ES2652087T3 - Celda anódica metálica, recargable eléctricamente, sistemas de batería y métodos - Google Patents

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Stefanie Sharp-Goldman
Lois Johnson
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Regan Johnson
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Abstract

Una celda anódica metálica recargable eléctricamente que comprende: un electrodo metálico (102, 202); un electrodo en contacto con el aire (104, 204) que comprende al menos un colector de corriente que tiene una capa externa resistente a la corrosión que comprende carburo de titanio, una capa interna conductora que comprende titanio y una membrana hidrófoba permeable al aire; un electrolito acuoso (106, 206) situado entre el electrodo metálico (102, 202) y el electrodo en contacto con el aire (104, 204); y en donde el electrodo metálico (102, 202) entra directamente en contacto con el electrolito acuoso (106, 206) y sin un material de conducción iónica y eléctricamente aislante entre el electrodo en contacto con el aire (104, 204) y el electrolito acuoso (106, 206), caracterizada por que un bastidor (100, 200) soporta tanto el electrodo metálico (102, 202) como el electrodo en contacto con el aire de modo que el electrodo metálico (102, 202) y el electrodo en contacto con el aire (104, 204) están situados a una distancia fija entre sí para definir un espacio en el cual está contenido el electrolito acuoso (106, 206), comprendiendo el bastidor un sistema de control del electrolito integralmente formado en el bastidor (100, 200), comprendiendo el sistema de control del electrolito: un orificio de drenaje o de llenado (J); un reborde de rebose (L) configurado para capturar y contener el electrolito acuoso (106, 206) dentro de la celda cuando el electrolito acuoso (106, 206) rebosa de uno de un tanque de electrolito superior (H) o de una celda superpuesta verticalmente apilada sobre el electrodo en contacto con el aire (104, 204) de la celda, en donde un rebosamiento del electrolito acuoso (106, 206) dentro de la celda fluye sobre el reborde de rebose (L) y entra dentro del orificio de drenaje o de llenado (J), permitiendo al orificio de drenaje o de llenado (J) que el rebosamiento del electrolito acuoso (106, 206) gotee hacia uno de un tanque de captura de electrolito o una celda subyacente apilada verticalmente debajo del electrodo metálico (102, 202) de la celda

Description

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DESCRIPCION
Celda anodica metalica, recargable electricamente, sistemas de baterla y metodos
La invencion se refiere a una baterla recargable electricamente y a un conjunto de baterla secundario.
Antecedentes de la invencion
La combinacion de una infraestructura de la red electrica en obsolescencia y la integracion de las fuentes de generacion intermitentes a partir de recursos de energla renovable a gran escala (tales como el viento, la energla solar y las ondas oceanicas) ha incrementado la necesidad crltica para desarrollar tecnologlas efectivas de almacenamiento de energla para lograr la estabilidad del suministro de energla de la red electrica y desplazar los suministros de energla electrica durante los periodos pico y no pico. Los proveedores de electricidad estan buscando maneras de incorporar energla limpia a la red electrica para prevenir las interrupciones del servicio y manejar las cargas pico de una manera economica sin anadir capacidad de generacion adicional. Las baterlas de almacenamiento son elementos crlticos en la expansion y en la adopcion a gran escala de fuentes de energla renovables tales como la energla eolica y las granjas solares.
Hasta la fecha, ningun sistema de baterla simple es comercialmente exitoso en esta aplicacion. Existen varias razones para ello. Una razon es el alto costo de los sistemas de baterla existentes. En consecuencia, los proveedores de electricidad prefieren utilizar turbinas de gas para proporcionar la energla pico a la red electrica, segun necesidad. Sin embargo, las turbinas de gas no son tan versatiles ni utilizables como dispositivos de almacenamiento verdaderos tales como las baterlas. Una segunda razon es que el ciclo de vida actual de la baterla es demasiado bajo, haciendo que los costos de tiempo de vida verdaderos sean mucho mas altos que el costo inicial de la baterla. Otra razon es que muchas baterlas (tales como las baterlas de sodio-azufre) operan a temperaturas elevadas, contienen sustancias qulmicas peligrosas o pueden estar sometidas a reacciones qulmicas secundarias daninas tales como aquellas que ocurren en las baterlas a base de litio. En resumen, no existe tecnologla de baterla comercial actual que ofrezca el tamano de baterla a gran escala, el funcionamiento adecuado y un ciclo de vida de descarga/carga largo a un precio comercialmente viable y una vida util viable para los proveedores de electricidad.
Idealmente, la carga electroqulmica de una celda o una baterla es tal que el 60 % o mas, preferiblemente el 80 % o mas, y mas preferiblemente el 90 % o mas de una capacidad de descarga previa de una baterla o celda puede estar disponible nuevamente para la capacidad de descarga util en un perlodo de carga electroqulmica de una hora o menos, y preferiblemente dentro de 30 minutos o menos.
Por lo tanto, existe una necesidad de sistemas de baterla mejorados. Existe una necesidad adicional de configuraciones de baterla recargables que sean comercialmente viables.
El documento DE 18 05 022 A1 se refiere a celdas electroqulmicas que comprenden electrodos de difusion de gas que estan parcialmente sumergidos en el electrolito, en las que la parte restante del electrodo esta en comunicacion con un medio gaseoso. En particular, el documento DE 18 05 022 A1 divulga una celda recargable que tiene un electrodo metalico y un electrodo en contacto con el aire que comprende una red de metal como un colector de corriente y una membrana hidrofoba permeable al aire. En el documento no se describe ningun reborde de rebose configurado para capturar un rebose del electrolito que rebosa desde arriba.
Sumario de la invencion
La presente invencion se define por el objeto de las reivindicaciones independientes 1 y 7 y proporciona soluciones a uno o mas de los problemas tecnicos descritos anteriormente.
La presente invencion proporciona un nuevo diseno del sistema de anodo metalico, recargable electricamente, y la qulmica de la baterla ha sido proporcionada de acuerdo con diversos aspectos de esta invencion. Este diseno de celda anodica metalica incorpora un numero sustancial de nuevas y previamente no exploradas sustancias qulmicas, materiales, y cambios estructurales y de diseno. Los diversos cambios y modificaciones de este sistema de baterla de anodo de zinc seran descritos con mayor detalle mas adelante. En algunas realizaciones, esta celda anodica metalica puede ser una celda de zinc-aire. El nuevo sistema de baterla ha sido exitosamente electricamente descargado y cargado con este nuevo sistema de baterla mas de 1.800 veces sin evidencia de degradacion del catodo de aire. Basandose en tales resultados, se espera una vida operacional prolongada. Algunas (o todas) de las modificaciones listadas en la presente memoria pueden ser combinadas para obtener el funcionamiento de la celda con un ciclo de vida prolongado que puede hacer de este sistema de zinc-aire un sistema disponible y practico.
Un aspecto de la invencion se refiere a una celda anodica metalica recargable que comprende un electrodo metalico; un electrodo en contacto con el aire que comprende al menos un colector de corriente que tiene una capa externa resistente a la corrosion que comprende carburo de titanio, una capa interna conductora que comprende titanio y una membrana hidrofoba permeable al aire; un electrolito acuoso situado entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire; y un bastidor que soporta tanto el electrodo metalico como el electrodo en contacto
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con el aire de modo que el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire esten situados a una distancia fija entre ellos para definir un espacio en el que esta contenido el electrolito acuoso, comprendiendo el bastidor un sistema de gestion del electrolito formado integralmente en el bastidor, comprendiendo el sistema de gestion de electrolito: un orificio de drenaje o de llenado; un reborde de rebose configurado para capturar y contener el electrolito acuoso dentro de la celda cuando el electrolito acuoso rebosa de uno de un tanque de electrolito superior o una celda superpuesta verticalmente apilada sobre el electrodo en contacto con el aire de la celda, en el que el electrodo metalico entra en contacto directamente con el electrolito acuoso y sin un material electricamente aislante y conductor ionico entre el electrodo en contacto con el aire y el electrolito acuoso, en el que un rebose del electrolito acuoso dentro de la celda fluye sobre el borde de rebose y hacia el orificio de drenaje o de llenado, permitiendo el orificio de drenaje o de llenado que el rebose de electrolito acuoso caiga a uno de un tanque de captura de electrolito o una celda subyacente apilada verticalmente debajo del electrodo metalico de la celda. Tambien se describe en la presente memoria una celda anodica metalica recargable que puede comprender un electrodo metalico; un electrodo poroso en contacto con el aire que contiene un catalizador; y un electrolito acuoso entre el electrodo metalico y el electrodo poroso en contacto con el aire, en el que el electrodo metalico entra en contacto directamente con el electrolito y no se proporciona ni se necesita ningun separador entre el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metalico. En algunas realizaciones, adicionales, no se proporciona ningun separador entre el electrodo en contacto con el aire y el electrolito.
Un metal puede incluir cualquier metal, aleacion metalica, material intermetalico, metales mixtos o mezclas de los materiales anteriormente mencionados.
