizada en forma de un tubo de envoltura se situa de forma adyacente respectivamente con los senos de las ondas en la pared 45 del segmento 9, formando canales 13 a lo largo de la pared del segmento 9, a traves de las crestas de las ondas. A
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traves de los canales 13 material de catodo circula durante la carga o la descarga. Del modo antes descrito, el material de catodo es por ejemplo azufre o un polisulfuro alcalino.
En las formas de ejecucion representadas en las figuras 2 y 3, durante el funcionamiento de la unidad de electrodo 1, en el caso de una descarga, el material de catodo circula a traves de las aberturas de entrada 15, desde el canal de flujo 13, hacia el electrodo poroso 7, y all! se reduce electroqulmicamente formando un anion. Con los cationes transportados igualmente hacia el electrodo poroso 7 a traves del electrolito solido 3, el anion reacciona formando una sal. De manera especialmente preferente, los cationes son iones de metal alcalino, de manera que en el electrodo poroso 7 se forma una sal de metal alcalino, en particular un polisulfuro de metal alcalino, de forma especialmente preferente polisulfuro de sodio. El producto de la reaccion formado en electrodo poroso 7, por ejemplo el polisulfuro de metal alcalino, sale nuevamente mediante aberturas de salida 17 desde el electrodo poroso 7 hacia el canal de flujo 13.
La cantidad de manguitos utilizados para la pared del segmento 9 depende de la altura del manguito y de la longitud de la unidad de electrodo, donde tambien puede ser mayor que la cantidad aqul representada. Tambien es posible proporcionar solo un manguito y conformar en el manguito varias hileras de aberturas de entrada 15 y aberturas de salida 17.
Para poder emitir una potencia electrica constante independientemente del estado de descarga, el electrodo poroso 7 esta segmentado a traves de bloqueos de flujo 19. El bloqueo de flujo 19 impide que producto de la reaccion formado en el electrodo poroso 7 pueda continuar fluyendo en el area de las aberturas de salida 17, a traves del electrodo poroso 7. A traves del bloqueo 17 se asegura que todo el material salga desde el electrodo poroso 7, en el area de la abertura de salida 17, hacia el canal de flujo 13. Gracias a ello se asegura que hacia un segmento consecutivo del electrodo poroso 7 se suministre material de catodo fresco, mejorando con ello el rendimiento de la unidad de electrodo 1. Para que el material que ha salido en una abertura de salida 17 no ingrese inmediatamente al siguiente segmento del electrodo poroso, las aberturas de entrada 15 que siguen a las aberturas de salida 17 se encuentran dispuestas desplazadas con respecto a las aberturas de salida 17.
La corriente que se libera durante la descarga es captada mediante una conexion de corriente 21. Los respectivos segmentos del electrodo poroso 7 estan en contacto con la conexion de corriente 21. El contacto tiene lugar por ejemplo mediante la pared del segmento 9 y la tapa 11. Tanto la pared del segmento 9, como tambien la tapa 11, estan realizadas de forma electricamente conductora. De manera alternativa tambien es posible conectar los electrodos porosos 7, los cuales estan rodeados por las paredes del segmento 9, respectivamente con un conductor central que se encuentra en contacto con la conexion de corriente 21. Tambien es posible cualquier otra posibilidad conocida por el experto para el contacto electrico del electrodo poroso 7.
En la forma de ejecucion simplificada que se muestra en la figura 5, la estructura no contiene paredes del segmento. Los electrodos porosos 7 poseen un contacto directo con respecto a la tapa 11 ondulada, de manera que aqul tambien conforman canales de flujo 13 orientados de forma vertical. Los conductores de alimentacion de corriente se encuentran en un contacto electrico directo con respecto al electrodo poroso 7.
