ES2620238T3 - Celda electroquímica con ánodo de combustible de andamio escalonado - Google Patents

Abstract

Un método para operar una celda electroquímica, en donde la celda comprende: un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables dispuestos en relación separada; un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible; un electrodo de carga separado del electrodo de combustible, el electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste de (a) el electrodo oxidante, y (b) un electrodo de carga separado espacio del electrodo oxidante; un medio iónicamente conductor que comunica los electrodos; la serie de cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible comprende: un cuerpo de electrodo permeable próximo, cerca del electrodo de carga; un cuerpo de electrodo permeable distal, lejos del electrodo de carga; en donde el cuerpo de electrodo próximo tiene un tamaño plano más pequeño que el cuerpo de electrodo distal; en donde el método comprende: cargar la celda electroquímica al: i. aplicar la corriente eléctrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible donde el electrodo de carga funciona como un ánodo y al menos un cuerpo de electrodo permeable que funciona como un cátodo, de manera que los iones de combustible reducibles se reduzcan y electrodepositen como combustible en forma oxidable sobre al menos uno cuerpo de electrodo permeable; ii. dicha electrodeposición ocasiona la expansión del combustible entre los cuerpos de electrodo permeables de manera que el combustible electrodepositado establece una conexión eléctrica entre los cuerpos de electrodo permeables; y iii. eliminar la corriente eléctrica para discontinuar la carga.

Description

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DESCRIPCION

Celda electroqmmica con anodo de combustible de andamio escalonado

La presente solicitud reclama prioridad a la Solicitud Provisional de Estados Unidos con num. de Serie 61/358,339. Campo

La presente solicitud se refiere a una celda electroqmmica para generar energfa, y mas particularmente a una celda que usa combustible electrodepositado.

Antecedentes

Las publicaciones de solicitud de patente de Estados Unidos nums. 2009/0284229 A1 y 201 1/0086278 A1 cada una describe una celda de metal-aire con un anodo formado de una serie de cuerpos de electrodo permeables separados. El combustible de metal se reduce y electrodeposita sobre los cuerpos de electrodo. Un reto con este tipo diseno es asegurar que la expansion no acorte prematuramente los cuerpos de electrodo adyacentes, reduciendo asf la oportunidad de crecimiento denso entre los cuerpos.

La presente solicitud intenta proporcionar una configuracion mejorada de celda, que puede usarse con celdas tales como las descritas en las solicitudes referenciadas anteriormente, en donde el combustible es electrodepositado sobre los cuerpos de electrodos.

Breve descripcion de la invencion

Un aspecto de la invencion proporciona un metodo para operar una celda electroqmmica. La celda comprende un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables dispuestos en relacion separada, y un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible. Un electrodo de carga esta separado del electrodo de combustible. El electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste de (a) electrodo oxidante', y (b) un electrodo de carga separado. Es decir, el electrodo de carga puede ser el electrodo oxidante, o puede ser un tercer electrodo en el sistema. Un medio ionicamente conductor comunica los iones entre los electrodos. Los iones pueden estar en forma ionica libre, o en una forma molecular o compleja. Las series de cuerpos de electrodo permeables comprenden un cuerpo de electrodo permeable proximo, cerca del electrodo de carga, y un cuerpo de electrodo permeable distal, lejos del electrodo de carga. A lo largo de al menos una porcion de un borde periferico del electrodo de combustible, un borde del cuerpo de electrodo permeable proximo esta localizado hacia adentro de un borde del cuerpo de electrodo permeable distal. El metodo comprende: cargar la celda electroqmmica al:

i. aplicar una corriente electrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodo permeables con el electrodo de carga que funciona como un anodo y al menos un cuerpo de electrodo permeables que funciona como un catodo, de manera que los iones de combustible reducibles se reduzcan y electrodepositen como combustible en forma oxidable sobre al menos un cuerpo de electrodo permeables;

ii. dicha electrodeposicion ocasiona la expansion del combustible entre los cuerpos de electrodo permeables de manera que el combustible electrodepositado establece una conexion electrica entre los cuerpos de electrodo permeables; y

iii. eliminar la corriente electrica para discontinuar la carga.

Otro aspecto de la invencion proporciona una celda electroqmmica. La celda comprende un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables dispuestos en relacion separada, y un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible. Un electrodo de carga esta separado del electrodo de combustible. El electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste de (a) electrodo oxidante y (b) un electrodo de carga separado. Un medio ionicamente conductor ayuda a transportar iones entre los electrodos. La serie de cuerpos de electrodo permeables comprende un cuerpo de electrodo permeable proximo, cerca del electrodo de carga, y un cuerpo de electrodo permeable distal, lejos del electrodo de carga. A lo largo de al menos una porcion de borde periferico del electrodo de combustible, un borde del cuerpo de electrodo permeable proximo esta localizado hacia adentro de un borde del cuerpo de electrodo permeable distal. Adicionalmente, la relacion separada de los cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible permite que se aplique una corriente electrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodo permeables. En tal configuracion, el electrodo de carga funcionana como un anodo y al menos un cuerpo de electrodo permeable funcionana como un catodo. Esto resultana en la reduccion de los iones de combustible reducibles y se electrodeposicion como combustible en forma oxidable sobre al menos un cuerpo de electrodo permeable (actuando como un catodo). La electrodeposicion ocasiona la expansion del combustible entre los cuerpos de electrodo permeables para que el combustible electrodepositado establezca una conexion electrica entre los cuerpos de electrodo permeables.

Otro aspecto de la invencion proporciona un metodo para operar una celda electroqmmica. La celda comprende un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables dispuestos en relacion separada. Un electrodo oxidante esta separado del electrodo de combustible. Un electrodo de carga tambien esta

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presente. Un medio ionicamente conductor comunica los electrodos. A lo largo de al menos una porcion de un borde periferico del electrodo de combustible, los bordes de los cuerpos de electrodo permeables estan dispuestos en una configuracion escalonada hacia adentro en una primera direccion. El metodo comprende: cargar la celda electroqmmica al:

i. aplicar una corriente electrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible con el electrodo de carga funcionando como un anodo y al menos un cuerpo de electrodo permeable funcionando como un catodo, para que se reduzcan los iones de combustible reducibles y se electrodepositen como combustible en forma oxidable sobre al menos un cuerpo de electrodo permeable;

ii. dicha electrodeposicion ocasiona la expansion del combustible entre los cuerpos de electrodo permeables en la primera direccion para que e I combustible electrodepositado establezca una conexion electrica entre los cuerpos de electrodo permeables; y

iii. eliminar la corriente electrica para discontinuar la carga.

Otro aspecto de la invencion se refiere a una celda electroqmmica. La celda comprende un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables dispuestos en relacion separada. Un electrodo oxidante esta separado del electrodo de combustible. Un electrodo de carga esta presente. Un medio ionicamente conductor comunica los electrodos. A lo largo de al menos una porcion de un borde periferico del electrodo de combustible, los bordes de los cuerpos de electrodo permeables estan dispuestos en una configuracion escalonada hacia adentro en una primera direccion. La relacion separada de los cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible permite que se aplique una corriente electrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible con el electrodo de carga funcionando como un anodo y al menos un cuerpo de electrodo permeable funcionando como un catodo, para que se reduzcan los iones de combustible reducibles y se electrodepositen como combustible en forma oxidable sobre al menos un cuerpo de electrodo permeable, consecuentemente la electrodeposicion ocasiona la expansion del combustible entre los cuerpos de electrodo permeables en la primera direccion para que el combustible electrodepositado establezca una conexion'* electrica entre los cuerpos de electrodo permeables.

Otros aspectos de la presente invencion resultaran evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada, las figuras anexas, y las reivindicaciones anexas.

Breve descripcion de los dibujos

Ahora se describiran modalidades de la invencion, a manera de ejemplo unicamente, con referencia a los dibujos esquematicos anexos en donde sfmbolos de referencia correspondientes indican partes correspondientes, y en donde: La Figura 1 ilustra una vista transversal de un sistema de celda electroqmmica que incluye dos celdas electroqmmicas; La Figura 2 ilustra una vista en explosion del sistema de celda electroqmmica de la Figura 1;

La Figura 3 ilustra un soporte de electrodo de una de las celdas electroqmmicas de la Figura 1;

La Figura 4 ilustra el soporte de electrodo de la Figura 3 que soporta un electrodo de combustible y una pluralidad de separadores conectados al soporte de electrodo;

La Figura 5 ilustra uno de los separadores de la Figura 4 con mayor detalle;

La Figura 6 ilustra una conexion entre el separador de la Figura 5 y el soporte de electrodo de la Figura 3 con mayor detalle;

La Figura 7 ilustra una zona de fluidizacion definida en parte por el soporte de electrodo de la Figura 3 con mayor detalle;

La Figura 8 es una vista esquematica aislada de una modalidad de una celda electroqmmica que muestra una pluralidad de cuerpos de electrodo y la expansion de combustible electrodepositado sobre estos;

La Figura 9 muestra el progreso de la expansion de la Figura 8;

La Figura 10 muestra el progreso continuo de la expansion en las Figuras 8 y 9;

La Figura 11 es una vista esquematica similar a la Figura 8, pero que muestra una modalidad alternativa;

La Figura 12 muestra una vista esquematica similar a la Figura 8, pero que muestra incluso otra modalidad alternativa;

La Figura 13 es una vista esquematica aislada de una porcion de los cuerpos de electrodo de una celda similar a aquellas en las

Figuras 8-12, que muestra la expansion de combustible electrodepositado sobre estos, y que resalta efectos de borde perjudiciales;

La Figura 14 es una vista esquematica aislada de una porcion de una modalidad de una celda de la presente invencion, en donde los cuerpos de electrodo tienen una configuracion de andamio escalonado, que muestra la expansion de combustible electrodepositado sobre estos;

La Figura 15 muestra el progreso de la expansion en la Figura 14;

La Figura 16 muestra el progreso continuo de la expansion en las Figuras 14 y 17;

La Figura 17 muestra una vista esquematica similar a la Figura 14, pero que muestra incluso otra modalidad alternativa; La Figura 18 es una vista esquematica similar a la Figura 14, pero que muestra una modalidad alternativa;

La Figura 19 muestra una vista esquematica similar a la Figura 14, pero que muestra incluso otra modalidad alternativa; La Figura 20 muestra una vista transversal similar a la Figura 1, pero que muestra una modalidad alternativa con la configuracion de andamio escalonado;

La Figura 21 muestra una vista en explosion de la modalidad de la Figura 20;

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Las Figuras 22a a 22c muestran vistas esquematica aisladas de diferentes modalidades de los cuerpos de electrodo en vistas en explosion y transversales; y

Las Figuras 23a a 23c muestran modalidades alternativas de los cuerpos de electrodo en las Figuras 22a a 22c, que tienen una orientacion diferente.

Descripcion detallada

Los principios de la presente invencion pueden aplicarse ampliamente a cualquier celda electroqmmica en donde un combustible, tal como un combustible de metal, se electrodeposita sobre el anodo. Tales celdas pueden incluir batenas, tales como batenas de metal-aire, por ejemplo. Las Figuras ilustran modalidades de los varios aspectos de las invenciones reclamadas. Estas modalidades de ninguna forma pretenden ser limitantes, y estan hechas unicamente como ejemplos para facilitar un entendimiento de los principios de las invenciones reclamadas.