Los metales pueden tambien incluir materiales de chapado donde un metal es recubierto sobre otro metal o sobre cualquier sustrato conductor adecuado. Este puede tambien incluir materiales trichapados donde un metal (o aleacion metalica) es recubierto sobre un segundo metal (o substrato conductor adecuado), y a su vez, un tercer metal (o aleacion metalica) es recubierto sobre la parte superior de estos dos metales. El metal subyacente y el metal recubierto pueden ser ya sea el mismo metal o aleacion o un metal o aleacion diferentes. Un ejemplo simple de un chapado metalico podrla incluir un estuche donde el metal A es recubierto sobre metal B. El metal A puede ser el mismo que el metal B o podrla ser un metal diferente. Un trichapado podrla consistir en tres metales separados, por ejemplo el metal C recubierto sobre la parte superior del metal A, el cual a su vez esta recubierto sobe el metal B. El metal C podrla ser el mismo que el metal A o B, o bien podrla ser un metal completamente diferente. Los ejemplos podrlan incluir titanio recubierto sobre cobre o nlquel. Otro metal adecuado puede ser recubierto entre el titanio y el cobre. Cualquier numero de metales y/u otros materiales conductores pueden ser chapas, incluyendo pero sin limitarse a dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete o mas. Cualquiera de los materiales de chapado y/o sustratos pueden ser cualquier material conductor, el cual puede incluir pero no estar limitado a metal (por ejemplo, cobre, nlquel aluminio, titanio, plata, hierro, acero, laton, platino, paladio) y cualquier otro material electricamente conductor y/o cualquier otro material descrito mas adelante en la presente memoria.
Un intermetalico puede referirse a las composiciones que consisten unicamente en atomos de metal los cuales estan unidos entre si a traves de enlaces metalicos en proporciones no estequiometricas. Los ejemplos podrlan incluir, pero no estan limitados a Ag-Ni, Ag-Au, PdPt, Pt0,5Au0,5, PdNi, PdIr o AxBy, donde A representa rutenio, paladio, renio, iridio o platino, B representa aluminio, escandio, itrio, los lantanidos, titanio, circonio, hafnio, vanadio, niobio, o tantalo, x e y son subindices adecuados, de tal modo que x e y son numeros enteros y ambos mayores que o iguales a 1 (por ejemplo, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, o similares) y x + y es mayor que o igual a dos.
Un separador puede incluir un material en general poroso disenado para separar o aislar electricamente el catodo del anodo. Este material puede ser ionicamente conductor pero electricamente aislante. Al ser colocado entre el catodo y el anodo, un separador podrla reducir el flujo conectivo en ~ 20 %. Un separador podrla reducir el transporte ionico (respecto al que podrla darse si no estuviera presente ningun separador) en ~ 15 %.
Un electrodo en contacto con el aire podrla comprender un material poroso, electricamente conductor, el cual esta en contacto con el aire. Esta porosidad puede permitir que el oxlgeno proveniente del aire se difunda a traves de los poros y entre en contacto flsico y electrico con el material en el electrodo. Normalmente, un lado del electrodo que hace contacto con el gas esta en contacto con una fase gaseosa (por ejemplo, el espacio de aire de una celda anodica metalica) y el otro lado esta expuesto a una fase electrolltica. En una configuracion de celda bipolar, es proporcionado un contacto electrico entre un electrodo en contacto con el aire de una celda y el anodo de una celda adyacente.
Otro aspecto de la invention se refiere a un conjunto de baterla secundario que comprende una primera celda que tiene un primer electrodo metalico, un primer electrodo en contacto con el aire que comprende al menos un colector de corriente que tiene una capa externa resistente a la corrosion que comprende carburo de titanio, una capa interna conductora que comprende titanio y una membrana hidrofoba permeable al aire, un electrolito entre ambas y un primer bastidor que soporta tanto el primer electrodo metalico como el primer electrodo en contacto con el aire en una distancia fija entre si para definir un primer espacio en el que esta contenido el electrolito, incluyendo el primer bastidor un primer reborde de rebose configurado para mantener un nivel constante del electrolito dentro de la primera celda; una segunda celda que tiene un segundo electrodo metalico, un segundo electrodo en contacto con el aire que comprende al menos un colector de corriente que tiene una capa externa resistente a la corrosion que
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comprende carburo de titanio, una capa interna conductora que comprende titanio y una membrana hidrofoba permeable al aire y un segundo bastidor que soporta tanto el segundo electrodo metalico como el segundo electrodo en contacto con el aire a una distancia fija uno del otro para definir un segundo espacio entre ellos, incluyendo el segundo bastidor un segundo reborde de rebose configurado para capturar un rebose del electrolito que fluye sobre el primer reborde de rebose y contener el electrolito capturado dentro del segundo espacio, en el que el electrodo metalico de la primera celda entra en contacto con el electrodo en contacto con el aire de la segunda celda, formando un tunel de aire entre el electrodo metalico de la primera celda y el electrodo en contacto con el aire de la segunda celda y en el que tanto el electrodo metalico como el electrodo en contacto con el aire de la primera y la segunda celda estan alojados en una orientacion sustancialmente horizontal.
Tambien se describe en la presente memoria un sistema de celda anodica de metal recargable que comprende un electrodo metalico; un electrodo en contacto con el aire; y una solucion de electrolito acuosa que tiene un pH en el intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10 (por ejemplo, aproximadamente 3,5 a aproximadamente 9,5, aproximadamente 4 a aproximadamente 9, o aproximadamente 5 a aproximadamente 8), en el que el sistema de celda de baterla es capaz de al menos 500 o mas ciclos de descarga y recarga electrica sin degradacion flsica de los materiales o degradacion sustancial de la celda y el rendimiento del sistema.
Un conjunto de celda puede ser proporcionado de acuerdo con otro aspecto de la presente invencion. Un conjunto de baterla puede comprender un numero de celdas individuales. Cada celda puede comprender un electrodo metalico, un electrodo en contacto con el aire que contiene un catalizador y un electrolito llquido entre ellos. La primera celda puede estar conectada a una segunda celda que tiene tambien un electrodo metalico, un electrodo en contacto con el aire, y el electrolito llquido entre ellos. Estas dos celdas estan conectadas de tal manera que el electrodo metalico de la celda N.° 1 hace contacto con el electrodo en contacto con el aire de la celda N.° 2. Esto permite que se forme un espacio de aire o tunel entre el electrodo de la celda N.° 1 y el electrodo en contacto con el aire de la celda N.° 2. En esta configuracion, el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire estan paralelos entre si y estan orientados horizontalmente.
Tambien se divulga un sistema de almacenamiento de energla que comprende: un conjunto de suministro de electrolito llquido que tiene una caracterlstica de control de flujo que esta configurado de una manera tal como para distribuir (por ejemplo, anadir o eliminar) electrolito llquido, segun sea necesario, a las celdas individuales. Esto puede incluir al menos un orificio que tiene una porcion de rebose, en el que la caracterlstica de control de flujo permite que el exceso o el superavit de electrolito rebose desde cada celda individual en una baterla si los volumenes de electrolito en esa celda aumentan de manera considerable. Esto puede permitir tambien que las celdas individuales dentro de una baterla sean rellenadas con electrolito llquido si los volumenes de electrolito en esa celda particular disminuyen. En algunas realizaciones, las caracterlsticas de control de flujo pueden estar verticalmente alineadas sobre la porcion de rebose.
Tambien se divulga en la presente memoria un metodo para almacenar energla. Este metodo puede comprender recibir un electrolito en un tanque de suministro de electrolito, y permitir, si ocurre rebose en el tanque de suministro del electrolito, que parte del electrolito caiga desde un tanque de suministro de electrolito a una celda subyacente; y permitir, si ocurre rebose en la celda subyacente, que parte del electrolito caiga desde la primera celda hacia una segunda celda o un tanque de recoleccion. Este efecto de cascada de electrolito asegura que los niveles de electrolito en todas las celdas esten aproximadamente a nivel y llenas. Esto puede ayudar a mantener un buen contacto electrico y volumenes de electrolito aproximadamente iguales y a nivel, incluso con expansion, contraccion o evaporacion del electrolito.
En la presente memoria tambien se describen metodos adicionales. Un metodo para almacenar la energla electrica puede comprender proporcionar uno o mas electrodos en contacto con el aire, bipolares, con un espacio de aire entre ellos. La combinacion de un electrodo en contacto con el aire de una celda conectado a un electrodo metalico de otra celda puede ser denominada como un “centrodo”. Un “centrodo” consiste en un electrodo metalico (en general, el anodo) de una celda en contacto electrico con un electrodo en contacto con el aire de una segunda celda. Esto permite proporcionar un tunel de aire entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire. Un bastidor se extiende sobre la parte superior de uno o mas de estos centrodos y un segundo bastidor se extiende por debajo de estos centrodos. La primera celda comprende el espacio sobre el electrodo metalico y esta encerrado por el primer bastidor para aceptar el electrolito llquido. Una segunda celda comprende el espacio por debajo del electrodo en contacto con el aire y cerrado por el segundo espacio para aceptar un electrolito. En algunas realizaciones, un centrodo puede ser proporcionado como se describe o se ilustra en otro sitio en la presente.