Durante la descarga, el electrodo poroso 7 es el catodo. El anodo esta formado por material de anodo que se encuentra sobre el lado del electrolito solido 3 que esta situado de forma opuesta con respecto al electrodo poroso 7. En la forma de ejecucion aqul representada con electrolitos solidos 3 cillndricos, el material de anodo se encuentra en el interior del electrolito solido 3. Para poder mantener al mlnimo la cantidad de material de anodo, en el electrolito solido 3 se encuentra un desplazador 23. El desplazador 23 esta realizado de manera que entre el electrolito solido 3 y el desplazador 23 se conforma una abertura 25. El material de anodo se encuentra en la abertura 25. Cuando como material de anodo se utiliza un metal alcalino, el propio material de anodo es electricamente conductor y puede ser utilizado directamente como electrodo, durante la descarga, como anodo. A modo de ejemplo, es posible que el desplazador 23 sea electricamente conductor y que el desplazador 23 forme la conexion de corriente.
Para suministrar el material de anodo, en el desplazador 23 esta realizado un canal 27. El material de anodo circula a traves del canal 27 hacia la abertura 25, formando cationes durante la reduccion electroqulmica, los cuales alcanzan el electrodo poroso 7 a traves del electrolito solido 3 que conduce los cationes, donde los mismos reaccionan de forma neutralizante con los aniones all! formados.
Para regular la temperatura requerida para el funcionamiento, para que material de anodo y material de catodo permanezcan en un estado de fusion, es posible ademas calentar el desplazador 23. El calentamiento puede efectuarse de forma electrica, por ejemplo con un elemento calentador.
En una forma de ejecucion especial, el calentamiento tiene lugar con una potencia de calentamiento diferente distribuida sobre la longitud de la unidad de electrodo, de manera que arriba se calienta mas y abajo menos. Debido a ello se logra que el metal alcalino enfriado por debajo del punto de fusion y el material de catodo que lo rodea se
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funda desde arriba hacia abajo en forma de un cono de fusion, de modo que a traves de la masa fundida encerrada no pueden producirse presiones que actuan de forma perjudicial.
Para la carga, la sal, por ejemplo polisulfuro de sodio, es suministrada mediante los canales 13, ingresa al electrodo poroso a traves de las aberturas de salida 17 y, a traves de una tension aplicada, se separa en iones de sodio y azufre, donde los iones de sodio circulan a traves del electrolito solido 3, hacia la abertura 25, y pueden salir a traves del canal 27. El azufre sale a traves de las aberturas de entrada 15 en la pared del segmento 9, desde el electrodo poroso 7, hacia el canal de flujo 13. El flujo comienza debido a la diferencia de densidad entre el polisulfuro de sodio y el azufre. Puesto que el polisulfuro de sodio presenta una densidad mayor que el azufre, el polisulfuro desciende formando as! un flujo, de modo que la unidad de electrodo 1 puede ser operada de forma continua, siempre que se encuentre presente una reserva de metal alcalino y de azufre.
El azufre y el metal alcalino estan almacenados en depositos dispuestos separados unos de otros, donde el deposito para el azufre puede rodear por ejemplo tambien la tapa 11, donde el mismo puede circular mediante los canales 13 formados por la tapa 11, hacia el electrodo poroso 7. La sal formada es recolectada igualmente en el deposito para azufre. Debido a la diferencia de densidad se forma un sistema de dos fases, donde el polisulfuro de sodio se encuentra debajo y el azufre se encuentra arriba.
La figura 2 muestra una vista superior de la unidad de electrodo 1 realizada segun la invencion. En la vista superior representada en la figura 2 puede observarse en particular la conformacion ondulada de la tapa 11 realizada como tubo de envoltura. La tapa 11 ondulada, con los senos de las ondas 9, se situa de forma adyacente en la pared del segmento 9, formandose canales 13 individuales a traves de las crestas de las ondas 31 que se alternan con los senos de las ondas 29. Durante la descarga, el material de catodo circula hacia los canales 13 que estan formados por las crestas de las ondas 31, ingresando entonces en el electrodo poroso a traves de aberturas de entrada 15. El material que no alcanza el electrodo poroso 7 continua atravesando el canal de flujo 13. En las aberturas de salida 17, el material que circula a traves del canal se mezcla con el material que sale, de modo que en aberturas de entrada 15 consecutivas, en el mismo canal de flujo 13, ingresa una mezcla que contiene una proporcion mayor de material de catodo que no ha reaccionado que el material que sale desde las aberturas de salida.