Por ejemplo una celda electroqmmica 10 con la cual los principios de la presente invencion pueden usarse puede tener cualquier construccion o configuracion, y los ejemplos aqm descritos no pretenden ser limitantes. Por ejemplo, la celda 10 puede construirse de acuerdo con cualquiera de las siguientes solicitudes de patente: Num. de serie 12/385,217 (Publicacion de Solicitud de Patente de Estados Unidos num. 2011/0039181 A1), num. de serie 12/385,489 (Publicacion de Solicitud de Patente de Estados Unidos num. 2009/0284229 A1), num. de serie 12/631,484 (Publicacion de Solicitud de Patente de Estados Unidos num. 2010/0316935 A1), num. de serie 12/549,617 (Publicacion de Solicitud de Patente de Estados Unidos num. 2010/0119895 A1), num. de serie 12/776,962 (Publicacion de Solicitud de Patente de Estados Unidos num. 2010/0285375 A1), num. de serie 12/885,268 (Publicacion de Solicitud de Patente de Estados Unidos num. 2011/0070506 A1), num. de serie 13/019,923, 12/901,410 (Publicacion de Solicitud de Patente de Estados Unidos num. 2011/0086278 A1), nums. de serie 13/083,929, 13/028,496, 13/085,714, 61/334,047, 61/365,645, 61/378,021, 61/439,759, 61/394,954, y 61/383,510. Las modalidades ilustradas muestran la aplicabilidad de la presente invencion a una celda electroqmmica 10 que tiene una configuracion similar a la encontrada en 12/901,410, sin embargo esto no debe ser considerado como limitante de ninguna forma.

Las Figuras 1 y 2 ilustran un sistema de celda electroqmmica 10 que incluye dos celdas electroqmmicas 10 de conformidad con una modalidad de la invencion. Como se ilustra, cada celda 10 incluye un electrodo de combustible 12 y un electrodo oxidante 14 que esta separado del electrodo de combustible 12 (es decir, primeros y segundos electrodos, respectivamente). El electrodo de combustible 12 esta soportado con un soporte de electrodo 16. El sistema electroqmmico 100 tambien incluye una cubierta 19 que se utiliza para cubrir las celdas electroqmmicas 10 sobre un lado del sistema 100, mientras uno de los soportes de electrodo 16 se utiliza, para cubrir el lado opuesto del sistema 100, como se ilustra en la Figura 1.

En una modalidad, el electrodo de combustible 12 es un electrodo de combustible de metal que funciona como un anodo cuando la celda 10 opera en un modo de descarga, o de generacion de electricidad, se discute con mas detalle mas abajo. En una modalidad, el electrodo de combustible 12 puede comprender un cuerpo de electrodo permeables 12a, tal como una pantalla que esta hecha de cualquier formacion capaz de capturar y retener, a traves de electrodeposicion, o de otra forma, partfculas o iones de combustible de metal de un medio ionicamente conductor presente dentro de la celda 10, como se discute con mas detalle mas abajo. En varias modalidades, el electrodo de combustible 12 puede comprender fibras de carbono, laton, bronce, acero inoxidable, mquel, monel (aleacion de mquel- cobre), cualquier otro material de alta conductividad, o cualquier otro material.

El combustible puede ser un metal, tal como hierro, zinc, aluminio, magnesio, o litio. Por metal, este termino pretende abarcartodos los elementos considerados como metales en la tabla periodica, que incluyen pero no limitado a metales alcalinos, metales alcalinoterreos, lantanidos, actmidos, y metales de transicion, ya sea en forma atomica, molecular (que incluye hforidos de metal), o de aleacion cuando se recolectan sobre el cuerpo de electrodo. Sin embargo, la presente invencion no pretende estar limitada a cualquier combustible espedfico, y pueden usarse otros. El combustible puede proporcionarse a la celda 10 como partfculas suspendidas en el medio ionicamente conductor.

El medio ionicamente conductor puede ser una solucion acuosa. Los ejemplos de medios adecuados incluyen soluciones acuosas que comprenden acido sulfurico, acido fosforico, acido triflflico, acido mtrico, hidroxido de potasio, hidroxido de sodio, cloruro de sodio, nitrato de potasio, o cloruro de litio. En una modalidad, el medio ionicamente conductor puede comprender un electrolito. El medio puede usar ademas un solvente no acuoso o un lfquido ionico. En la modalidad no limitante aqm descrita, el medio es hidroxido de potasio acuoso.

El combustible puede oxidarse en el electrodo de combustible 12 cuando el electrodo de combustible 12 esta operando como un anodo, y un oxidante, tal como un oxfgeno, puede reducirse en el electrodo oxidante 14 cuando el electrodo oxidante 14 esta operando como un catodo, que es cuando la celda 10 se conecta a una carga y la celda 10 esta en modo de descarga o de generacion de electricidad, como se discute con mas detalle mas abajo. Las reacciones que ocurren durante el modo de descarga generan precipitados de producto secundario, por ejemplo, una especie de combustible reducible, en el medio ionicamente conductor. Por ejemplo, en modalidades en donde el combustible es zinc, se genera oxido de zinc como una especie de precipitado/combustible reducible de producto secundario. Durante un modo de recarga, el cual se discute con mas detalle mas abajo, los precipitados de producto secundario, por ejemplo, oxido de zinc, pueden reducirse irreversiblemente y depositarse como el combustible, por ejemplo, zinc sobre

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el electrodo de combustible 12, que funciona como un catodo durante el modo de recarga. Durante el modo de recarga, el electrodo oxidante 14, un electrodo de carga separado 70 (es decir, un tercer electrodo), descrito a continuacion, o un cuerpo del mismo electrodo de combustible, tambien descrito a continuacion, funciona como el anodo. El cambio entre los modos de descarga y recarga se discute con mas detalle a continuacion.

El soporte de electrodo 16 define una cavidad 18 en donde se mantiene el electrodo de combustible 12. El soporte de electrodo 16 tambien define una entrada 20 y una salida 22 para la celda 10. La entrada 20 esta configurada para permitir que el medio ionicamente conductor ingrese a la celda 10 y/o recircule a traves de la celda 10. La entrada 20 puede conectarse a la cavidad 18 a traves de un canal de entrada 24, y la salida 22 puede conectarse a la cavidad 18 a traves de un canal de salida 26. Como se discutio en la Figura 3, el canal de entrada 24 y el canal de salida 26 cada uno puede proporcionar una trayectoria serpenteante tortuosa a traves de la cual puede fluir el medio ionicamente conductor. La trayectoria serpenteante definida por el canal de entrada 24 preferentemente no incluye ninguna esquina puntiaguda en la cual el flujo del medio pueda estancarse o en donde pueda recolectarse cualquiera de las partfculas en el medio. Como se discute en mas detalle a continuacion, la longitud de los canales 24, 26 puede disenarse para proporcionar una resistencia ionica aumentada entre celdas que estan conectadas fluidamente en serie. Puede usarse cualquier construccion o configuracion, y la modalidad descrita no es limitante.

Para cada celda 10, puede unirse un medio de sello permeable 17 entre superficies de sellado sobre los soportes de electrodo 16 y/o la cubierta 19, segun sea apropiado, para abarcar al menos el electrodo de combustible 12 en la cavidad 18. El miembro de sello 17 tambien cubre los canales de entrada y salida 24, 26. El miembro de sello 17 es no conductor y electroqmmicamente inerte, y esta preferentemente disenado para ser permeable al medio ionicamente conductor en la direccion ortogonal (es decir, a traves de su grosor), sin permitir el transporte lateral del medio ionicamente conductor. Esto permite que el medio ionicamente conductor permee a traves del miembro de sello 17 para permitir que la conductividad del ion con el electrodo oxidante 14 sobre el lado opuesto soporte las reacciones electroqmmicas, sin "absorber" el medio ionicamente conductor lateralmente hacia afuera desde la celda 10. Algunos ejemplos no limitantes de un material adecuado para el miembro de sello 17 son EPDM y TEFLON®.

En la modalidad ilustrada, la cavidad 18 tiene una seccion transversal generalmente rectangular, o cuadrada que coincide substancialmente con la forma del electrodo de combustible 12. Un lado de la cavidad 18, espedficamente, el lado de la cavidad 18 que esta conectado al canal de entrada 24, incluye una pluralidad de zonas de fluidizacion 28 que estan conectadas cada una al canal de entrada 24 a traves de un colector que incluye una pluralidad de entradas de cavidad 34 de modo que cuando el medio ionicamente conductor y los precipitados o especies de combustible reducibles entren a la cavidad 18, el medio ionicamente conductor y el combustible entran a las zonas de fluidizacion 28. Como se muestra con mayor detalle en la Figura 7, cada zona de fluidizacion 28 se define parcialmente por dos superficies 30, 32 que estan anguladas con respecto una a la otra pero que no se tocan entre sf para definir superficies divergentes con respecto a un eje que se extiende desde la entrada 34 a traves del centro de la zona de fluidizacion 28. En la modalidad ilustrada, las superficies 30, 32 definen substancialmente una "V" con una parte inferior abierta que esta abierta a la entrada 34, como se ilustra en la Figura 3. Aunque la modalidad ilustrada muestra las superficies 30, 32 como siendo relativamente rectas, las superficies pueden ser curveadas o parcialmente curveadas, siempre y cuando las superficies 30, 32 sean divergentes de la entrada 34.

Las zonas de fluidizacion 28 estan configuradas de manera que el medio ionicamente conductor con partfculas fluya dentro de la cavidad 18 a traves del canal de entrada 24, las partfculas pueden fluir en el medio ionicamente conductor, que permite que las partfculas se dispersen mas uniformemente en el medio ionicamente conductor a medida que el medio ionicamente conductor contacte el electrodo de combustible 12. Esto es particularmente ventajoso cuando la celda electroqmmica 10 esta orientada con la parte inferior abierta de las zonas de fluidizacion con forma de V 28 que estan senalando hacia abajo, como se ilustra en la Figura 7. Esto se debe a que la gravedad tendera a hacer que las partfculas se acumulen en el extremo de entrada de la cavidad 18 entre el canal de entrada 24 y el canal de salida 26. Al hacer fluir las partfculas en el medio ionicamente conductor, y al proporcionar una cafda de presion a traves de la cavidad 18, como se discute con mas detalle mas abajo, las partfculas fluiran mas uniformemente a traves de la cavidad 18, substancialmente con menos o ninguna acumulacion en el extremo de entrada de la cavidad 18. Esto puede mejorar la eficiencia de la celda 10 al proporcionar una distribucion mas uniforme de las partfculas a traves de la superficie del electrodo de combustible 1 2.

Como se ilustra en la Figura 4, una pluralidad de separadores 40, cada uno de los cuales se extiende a traves del electrodo de combustible 12 en una relacion separada entre sf, esta conectada al soporte de electrodo 16 para que el electrodo de combustible 12 pueda mantenerse en su lugar con relacion al soporte de electrodo 16 y al electrodo oxidante 14. En una modalidad, el electrodo de combustible 12 puede contener una pluralidad de cuerpos de electrodo permeables 12a-12c, como se ilustra en la Figura 2, que pueden separarse por grupos de la pluralidad de separadores 40, para que cada grupo de separadores 40 este colocado entre cuerpos de electrodo adyacentes para aislar electricamente los cuerpos de electrodo 12a-12c entre st Dentro de cada grupo de separadores 40 entre los cuerpos de electrodo adyacentes, los separadores 40 estan colocados en una relacion separada en una forma que crea los asf denominados "carriles de flujo" 42 entre ellos, como se discute en mayor detalle a continuacion. Los carriles de flujo 42 son tridimensionales y tienen una altura que es substancialmente igual a la altura de los separadores 40. En una modalidad, los separadores pueden proporcionarse por un marco individual tal como recortes correspondientes a los carriles de flujo. En una modalidad, los carriles de flujo pueden incluir una estructura de espuma o tipo panal que esta

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configurada para permitir que el medio ionicamente conductor fluya a traves de ellos. En una modalidad, los carriles de flujo pueden incluir una disposicion de pasadores que estan configurados para interrumpir el flujo del medio ionicamente conductor a traves de los carriles de flujo. La modalidad ilustrada no pretende ser limitante de ninguna forma.