Tambien se describe en la presente memoria un sistema para almacenar energla a escala de red publica que puede comprender una pluralidad de celdas que comprenden al menos un bastidor, en el que uno o mas tuneles de aire son proporcionados entre las celdas individuales; un sistema de control del flujo de electrolito que esta configurado para distribuir el electrolito a una o mas celdas o pilas de celdas; y un conjunto de flujo de aire configurado para proporcionar flujo de aire a traves de uno o mas tuneles de aire. En algunas realizaciones, el sistema de control del electrolito puede formar parte integral con uno o mas bastidores.
Otros objetivos y ventajas de la invencion seran apreciadas y entendidas adicionalmente cuando se consideran conjuntamente con la siguiente description y dibujos acompanantes. Mientras que la siguiente description puede
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contener detalles especlficos que describen realizaciones particulares de la invencion, esto no debe ser considerado como limitaciones al alcance de la invencion, sino mas bien como una ilustracion de las realizaciones posibles o preferibles. Para cada aspecto de la invencion, son posibles muchas variaciones como se sugiere en la presente memoria, que son conocidas por aquellos de experiencia ordinaria en la tecnica. Pueden realizarse diversos cambios y modificaciones dentro del alcance de la invencion sin apartarse del esplritu de la misma.
Tambien se divulga una celda o una baterla de anodo metalico, recargable electricamente, que comprende un electrodo metalico, un electrodo en contacto con el aire; y un electrolito acuoso situado entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire, en el que el electrodo metalico hace contacto directamente con el electrolito llquido, y sin un material ionicamente conductor y electricamente aislante entre el electrodo en contacto con el aire y el electrolito llquido.
Algunas realizaciones proporcionan una celda o una baterla que comprenden un bastidor que soporta el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire, de modo que el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire estan situados a una distancia fija uno del otro. Por ejemplo, la distancia fija entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire define un espacio en el cual puede estar contenido el electrolito llquido. En otros ejemplos, el bastidor esta al menos parcialmente formado por un material polimerico o plastico. Y en algunos ejemplos, el bastidor comprende un saliente que sobresale dentro de la baterla o celda y que hace contacto con el electrodo metalico.
En algunas realizaciones, el electrodo metalico comprende zinc. En otras, el electrodo metalico comprende magnesio.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende una matriz que incluye carbono o un pollmero, una membrana hidrofoba permeable al aire; y un colector de corriente electricamente conductor, resistente a la corrosion.
En algunas realizaciones, el colector de corriente comprende un material conductor que comprende un metal expandido, una malla conductora, tela, espuma, una lamina, un alambre, fragmentos, una varilla, lana o cualquier combinacion de los mismos. En algunas realizaciones, el colector de corriente comprende uno o mas pollmeros electricamente conductores.
En algunas realizaciones, el desprendimiento de oxlgeno gaseoso es favorecido durante la carga de la celda o de la baterla.
En algunas realizaciones, un compuesto metalico cambia su estado de oxidacion y forma un material catalltico que favorece el desprendimiento de oxlgeno gaseoso durante la carga de la celda o de la baterla.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metalico estan conectados en una configuracion bipolar. En otras, el electrodo en contacto con el aire esta en una orientacion horizontal y colocado por arriba del electrodo metalico.
Algunas realizaciones comprenden ademas un electrodo auxiliar configurado para la carga de la celda y la generacion asociada de oxlgeno que esta situado entre el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metalico, o sobre ambos lados del electrodo metalico.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un material de carbono. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes: negro de carbono, negro de acetileno, negro termico o de horno, negro de canal, carbono activado, grafito, grafito pirolltico, carbono vltreo reticulado, carbonos fluorados, o carbono cristalino. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende partlculas basadas en carbono de diversas formas y tamanos, que incluyen una o mas de las siguientes: nanotubos de carbono, nanotubos funcionalizados, nanofibras de carbono, nanofibras funcionalizadas, alambres, escamas, pellculas, grafeno o fulerenos. Y, en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un compuesto a base de carbono, en el que la resistividad del electrodo en contacto con el aire es menor de 60 ohmios- cm.
En otras realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un compuesto a base de carbono, en el que la porosidad del electrodo en contacto con el aire es mayor del 30 %.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un pollmero electricamente conductor, a base de carbono.
Algunas realizaciones comprenden ademas un aglutinante que imparte al electrodo en contacto con el aire una resistencia a la traccion mayor de aproximadamente 0,137 bar.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un material no carbonaceo.
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En realizaciones alternativas, el electrodo en contacto con el aire comprende al menos un oxido metalico o no metalico. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas oxidos metalicos que son no estequiometricos y tienen la formula Mm-xOm-y, en la que M representa un metal, o representa oxlgeno, el sublndice x tiene un valor de 0 < x < 1, el sublndice y tiene un valor 0 < y < 1, y el sublndice m puede tener un valor 1 < m < 5. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas oxidos metalicos o no metalicos que pertenecen al grupo seleccionado de: PtO2, NiO2, Nb2Os, M0O3, ZnO2, SnO2, Fe2O3, W2O3, Al2O3, Bi2O3, Yb2O3,
Ge203, B2O3 o CeO2. Y en otras realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende silicio dopado o no dopado. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes: SiO2, aluminosilicato, ultra-marino o Al2O3.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto de azufre. Y en algunos casos, el compuesto de azufre comprende un sulfuro (por ejemplo, SnS o TiS2).
En otras realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un carburo de uno o mas de los siguientes: un metal, un no metal, o un metal de transicion. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes: TiC, VC, WC, o BC.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un boruro de uno o mas de los siguientes: un metal, un no metal, o un metal de transicion. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende TiB2.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes: un metal, un no metal o un metal de transicion. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes elementos: Ir, Zr, Ti, Pt, Ru, Rh, Co, Mn, V, Ce, Bi, Ag, Cu, Fe o Au. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartlculas que comprenden uno o mas de los siguientes elementos: Ir, Zr, Ti, Pt, Ru, Rh, Co, Mn, V, Ce, Bi, Ag, Cu, Fe o Au.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende TiH2.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas oxidos metalicos o de metales de transicion. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos que incluyen titanio y oxlgeno. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes: TiO2, Ti4O7, Ti5O8, o Ti5Og. Y en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartlculas que comprenden uno o mas de los siguientes: TiO2, Ti4O7, Ti5O8, o Ti5Og.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos de titanio, en el que el titanio tiene un numero de oxidacion promedio de 4,0 o menor. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos de titanio, en el que el titanio tiene un numero de oxidacion promedio entre 3,5 y 4,0, En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos de titanio, en el que el titanio tiene un numero de oxidacion promedio entre 3,2 y 3,5.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos que comprenden vanadio y oxlgeno. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes compuestos de vanadio: oxido de vanadio (II), oxido de vanadio (III), oxido de vanadio (IV) u oxido de vanadio (V). Y en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos que contienen vanadio y oxlgeno, en el que el estado de oxidacion del vanadio tiene un valor no entero en el intervalo de 5,0 y 3,0, En ejemplos alternativos, el electrodo en contacto con el aire comprende V6O13 o V5O8.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos de manganeso en el que el manganeso tiene un estado de oxidacion de 4,0 o menos. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos de manganeso en los que el manganeso esta en un estado de oxidacion promedio entre 3,0 y 4.0, En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos de manganeso en el que el manganeso esta en un estado de oxidacion promedio entre 3,0 y 3,5. Y en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos de manganeso en el que el manganeso esta en un estado de oxidacion promedio entre 2,5 y 3,0.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes: MnO2, Mn3O4, Mn5O8 o MnOx donde el sublndice x esta en el intervalo de 1,10 < x < 2,01.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende partlculas de tamano nanometrico que comprenden uno o mas compuestos de manganeso, en el que el manganeso esta en un estado de oxidacion promedio entre 3,0 y 3,5.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos que incluyen un metal o metal de transicion, y oxlgeno. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes: IrO2, RuO2, V2O5, CeO2 o RhO2. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende oxidos metalicos en tamano de nanopartlculas que incluyen uno o mas de los siguientes: IrO2, RuO2, V2O5, CeO2 o
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En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende aleaciones metalicas o combinaciones de metales y aleaciones metalicas.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende metales mixtos intermetalicos.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes: Ag-Ni; Ag-Au; PdPt; Pt0,5Au0,5; PtxYi-x, en la que Y se selecciona del grupo que consiste en cobalto, nlquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio, tungsteno, aluminio, plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x esta entre 0,1 y 0,9; o PtxMzYi-x-z en la que M se selecciona del grupo que consiste en iridio, renio, cobalto y nlquel y combinaciones de los mismos, Y se selecciona del grupo que consiste en cobalto, nlquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio, tungsteno, aluminio, plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x + z esta entre 0,1 y 0,9.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos de anillo clclico a base de metal que contienen grupos nitrogeno. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende una porfirina que comprende uno o mas metales, o productos de descomposicion inducida por calor o radiacion, de una porfirina que comprende uno o mas metales.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto de anillo clclico o un complejo. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende un tetraazaazuleno.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende cobalto o un compuesto del mismo.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende nlquel o un compuesto del mismo.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende metales de transicion de tamano nanometrico.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende una pluralidad de partlculas de cobalto que tienen un diametro medio de menos de 1 micrometro.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas oxidos, carburos o boruros, de un metal de transicion y ademas comprende un aditivo electricamente conductor.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un oxido de manganeso y un aditivo
electricamente conductor. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende un oxido de manganeso y
carbono electricamente conductor.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un oxido de manganeso y una pluralidad de partlculas conductoras que comprenden un metal.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un oxido de manganeso que tiene la
formula general AaMnxMyOzSsHh; en la que A se elige de H, Li, Na, K, Rb, Sr o Ag; el sublndice a es 0,00 < a < 1,2;
Mn representa manganeso; M es elegido de V, Ce, Bi, Ti, Fe, Co, Ni, Zr, La, Yb; O representa oxlgeno; S representa azufre, el sublndice s es 0,00 < s < 0,1; H es elegido de fluor o cloro; el sublndice h es 0,00 < h < 0,15; y los subindices x, u y z tienen valores tales que el compuesto total es electricamente neutro.