En la figura 3 se representa de forma tridimensional la unidad de electrodo acorde a la invencion, donde la tapa 11, para representar los elementos de construccion situados debajo, presenta un corte. El mismo no se encuentra presente en la unidad de electrodo 1 montada. En la representacion de la figura 3 puede observarse que las aberturas de salida 17 estan dispuestas desplazadas con respecto a las aberturas de entrada 15 consecutivas. Gracias a ello se evita que material proveniente de una abertura de salida 17 pueda fluir directamente hacia la siguiente abertura de entrada 15. En la forma de ejecucion aqul representada, las aberturas de entrada 15 y las aberturas de salida 17 estan realizadas respectivamente con una seccion transversal rectangular, donde entre dos aberturas de entrada 15, as! como dos aberturas de salida 17, se encuentra respectivamente una prolongacion 33 del electrodo 9 plano realizado como manguito, la cual presenta la misma anchura que la siguiente abertura de entrada 15, as! como que la abertura de salida 17 precedente.
En la forma de ejecucion aqul representada, los electrodos 9 planos estan realizados como manguitos separados que respectivamente en un extremo presentan las aberturas de entrada 15 y en el otro extremo las aberturas de salida 17. La conformacion en manguitos individuales permite un montaje y una fabrication mas sencillos. De manera alternativa, sin embargo, tambien es posible proporcionar solo un manguito, en donde estan realizadas las aberturas de entrada 15 y las aberturas de salida 17. No obstante, se considera preferente la conformacion con manguitos separados, en cuyos extremos estan realizadas respectivamente aberturas de entrada 15 y aberturas de salida 17. En una forma de ejecucion especialmente preferente, respectivamente en un manguito, las aberturas de entrada 15 y las aberturas de salida 17 se encuentran realizadas con una alineacion axial unas con respecto a otras. Ademas, junto con las aberturas de entrada 15 y las aberturas de salida 17 rectangulares tambien es posible realizar las aberturas de entrada y las aberturas de salida con cualquier otra forma. De este modo, por ejemplo es posible realizar las aberturas en forma de un semiclrculo o de media elipse, o tambien como un triangulo, cuando las aberturas se encuentran respectivamente en el extremo del manguito. Si solo se proporciona un electrodo plano en donde estan conformadas varias hileras de aberturas de entrada 15 y aberturas de salida 17, entonces estas tambien pueden estar realizadas con cualquier otra forma, por ejemplo de forma ellptica, circular, triangular o poligonal, con cualquier cantidad de lados.
Junto con la forma de ejecucion aqul representada con electrolitos solidos 3 cillndricos y, con ello, igualmente con electrodos porosos 7, tambien es posible conformar la unidad de electrodo 1 con cualquier otra seccion transversal y tambien como unidad de electrodo plana. No obstante, se considera preferente la unidad de electrodo 1 de forma cillndrica, tal como se representa en este caso.
Para poder realizar una longitud mayor de la unidad de electrodo 1 pueden proporcionarse tambien mas paredes del segmento 9 conformadas como manguitos, que las dos aqul representadas.
En la figura 4 se muestra una representacion en seccion a traves de un desplazador realizado segun la invencion.
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Preferentemente, el desplazador 23 esta fabricado de acero inoxidable. Para evitar un dano del electrolito solido 3 a traves de la expansion termica del desplazador 23, preferentemente, el desplazador 23 esta disenado de modo que el mismo se situa de forma adyacente y elastica en el electrolito solido 3. La colocacion elastica en el electrolito solido puede realizarse por ejemplo a traves de un diseno con salientes 35 y cavidades 37. Esto conduce por ejemplo a un diseno ondulado del desplazador 23. A traves de la colocacion elastica del desplazador 23 pueden compensarse diferencias de fabrication del contorno interno del electrolito solido 3 y diferencias en el caso de la expansion termica. Ademas, en particular cuando se proporcionan conductores de corriente 39 adicionales, tambien es posible realizar las cavidades 37 en forma de una omega, en donde los conductores de corriente 39 se encuentran apretados con la seccion transversal circular.