Los separadores 40 son no conductores ni electroqmmicamente inertes por lo que son inactivos con respecto a las reacciones electroqmmicas en la celda 10. Los separadores 40 se dimensionan preferentemente para que cuando se conecten al soporte de electrodo 16, los separadores 40 esten en tension, lo que permite que los separadores 40 se presionen contra el electrodo de combustible 12, o uno de los cuerpos de electrodo 12a-12c, para soportar el electrodo de combustible 12 o cuerpos del mismo en una relacion plana con relacion al soporte de electrodo 16. Los separadores 40 pueden hacerse de un material de plastico, tal como polipropileno, polietileno, noryl, fluoropolfmero, etc. que permite que los separadores 40 se conecten al soporte de electrodo 16 en tension.

En la modalidad ilustrada en la Figura 5, cada separador tiene una porcion media alargada 44, y una porcion de conexion formada 46 en cada extremo. Las porciones de conexion formadas 46 estan configuradas para soportarse por aperturas 48 que tienen formas substancialmente similares en el soporte de electrodo 16, como se ilustra en la Figura 6. En la modalidad ilustrada, las porciones formadas 46 y las aberturas 48 tienen una forma substancialmente triangular, aunque la forma ilustrada no pretende ser limitante de ninguna forma. La forma substancialmente triangular proporciona superficies 50 sobre los lados opuestos de la porcion alargada 44 del separador 40 que estan configuradas para contactar superficies correspondientes 52 sobre el soporte de electrodo 16. Debido a que la superficie 50, 52 estan anguladas con respecto a un eje mayor MA de la porcion alargada 44 del separador 40 y la tension en el separador 40 sera a lo largo del eje mayor MA, las fuerzas creadas por la tension pueden distribuirse a traves de una superficie mas grande, cuando se compara con una porcion formada que tiene una forma circular o cuadrada con la misma area.

Una vez que los separadores 40 se conectan al soporte de electrodo 16 a traves de las porciones de extremo 46, los carriles de flujo 42 se definen a traves de la cavidad 18 del soporte de electrodo 16. Los separadores 40 estan configurados para sellar esencialmente un carril de flujo 42a desde un carril de flujo adyacente 42b, que esta separado por uno de los separadores 40 para que el medio ionicamente conductor se grne para fluir en general substancialmente en una direccion. Espedficamente, el medio ionicamente conductor generalmente puede fluir en una primera direccion FD a traves del electrodo de combustible 12, desde el canal de entrada 24 hacia el canal de salida 26. Se genera una cafda de presion adecuada entre el canal de entrada 24 y las zonas de fluidizacion 28 para que el medio ionicamente conductor pueda fluir a traves de la cavidad 18 y hacia el canal de salida 26, incluso cuando la celda 10 este orientada para que el flujo sea substancialmente hacia arriba y contra la gravedad. En una modalidad, el medio ionicamente conductor tambien puede permear a traves del electrodo de combustible 12, o un cuerpo electrodo permeable individual 12a-12c, en una segunda direccion. SD y dentro de un carril de flujo que esta sobre el lado opuesto del electrodo de combustible 12 o el cuerpo de electrodo permeable 12a-12c.

De nuevo, la modalidad ilustrada no es limitante y simplemente muestra un ejemplo de trabajo para referencia. La configuracion de electrodo de combustible aqrn discutida puede usarse con cualquier configuracion de celda.

En una modalidad, el electrodo de combustible 12 esta conectado a una carga externa para que los electrones proporcionados por el combustible como el combustible se oxiden en el electrodo de combustible 12 para fluir a la carga externa. El electrodo oxidante 14 funciona como un catodo cuando el electrodo oxidante 14 esta conectado a la carga externa y la celda 10 opera en modo de descarga. Cuando funciona como un catodo, el electrodo oxidante 14 esta configurado para recibir electrones desde la carga externa y reducir un oxidante que contacta el electrodo oxidante 14. En una modalidad, el electrodo oxidante 14 comprende un electrodo de respiracion de aire y el oxidante comprende oxfgeno en el aire circundante.

El oxidante puede suministrarse al electrodo oxidante 14 mediante un sistema de transporte pasivo. Por ejemplo, en donde el oxfgeno presente en el afre ambiente es el oxidante, que simplemente expone el electrodo oxidante 14 al aire ambiente a traves de aberturas en la celda, de manera que las aberturas que se proporcionan mediante ranuras 54 en la cubierta 19 y ranuras 56 en el soporte de electrodo 16 proporcionado en el centro de sistema de celda electroqmmica 100, pueden ser suficientes para permitir difusion/permeacion de oxfgeno dentro del electrodo oxidante 14. Pueden utilizarse otros oxidantes adecuados y las modalidades aqrn descritas no estan limitadas al uso de oxfgeno como el oxidante. Puede colocarse un empaque periferico 15 entre la periferia del electrodo oxidante 14 y la cubierta 19 o el soporte de electrodo 16, segun sea apropiado, para prevenir que el medio ionicamente conductor se filtre alrededor del electrodo oxidante 14 y dentro del area en las ranuras 54, 56 para exposicion de aire.

En otras modalidades, se puede usar una bomba, tal como un soplador de aire, para suministrar el oxidante al electrodo oxidante 14 bajo presion. La fuente de oxidante puede ser una fuente contenida de oxidante. De forma similar, cuando el oxidante es oxfgeno desde el aire ambiente, la fuente de oxidante puede considerarse ampliamente como el mecanismo de suministro, ya sea pasivo o activo (por ejemplo, bombas, sopladores, etc.), con los cuales se permite que el aire fluya al electrodo oxidante 14. De esa forma, el termino "fuente de oxidante" pretende abarcar tanto oxidantes contenidos y/o disposiciones para suministrar pasiva o activamente oxfgeno del aire ambiente al electrodo oxidante 14.

La electricidad que puede extraerse por las cargas externas se genera cuando el oxidante en el electrodo 114 se reduce, mientras el combustible en el electrodo de combustible 12 se oxida a una forma oxidada. El potencial electrico

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de la celda 10 se vada una vez que el combustible en el electrodo de combustible 12 se oxida completamente o se detiene la oxidacion debido a la pasivacion del electrodo de combustible. Un interruptor puede colocarse entre el electrodo oxidante 14 y la carga para que el electrodo oxidante 14 pueda conectarse y desconectarse de la carga, como se desee.

Para limitar o suprimir la evolucion de hidrogeno en el electrodo de combustible 12 durante el modo de descarga y durante penodos de tiempo de apagado (circuito abierto), pueden agregarse sales para retrasar tal reaccion. Pueden utilizarse sales de estano, plomo, cobre, mercurio, indio, bismuto, y cualquier otro material que tiene un sobre-potencial de hidrogeno alto. Ademas, pueden agregarse sales de tartrato, fosfato, citrato, succinato, amonio y otros aditivos que suprimen la evolucion de hidrogeno. En una modalidad, las aleaciones de combustible de metal, tal como Al/Mg pueden utilizarse para suprimir evolucion de hidrogeno.

Despues que el combustible en la celda 10 se ha oxidado completamente, o en cualquier momento que sea deseable regenerar el combustible dentro de la celda 10 al reducir los iones de combustible oxidados de regreso a combustible, el electrodo de combustible 12 y el electrodo oxidante 14 pueden desacoplarse de la carga externa, y el electrodo de combustible es un electrodo de carga (que puede ser el electrodo oxidante en las mismas modalidades) esta acoplado a un suministro de energfa con el uso de interruptores adecuados. El suministro de energfa esta configurado para cargar la celda 10 al aplicar una diferencia potencial entre el electrodo de combustible 12 y el electrodo de carga para que las especies reducibles del combustible se reduzcan y electrodepositen sobre los cuerpos de electrodo permeables 12a-12c y la reaccion de oxidacion correspondiente se lleva a cabo en el electrodo de carga, que es tfpicamente la oxidacion de una especie oxidable para evolucionar a oxfgeno, que puede desgasificarse de la celda 10. Como se describe en detalle en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Serie num. 12/385,489, presentada el 9 de abril, 2009 e incorporada aqrn para referencia, unicamente de los cuerpos de electrodo permeables, tal como 12a, pueden conectarse al suministro de energfa para que el combustible se reduzca sobre el cuerpo de electrodo permeable y crezca progresivamente a y sobre otros cuerpos de electrodo permeables 12b-12c, uno por uno. Los interruptores pueden controlar cuando la celda 10 opera en modo de descarga y en modo.de carga, como se describe en mayor detalle mas abajo.

Puede proporcionarse cualquier mecanismo de control adecuado para controlar la accion de los interruptores entre las posiciones abiertas y cerradas. Por ejemplo, puede utilizarse un interruptor de rele que se desvfa hacia la posicion abierta, con una bobina inductiva acoplada al suministro de energfa que causa el cierre del interruptor cuando comienza la carga. Pueden utilizarse tambien interruptores de estado solido. Ademas, podna utilizarse un interruptor mas complejo que permita la conexion individual a los cuerpos de electrodo permeables 12a-12c para proporcionar la conexion/desconexion hacia y desde la carga, y hacia y desde uno al otro.

Regresando a la Figura 4, despues que el medio ionicamente conductor pasa a traves del electrodo de combustible 12, el medio puede fluir dentro del canal de salida 26 que esta conectado a las salidas 36 de la cavidad 18 del soporte de electrodo 16 y la salida 22. La salida 22 puede conectarse a la entrada 20 en modalidades en donde se recircula el medio en la celda 10, o a una entrada de una celda adyacente, como se discute en mayor detalle a continuacion, cuando una pluralidad de celdas 10 esta conectada de forma fluida en serie. En una modalidad, la salida 22 puede conectarse 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 conectarse de forma fluida en serie. Los detalles de modalidades de celdas que estan conectadas en serie se proporcionan en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos num. 12/631,484, presentada el 4 de diciembre, 2009. La salida 22 de una primera celda 10 puede conectarse de forma fluida a la entrada 20 de una segunda celda 10, y la salida 22 de la segunda celda 10 puede conectarse a la entrada 20 de una tercera celda, y asf sucesivamente. Aunque la modalidad de las Figuras 1 y 2 ilustra dos celdas 10, pueden apilarse celdas adicionales y conectarse de forma fluida a las celdas ilustradas. Debido a las trayectorias tortuosas, serpenteantes que se crean por el canal de entrada 24 y el canal de salida 26, descritos anteriormente e ilustrados en las Figuras 3 y 4, la longitud de los pasajes de flujo para el medio a traves de los canales 24, 26 es mayor que la distancia entre el electrodo de combustible 12 y el electrodo oxidante 14 en cada una de las celdas 10. Esto crea una resistencia ionica entre el par de celdas fluidamente conectadas que es mayor que una resistencia ionica dentro de una celda individual 10. Esto puede reducir o minimizar la perdida de resistencia ionica interna de la pila de celdas 10, como se discute en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos num. 12/631,484.