En algunas realizaciones, el compuesto de manganeso comprende una fase cristalografica seleccionada de: alfa, beta, o gamma MnO2.
En algunas realizaciones, el compuesto de manganeso comprende una fase amorfa.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende oxidos de cobalto. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende cobalto y oxlgeno, en el que el cobalto tiene un numero de oxidacion de + 2 a +8. En otros ejemplos el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de los siguientes: CoO, CoO3, CoO4 o Co3O4. Y, en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende una pluralidad de partlculas que comprenden CoO, CoO3, CoO4 o Co3O4 y que tienen un diametro de partlcula medio de menos de 1 micrometro.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende PbMnOx en la que Pb representa plomo, Mn representa manganeso, y el sublndice x es un numero tal que el compuesto es electricamente neutro.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas compuestos que tienen una combinacion estable de un metal de transicion, oxlgeno y un lantanido. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende una pluralidad de partlculas de uno o mas compuestos que tienen una combinacion estable de un metal de transicion, oxlgeno y un lantanido, en el que las partlculas tienen un diametro medio de menos de 1
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micrometro. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende LaMnO3. Y en algunos ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartlculas de LaMnO3.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto que tiene la formula general LaMxMnyO, en la que La representa lantanido, M representa un metal, Mn representa manganeso, O representa oxlgeno, y los subindices x, y y z son numeros tales que el compuesto es electricamente estable. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende uno o mas de LaNi0,sMn0,sO3, LaCu05Mn05O3, La08Sr02MnO3, La2/3Cai/3MnO3, o Lai/2Sri/2MnO3. En otros ejemplos, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartlculas de: LaNi0,5Mn0,5O3, LaCu0,5Mn0,5O3, La0,sSr0,2MnO3, La2/3Cai/3MnO3 o Lai/2Sri/2MnO3.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un metal de transicion, un metal alcalino o alcalinoterreo, y un grupo fosfato, que tiene la formula general AxMyPOz en la que A es un metal alcalino o alcalinoterreo, M es un metal de transicion, y los subindices x e y son numeros tales que el compuesto es estable y el sublndice z tiene un valor de aproximadamente 4.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende LiMnPO4, LiCoPO4, o LiFePO4. Por ejemplo, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartlculas de LiMnPO4, LiCoPO4, o LiFePO4.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto que tiene una combination de un lantanido, un metal, un oxido de metal de transicion, y un halogeno, que tiene la formula general MnxMyAzOaHb en la que Mn es manganeso, M es un metal de transicion, A es un metal alcalino o alcalinoterreo, O es oxlgeno, H es un halogeno, y los subindices x, y, a y b son valores tales que el compuesto es electricamente estable.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende nanopartlculas de un compuesto que tiene una combinacion de un lantanido, un metal, un oxido de metal de transicion, y un halogeno que tiene la formula general MnxMyAzOaHb en la que Mn es manganeso, M es un metal de transicion, A es un metal alcalino o alcalinoterreo, O es oxlgeno, H es un halogeno y los subindices x, y a y b son valores tales que el compuesto es electricamente estable.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende un compuesto que sufre reduction u oxidation electroqulmica, y con esto proporciona una meseta de voltaje adicional o capacidad anadida durante la descarga electrica. En algunos ejemplos, el compuesto es uno que al sufrir reduccion u oxidacion electroqulmica efectivamente disminuye los potenciales de carga de celda requeridos o eleva los potenciales durante la descarga de la celda.
En algunas realizaciones, un compuesto proximal al electrodo en contacto con el aire sufre la reduccion durante la descarga de la celda, y es reoxidado por un agente oxidante o una superficie oxidante, o presente en la baterla o en la celda o es introducido dentro de la baterla o la celda desde una fuente externa. En algunos casos, el agente oxidante es un oxlgeno o peroxido de hidrogeno. En otros, el agente oxidante es N2O o nitrato de amonio. Y en algunos casos, el agente oxidante es un compuesto de metal de transicion disuelto en el electrolito.
En algunas realizaciones, la baterla o la celda estan configuradas para sufrir una o mas reacciones de electrodo que implican uno o mas de urea, nitrato, cloruro o amonio. Por ejemplo, la baterla o la celda esta configurada para sufrir una o mas reacciones de electrodo que implican al menos uno de: cloro, oxlgeno, hipoclorito o cloruro.
En algunas realizaciones, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta hecho de un pollmero electricamente conductor.
En algunas realizaciones, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta hecho de un metal. Por ejemplo, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta hecho de un metal de titanio o de una aleacion del mismo.
En algunas realizaciones, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta hecho de metal de titanio o aleaciones de titanio recubiertas con un recubrimiento resistente a la corrosion. Por ejemplo, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta hecho del metal de titanio o aleaciones de titanio recubiertas con uno o mas de los siguientes: TiN, TiC, Ti, oxicarburo de TiB2, Ti2S3, NiB, CrN, grafito pirolltico, pollmeros conductores o carbono vltreo. En otros ejemplos, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta hecho de titanio recubierto con TiO2 y/o sus suboxidos. En algunos ejemplos, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta hecho de titanio o sus aleaciones recubiertas con TiO2 y el cual se ha hecho mas electricamente conductor por medio de aditivos o dopantes.
En algunas realizaciones, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta recubierto con un catalizador de reduccion de oxlgeno o de oxidacion de agua. Por ejemplo, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire se recubre primeramente con un recubrimiento protector adecuado y luego se recubre con un catalizador adecuado de reduccion de oxlgeno o de oxidacion de agua. Por ejemplo, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire comprende titanio recubierto con un catalizador de reduccion de oxlgeno u
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oxidacion de agua. En otros ejemplos, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire comprende titanio recubierto con un recubrimiento protector, y despues recubierto con un catalizador de reduccion de oxlgeno o de oxidacion de agua.
En algunas realizaciones, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta en la forma de una malla electricamente conductora, hoja metalica perforada, tela tejida, alambre, malla o espuma porosa. Por ejemplo, el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire esta en la forma de una malla electricamente conductora y es un compuesto que comprende un metal, un carbono vltreo o grafito.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende un electrolito basado en cloruro acuoso. Por ejemplo, el electrolito comprende una mezcla de sales de cloruro solubles cuyos cationes son adecuados para formar sales de cloruro solubles en solucion. En otros ejemplos, el electrolito es un electrolito a base de cloruro acuoso, que tiene un pH en el intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10. Y en algunos ejemplos, el electrolito es un electrolito a base de cloruro acuoso que tiene una conductividad mayor de 30 (miliohomio cm)-1. En ejemplos alternativos, el electrolito es un electrolito a base de cloruro acuoso que tiene las proporciones de [Cr] a [Zn++] de 2 o mas. Y en otros ejemplos, el electrolito es un electrolito a base de cloruro acuoso que tiene las proporciones [Cl-] a [Zn++] de 3 o mas. En otros ejemplos, el electrolito es un electrolito a base de cloruro acuoso que tiene las proporciones [Cr] a [Zn++] de 5 o mas.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende una mezcla de sales solubles a base de al menos uno de los siguientes aniones: sulfatos nitratos, carbonatos, hexafluorosilicatos tetrafluoroboratos, metanosulfonatos, permanganato, hexafluorosofatos, boratos, fluoruros o fosfatos.
En algunas realizaciones, el nivel de pH del electrolito es tal que el CO2 normalmente presente en el aire no es absorbido por el electrolito, y se forman pocos o ningun carbonato.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende ademas un aditivo, o combinaciones de aditivos, que mejoran la deposicion del zinc durante el chapado (carga de las celdas) sobre el electrodo metalico. Por ejemplo, el electrolito comprende ademas un aditivo que incluye al menos uno de los siguientes: polietilenglicoles o tiourea.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende ademas un aditivo que previene la formacion de espuma del electrolito y permite que cualquier gas generado sea liberado.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende un aditivo que incluye uno o mas de lo siguiente: simeticona, Dowex, Aloe vera, emulfogen, dodecasulfato de sodio, aceite de ricino sulfonado, trementinas u otros tensioactivos.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende un aditivo que previene el desprendimiento de hidrogeno durante la carga.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende un aditivo que incluye una o mas de las siguientes sales cloruro con alto sobrepotencial de hidrogeno: cloruro de estano, nitrato de estano, cloruro de plomo, nitrato de plomo, cloruro de mercurio, cloruro de cadmio, nitrato de cadmio, nitrato de bismuto, nitrato de indio, cloruro de indio o cloruro de indio o cloruro de bismuto.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende un aditivo que previene o reduce al mlnimo el desprendimiento de gas cloro y/o de hipoclorito durante la recarga de la celda.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende un aditivo electrolltico que comprende urea.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende un aditivo que promueve el chapado o precipitacion deseable del zinc.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende un aditivo que promueve los depositos de zinc que tienen un area superficial electroqulmica de al menos dos veces el area superficial geometrica del electrodo.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende un anion aditivo que incluye al menos uno de los siguientes aniones: benzoatos, yodatos, estearatos, nitratos, citratos o carbonatos. Por ejemplo, el electrolito comprende un aditivo que incluye un anion con un pKa de 2 a 11.