En la forma de ejecucion aqul representada, los conductores de corriente 39 presentan una cubierta en forma de un tubo 41 cerrado en ambos lados y un nucleo 43 de un material electricamente buen conductor. El nucleo 43 se situa con toda su circunferencia en el tubo 41. Del modo antes descrito, de manera preferente, el tubo esta realizado de un acero inoxidable y el nucleo esta realizado de aluminio, cobre, plata, oro o sodio. A traves de la utilization de los conductores de corriente 39 se mejora la conductividad electrica del desplazador 23 realizado de acero inoxidable comparativamente mal conductor. A traves de la utilizacion del tubo 41 de acero inoxidable el conductor de corriente 39 es protegido contra la corrosion y, en el caso de una falla del electrolito solido 3, contra una reaction intensa con el material de catodo.
Generalmente el desplazador es hueco en el interior. El area interna 45 del desplazador puede ser utilizada por ejemplo para alojar un recipiente que contiene sodio. Preferentemente, el recipiente esta realizado tambien de acero inoxidable.
La figura 5 muestra una representation en section del electrodo plano, en una forma de ejecucion de la invention.
El electrolito solido 3 esta rodeado por una capa 5 electricamente aislante y por un electrodo poroso 7. Despues del electrodo poroso 7 se encuentra la tapa 11, la cual en el ejemplo de ejecucion aqul representado esta disenada de forma ondulada. A traves del diseno ondulado de la tapa 11 se forman canales de flujo 13 que son atravesados por azufre y polisulfuro.
Si la tapa 11 esta realizada de un acero, para mejorar las propiedades electricas es necesario proporcionar conductores de corriente 47 adicionales. Preferentemente, los conductores de corriente 47 estan dispuestos sobre el lado de la tapa 11 que senala hacia el electrolito solido 3. En la forma de ejecucion aqul representada, los conductores de corriente 47 estan alojados en canales de flujo 23 del electrodo plano. Las geometrlas de los canales de flujo 23 y los conductores de corriente 47 estan adaptadas unas a otras, de manera que un conductor de corriente 47 se situa de forma adyacente en toda la superficie, en la pared de un canal de flujo 13. Para evitar una reaccion no deseada del conductor de corriente con el azufre, as! como con el polisulfuro, el conductor de corriente 47, como el conductor de corriente 39 dispuesto en el lado del desplazador, esta realizado con una cubierta de un tubo de acero inoxidable 49 cerrado a ambos lados, y con un nucleo 51 de un material electricamente buen conductor. El material electricamente buen conductor, de manera preferente, es cobre, aluminio, plata u oro, donde de forma especialmente preferente es cobre o aluminio.
Junto con una disposition en el segundo canal de flujo 13, tal como se representa en este caso, es posible tambien cualquier otra distribution regular o irregular de los conductores de corriente 39. De este modo, por ejemplo en el caso de una distribucion regular, tambien es posible proporcionar los conductores de corriente solamente en cada tercer o en cada cuarto canal de flujo 13.
Junto con la forma de ejecucion aqul mostrada tambien es posible disponer conductores de corriente en el lado de la tapa 11 que se distancia del electrolito solido 3. En ese caso se considera preferente poner en contacto el material electricamente buen conductor con el material de la tapa 11, por ejemplo a traves de un revestimiento o tambien a traves de una union por apriete de un alambre proveniente del material electricamente buen conductor en un seno de la onda distanciado del electrolito solido 3, de la tapa 11 realizada de forma ondulada. Para impedir una reaccion del material electricamente buen conductor con azufre o con polisulfuro, en este caso, una tapa no representada rodea el electrodo plano y, con ello, tambien el material electricamente buen conductor. Como material para la tapa se selecciona preferentemente el mismo material que para la tapa 11.
En la figura 6 se representa un desplazador en una segunda forma de ejecucion. En este caso, el desplazador comprende una cubierta externa 62 de un acero inoxidable, donde la cubierta externa de situa de forma adyacente y elastica en el electrolito solido 3. En la forma de ejecucion aqul representada, la cubierta externa esta realizada de forma ondulada, presentando de forma alternada senos de las ondas 29 y crestas de las ondas 31. Esa forma de la cubierta externa es adecuada para compensar desviaciones de fabricacion del contorno interno del electrolito solido y diferencias en el caso de la expansion termica. En el lado interno, a continuation de la cubierta externa 62, se encuentra un nucleo 64 de un metal no ferreo y una cubierta interna 63 de acero inoxidable. El nucleo, a modo de ejemplo, puede ser vertido entre la cubierta interna 63 y la cubierta externa 62 durante la fabricacion. Preferentemente lo mencionado tiene lugar dentro del electrolito solido 3, para que el desplazador 23 se adapte al
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contorno del electrolito solido 3. Como metal no ferreo para el nucleo 64 son adecuados por ejemplo el aluminio, el cinc, el cobre o aleaciones que contienen al menos uno de esos metales. En el desplazador representado en la figura 6 se considera preferente ademas que el nucleo se utilice para el suministro de corriente.