Las celdas tambien pueden conectarse de forma fluida en paralelo o en serie por el diseno de camaras de dispensador para eliminar o reducir corrientes de derivacion, tal como se describe en la Solicitud de Patente de Estados Unidos Serie num. 61/439,759. En operacion, el electrodo de combustible 12, que ya tiene un combustible de metal depositado en este, esta conectado a la carga y el electrodo oxidante 14 esta conectado a la carga. El medio ionicamente conductor entra a la entrada 20 bajo presion positiva y fluye a traves del canal de entrada 24, las entradas 34 de la cavidad 18, y dentro de las zonas de fluido 28 de los carriles de flujo 42. El medio ionicamente conductor fluye a traves de los cuerpos de electrodo permeables 12a-12c en los carriles de flujo 42 definidos por las porciones medias alargadas 22 de los separadores 40. El medio ionicamente conductor tambien puede permear a traves de los cuerpos de electrodo permeables 12a-12c del electrodo de combustible 12. El medio ionicamente conductor contacta simultaneamente el electrodo de combustible 12 y el electrodo oxidante 14, permitiendo consecuentemente que el combustible se oxide y conduce los electrones a la carga, mientras el oxidante se reduce en el electrodo oxidante 14 a traves de los electrones

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que se conducen al electrodo oxidante 14 por la carga. Despues que el medio ionicamente conductor ha pasado a traves de los carriles de flujo 42, el medio fluye fuera de la cavidad 18 a traves de las salidas 36 de la cavidad 18, a traves del canal de salida 24 y fuera de la salida 22 de la celda 10.

Cuando el potencial de la celda 10 se ha vaciado o cuando de otra forma es deseable recargar la celda 10, el electrodo de combustible 12 esta conectado a la terminal negativa del suministro de energfa y el electrodo de carga, que puede ser el electrodo oxidante 14, el electrodo de carga separado 70, o un cuerpo del mismo electrodo de combustible 12 esta conectado a la terminal positiva del suministro de energfa. En el modo de carga o recarga, el electrodo de combustible 12 se vuelve el catodo y el electrodo de carga 14, 70 se vuelve el anodo. Al proporcionar electrones a la carga de combustible 12, los iones de combustible pueden reducirse en combustible y redepositarse sobre los cuerpos de electrodo permeables 12a-12c, como se describe en mayor detalle a continuacion, mientras el medio ionicamente conductor circula a traves de la celda 10 de la misma forma como se describio anteriormente con respecto al modo de descarga.

Los carriles de flujo opcionales 42 proporcionan direccionalidad y distribucion del medio ionicamente conductor a traves del electrodo de combustible 12. Las zonas de fluidizacion opcional 28 agitan las partfculas y precipitados que han sido formados durante el modo de descarga de la celda 10 dentro del medio ionicamente conductor y previenen que las partfculas se asienten fuera del medio en el fondo de la cavidad, que permite que las partfculas fluyan con el medio ionicamente conductor a traves del electrodo de combustible 12. Los carriles de flujo 42 tambien pueden prevenir que las partfculas se asienten y/o cubran los electrodos. Cuando la celda 10 esta en un modo de carga, la distribucion mejorada de las partfculas a traves del electrodo de combustible 12 puede permitir una deposicion mas uniforme del combustible reducido sobre el electrodo de combustible 12, que mejora la densidad del combustible sobre el electrodo de combustible 12, y aumenta la capacidad e intensidad de energfa de la celda 10, mejorando consecuentemente la vida de ciclo de la celda 10. Ademas, al tener la capacidad de controlar la distribucion de los precipitados o el producto secundario de reaccion durante la descarga, la pasivacion/deposicion temprana del producto secundario sobre el electrodo de combustible 12 puede prevenirse. La pasivacion lleva a la utilizacion de combustible inferior y vida de ciclo inferior, que es indeseable.

La celda 10 descrita anteriormente se presenta aqrn para proporcionar contexto para varios aspectos de la presente invencion y no pretende ser limitante. De forma similar, las Figuras 8-12 y sus descripciones asociadas a continuacion se proporcionan como ejemplos previos para ilustrar en detalle la electrodeposicion de combustible de metal sobre el electrodo de combustible 12 en el contexto de configuraciones previas del electrodo de combustible 12 dentro de la celda 10. Siguiendo esta descripcion, la Figura 13 ilustra ineficiencias que pueden surgir con la celda 10 cuando el electrodo de combustible 12 tiene una configuracion similar a aquellas ilustradas en las Figuras 8-12. Las Figuras 14-22 y sus descripciones asociadas, sin embargo, presentan varios aspectos y modalidades de la presente invencion que pueden, entre otras cosas, mitigar las ineficiencias ilustradas en la Figura 13. Como en la celda 10 proporcionada para contexto anteriormente, las ultimas Figuras ilustran un electrodo de combustible 12 que tiene una serie de cuerpos de electrodo permeables 12a-c dispuestos en relacion separada a lo largo de una trayectoria de flujo. A pesar de la ilustracion de tres cuerpos de electrodo permeables 12a-c, puede utilizarse cualquier numero de cuerpos de electrodo permeables. Ademas, la electrodeposicion sobre el electrodo de combustible 12 como se describe aqrn puede encontrarse en cualquier tipo de celda electroqmmica, y no esta limitado al tipo ilustrativo de celda 10 descrito anteriormente. De esa forma, aunque la electrodeposicion se describe a continuacion con referencia a la celda 10, esto no pretende ser limitante. En donde se utilizan numeros de referencia entre las Figuras, se debe entender que se hace referencia a estructuras similares, y no es necesario repetir la descripcion de esas estructuras aqrn.

Las Figuras 8-10 muestran vistas ampliadas de un electrodo 12 que tiene configuracion similar a la descrita anteriormente. La celda 10 de las Figuras 8-10 incluye un electrodo de carga separado del electrodo de combustible 12. Como se muestra, el electrodo de carga puede ser un electrodo de carga separado 70 separado del electrodo de combustible 12 y el electrodo oxidante 14 descrito anteriormente. En algunas modalidades, el electrodo de carga separado 70 puede estar separado del electrodo de combustible 12 sobre el mismo lado que el electrodo oxidante 14, tal como al colocarse entre el electrodo de combustible 12 y el electrodo oxidante 14. En otra modalidad, el electrodo de combustible 12 puede estar entre el electrodo oxidante 14 y el electrodo de carga separado 70. Sin embargo, en algunas modalidades, el electrodo oxidante 14 puede usarse durante la carga como el electrodo de carga, y la presencia de un electrodo separado (es decir, el electrodo de carga separado 70) dedicado a la carga no es necesario. En otra modalidad, uno o mas de los cuerpos del electrodo de combustible 12 pueden funcionar como el electrodo de carga, como se discute a continuacion. En las Figuras, el electrodo de carga separado 70 se usa debido a que muchos electrodos adecuados para funcionar como un catodo de respiracion de aire no se desempenan bien en el papel anodico de un electrodo de carga. Sin embargo, la invencion no pretende ser limitante, y es posible seleccionar un electrodo oxidante que es bifuncional, que significa que puede realizar tanto el papel de un catodo de respiracion de aire durante la generacion de corriente y el papel de un electrodo de carga anodico durante la carga. De esa forma, cualquier referencia de aqrn a un electrodo de carga puede considerarse como aplicandose a cualquiera del electrodo oxidante 14 o un electrodo separado 70 que funciona como el anodo durante la carga. Mas espedficamente, aunque la modalidad ilustrada se describe con referencia al electrodo de carga como el electrodo de carga separado 70, se debe entender que la misma descripcion podna utilizarse en donde el electrodo oxidante 14 es el electrodo de carga; se debe entender facilmente que el flujo (si se usa) puede orientarse en consecuencia.

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La carga de la celda electroqmmica 10 puede realizarse al hacer fluir el medio ionicamente conductor que comprende iones de combustible de metal reducibles a lo largo de la trayectoria de flujo a lo largo de los cuerpos de electrodo permeables 12a-c. En otra modalidad, el medio ionicamente conductor puede fluir a traves de los cuerpos de electrodo permeables 12a-c. Cualquier direccion adecuada de flujo puede utilizarse en la presente invencion. Los iones de combustible reducibles pueden estar presentes en el medio ionicamente conductor en cualquier forma adecuada, tal como en forma ironica, atomica, molecular o compleja.

Aunque el medio ionicamente conductor que comprende iones de metal reducibles fluye a lo largo de los cuerpos de electrodo permeables 12a-c, una corriente electrica desde una fuente externa, que puede ser cualquier fuente de energfa capaz de suministrar corriente electrica, se aplica entre el electrodo de carga 70 y un terminal 12a de los cuerpos de electrodo permeables 12a-c con el electrodo de carga funcionando como un anodo y el cuerpo de electrodo permeable de terminal funcionando como un catodo. Como un resultado, se reducen los iones de combustible de metal reducibles y se electrodepositan como combustible de metal en forma oxidable sobre el cuerpo de electrodo permeable de terminal 12a. En la modalidad ilustrada, el cuerpo de electrodo permeable de terminal 12a es el cuerpo de electrodo distal al electrodo de carga 70. Aunque esto es preferido en el contexto de la modalidad ilustrada, en otras disposiciones uno de los cuerpos de electrodo permeable 12a-c diferente puede servir como el cuerpo de electrodo permeable de terminal, como se discute mas abajo.

En una modalidad no limitante, en donde el combustible es zinc y el medio ionicamente conductor es hidroxido de potasio (KOH), los iones de zinc en el medio ionicamente conductor pueden proporcionarse en cualquier forma reducible adecuada, y preferentemente en la forma de oxido de zinc (ZnO). Esto es ventajoso, ya que el oxido de zinc es el producto secundario de la operacion de generacion de corriente descrita anteriormente con respecto a la modalidad previa, y de esa forma la celda puede recargarse usando el producto secundario reversible de su propia operacion de generacion de corriente. Esto elimina la necesidad de suministrar el combustible de una fuente nueva para cada carga, ya que la operacion de generacion de corriente ya ha creado el oxido de zinc reducible en el medio ionicamente conductor. En tal modalidad, la reaccion de reduccion ocurre como sigue en el sitio de reduccion:

ZnO + HjO + 2e~ —* Zn + 2QH” (1)

Y la oxidacion correspondiente ocurre en el electrodo de carga 70 que funciona como un anodo (tambien denominado como un electrodo que produce oxfgeno) como sigue, oxidando las especies de oxfgeno para producir gas de oxfgeno que puede desgasificarse opcionalmente en cualquier forma adecuada:

20H-*2e- + WOj+^O (2)

Sin embargo, el combustible no necesita estar limitado a zinc, y puede usarse cualquier otro combustible de metal, incluyendo cualquiera de los mencionados anteriormente en esta solicitud. De forma similar, el medio ionicamente conductor puede ser diferente, y puede ser alcalino o acido en varias modalidades. Tambien, no es necesario que los iones de combustible reducibles se proporcionen por el producto secundario de la operacion de generacion de corriente, y esta dentro del alcance de la invencion utilizar combustibles que crean productos secundarios que no son reversibles facilmente. De esa forma, esta dentro del alcance de la invencion que el medio ionicamente conductor utilizado para carga se suministre desde una fuente de combustible separada con los iones de combustible en una forma adecuada para reduccion y electrodeposicion, cuya fuente de combustible esta separada del medio ionicamente conductor utilizado durante la generacion de corriente y que acumula el producto secundario. De forma similar, el mismo medio ionicamente conductor podna utilizarse en ambos procedimientos, pero el combustible podna proporcionarse separadamente de su propia fuente durante la recarga.