En algunas realizaciones, el electrolito comprende una sal de manganeso soluble.
En algunas realizaciones, el electrodo metalico comprende ademas un colector de corriente formado de un metal recubierto con un recubrimiento protector o conductor. Por ejemplo, el electrodo metalico comprende ademas un colector de corriente formado de metal titanio recubierto con un recubrimiento protector de uno o mas de los siguientes: TiC, TiN, CrN, TiB2, NiB un carbono pirolltico, o un pollmero conductor.
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Tambien se divulga un conjunto de baterla que comprende una primera celda que tiene un electrodo metalico, un electrodo en contacto con el aire, y el electrolito entre ellos; y una segunda celda que tiene un electrodo metalico, un electrodo en contacto con el aire, y un electrolito entre ellos, en el que el electrodo metalico de la primera celda hace contacto con el electrodo en contacto con el aire de la segunda celda, de modo que se forma un tunel de aire entre el electrodo metalico de la primera celda y el electrodo en contacto con el aire de la segunda celda, y en el que el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire estan orientados de manera sustancialmente horizontal.
En algunas realizaciones, los electrodos metalicos y los electrodos en contacto con el aire estan alojados en una orientacion sustancialmente horizontal.
En algunas realizaciones, el electrodo metalico de la primera celda hace contacto con el electrodo en contacto con el aire de una segunda celda mediante un engarce mecanico alrededor de los bordes del electrodo en contacto con el aire de la primera celda, formandose un centrodo.
En algunas realizaciones, el centrodo proporciona una conexion en serie entre la primera celda y la segunda celda.
En algunas realizaciones, la primera celda, la segunda celda y una o mas celdas estan orientadas de manera sustancialmente horizontal, y estan dispuestas de una manera paralela en serie para conseguir as! un voltaje deseado y distribuir una densidad de corriente deseada.
En algunas realizaciones, el gas fluye en una direccion horizontal dentro del tunel de aire.
Algunas realizaciones comprenden ademas una tercera celda que tiene un electrodo metalico, un electrodo en contacto con el aire, y el electrolito entre ellos; y una cuarta celda que tiene un electrodo metalico un electrodo en contacto con el aire, y el electrolito entre ellos, en el que el electrodo metalico de la tercera celda esta mecanicamente engarzado alrededor del borde del electrodo en contacto con el aire de la cuarta celda, de modo que se forma un tunel de aire entre el electrodo metalico de la tercera celda y el electrodo en contacto con el aire de la cuarta celda, con lo cual se forma un segundo centrodo, y en el que el segundo centrodo esta en contacto electrico con el primer centrodo, con lo cual se proporciona una conexion electrica entre la primera celda y la segunda celda.
Tambien se divulga un sistema de almacenamiento de energla que comprende un conjunto de suministro de electrolito que tiene una caracterlstica de control de flujo configurada para distribuir uniformemente el electrolito llquido a las celdas de aire metalicas subyacentes; y una o mas celdas anodicas metalicas que comprenden al menos un orificio de llenado o drenaje comun que tiene una porcion de rebose de llquido, en el que caracterlstica de control de flujo esta verticalmente alineada sobre la porcion de rebose.
En algunas realizaciones, la caracterlstica de control de flujo rompe el electrolito llquido en gotas discontinuas y separadas.
En algunas realizaciones, una o mas celdas anodicas metalicas estan horizontalmente orientadas y apiladas una sobre la parte superior de la otra.
En algunas realizaciones, los orificios de relleno o de drenaje de cada una de las celdas anodicas metalicas individuales en un apilamiento de baterla estan orientadas y apiladas una sobre la parte superior de la otra, con lo cual se forma un canal de flujo vertical continuo para que los llquidos pasen a traves.
En algunas realizaciones, el sistema de almacenamiento de energla comprende ademas una bandeja de recoleccion de electrolito llquido colocada por debajo de una o mas celdas anodicas metalicas.
En algunas realizaciones, el conjunto de suministro de electrolito proporciona electrolito llquido a las celdas individuales por accion de la gravedad.
En algunas realizaciones, la estructura flsica del conjunto de suministro de electrolito es moldeada por inyeccion.
En algunas realizaciones, la pluralidad de celdas anodicas metalicas individuales esta apilada conjuntamente bajo compresion.
En algunas realizaciones, la pluralidad de celdas anodicas metalicas horizontalmente orientadas, estan inclinadas ligeramente hacia arriba cerca del conjunto de suministro de electrolito.
En algunas realizaciones, las celdas anodicas metalicas estan inclinadas hacia arriba a un angulo de 1 a 5 grados de la horizontal.
Tambien se divulga un metodo para almacenar energla que comprende: recibir un electrolito en un tanque de suministro de electrolito, y permitir, si ocurre rebose en el tanque de suministro del electrolito, que el electrolito caiga a las celdas anodicas metalicas subyacentes; y permitir, si ocurre ademas rebose de electrolito llquido en las celdas
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anodicas metalicas subyacentes, que parte del electrolito caiga a un segundo nivel de celdas anodicas subyacentes o a un tanque de recoleccion situado por debajo de las celdas anodicas metalicas subyacentes.
Algunas implementaciones comprenden ademas: retirar el electrolito llquido del tanque de recoleccion; tratar el electrolito llquido proveniente del tanque de recoleccion; anadir ingredientes adicionales al electrolito llquido si es necesario; y proporcionar electrolito llquido fresco o tratado hacia el tanque de suministro de electrolito, si es necesario.
En algunas implementaciones, una primera celda anodica metalica y una segunda celda anodica metalica estan electricamente conectadas entre si en una disposicion en serie.
En algunas implementaciones, una primera celda anodica metalica y una segunda celda anodica metalica tienen un espacio de aire entre ellas.
Otro aspecto mas de la presente invencion proporciona un metodo para almacenar energla que comprende: proporcionar uno o mas centrodos que tienen un electrodo metalico de una primera celda en contacto con un electrodo en contacto con el aire de una segunda celda, en el que se proporciona un tunel o via de aire entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire; y proporcionar un primer bastidor que se extiende sobre uno o mas centrodos y un segundo bastidor que se extiende por debajo de uno o mas centrodos, en el que la primera celda comprende el espacio por arriba del electrodo metalico y encerrado por el primer bastidor para aceptar el electrolito, y la segunda celda comprende el espacio por debajo del electrodo en contacto con el aire y encerrado por el segundo espacio para aceptar el electrolito.
Tambien se divulga una configuration de apilamiento de baterla que comprende una disposicion de una pluralidad de celdas apiladas verticalmente, y horizontalmente adyacentes entre si, en la que una celda individual comprende un electrodo metalico y un electrodo en contacto con el aire, en la que la disposicion de la pluralidad de celdas permite conexiones electricas entre las celdas tanto verticalmente como horizontalmente, permitiendo as! la desviacion de una celda estropeada.
Otro aspecto mas de la presente invencion proporciona un sistema para almacenar energla a escala de red publica, que comprende: una pluralidad de celdas anodicas metalicas dispuestas horizontalmente y verticalmente apiladas, que comprenden al menos un bastidor, en el que entre las celdas se proporciona uno o mas tuneles de aire; un sistema de control del flujo de electrolito, que forma parte integral con uno o mas bastidores, configurado para distribuir automaticamente el electrolito llquido hacia las celdas; y un conjunto de flujo de aire configurado para proporcionar flujo de aire a traves de uno o mas tuneles o vlas de aire.
Breve descripcion de los dibujos
Las diversas caracterlsticas novedosas de esta invencion son descritas con particularidad en las reivindicaciones anexas. Se entenderan mejor caracterlsticas y ventajas de la presente invencion por referencia a la siguiente descripcion detallada que describe las realizaciones ilustrativas, en las cuales son utilizados los principios de la invencion, y las Figuras anexas de las cuales:
La Figura 1 muestra las celdas anodicas metalicas recargables, dispuestas en una orientation horizontal de acuerdo con una realization de la presente invencion. Para cada celda individual, el catodo poroso, de respiration de aire, puede ser colocado en una direction horizontal (sobre la parte superior), mientras que el anodo metalico es colocado horizontalmente (sobre el fondo). El electrolito llquido puede estar contenido entre el catodo de respiracion de aire sobre la parte superior y el anodo metalico sobre la parte inferior. Un bastidor de plastico puede sujetar el catodo y el anodo de forma apretada en su sitio y puede evitar que el electrolito llquido salga fuera de estas celdas. Esta disposicion de electrodo no requiere una membrana separadora entre el catodo y el anodo. La region abierta o espacio de aire proporcionado entre cada celda individual en un conjunto de celdas multiples, permite que el aire fluya facilmente en el espacio existente entre estas celdas. A medida que el aire fluye entre estas celdas, este puede proporcionar oxlgeno (combustible) al catodo de respiracion de aire, poroso, que esta de cara al espacio de aire.