En la forma de ejecucion representada en la figura 6, en los senos de las ondas 29 estan introducidos rieles del perfil 66. A traves de los rieles del perfil 66, se reduce el volumen libre entre el electrolito solido 3 y el desplazador 23, de manera que se reduce aun mas el espacio que puede ocupar el metal alcalino llquido.
En las figuras 7 y 8 se representa un desplazador en otra forma de ejecucion. El desplazador 3 comprende una cubierta externa 62, una cubierta interna 63 y un nucleo 64. La cubierta externa 62 y la cubierta interna 63 estan realizadas de un acero inoxidable o de grafito. Como material para el nucleo 64 se utiliza un metal no ferreo. Para la produccion del desplazador 23, para formar la cubierta externa 62, se utiliza una cobertura de chapa de acero, de un acero inoxidable o de una lamina de acero inoxidable, de manera que la misma cabe con una dimension inferior en el contorno interno del electrolito solido 3. En el espacio interno formado por la cobertura de chapa de acero, para la formacion de la cubierta interna 63, se coloca concentricamente un cuerpo interno de chapa de acero. El cuerpo interno de chapa de acero puede estar estructurado del mismo modo que la cobertura de chapa de acero para la cubierta externa 62. En el espacio entre la cobertura de chapa de acero y el cuerpo interno de chapa de acero es vertido bajo presion el metal no ferreo, preferentemente aluminio, cinc o una aleacion que contiene al menos uno de esos metales, debido a lo cual se forma el nucleo 64. Debido a la presion, la cobertura de chapa de acero es presionada en el contorno interno del electrolito solido 3, adaptandose a la forma del electrolito solido 3, de modo que pueden compensarse desviaciones de fabricacion.
Despues de ser vertido, el metal no ferreo se solidifica y continua enfriandose. Debido a la diferente contraccion al enfriarse, entre el electrolito solido 3 y la cubierta externa 62 se forma una abertura de contraccion 67 minima definida, de modo que queda solo poco lugar para el metal alcalino. En esta forma de ejecucion, el suministro de corriente, al igual que en el caso de la forma de ejecucion representada en la figura 6, tiene lugar a traves del nucleo 64.
De manera alternativa con respecto al vertido en el espacio intermedio entre la cobertura de chapa de acero para la cubierta externa 62 y el cuerpo interno de chapa de acero para la cubierta interna 63, tambien es posible colocar primero la cobertura de chapa de acero para la cubierta externa 62 en el electrolito solido 3 y colocar un cuerpo hueco, por ejemplo de una aleacion de aluminio resistente al calor. El cuerpo hueco de la aleacion de aluminio resistente al calor corresponde igualmente a la geometrla interna del electrolito solido, pero en comparacion con la cobertura de chapa de acero para la cubierta externa 62 presenta una dimension inferior.
En el caso de una temperatura por debajo de la temperatura de fusion del cuerpo hueco, donde el material del cuerpo hueco sin embargo puede deformarse plasticamente, a traves de la sobrepresion interna y a la deformacion plastica ocasionada por la misma, el cuerpo hueco se adapta a la pared interna del electrolito solido. De este modo se compensan imprecisiones de la fabricacion en cuanto al contorno ideal del electrolito solido 3. La cobertura de chapa de acero, a traves del ajuste por presion del cuerpo hueco, es presionada en el contorno interno del electrolito solido 3, adaptandose al mismo. Al enfriarse, debido a la diferente contraccion termica, se forma una abertura de contraccion 67 minima definida entre el contorno interno del electrolito solido 3 y la cobertura de chapa de acero que forma la cubierta externa 62. Gracias a ello, el espacio para el metal alcalino llquido se mantiene al minimo. Preferentemente, el suministro de corriente tiene lugar mediante el cuerpo hueco que forma el nucleo 64.