Durante la carga, la electrodeposicion ocasiona la expansion del combustible de metal en una morfologfa permeable de flujo entre los cuerpos de electrodo permeables 12a-12c para que el combustible de metal electro depositado establezca una conexion electrica entre el cuerpo permeable de terminal 12a y cada cuerpo de electrodo permeable subsecuente 12b-c. Como un resultado de este crecimiento, la reduccion y la electrodeposicion ocurren en cada cuerpo de electrodo permeable subsecuente 12b-c con el establecimiento de la conexion electrica.

Por morfologfa permeable de flujo, se entiende que la morfologfa de la expansion de metal entre los cuerpos de electrodo 12a-c esta configurada para que el medio ionicamente conductor siga siendo capaz de fluir a lo largo de los cuerpos de electrodo 12a-c. De esa forma, se permite que el flujo continue, y la expansion no exhibe caractensticas laterales dominantes con respecto a la direccion de flujo que causanan atascamiento o bloqueo completo entre los cuerpos de electrodo permeables 12a-c. La expansion puede tener cualquier configuracion, y el flujo permitido puede ser en cualquier direccion. Es posible hacer que la expansion ocurra sin ningun flujo. Como tal, la expansion puede ser hacia o lejos o en ambas direcciones desde el anodo dependiendo del campo electrico, direccion de flujo, u otras condiciones electroqmmicas. En varias modalidades, la expansion puede ocurrir como morfologfa de ramificacion densa, morfologfas de crecimiento detntico, u otras morfologfas conocidas por surgir bajo condiciones de expansion limitadas de transporte. La expansion puede tener una direccionalidad suficiente hacia el siguiente cuerpo de electrodo permeable, puede ocurrir como una expansion de distribucion generalmente uniforme, o de cualquier otra forma.

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En la modalidad ilustrada, la expansion exhibida es dendntica, y la expansion es en la direccion hacia el electrodo de carga 70. Las Figuras ilustran la morfologfa de expansion en un formato exagerado para entender mejor los principios basicos de operacion. En una ejecucion practica, la expansion tipicamente sera significativamente mas densa a traves de los cuerpos de electrodo 12a-c.

La Figura 8, se muestra la reduccion inicial de los iones de combustible y electrodeposicion del combustible de metal en una configuracion previa del electrodo de combustible 12. Las dendritas se electrodepositan inicialmente sobre y comienzan su crecimiento sobre el cuerpo de electrodo de terminal 12a. Esto es debido a que el cuerpo de electrodo 12a esta conectado a la corriente externa, y tiene un potencial catodico que causa la reduccion de los iones de combustible y la electrodeposicion del combustible sobre estos (mientras el electrodo de carga 70 esta conectado a la carga externa y funciona como el anodo). En contraste, los cuerpos de electrodo restantes 12b-c estan inicialmente inactivos y no funcionan como un sitio de reduccion debido a que no estan conectados a la corriente externa. El crecimiento continua con la expansion de metal como una serie de dendritas desde el cuerpo de electrodo 12a hacia el cuerpo de electrodo 12b. Entonces esto establece una conexion electrica entre los cuerpos de electrodo 12a y 12b, que a su vez causa que el cuerpo de electrodo 12b ahora tambien tenga el potencial catodico aplicado a este.

El crecimiento despues de eso continua con los iones de combustible que se reducen y electrodepositan como combustible de metal sobre el cuerpo de electrodo 12b, como se muestra en la Figura 9. Este crecimiento continua con la expansion del metal como otra serie de dendritas desde el cuerpo de electrodo 12b hacia el cupo electrodo 12c. Entonces esto establece una conexion electrica entre los cuerpos de electrodo 12a, 12b, y 12c, que a su vez causa que el cuerpo de electrodo 12c ahora tambien tenga el potencial catodico aplicado a este.

El crecimiento despues de eso continua con los iones de combustible que se reducen y electrodepositan como combustible de metal sobre el cuerpo de electrodo 12c, como se muestra en la Figura 10. Este crecimiento continua con el metal que se desarrolla como otra serie de dendritas desde el cuerpo de electrodo 12c hacia el electrodo de carga (es decir, electrodo de carga separado 70). Sin importar el numero de cuerpos de electrodo permeables, el patron de expansion continuara a traves de los cuerpos de electrodo permeables en el electrodo de combustible 12. Eventualmente, la expansion sobre el ultimo cuerpo 12c puede alcanzar el electrodo de carga, acortando de esa forma el circuito e indicando la finalizacion de la expansion.

En modalidades en donde el flujo es paralelo a los cuerpos de electrodo 12a, 12c, o en donde no existe flujo, sena preferible que el cuerpo de electrodo de terminal sea el distal del electrodo de carga (es decir, el electrodo que funciona como el anodo durante la recarga) para que la expansion hacia el electrodo de carga progrese a traves de multiples cuerpos de electrodo 12a-12c por su tendencia natural a crecer hacia el potencial anodico. En otras modalidades, en donde el flujo pasa a traves de los cuerpos de electrodo 12a-c: puede ser preferible alterar la ubicacion del cuerpo del electrodo de terminal p ara que el flujo crezca alternativamente hacia o lejos del electrodo de carga.

Las Figuras 11 y 12 muestran modalidades alternativas de la configuracion previa en donde cada uno de los cuerpos 12a-12c estan acoplados a la carga. La utilizacion de dicho aspecto es deseable, ya que durante la generacion de energfa (es decir, descarga), la oxidacion puede estar ocurriendo a traves del electrodo 12, liberando de esa forma electrones para conduccion a la carga. Al conectar terminales para propositos de recoleccion de corriente a todos los cuerpos de electrodo 12a-12c, estos electrones pueden recolectarse directamente desde cada cuerpo de electrodo. Ademas, esta disposicion es deseable debido a que aun permite la recoleccion de corriente de las reacciones de oxidacion en curso en cuerpos de electrodo que se han "desconectados" de los otros cuerpos de electrodo por consumo del crecimiento entre los cuerpos. Tal condicion puede ocurrir durante la generacion de energfa o la descarga basandose en varios factores. En algunas modalidades, esto puede ser preferido con respecto a usar un terminal individual para propositos de conexion a la carga, como se discutio anteriormente.

La Figura 11 muestra una modalidad similar a la Figura 8, pero con la carga selectivamente acoplada a cada uno de los cuerpos de electrodo 12a-12c del electrodo de combustible 12, y tambien al electrodo oxidable 14 (que en este caso no es igual al electrodo de carga 70 que esta separado como se muestra). De esa forma, durante la generacion de corriente, el combustible sobre el electrodo de combustible 12 se oxida, generando electrones que se conducen para alimentar la carga y despues se conducen al electrodo oxidante 14 para reduccion del oxidante (como se discutio en mas detalle anteriormente). La Figura 11 tambien ilustra esquematicamente un suministro de energfa utilizado para propositos de carga acoplado entre el electrodo de carga 70 y el cuerpo de electrodo 12a. Como se discutio anteriormente en mas detalle, el suministro de energfa aplica una diferencia potencial entre el cuerpo de electrodo de terminal 12a y el electrodo de carga 70 para que se reduzca el combustible y se electrodeposite sobre el cuerpo de electrodo de terminal 12a y la reaccion de oxidacion correspondiente se lleve a cabo en el electrodo de carga 70. Para asegurar que la expansion ocurra en la forma progresiva opcional desde el cuerpo de electrodo 12a en la direccion hacia el cuerpo de electrodo 12c como se discutio anteriormente, se proporcionan uno o mas aislantes de corriente 90 para aislar los otros cuerpos de electrodo 12b-12cdel circuito conectado al suministro de energfa.

Los aislantes de corriente 90 previenen que la corriente fluya entre los cuerpos de electrodo 12a-12c, excepto segun sea permitido por la expansion progresiva del combustible durante carga. Los aislantes de corriente 90 tambien afslan los cuerpos de electrodo 12b-12c de la conexion directa con el suministro de energfa, para que sea la unica conexion que se establece por la expansion progresiva. Dicho de otra forma, los aislantes 90 previenen que se aplique

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directamente el potencial de suministro de ene^a a aquellos cuerpos de electrodo 12b-12c a traves del circuito durante la carga. Como tal, la unica forma de que la corriente/potencial electrico se aplique a aquellos cuerpos de electrodo 12b- 12c es a traves de la expansion electrodepositada como se describio anteriormente.

Los aislantes de corriente 90 pueden tomar cualquier forma, y no debe considerarse ningun aislante particular como limitante. Por ejemplo, el aislante de corriente 90 puede proporcionarse por uno o mas diodos que estan orientados para permitir que los electrones fluyan desde uno de los cuerpos de electrodo 12a-12c a la porcion de circuito que comprende la carga, pero previenen cualquier flujo de corriente en la direccion opuesta. De forma similar, un aislante de corriente 90 puede ser un interruptor que esta cerrado durante la generacion/descarga de energfa para conectar un cuerpo de electrodo 12a-12c a la porcion de circuito que comprende la carga, y que se abre durante la carga para desconectar y aislar el cuerpo de electrodo 12a-12c de ese circuito. Cualquier mecanismo de control adecuado puede proporcionarse para controlar la accion del interruptor entre las posiciones abiertas y cerradas. Por ejemplo, puede utilizarse un interruptor de rele que esta desviado hacia la posicion abierta, con una bobina inductora acoplada al suministro de energfa que causa el cierre del interruptor cuando comienza la carga. Ademas, un interruptor mas complejo que permite la conexion individual a una pluralidad de los cuerpos de electrodo 12a-12c podna utilizarse para proporcionar la conexion/desconexion hacia y desde la carga, y hacia y desde uno del otro. Tambien, los aislantes de corriente pueden ser elementos diferentes, tales como un interruptor para aislante de corriente 90 en el cuerpo de electrodo 12a, y diodos de una direccion en los otros cuerpos de electrodo 12b-12c. El flujo de electrones se muestra en flechas punteadas y solidas en la Figura 11 para ilustrar la funcionalidad general del aislante(s) de corriente. Cualquier otro componente electrico adecuado que proporciona tal aislamiento puede utilizarse.

Tambien, la configuracion de la Figura 11 puede alterarse para trabajar con cualquiera de las modalidades alternativas aqrn descritas, y cualquier otra de las modalidades dentro del- alcance de la invencion. Por ejemplo, si se utiliza otro cuerpo de electrodo (por ejemplo, cuerpo 12c), como el cuerpo de electrodo de terminal durante la carga, entonces el suministro de energfa puede, acoplarse a ese cuerpo de electrodo y pueden utilizarse uno o mas aislantes de corriente durante la carga para aislar el cuerpo de electrodo del circuito que comprende la carga y los otros cuerpos de electrodo.