La Figura 2 muestra un ejemplo de las celdas individuales que pueden ser apiladas unas sobre la parte superior de las otras. Las celdas individuales son mantenidas juntas por un bastidor de plastico electricamente aislante.
La Figura 3 muestra una vista en section isometrica de una sola celda, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. El alojamiento de plastico puede sujetar los electrodos individuales.
La Figura 4A muestra un sistema para mantener un nivel de electrolito sustancialmente constante y uniforme dentro de un grupo de celdas que estan horizontalmente dispuestas, en el que estas celdas pueden compartir un orificio de relleno de electrolito comun y el tanque de recirculation de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 4B muestra un sistema adicional para mantener los niveles de electrolito dentro de una pluralidad de celdas con las celdas lado a lado en un plano que comparte un orificio de relleno comun y puede incluir un taque o cargador separado donde el electrolito gastado puede ser barrido por el electrolito cargado (con metal de zinc o una suspension de zinc) de acuerdo con otra realizacion de la invencion.
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La Figura 5 muestra un ejemplo de una configuracion de apilamiento de baterla.
La Figura 6 muestra un ejemplo de un orificio de control del electrolito centralizado para un sistema de almacenamiento de energla que permite que cada celda sea llenada con el electrolito llquido. El electrolito en exceso proveniente de una celda puede caer en cascada o rebosar de una manera controlada hacia otras celdas situadas por debajo, de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 7 muestra una vista adicional de una configuracion de apilamiento de baterla con las conexiones de electrodo metalico y de electrodo en contacto con el aire verticalmente, y tambien con redundancia horizontal para permitir la desviacion de una celda estropeada.
La Figura 8A muestra un ejemplo de un recipiente de carga aislado y la utilizacion de la maquina HVAC para un modulo de baterla con un apilamiento separado de bandejas con un tanque de almacenamiento de electrolito, superior, y un drenaje inferior, que son parte de un sistema de recirculacion de electrolito de acuerdo con una realizacion de esta invencion.
La Figura 8B muestra las bandejas individuales de las celdas en el fondo de los modulos de baterla con tubos que son parte de un sistema de recirculacion sobre el piso del recipiente de acuerdo con una realizacion de esta invencion.
La Figura 8C muestra un numero de modulos de baterla ensamblados en un sistema de baterla con tanques de recirculacion inversores u otro equipo de control de energla.
La Figura 8D muestra una vista superior de un sistema de baterla que incluye una pluralidad de modulos de baterla dentro de un recipiente.
La Figura 8E proporciona un ejemplo de un conjunto de flujo de aire.
La Figura 8F proporciona una vista adicional de un conjunto de flujo de aire.
La Figura 8G proporciona un ejemplo alternativo de un conjunto de flujo de aire.
La Figura 8H proporciona un ejemplo de un sistema de baterla dentro de un recipiente.
La Figura 9A proporciona una vista inferior de un conjunto de bastidor de celda o bandeja con conexiones electricas en el extremo de cada hilera, que estan horizontalmente conectadas.
La Figura 9B muestra un bastidor de celda o conjunto de bandeja junto con uno o mas centrodos.
La Figura 10 proporciona una vista superior de cuatro celdas planas en un conjunto horizontal colocado para compartir un orificio de llenado y un orificio de salida comunes. Estas cuatro celdas colocadas adyacentes, en un conjunto horizontal, pueden ser denominadas como un “cuadrete”.
La Figura 11A muestra una vista superior de un sistema de almacenamiento de energla con un orificio de llenado y rebose, compartido, comun, entre celdas, de acuerdo con una realizacion de la invencion.
La Figura 11B muestra una vista lateral o una seccion transversal de un sistema de almacenamiento de energla de la Figura 11A. Aqul, cada cuadrete de cuatro celdas puede estar situado en un angulo ligeramente hacia arriba para permitir mas facilmente la expulsion de cualquier gas generado para que sean facilmente liberados. La gravedad permite el flujo del agua o del electrolito llquido desde el suministro de agua o del tanque de electrolito situado por encima de las celdas, hacia las celdas individuales situadas abajo.
La Figura 12 proporciona una vista esquematica de un diseno de tres electrodos para una celda anodica metalica recargable electricamente.
La Figura 13 muestra un ejemplo del voltaje de celda como una funcion del tiempo de prueba de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
Descripcion detallada de la invencion
Aunque en la presente memoria se han mostrado y descrito realizaciones preferibles de la invencion, sera obvio para aquellos expertos en la materia que tales realizaciones son proporcionadas a manera de ejemplo unicamente. Numerosas variaciones, cambios y sustituciones seran evidentes ahora para aquellos expertos en la materia sin apartarse de la invencion. Se debe entender que las diversas alternativas a las realizaciones de la invencion descritas en la presente memoria pueden ser empleadas en la practica de la invencion.
La invencion proporciona las celdas anodicas metalicas recargables electricamente y los metodos de ensamblaje de las celdas individuales en sistemas de baterla. Los diversos aspectos de la invencion descritos en la presente se pueden aplicar a cualquiera de las aplicaciones particulares expuestas mas adelante, o para cualquier otro tipo de sistema de baterla. La invencion se puede aplicar como un sistema o metodo unico, o como parte de un sistema de red electrica/red publica, o un sistema o metodo de almacenamiento de energla renovable. Se entendera que los diferentes aspectos de la invencion pueden ser considerados de manera individual, colectiva o en combinacion entre si.
I. Baterla de metal-aire
Las baterlas de anodo metalico podrlan incluir cualquier numero de sistemas de baterla que utilicen un anodo metalico y un catodo adecuado. El anodo en una celda es el electrodo donde se produce la oxidacion o la perdida de electrones. El catodo en una celda es donde se produce la reduccion o aceptacion de estos electrones. Un catodo puede incluir materiales que por si mismos sufren reduccion electroqulmica. Un catodo puede proporcionar tambien una superficie o una estructura porosa donde una especie adecuada puede sufrir reduccion. A modo de ejemplo, el oxlgeno proveniente del aire ambiental puede ser reducido sobre substratos de area superficial alta o catalltica adecuada. Las baterlas de metal-aire tienen el potencial de proporcionar densidades de muy alta energla a bajo
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costo. En consecuencia, un aspecto de la presente invencion proporciona un sistema de baterla de anodo metalico que utiliza oxlgeno atmosferico facilmente disponible, como el reactante de catodo. Las baterlas de metal-aire son fuentes de energla unicas ya que uno de los reactantes, el oxlgeno gaseoso, no es almacenado dentro de la baterla misma. Mas bien, el oxlgeno gaseoso, el cual constituye aproximadamente 20 por ciento del aire ambiental puede ser tomado del suministro ilimitado del aire circundante, segun sea necesario y dejar entrar a la celda donde este es reducido por las superficies catallticas dentro de un electrodo en contacto con el aire. El oxlgeno gaseoso puede ser considerado como un reactante de catodo esencialmente inagotable. Debido a que uno de los reactantes de celda, el oxlgeno gaseoso, no necesita ser llevado dentro de la celda, las caracterlsticas especlficas tales como los pesos totales de celda, el volumen o el tamano de las mismas pueden ser relativamente bajos y las densidades de energla (capacidades de amperio celda-hora por peso de celda dado) pueden ser mas altas que para otros sistemas de almacenamiento de energla electroqulmica. Otra ventaja mas es el volumen y el peso pequenos ocupados por los electrodos en contacto con el aire porosos. Esta ventaja de peso y volumen da como resultado caracterlsticas especlficas mas altas del sistema (amperio-hora/kilogramo y amperio-hora/litro) en comparacion con otras fuentes de energla electroqulmica.
Los sistemas de baterla de respiracion de aire producen electricidad por el acoplamiento electroqulmico de una reaccion de oxidacion en un electrodo metalico reactivo, el cual, durante la descarga de la celda, actua como un anodo (libera electrones) junto con una reaccion de reduccion de oxlgeno (acepta electrones) en un electrodo en contacto con el aire poroso. El electrodo en contacto con el aire puede ser un miembro en forma de lamina, que tiene superficies opuestas respectivamente expuestas a la atmosfera y al electrolito acuoso de la celda. Durante el funcionamiento de la celda, el oxlgeno es reducido dentro del catodo mientras que el anodo metalico es oxidado, proporcionando un flujo de corriente electrica utilizable a traves del circuito externo conectado entre el anodo y el catodo. En algunas realizaciones, de la presente invencion, el catodo de aire puede ser permeable al aire pero sustancialmente impermeable al electrolito acuoso, y puede incorporar un elemento electricamente conductor al cual puede ser conectado el circuito externo. En una realizacion, el catodo de aire comprende un material conductor (por ejemplo, carbono), un catalizador promotor de la disociacion del oxlgeno anadido, un material polimerico hidrofobo (por ejemplo, un material polimerico finamente dividido), y un elemento electricamente conductor, opcional, para recoger la corriente electrica, es decir, un colector de corriente.