En las figuras 9 y 10 se representa otra posibilidad para la fabricacion del desplazador 23.
La estructura del desplazador 23 terminado corresponde esencialmente a aquella representada en las figuras 7 y 8. No obstante, para la fabricacion de la cubierta externa no se utiliza una cobertura de chapa de acero cerrada sino una chapa curvada cilindricamente 61 de acero inoxidable, por ejemplo de una lamina de acero inoxidable. La chapa curvada cilindricamente 61 presenta una costura longitudinal abierta, en la cual la misma se superpone con sus bordes. Debido a ello es posible una adaptacion al contorno interno del electrolito solido 3. La cubierta de la base, con la cual el desplazador 23 es cerrado hacia abajo, puede formar parte de la chapa curvada cilindricamente 61 o puede ser un componente separado, tal como se representa en la figura 10. En ese caso, la base 69 presenta un borde 68 que senala hacia arriba, el cual rodea la chapa curvada cilindricamente 61. Las dimensiones de la chapa curvada cilindricamente 61 y de la base 69 son similares al contorno interno del electrolito solido 3, pero en comparacion con el mismo poseen una dimension inferior. Para fabricar el desplazador, la chapa curvada cilindricamente 61 y eventualmente la base 69 separada de la misma, es introducida en el electrolito solido 3, de manera que la chapa curvada cilindricamente 61 y eventualmente la base 69 se colocan de forma elastica en el contorno interno del electrolito solido 3. A continuacion se introduce un cuerpo hueco 60, preferentemente de una aleacion de aluminio resistente al calor, el cual presenta una geometria similar al contorno interno del electrolito solido, donde sin embargo, en comparacion con este ultimo, presenta una dimension inferior. En el caso de una temperatura en la cual el material del cuerpo hueco 60 puede deformarse plasticamente, pero aun se ubica por debajo de la temperatura de fusion del material del cuerpo hueco 60, el cuerpo hueco se adapta a la pared interna del electrolito solido a traves de la sobrepresion interna y a la deformacion plastica ocasionada por la misma. La
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chapa curvada cilindricamente 61 situada entre el cuerpo hueco y eventualmente la base 69 son presionadas contra el contorno interno del electrolito solido 3, de manera que pueden adaptarse al mismo. Al enfriarse, debido a la diferente contraccion se conforma una abertura de contraccion, de manera que solo queda poco espacio para el metal alcalino. Al mismo tiempo, a traves de la presion, tambien se cierra la abertura en la chapa curvada cilindricamente 61, de modo que en el caso del desplazador 23 terminado nada de metal alcalino entra en contacto con el material del cuerpo hueco 60 que forma el nucleo 64. Preferentemente, el suministro de corriente tiene lugar del mismo modo que en las formas de ejecucion antes descritas, mediante el nucleo 64 de un metal no ferreo o de una aleacion que contiene el metal no ferreo.
Lista de referencias
I unidad de electrodo 3 electrolito solido
5 capa aislante con respecto a la conduccion de electrones 7 electrodo poroso 9 pared del segmento
II tapa
13 canal de flujo 15 abertura de entrada 17 abertura de salida 19 bloqueo de flujo 21 conexion de corriente 23 desplazador 25 abertura 27 canal
29 seno de la onda 31 cresta de la onda 33 prolongacion 35 saliente 37 cavidad 39 conductor colector 41 tubo 43 nucleo
45 area interna del desplazador 23 47 conductor colector 49 tubo de acero inoxidable
51 nucleo
60 cuerpo hueco
61 chapa curvada cillndricamente
62 cubierta externa
5 63 cubierta interna
64 nucleo
65 espacio interno
66 riel del perfil
67 abertura de contraccion
10 68 borde curvado hacia arriba
69 base

Claims (16)

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    REIVINDICACIONES
    1. Unidad de electrodo para un dispositivo electroquimico, el cual comprende un electrolito solido (3), as! como un electrodo poroso (7), donde el electrolito solido (3) separa un espacio para material de catodo y un espacio para material de anodo, y el electrodo poroso (7) esta unido de forma plana al electrolito solido (3), donde en el espacio para material de anodo esta alojado un desplazador (23), caracterizada porque el desplazador comprende una cubierta externa (62) compuesta por acero inoxidable o grafito, y un nucleo (64) compuesto por un metal no ferreo, donde el metal no ferreo puede deformarse termoplasticamente a una temperatura que es inferior a la temperatura en la cual el acero inoxidable puede deformarse termoplasticamente, y donde para producir el desplazador (23) la cubierta externa (62) de acero inoxidable o grafito es presionada en el electrolito solido (3) a traves de la introduccion y el calentamiento del metal no ferreo, y al enfriarse se forma una abertura entre el electrolito solido (3) y la cubierta externa (62) de acero inoxidable o grafito.