La Figura 12 muestra una modalidad en donde el electrodo oxidante 14 tambien es el electrodo de carga (por lo tanto, ha sido etiquetado como 14 y 70 en la Figura). De esa forma, el electrodo oxidante 14 funciona como el catodo durante la generacion/descarga de energfa, y como el anodo durante la carga, como se describio anteriormente. En la Figura 12, la carga esta selectivamente acoplada a cada uno de los cuerpos de electrodo 12a-12c del electrodo de combustible 12, y tambien al electrodo oxidante 14. De esa forma, durante la generacion de corriente, el combustible sobre el electrodo de combustible 12 se oxida, generando electrones que son conducidos para alimentar la carga y entonces conducidos al electrodo oxidante 14 para reduccion del oxidante (como se discutio en mas detalle anteriormente). La Figura 12 tambien ilustra esquematicamente un suministro de energfa utilizado para propositos de carga acoplado entre el electrodo oxidante 14 y el cuerpo de electrodo de terminal 12a. Como se discutio anteriormente en mas detalle, el suministro de energfa aplica una diferencia potencial entre el cuerpo de electrodo de terminal 12a y el electrodo oxidante 14 para que el combustible se reduzca y electrodeposite sobre el cuerpo del electrodo de terminal 12a, y se lleve a cabo la reaccion de oxidacion correspondiente en el electrodo oxidante 14 (que funciona como el electrodo de carga). Para asegurar que la expansion ocurra en forma progresiva desde el cuerpo de electrodo 12a en la direccion hacia el cuerpo de electrodo 12c como se discutio anteriormente, se proporcionan uno o mas aislantes de corriente 90 para aislar los otros cuerpos de electrodo 12b-12c del circuito conectado al suministro de energfa. Tambien, uno o mas, y en este caso un par, de segundos aislantes de corriente opcionales 92 se proporcionan para aislar el suministro de energfa de los electrodos 12, 14/70 durante la generacion de energfa. Un tercer aislante de corriente opcional 94 se proporciona para aislar el electrodo oxidante 14 y el suministro de energfa del circuito que comprende la carga y los otros cuerpos de electrodo 12a-12c durante la carga.

Similarmente el aislante de corriente en la Figura 11, los aislantes de corriente 90 en la Figura 12 previenen que la corriente fluya directamente entre los otros cuerpos de electrodo 12b-12c y el suministro de energfa a traves del circuito durante carga, y tambien entre los cuerpos de electrodo, excepto como se permite por la expansion progresiva del combustible. Dicho de otra forma, los aislantes 90 previenen que el potencial del suministro de energfa se aplique directamente a esos cuerpos de electrodo 12b-12c a traves del circuito durante la carga. De esa forma, la corriente/potencial electrico se aplica unicamente a cuerpos de electrodo 12b-12c a traves de la expansion de electrodeposicion como se describio anteriormente. Preferentemente, el aislante de corriente 90 en la Figura 12 es un interruptor que se mueve entre posiciones abiertas y cerradas, ya que un diodo no proporcionana una funcion de aislamiento del diseno ilustrado. De forma similar, los segundos aislantes de corriente 92 previenen que la corriente fluya entre los electrodos y el suministro de energfa durante la generacion de energfa, pero permite que la corriente fluya desde el suministro de energfa durante la carga; y el tercer aislante de corriente 94 previene que la corriente fluya entre el electrodo oxidante y la porcion de circuito que comprende la carga y los otros cuerpos de electrodo 12a-12c durante la carga, pero permite que la corriente fluya desde la carga hacia el electrodo oxidante 14 durante la generacion de energfa. Estos segundos y terceros aislantes de corriente pueden omitirse en algunos sistemas. Como tal, la unica forma de que se aplique la corriente/potencial electrico a aquellos cuerpos de electrodo 12b-12c es a traves de la expansion electrodepositada como se describio anteriormente. Los aislantes de corriente pueden tomar cualquier forma, incluyendo aquellas mencionadas anteriormente, y no debe considerarse ningun aislante particular como limitante.

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Tambien es posible en cualquiera de las modalidades de la invencion aplicar el potencial catodico simultaneamente a todos los cuerpos de electrodo del anodo, en lugar de solo a uno para producir la expansion progresiva cuerpo por cuerpo. La expansion progresiva que emana de un terminal es ventajoso debido a que proporciona una expansion mas densa de combustible electrodepositado. Espedficamente, la expansion en los cuerpos de electrodo previamente conectados continua cuando cada cuerpo posterior se conecta por la expansion progresiva. Sin embargo, la expansion progresiva proporciona un area menos activa para la electrodeposicion y por lo tanto toma mas tiempo a una densidad de corriente fija o potencial que aplicar el potencial catodico a multiples cuerpos de electrodo simultaneamente. Con todo los cuerpos de electrodo sometidos al mismo potencial, la expansion ocurrira unicamente hasta que ocurra un corte entre el electrodo de carga 14/70 y el cuerpo de electrodo cerca de este. De esa forma, es posible tener una expansion mas rapida, pero menos densa de esta forma, lo cual puede ser factible para ciertas necesidades de recarga.

Otras modalidades de la presente invencion pueden tener diferentes conexiones y circuitos electricos, incluyendo otros mecanismos de conmutacion que pueden hacer uso de aislantes de corriente. Por ejemplo, ver las modalidades encontradas en la Solicitud de Patente de ESTADOS UNIDOS. Serie No. 12/885,268, que se ha incorporado aqu para referencia.

Como se menciona con respecto a algunas celdas de andamiaje del tipo descrito anteriormente, la expansion de combustible durante la carga puede extraerse del electrodo de combustible 12 en una direccion hacia el electrodo de carga 70. Tal direccion de expansion tambien puede encontrarse con respecto a celdas en donde el flujo de medio ionicamente conductor corre paralelo a los electrodos, como se discutira en mayor detalle a continuacion. La razon de tal direccion de expansion de combustible puede incluir la direccion de flujo del medio ionicamente conductor, y lmeas de campo electrico presentes entre el electrodo de combustible 12 y el electrodo de carga 70.

Las celdas 10 esquematicamente ilustradas en las Figuras 8-12 han sido generalmente ilustradas con cuerpos de electrodo 12a-12c del electrodo de combustible 12 que es de un tamano plano similar. Como se observa en la Figura 13, en algunas celdas 10 de este tipo, por razones predominantemente relacionadas con las lmeas de campo electrico presentes entre el electrodo de combustible 12 y el electrodo de carga 70, la expansion puede ser mayor en los bordes de cada uno de los cuerpos de electrodo 12a-12c. Tal expansion mejorada puede causar que se formen conexiones electricas entre cada uno de los cuerpos de electrodo 12a-c a una velocidad mas rapida que lo deseable. La expansion de borde mejorada en el cuerpo de electrodo de terminal 12a puede causar que se formen conexiones electricas en los bordes de los cuerpos de electrodo permeables, lo causa que comience la expansion prematura en los cuerpos de electrodo posteriores, reduciendo la expansion densa en la region interior de los cuerpos de electrodo iniciales. Por ejemplo, como se ilustra en la Figura 13, la expansion de borde tiene el cuerpo de electrodo permeable 12c electricamente conectado al cuerpo de electrodo permeable 12b, comenzando la expansion sobre el electrodo 12c sin haber formado una expansion densa sobre el cuerpo de electrodo permeable 12b. Para retrasar la formacion de tales conexiones electricas prematuras entre los bordes de los cuerpos de electrodo 12a-c, se corrigen tales efectos de borde por la presentacion, como se describe mas abajo.

Para prevenir los efectos de esta expansion de borde, puede usarse una configuracion de andamio escalonado para los cuerpos de electrodo permeables 12a-c, en donde los tamanos planos de los cuerpos de electrodo permeables son mas pequenos entre sf en la direccion de expansion, para que la expansion de borde no pueda contactar y conectar electricamente los cuerpos de electrodo permeables 12a-c. Como se observa en la modalidad de la Figura 14, los cuerpos de electrodo 12a-c pueden disponerse para que el cuerpo de electrodo permeable 12a se defina para ser el cuerpo de electrodo de terminal para cargar la celda electroqmmica, y se coloca lejos del electrodo de carga 70. Un cuerpo de electrodo proximo, visto en una modalidad ilustrada como el cuerpo de electrodo permeable 12c, esta separado cerca del electrodo de carga 70. En otras modalidades, en donde existen menos de tres cuerpos de electrodo permeables, el cuerpo de electrodo distal podna permanecer como el cuerpo de electrodo 12a, pero el cuerpo de electrodo proximo podna ser el cuerpo de electrodo 12b (para modalidades unicamente con dos cuerpos de electrodo permeables en el electrodo de combustible 12). De forma similar, sf existen mas de tres cuerpos de electrodo permeables, el cuerpo de electrodo proximo podna ser, por ejemplo, el cuerpo de electrodo 12h (para modalidades con ocho cuerpos de electrodo permeables en el electrodo de combustible 12).

En la configuracion ilustrada, el cuerpo de electrodo distal, el cuerpo de electrodo permeable 12a, tendna el tamano plano mayor de los cuerpos de electrodo 12a-c. En la direccion de formacion de dendrita hacia el electrodo de carga 70, cada cuerpo de electrodo subsecuente 12b-c tendna un tamano plano subsecuentemente mas pequeno (tamano plano se refiere al area de superficie general definida por la periferia del cuerpo, y no necesariamente significa que sea plano). Por ejemplo, en la modalidad ilustrada de la Figura 14, el cuerpo de electrodo de terminal y distal 12a tiene un tamano plano mas grande que el cuerpo de electrodo proximo colocado mas cerca del electrodo de carga 70, de nuevo mostrado en las Figuras como el cuerpo de electrodo permeable 12c. En modalidades con mas de dos cuerpos de electrodo permeables, cada cuerpo de electrodo subsecuente en la direccion de crecimiento de dendrita tiene un tamano plano mas pequeno que el cuerpo de electrodo que lo precede, en donde al menos un borde de los cuerpos de electrodo mas grandes se extiende mas alla de los cuerpos de electrodo mas pequeno subsecuentes. Es decir, cada cuerpo de electrodo tiene un tamano progresivamente mas pequeno en la direccion distal a proxima, con los bordes (sobre uno o mas lados) de cada cuerpo de electrodo localizados hacia adentro del borde del cuerpo de electrodo adyacente en una direccion distal en una forma progresiva. En tal configuracion, en donde a lo largo de un borde periferico del electrodo de combustible 12, se localiza un borde del cuerpo de electrodo proximo 12c hacia adentro de un

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borde del cuerpo de electrodo distal 12a, se forma una apariencia de andamio escalonado. En algunas modalidades, unicamente un subgrupo de cuerpos de electrodo 12a-ctendna la configuracion escalonada.

En numerosas modalidades, puede proporcionarse material aislante alrededor de algunos o todos los bordes de los cuerpos de electrodo 12a-c. El material aislante puede proteger ademas contra la expansion gruesa o no uniforme en los bordes de los cuerpos de electrodo 12a-c, tal como la expansion mejorada descrita anteriormente. El material aislante es unicamente un reborde o cubierta de borde, y de esa forma termina hacia adentro del borde. Cuando el material aislante se extiende sobre la periferia completa de un cuerpo, puede considerarse como un reborde. El material aislante puede ser de cualquier construccion adecuada o configuracion, incluyendo pero no limitandose a materiales aislantes construidos de plastico, caucho, o vidrio. En algunas modalidades, el material aislante puede aplicarse como un material de revestimiento. En una modalidad, el material aislante puede comprender epoxi u otra forma de polfmero.

Las Figuras 15-16 ilustran la morfologfa de expansion que progresa de la Figura 14 en un formato exagerado para entender mejor los principios basicos de operacion. En una ejecucion practica, la expansion tipicamente sera significativamente mas densa a traves de cuerpos de electrodo 12a-c.