En algunas realizaciones, el colector de corriente puede comprender cualquier tipo de materiales conductores en cualquier forma o configuraciones adecuadas, incluyendo pero sin limitarse a: metales expandidos, mallas, telas, espumas, laminas, alambres, fragmentos, varillas, lana o cualquier combinacion de los mismos.
En otras realizaciones, el anodo comprende un material de zinc (por ejemplo, zinc elemental, un oxido del mismo, una aleacion del mismo o una combinacion del mismo).
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire comprende una cantidad adecuada de uno o mas catalizadores de reduccion de oxlgeno. Los electrones libres generados a partir del anodo de zinc (oxidacion) pueden viajar a traves de una carga externa hacia el electrodo en contacto con el aire poroso donde estos electrones son aceptados por la reaccion de reduccion, completando de este modo el circuito electrico.
No obstante, un inconveniente clave de estas baterlas tipo metal-aire, puede ser que estas generalmente no han sido recargables electricamente para un gran numero de ciclos de carga y descarga. Un ciclo de descarga-carga es definido en la presente memoria como una descarga electrica completa seguida por una carga electrica completa. En algunas realizaciones, una descarga electrica completa puede durar aproximadamente 6 horas mientras que una carga completa seguida puede durar aproximadamente 6 horas. Este ciclo de descarga y carga de 12 horas (con la posibilidad de cargas y descargas de duracion mas corta para estabilizar o regular la red electrica publica) podrlan ser caracterlsticas y esperadas para un dla completo tlpico de servicio de respaldo a la red electrica. La capacidad de recarga electrica puede ser necesaria o altamente deseable para cualquier baterla que vaya a ser considerada para aplicaciones en la red electrica a escala de red publica. Las baterlas metal-aire a gran escala tradicionales no son del todo recargables electricamente o bien pueden unicamente ser sometidas a ciclos de menos de unos pocos cientos de ciclos de descarga-carga. Ademas, los sistemas tradicionales de baterla metal-aire grandes no son facilmente accesibles en el mercado. Para ser practicos para aplicaciones de red publica, una baterla recargable electricamente debe distribuir al menos 3.500 a 10.000 ciclos de descarga y carga de alto rendimiento con buena eficiencia de carga/descarga total. Esto corresponde a una vida aproximada de 10 a 30 anos.
Dentro de una baterla tipo metal-aire, el electrolito electricamente conductor que conecta el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire es habitualmente una solucion llquida (en algunas realizaciones acuosa, a base de agua) que contiene sales disueltas. Se puede pensar que las baterlas metal-aire combinan propiedades deseables de las celdas de combustible y las baterlas: el metal (zinc) es el combustible, las velocidades de reaccion pueden ser controladas variando el flujo del aire y la pasta de metal oxidado/electrolito puede ser remplazada con metal o pasta fresca. Una ventaja de seguridad tremenda de las celdas de metal-aire es el hecho de que estas son inherentemente a pruebas de cortocircuito. Ya que las celdas de metal-aire estan limitadas por la cantidad de oxlgeno que estas continuamente extraen y utilizan del aire ambiental, estas estan limitadas en ultima instancia por la cantidad de corriente estas pueden producir. Cuando ocurre un cortocircuito dentro de una celda, al contrario de lo que sucede con otras qulmicas de baterla, una celda de metal-aire simplemente no suministra corriente ilimitada - la
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capacidad de distribucion de corriente tiene un ilmite maximo superior. Esta es una consideracion de seguridad importante. Los sistemas de baterla metai-aire pueden inciuir, pero no se iimitan a, aiuminio-aire, magnesio- aire, hierro-aire, iitio-aire, sodio-aire, titanio-aire, beriiio-aire y zinc-aire.
Ei zinc, en particuiar, tiene un numero de ventajas sobre otros metaies. Es importante senaiar que cuaiquiera de ias reaiizaciones discutidas en otros sitios en ia presente memoria, tambien se pueden apiicar a cuaiquier tipo de sistema de baterla de anodo metaiico que puede o no inciuir zinc. Cuaiquier referencia ai zinc como un anodo puede tambien ser apiicada a cuaiquier otro metai adecuado, y viceversa. Cuaiquier referencia a ias baterlas de anodo de zinc-aire o zinc puede ser apiicada a cuaiquier otra baterla de metai-aire, u otro sistema de anodo metaiico. Ademas, ia referencia ai agua o ai eiectroiito acuoso, no iimita ia discusion unicamente a ios sistemas acuosos o a base de agua. Cuaiquier modificacion descrita aqul podrla apiicarse faciimente a cuaiquier otro ilquido y/o eiectroiito adecuado.
Ei zinc puede ser un materiai ventajoso para ei anodo de ia baterla debido a que este es de peso iigero, no toxico, barato, faciimente disponibie, y tiene veiocidades de reaccion eiectroqulmica rapidas para ei chapado durante ia carga eiectroqulmica. Debido a esto, ias ceidas anodicas de zinc han sido utiiizadas como ceidas primarias (desechabies) y recargabies (reutiiizabies). Las ceidas anodicas de zinc pueden ser recargadas ya sea mecanica o eiectricamente. En ias ceidas mecanicamente recargabies (flsicamente reabastecibies), ei zinc consumido puede ser flsicamente removido de una ceida/baterla y mecanicamente reempiazado con zinc metaiico fresco. Ei zinc gastado puede ser procesado separadamente en un sitio diferente nuevamente a zinc metaiico. En aigunas reaiizaciones, taies baterlas mecanicamente recargabies pueden ser utiiizadas para una apiicacion de aimacenamiento en ia red eiectrica.
En reaiizaciones preferibies se pueden usar ceidas recargabies eiectricamente o ceidas secundarias. En ias ceidas recargabies eiectricamente mas practicas, ia eiectricidad proveniente de una fuente externa puede ser apiicada a ia ceida o a ia baterla y esta energla eiectrica puede ser convertida y aimacenada como energla potenciai qulmica dentro de ia ceida o ia baterla. En un tipo de ceida recargabie, tai como una ceida de zinc-aire, cuando ia eiectricidad proveniente de una fuente externa es proporcionada a ia ceida, ei agua en ei eiectroiito acuoso sufre una oxidacion (pierde eiectrones) para generar oxlgeno gaseoso en ei eiectrodo en contacto con ei aire poroso, mientras que ios iones de zinc en soiucion pueden ser eiectroqulmicamente redepositados (chapados) nuevamente sobre ei eiectrodo metaiico como zinc metaiico. Durante ia carga eiectroqulmica, ios procesos eiectroqulmicos que ocurren durante ia descarga de ia ceida son revertidos y ias especies qulmicas originaies son regeneradas y reconstituidas. Durante ia carga de ia ceida, ei eiectrodo de zinc, ei cuai durante ia descarga de ia ceida ha sido ei anodo (habla perdido eiectrones), se convierte ahora en ei catodo (o eiectrodo que ahora gana eiectrones). Ei eiectrodo en contacto con ei aire, ei cuai durante ia descarga de ia ceida ha actuado como ei catodo (y ha ganado eiectrones) funciona ahora como un anodo (donde ei agua pierde eiectrones y se oxida) para generar oxlgeno gaseoso. Generaimente, ios sistemas de anodo de zinc sueien utiiizar eiectroiitos acuosos a base de materiai aicaiino. Estos eiectroiitos son a base de soiuciones aitamente causticas de aito pH, taies como hidroxido de potasio, KOH.
Durante ei funcionamiento normai de ia ceida durante ia descarga de ia ceida, ei oxlgeno proveniente dei aire circundante puede ser reducido (gana eiectrones) mientras que ei metai reactivo sufre oxidacion (pierde eiectrones). En ias ceidas de zinc-aire que contienen eiectroiito aicaiino, por ejempio, pueden ocurrir ias siguientes reacciones de ceida simpiificadas:
En ei anodo: 2Zn + 4OH' ^ 2ZnO +2H2O +4e E0= 1,25V
En ei catodo: O2 +2H2O + 4e- ^ 4OH- E0= 0,40V
Reaccion compieta: 2Zn + O2 ^ 2ZnO E(ocv)= 1,65V
En aigunos casos, ios productos de reaccion dei anodo reaies no son simpiemente ZnO + H2O sino mas bien Zn(OH)42-. La reaccion totai dei anodo podrla escribirse por io tanto como:
2Zn + 8OH'^ 2Zn(OH)42- + 4e-
Ei producto de oxidacion dei zinc, generado, ei zincato de potasio, puede permanecer en soiucion.