  2. 2. Unidad de electrodo segun la reivindicacion 1, caracterizada porque la cubierta externa comprende una base (69) que, con un borde (68) curvado hacia arriba, rodea la chapa (61) curvada cillndricamente o la cual es rodeada por la chapa (61) curvada cillndricamente, de manera que la base (69) puede desplazarse relativamente con respecto a la cubierta externa durante la produccion del desplazador (23).
  3. 3. Unidad de electrodo segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizada porque el desplazador (23) se encuentra estructurado como cuerpo hueco, con una cubierta interna (63) y una cubierta externa (62) de acero inoxidable, as! como con un nucleo (64) de metal no ferreo situado entre medio.
  4. 4. Unidad de electrodo segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el metal no ferreo es cinc, aluminio o una aleacion que contiene al menos uno de esos metales.
  5. 5. Unidad de electrodo segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la cubierta externa (62) de acero inoxidable o grafito es una lamina flexible o una chapa (61) curvada cillndricamente, cuyos bordes se superponen en direccion axial.
  6. 6. Unidad de electrodo segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el desplazador (23) comprende medios para la conduccion de corriente (39).
  7. 7. Unidad de electrodo segun la reivindicacion 6, caracterizada porque los medios para la conduction de corriente (39) comprenden un tubo de acero inoxidable (41) cerrado a ambos lados, con un nucleo (43) de un material electricamente buen conductor y se encuentran dispuestos en cavidades (37) del desplazador (23), o porque los medios para la conduccion de corriente comprenden un revestimiento de un material electricamente buen conductor en el lado interno del desplazador (23).
  8. 8. Unidad de electrodo segun la reivindicacion 7, caracterizada porque los medios para la conduccion de corriente (39) que comprenden un tubo de acero inoxidable (41) cerrado a ambos lados con un nucleo (43) de un material electricamente buen conductor estan apretados en las cavidades (37).
  9. 9. Unidad de electrodo segun la reivindicacion 7 u 8, caracterizada porque el material electricamente buen conductor esta seleccionado del grupo compuesto por cobre, aluminio, plata, oro, sodio, as! como mezclas y aleaciones que contienen al menos uno de esos metales.
  10. 10. Unidad de electrodo segun una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque el electrolito solido (3) esta realizado en forma cillndrica y el electrodo poroso (7) rodea el electrolito solido (3), donde el espacio para el material de anodo esta rodeado por el electrolito solido (3).
  11. 11. Unidad de electrodo segun una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque en el desplazador (23) esta realizado un canal (27) a traves del cual es suministrado el material de anodo.
  12. 12. Unidad de electrodo segun una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque el electrolito solido (3) esta realizado de oxido de aluminio p”.
  13. 13. Unidad de electrodo segun una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque el material de anodo es un metal alcalino.
  14. 14. Unidad de electrodo segun una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizada porque el material de catodo es azufre o polisulfuro.
  15. 15. Utilizacion de la unidad de electrodo segun una de las reivindicaciones 1 a 14 en un dispositivo para almacenar energla electrica o en una celda de electrolisis.
  16. 16. Utilizacion de la unidad de electrodo segun la reivindicacion 15, caracterizada porque el dispositivo para almacenar energla electrica o la celda de electrolisis comprenden un metal alcalino llquido y azufre o polisulfuro
    5 como electrolito.
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