Durante la reduccion inicial de los iones de combustible y la electrodeposicion de las dendritas de combustible de metal que estan en crecimiento sobre su cuerpo de electrodo de terminal 12a. Esto es debido a que el cuerpo de electrodo 12a esta conectado a la corriente externa, y tiene un potencial catodico que causa la reduccion de los iones de combustible y la electrodeposicion del combustible sobre estos (mientras el electrodo de carga 70 esta conectado a la carga externa y funciona como el anodo). En contraste, los cuerpos de electrodo restantes 12b-c son inicialmente inactivos y no funcionan como un sitio de reduccion debido a que no estan conectados a la corriente externa.

La expansion continua con la expansion de metal como una serie de dendritas desde el cuerpo de electrodo 12a hacia el cuerpo de electrodo 12b. Esto entonces establece una conexion electrica entre los cuerpos de electrodo 12a y 12b, que a su vez causa que el cuerpo de electrodo 12b ahora tambien tenga el potencial catodico aplicado a este. El potencial catodico del cuerpo de electrodo 12b permite la formacion de dendrita en la direccion hacia el cuerpo de electrodo 12c, como se observa en la Figura 15. Debido al campo electrico que produce una expansion mejorada en el borde del cuerpo de electrodo 12b, el contacto electrico al cuerpo de electro 12c ya habna ocurrido en esta etapa de crecimiento, habna tenido el borde del cuerpo de electrodo 12c extendido dentro del area de expansion mejorada. Ya que la configuracion de andamio escalonado previene tal traslape, la conexion electrica entre cuerpos de electrodo 12b y 12c se retrasa, retrasando el potencial catodico que se aplica al cuerpo de electrodo 12c, y de esa forma extendiendo el periodo para la expansion sobre el cuerpo de electrodo 12b antes de acortar el cuerpo de electrodo 12c. (El mismo retraso tambien ocurrio entre cuerpos de electrodo 12a y 12b).

El crecimiento despues de eso continua con los iones de combustible que se reducen y electrodepositan como combustible de metal sobre el cuerpo de electrodo 12b, estableciendo eventualmente una conexion electrica retrasada entre los cuerpos de electrodo 12a, 12b, y 12c. Esto a su vez causa que el cuerpo de electrodo 12c ahora tambien tenga el potencial catodico aplicado a este, comenzando el crecimiento de dendrita hacia el electrodo de carga, como se muestra en la Figura 16.

La expansion tambien continua con los iones de combustible que se reducen y se electrodepositan como combustible de metal sobre el cuerpo de electrodo 12c, estableciendo eventualmente una conexion electrica entre cuerpos de electrodo 12a, 12b, y 12c. Esto a su vez causa que el cuerpo de electrodo 12c tambien tenga el potencial catodico aplicado a este, comenzando el crecimiento de dendrita hacia el electrodo de carga. Este patron de crecimiento continuara a traves de los cuerpos de electrodo permeables 12a-c en el electrodo de combustible 12. Eventualmente, la expansion sobre el ultimo cuerpo 12c puede alcanzar el electrodo de carga, acortando el circuito e indicando finalizacion de la expansion.

La configuracion de andamio escalonado puede utilizarse con cualquiera de las modalidades alternativas aqrn descritas, o cualquier otra de las modalidades en general. Por ejemplo, como se observa en la Figura 17, el electrodo de carga 70 puede ser escalonado para ser mas pequeno que el cuerpo de electrodo que esta mas cerca del electrodo de carga. En la modalidad ilustrada, el electrodo de carga 70 es mas pequeno que el cuerpo de electrodo 12c mas pequeno. En una modalidad, la expansion puede ser a un angulo de acuerdo con el campo electrico entre el electrodo de combustible 12 y el electrodo de carga 70. Tal modalidad puede prevenir un corte prematuro entre el cuerpo de electrodo proximo 12c y el electrodo de carga, permitiendo la expansion mas densa sobre el cuerpo de electrodo proximo 12c. En una modalidad alternativa, el electrodo de carga 70 puede ser dimensionado para ser mas grande que el cuerpo de electrodo que esta mas cerca del electrodo de carga 70. En otra modalidad, el electrodo de carga 70 puede ser del mismo tamano que el cuerpo de electrodo que esta mas cerca del electrodo de carga 70. En la configuracion con un electrodo oxidante separado 14, el tamano del electrodo oxidante 14 puede elegirse para que sea mas grande que el cuerpo de electrodo mas grande sobre el cual el combustible se electrodeposita. Esto asegura la completa oxidacion de combustible durante la descarga.

Para otro ejemplo, como se observa en la Figura 18, la pluralidad de cuerpos de electrodo 12a-c puede acoplarse al cuerpo del electrodo de terminal 12a, mientras los cuerpos de electrodo 12a- c pueden acoplarse selectivamente entre sf, o seleccionarse individualmente, a traves de uno o mas aislantes de corriente 90, para acoplarse a una carga durante

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la descarga de la celda electroqmmica, tal como se describio anteriormente con respecto a la modalidad de la Figura 11. Similarmente, en modalidades tal como se observa en la Figura 19, en donde el electrodo oxidante 14 tambien es el electrodo de carga 70 (etiquetado tanto 14 como 70), la configuracion de andamio puede utilizarse en donde se acopla un suministro de energfa utilizado para propositos de carga entre el cuerpo de electrodo de terminal 12a y el electrodo oxidante 14 a traves de uno o mas, y en este caso un par, de segundos aislantes de corriente opcionales 92, que pueden desconectar el suministro de energfa durante la operacion de generacion de corriente. Tal modalidad sena analoga a la modalidad descrita anteriormente con respecto a la modalidad de la Figura 12. De forma similar, un tercer aislante de corriente opcional 94 puede utilizarse entre la carga y el electrodo oxidante 14/electrodo de carga 70 para prevenir que la corriente fluya entre el electrodo oxidante y la porcion de circuito que comprende la carga y los otros cuerpos de electrodo 12a-12c durante la carga, pero tambien permite que la corriente fluya desde la carga hacia el electrodo oxidante 14 durante la generacion de energfa.

Visto en las Figuras 20 y 21 esta la configuracion de andamio escalonado a medida que se utiliza en la configuracion del sistema 100 de celda electroqmmica ilustrada primero en las Figuras 1 y 2, teniendo cuerpos de electrodo 12a-c. Como se muestra, el electrodo oxidante 14 (es decir, el catodo de respiracion de aire) puede ser mayor que el mas grande de los cuerpos de electrodo permeables 12a. Aunque, el electrodo de carga 70 se ilustra como siendo de un tamano similar al mas grande de los cuerpos de electrodo permeables 12a, en otras modalidades el electrodo de carga 70 puede ser mas grande o mas pequeno que el cuerpo de electrodo permeable mas grande 12a, o el cuerpo de electrodo permeable mas pequeno 12c, como se observo anteriormente.

Finalmente, como se observa en las ilustraciones ilustrativas no limitantes de las Figuras 22a-c, similar a las modalidades descritas anteriormente, la configuracion de un andamio escalonado puede en varias modalidades aplicarse a un borde de los cuerpos de electrodo 12a-12c (Figura 22a), dos bordes de los cuerpos de electrodo 12a-12c (Figura 22b), o mas (es decir, Figura 22c). Tales variaciones sobre las configuraciones de andamio escalonado pueden desearse dependiendo de la colocacion y la forma del electrodo de carga 70, o la direccion de flujo del medio ionicamente conductor dentro de la celda 10. De forma similar, en tales modalidades, la orientacion de los cuerpos de electrodo puede ser diferente. Como un ejemplo no limitante, como se observa en las Figuras 23a-c, la orientacion puede ser horizontal, en lugar de vertical, para cada uno de los cuerpos de electrodo 12a-c y electrodo de carga 70. Adicionalmente, en algunas modalidades unicamente un subgrupo de los cuerpos de electrodo 12a-12c tendna la configuracion de andamio escalonado (y los cuerpos proximos y distales se identificanan dentro de ese subgrupo).

Tambien, en algunas modalidades, las celdas pueden disenarse como "bi-celdas". El termino se refiere a un par de electrodos de aire que estan en lados opuestos de un electrodo de combustible. Durante la descarga, los electrodos de aire estan generalmente al mismo potencial catodico y el electrodo de combustible esta a un potencial anodico. Tfpicamente, puede disponerse un par de electrodos de carga dedicada en el medio ionicamente conductor entre los electrodos de aire y el electrodo de combustible (aunque los electrodos de aire tambien podnan ser electrodos de carga, como se discutio anteriormente, o los electrodos de carga podnan ser cuerpos del electrodo de combustible, como se discute a continuacion). Durante la carga, los electrodos de carga estan generalmente al mismo potencial anodico, y el electrodo de combustible esta a un potencial catodico (alternativamente, el electrodo de carga puede cargar dinamicamente, como se describio anteriormente). De esa forma, los electrodos de aire pueden compartir un terminal comun, y el electrodo de combustible tiene su propia terminal, y los electrodos de carga tambien pueden compartir un terminal comun. Como tal, electroqmmicamente hablando, tal bi-celda puede considerarse como una celda individual (aunque dentro de la bi-celda, ciertos aspectos de la celda, tales como una expansion del combustible bidireccional, puede causar que una bi-celda se considere como dos celdas para ciertos propositos; sin embargo, a un nivel mas alto para manejo de descarga y conexion de modo, aquellos aspectos son menos relevantes y la bi-celda puede verse funcionalmente como una celda individual). En una modalidad, el par de electrodos de aire puede corresponder al segundo electrodo 12, y el electrodo de combustible puede corresponder al primer electrodo 12, y el par de electrodos de carga puede corresponder al tercer electrodo 70.

Ademas, cualquiera de las modalidades de los interruptores descritos anteriormente (por ejemplo, para permitir que el modo de carga, y modo de descarga) tambien pueden utilizarse con una pluralidad de celdas electroqmmicas que tienen un oxfgeno dinamicamente cambiante que evoluciona (es decir, carga) a electrodo/electrodo de combustible, tal como el progresivo descrito en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Serie num. 61/383,510, presentada el 16 de septiembre, 2010. Por ejemplo, como se describe en la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos Serie num. 69/383,510, cada celda 10 tambien puede tener su propia pluralidad de interruptores asociados con los cuerpos de electrodo para permitir la expansion progresiva de combustible.

Por ejemplo, en una modalidad, durante la carga, el electrodo de carga de cada celda 10 puede acoplarse al electrodo de combustible 12 de la celda subsecuente 10. En una modalidad, durante la carga, un primer cuerpo de electrodo 12a del electrodo de combustible 12 puede tener un potencial catodico y el resto de los cuerpos de electrodo y/o un electrodo de carga separado opcional puede tener un potencial anodico, causando de esa forma que aquellos cuerpos y cualquier electrodo de carga separado funcionen colectivamente como un electrodo de carga. En tal modalidad, durante la expansion progresiva de combustible del electrodo de combustible 12, el combustible puede expandirse sobre el cuerpo del electrodo de combustible 12a que tiene el potencial catodico y causar un corte con el cuerpo de electrodo adyacente 12b que tiene el potencial anodico. El cuerpo de electrodo adyacente 12b puede desconectarse despues de la fuente de potencial anodico a traves de la conexion electrica establecida por el metal electrodepositado, el cuerpo de

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electrodo adyacente 12b tambien tiene el potencial catodico. Este procedimiento puede continuar con el resto los cuerpos de electrodo hasta que ya no sea posible ninguna expansion adicional (es decir, el potencial catodico ha cortocircuitado al menos para el ultimo cuerpo de electrodo del catodo de combustible 12 que tiene un potencial anodico o un electrodo de carga separado). Una pluralidad de interruptores puede proporcionarse para conectar/desconectar los cuerpos de electrodo entre sf y/o a fuentes de potencial catodico o anodico. De esa forma, en tales modalidades que tienen expansion progresiva de combustible, el electrodo de carga puede ser un electrodo de carga separado del electrodo de combustible 12 o puede ser al menos el cuerpo de electrodo adyacente del primer electrodo 12, hasta todos los otros cuerpos de electrodo, que tienen un potencial anodico. En otras palabras, el electrodo de carga puede ser un electrodo de carga separado, un cuerpo de electrodo individual del electrodo de combustible 12 que tiene un potencial anodico localizado adyacente al menos a un cuerpo de electrodo que tiene un potencial catodico, y/o un grupo de cuerpos de electrodo del electrodo de combustible que tiene un potencial anodico localizado adyacente al menos a un cuerpo de electrodo que tiene un potencial catodico.

De esa forma, en las Figuras mostradas, el electrodo de carga 70 se considerana parte del electrodo de combustible 12, y puede inicialmente ser el cuerpo 12b o los cuerpos 12b y hacia arriba, mientras el potencial catodico se aplica al cuerpo 12a. Entonces, el cuerpo 12b se desconectana del potencial anodico pero estana conectado al potencial catodico, y el cuerpo 12c (o cuerpos 12c y hacia arriba) podnan ser el electrodo de carga 70, y asf sucesivamente. De esa forma, el electrodo de carga, como ese termino se utiliza en los aspectos mas amplios de esta solicitud, no necesariamente es un electrodo estatico o dedicado que unicamente juega el papel de carga anodica (aunque puede ser), y a veces puede ser un cuerpo o cuerpos dentro del electrodo de combustible al cual se aplica un potencial anodico. Por lo tanto, el termino dinamico se utiliza para hacer referencia al hecho de que el(los) elemento ffsico funciona como el electrodo de carga y recibe un potencial anodico durante la carga que puede variar.

Cuando los electrodos se denominan aqrn, se debe entender que varias estructuras en algunas modalidades pueden funcionar como uno o mas electrodos en diferentes formas dependiendo del modo operativo del dispositivo. Por ejemplo, en algunas modalidades en donde el electrodo oxidante es bifuncional como un electrodo de carga, la misma estructura de electrodo actua como un electrodo oxidante durante la descarga y como un electrodo de carga durante la carga. Similarmente, en la modalidad en donde el electrodo de carga es un electrodo de carga dinamica, todos los cuerpos del electrodo de combustible actuan como el electrodo de combustible durante la descarga; pero durante la carga uno o mas de los cuerpos actuan como el electrodo de combustible al recibir combustible electrodepositado y uno o mas de los cuerpos actua como el electrodo de carga para evolucionar al oxidante (por ejemplo, oxfgeno), y el electrodo de combustible crece a medida que el crecimiento electrodepositado se conecta a mas de los cuerpos. De esa forma, la referencia a un electrodo se define expresamente como una estructura del electrodo distinta o el papel funcional de una estructura capaz de multiples funciones de electrodo que pueden realizar durante diferentes modos operativos de la celda (y de esa forma la misma estructura multifuncional puede considerarse que satisface multiples electrodos por esta razon).

Las modalidades ilustradas anteriormente han sido proporcionadas unicamente para ilustrar los principios estructurales y funcionales de la presente invencion y no pretenden ser limitantes. Por ejemplo, la presente invencion puede practicarse utilizando diferentes combustibles, diferentes oxidantes, diferentes medios ionicamente conductores, y/o diferente configuracion estructural general o materiales. De esa forma, la presente invencion pretende abarcartodas las modificaciones, sustituciones, alteraciones, y equivalentes dentro del espmtu y alcance de las siguientes reivindicaciones anexas.

Claims (18)

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   Reivindicaciones

   1. Un metodo para operar una celda electroqmmica, en donde la celda comprende:

   un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables dispuestos en relacion separada;

   un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible;

   un electrodo de carga separado del electrodo de combustible, el electrodo de carga se selecciona del grupo que

   consiste de (a) el electrodo oxidante, y (b) un electrodo de carga separado espacio del electrodo oxidante;

   un medio ionicamente conductor que comunica los electrodos;

   la serie de cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible comprende:

   un cuerpo de electrodo permeable proximo, cerca del electrodo de carga;

   un cuerpo de electrodo permeable distal, lejos del electrodo de carga;

   en donde el cuerpo de electrodo proximo tiene un tamano plano mas pequeno que el cuerpo de electrodo distal; en donde el metodo comprende: cargar la celda electroqmmica al:

   i. aplicar la corriente electrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible donde el electrodo de carga funciona como un anodo y al menos un cuerpo de electrodo permeable que funciona como un catodo, de manera que los iones de combustible reducibles se reduzcan y electrodepositen como combustible en forma oxidable sobre al menos uno cuerpo de electrodo permeable;

   ii. dicha electrodeposicion ocasiona la expansion del combustible entre los cuerpos de electrodo permeables de manera que el combustible electrodepositado establece una conexion electrica entre los cuerpos de electrodo permeables; y

   iii. eliminar la corriente electrica para discontinuar la carga.
2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, en donde el metodo comprende ademas: generar corriente electrica mediante el uso de la celda electroqmmica mediante la oxidacion del combustible sobre los cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible que funciona como un anodo y reduciendo un oxidante en el electrodo oxidante que funciona como catodo, con lo cual se generan electrones para la conduccion desde el electrodo de combustible al electrodo oxidante a traves de una carga y los iones de combustible oxidado y los iones oxidantes reducidos reaccionan para formar un subproducto.
3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, en donde el oxidante comprende oxfgeno, y en donde el electrodo oxidante comprende un electrodo configurado para absorber y reducirel oxfgeno atmosferico.
4. 4. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde los iones de combustible reducibles son iones de combustible de metal reducibles y el combustible electrodepositado es combustible de metal electrodepositado.
5. 5. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 4, en donde durante dicha carga de celda electroqmmica:

   se aplica corriente electrica a un terminal de uno los cuerpos de electrodo permeables, de manera que los iones de combustible de metal reducibles se reduzcan y electrodepositen como combustible de metal en forma oxidable sobre el cuerpo de electrodo permeable de terminal;

   dicha electrodeposicion ocasiona la expansion del combustible de metal entre los cuerpos de electrodo permeables para que el combustible de metal electrodepositado establezca una conexion electrica entre el cuerpo de electrodo de terminal y el cuerpo de electrodo permeable proximo donde dicha reduccion de deposicion ocurre sobre el cuerpo de electrodo permeable proximo despues del establecimiento de dicha conexion electrica.
6. 6. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, en donde el electrodo de combustible ademas comprende uno o mas cuerpos de electrodo permeables intermedios; en donde dicha conexion electrica entre el grupo del electrodo de terminal y el cuerpo del electrodo permeable proximo se establece a traves de cada uno de dichos uno o mas cuerpos de electrodo permeables intermedios con dichas reduccion y deposicion ocurriendo sobre cada uno de uno o mas de los cuerpos de electrodo permeables intermedios despues del establecimiento de dicha conexion electrica.
7. 7. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde el electrodo de carga es el electrodo de carga separado, separado del electrodo oxidante.
8. 8. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde al menos una porcion de un borde periferico del electrodo de combustible esta revestida con un material aislante.
9. 9. Una celda electroqmmica que comprende:

   un electrodo de combustible que comprende una serie de cuerpos de electrodo permeables dispuestos en relacion separada;

   un electrodo oxidante separado del electrodo de combustible;

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   un electrodo de carga separado del electrodo de combustible, el electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste de (a) el electrodo oxidante, y (b) un electrodo de carga separado tambien separado del electrodo oxidante;

   un medio ionicamente conductor que comunica los electrodos; la serie de cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible comprende: un cuerpo de electrodo permeable proximo, cerca del electrodo de carga; un cuerpo de electrodo permeable distal, lejos del electrodo de carga;

   en donde el cuerpo de electrodo permeable proximo tiene un tamano plano mas pequeno que el cuerpo de electrodo permeable distal,

   en donde la relacion separada de dichos cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible permite que se aplique una corriente electrica entre el electrodo de carga y al menos uno de los cuerpos de electrodo permeables del electrodo de combustible donde el electrodo de carga funciona como un anodo y al menos un cuerpo de electrodo permeable funciona como un catodo, de manera que se reduzcan los iones de combustible reducibles y se electrodepositen como combustible en forma oxidable sobre al menos uno del cuerpo de electrodo permeable, por lo cual la electrodeposicion ocasiona la expansion del combustible entre los cuerpos de electrodo permeables para que el combustible electrodepositado establezca una conexion electrica entre los cuerpos de electrodo permeables.
10. 10. La celda electroqmmica de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde el electrodo de combustible comprende ademas uno o mas cuerpos de electrodo permeables intermedios, el uno o mas de los cuerpos de electrodo permeables intermedios estan en relacion separada entre el cuerpo de electrodo permeable distal y el cuerpo de electrodo permeable proximo,

    en donde cada uno de los cuerpos de electrodo permeables mas cerca del electrodo de carga tiene un tamano plano menor que cada uno de los cuerpos de electrodo permeables mas cerca del electrodo de carga, de manera que a lo largo de al menos una porcion de un borde periferico del electrodo de combustible, los bordes de cada uno de los cuerpos de electrodo permeables proximos e intermedios estan localizados hacia adentro del borde del cuerpo de electrodo adyacente en la direccion distal en una forma progresiva.
11. 11. La celda electroqmmica de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde el electrodo oxidante esta configurado para, en un modo de descarga, absorber y reducir oxfgeno atmosferico.
12. 12. La celda electroqmmica de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde el electrodo de carga es mayor en area que cualquiera de los cuerpos de electrodo permeables en la serie de cuerpos de electrodo permeables.
13. 13. La celda electroqmmica de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde el electrodo de carga es mas pequeno en area que cualquiera de los cuerpos de electrodo permeables en la serie de cuerpos de electrodo permeables.
14. 14. La celda electroqmmica de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde el electrodo oxidante es mas grande en area que cualquiera de los cuerpos de electrodo permeables en la serie de cuerpos de electrodo permeables.
15. 15. La celda electroqmmica de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde el electrodo de combustible comprende ademas uno o mas cuerpos de electrodo permeables intermedios entre los cuerpos de electrodo distal y proximo, los cuerpos de electrodo estan separados entre sf, en la direccion de expansion hacia el electrodo de carga, cada cuerpo de electrodo subsiguiente tiene un tamano plano mas pequeno que el cuerpo de electrodo que lo precedio.
16. 16. La celda electroqmmica de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde los iones de combustible reducibles son iones de combustible de metal reducibles, y el combustible electrodepositado es combustible de metal electrodepositado.
17. 17. La celda electroqmmica de acuerdo con la reivindicacion 9, en donde el electrodo de carga es el electrodo de carga separado, separado del electrodo oxidante.
18. 18. La celda electroqmmica de acuerdo con la reivindicacion 9, que comprende ademas un material aislante configurado para aislar al menos una porcion del borde periferico del electrodo de combustible