Las ceidas recargabies de zinc-aire que utiiizan eiectroiitos aicaiinos pueden tener diversos probiemas tecnicos. Ei primer probiema es que conforme ei aire entra a ia ceida, puede entrar CO2, dioxido de carbono (normaimente presente en ei aire ambientai) que tambien reacciona ientamente con ei eiectroiito aicaiino para formar especies de carbonato insoiubies. Estos carbonatos insoiubies precipitan dentro de ios poros de ios eiectrodos en contacto con ei aire porosos y tambien en ei eiectroiito aicaiino. Este precipitado generado disminuye ia conductividad eiectrica dei eiectroiito y, debido a que ios poros dei eiectrodo en contacto con ei aire estan siendo bioqueados por ei materiai insoiubie, ei funcionamiento dei eiectrodo en contacto con ei aire esta notabiemente reducido. Aunque han sido utiiizados sistemas absorbedores de dioxido de carbono, CO2, para eiiminar (iavar) ei CO2 dei aire entrante, ei peso y compiejidad anadidos de tai sistema de iavado va en detrimento de ias ventajas de ios sistemas de anodo metaiico que utiiiza un eiectroiito aicaiino.
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Ademas, debido a que los electrolitos alcalinos comunmente empleados son delicuescentes (absorben agua del aire) en ambientes humedos, el agua en exceso puede acumularse en estos sistemas de bateria, lo que provoca que el electrodo en contacto con el aire poroso se llegue a inundar con agua. Ya que el aire (oxigeno) no puede difundirse facilmente a traves del agua, ahora puede entrar menos oxigeno y llegar a reducirse dentro del catodo de aire poroso. Esto puede provocar que los catodos de aire a base de material alcalino pierdan rapidamente sus propiedades activas.
Otro problema mas con las celdas de zinc-aire a base de alcali, tradicionales es que aunque la conductividad ionica y el rendimiento energetico de la celda mejoran a medida que aumenta la concentracion de OH-, aumenta la solubilidad de las especies de zinc formadas. Esto representa un dilema de diseno de la celda. Por una parte, un pH mas alto (mayor [OH-]) es deseable para una conductividad electrica mejorada del electrolito y la buena capacidad de la celda. La compensacion es que al ser el pH del electrolito mas alto (mayor [OH-]) puede simultaneamente conducir a mayor solubilidad del producto de descarga de zinc formado. Esto puede dar como resultado mayores cambios de forma durante la carga de la celda - el zinc chapado no se volvera a chapar en una morfologia deseada - conduciendo de este modo a un ciclo de vida mas bajo. En otras palabras, en un diseno de celda tipico, se puede seleccionar tener buena capacidad de celda con un ciclo de vida malo o un ciclo de vida bueno con capacidades de celda insuficientes. La combinacion deseada de un ciclo de vida bueno y una buena capacidad de celda no esta actualmente disponible en las celdas anodicas metalicas electroquimicamente recargables.
Otro problema mas con el uso del zinc en los electrolitos alcalinos tipicos es que durante la carga electrica, el zinc chapado tiende a migrar y a redistribuirse sobre el electrodo de zinc. Despues de unicamente unos pocos ciclos de carga, el zinc puede depositarse en morfologias no deseadas (por ejemplo, como depositos esponjosos, musgosos o filamentarios, o en forma de dendritas). Los depositos dendriticos pueden tener crecimientos de puntos largos que sobresalen fuera de la superficie metalica chapada, normalmente lisa. Las particulas de zinc irregularmente chapadas son indeseables ya que estas generalmente tienen una resistencia electrica mas alta y no se adhieren mecanicamente bien una a la otra. Estas particulas de zinc pueden facilmente desprenderse en hojuelas de los electrodos metalicos para formar depositos de zinc aislados. Todos estos factores contribuyen a una capacidad reducida de la bateria y a un rendimiento de energia reducido para las baterias tradicionales de zinc-aire despues de ciclos continuos de descarga y carga.
Otro reto mas al que se enfrentan las celdas de zinc-aire que utilizan electrolitos alcalinos, es que durante la descarga de la celda tiende a formarse oxido de zinc sobre la superficie del zinc. Esta capa de pasivacion da como resultado un incremento en la resistencia interna de la celda y eso limita las velocidades de descarga y disminuye el funcionamiento de la celda.
II. Electrolito de la bateria
De acuerdo con un aspecto de la invention, un electrolito de la bateria puede ser seleccionado de modo tal que se mejore el funcionamiento de una bateria de anodo metalico, tal como una bateria de zinc-aire. En algunas realizaciones, el electrolito de la bateria puede ser un electrolito a base de cloruro acuoso. En algunas realizaciones, el electrolito puede tener un pH de aproximadamente 6. El electrolito puede tener un pH de 10 o menos, o cualquier otro valor de pH mencionado en la presente memoria o menor. En realizaciones alternativas, el electrolito puede tener un pH entre 3-10, 4-9, 5-7, 5,5-6,5 o 5,75-6,25. En algunas realizaciones, un electrolito puede tener un pH de aproximadamente 3, 4, 5, 5,25, 5,5, 5,75, 5,8, 5,9, 5,95, 6, 6,1, 6,2, 6,3, 6,5, 6,75, 7, 8, 9 o 10. En algunas realizaciones, el electrolito puede ser alcalino. El pH puede ser un pH relativamente neutro. En algunas realizaciones, sustancialmente no se forman carbonatos como resultado del CO2 presente en el aire que reacciona con el electrolito alcalino. Esto puede ser debido a que el electrolito en los sistemas y metodos descritos en la presente memoria no contienen cantidades significativas de iones hidroxido. Este electrolito puede permitir que el zinc sea chapado sin dendritas significativas formadas durante el chapado con poca o ninguna absorcion de CO2.
Una bateria proporcionada de acuerdo con una realization de la invencion puede utilizar un electrolito a base de cloruro acuoso. Debido al menor pH del electrolito, no se absorbe dioxido de carbono (o un nivel extremadamente bajo de dioxido de carbono) desde el aire y de este modo no se forma ningun carbonato insoluble en el electrolito ni en los poros del electrodo en contacto con el aire. Ademas, ya que los electrolitos acuosos a base de cloruro son comunmente utilizados en las industrias de chapado con zinc para depositar depositos de zinc lisos y bien adherentes, las eficiencias del chapado con zinc (durante la carga de la celda) deben ser notablemente mejoradas.
Un electrolito basado en cloruro preferible en una celda de zinc-aire esta de acuerdo con una realizacion de la invencion. Un electrolito puede comprender una mezcla de una o mas sales de cloruro solubles en solution acuosa. Las sales de cloruro solubles pueden tener un cation adecuado para producir una sal de cloruro soluble en una solucion acuosa. Los cationes de las sales de cloruro adecuadas pueden incluir zinc, amonio, sodio o cualquier otro cation grande o complejo tales como amonio o alquil-amonio que pueden producir sales de cloruro estables solubles en soluciones acuosas. Un electrolito conductor puede ser una mezcla de sales solubles basadas en sulfatos, nitratos, carbonatos, hexafluorosilicatos, tetrafluoroboratos metanosulfonatos permanganato, hexafluorofosfatos, boratos o fosfatos, ya sea solas o mezcladas entre si en una solucion acuosa. Si se utiliza una mezcla de electrolitos de amonio o cloruro de zinc, por ejemplo, esta nueva celda de zinc-aire puede ser descrita esquematicamente como:
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Zn/ZnCl2, NH4CI, H2O/O2 (carbono)
Aqul, leyendo de izquierda a derecha, el zinc o una aleacion de zinc adecuada puede ser el anodo. El electrolito puede contener ZnCl2 y NH4O y H2O. El electrodo en contacto con el aire a base de carbono poroso es donde el O2 se reduce durante la descarga de la celda y se genera durante la carga de la celda.
En algunas realizaciones, se pueden anadir diversas cantidades de KOH u otros electrolitos. Tal sistema puede requerir o utilizar la adicion de un depurador de CO2 a medida que un electrolito de hidroxido de potasio absorbe el CO2. Cualquier electrolito conocido en la tecnica puede ser utilizado en conjunto con las realizaciones de los sistemas y metodos descritos en la presente memoria.
En algunas realizaciones, el desprendimiento de oxlgeno puede ser aumentado por la carga de una celda a bajas densidades de corriente. Tales densidades de corriente pueden minimizar o reducir el desprendimiento del Cl2 que puede producirse cuando se utilizan electrolitos a base de cloruro. Los ejemplos de tales densidades de corriente pueden incluir valores desde 1 mA/cm2 hasta aproximadamente 100 mA/cm2. Tales densidades de corriente pueden ser menores que, mayores que o entre cualquiera de las siguientes densidades de corriente: aproximadamente 1 mA/cm2, 5 mA/cm2, 10 mA/cm2, 20 mA/cm2, 30 mA/cm2, 40 mA/cm2, 50 mA/cm2, 60 mA/cm2, 70 mA/cm2, 80 mA/cm2, 90 mA/cm2 o 100 mA/cm2. La reaccion de desprendimiento de oxlgeno puede tambien ser aumentada por la regulacion del pH del electrolito. Ademas, el desprendimiento de oxlgeno puede ser aumentado mediante el uso de un electrodo o catalizador deliberadamente disenado para tener un sobrepotencial bajo para el desprendimiento de oxlgeno o un sobrepotencial alto para la oxidacion del cloro.
En algunas realizaciones, el electrodo metalico puede ser de zinc, puede ser de zinc chapado o puede incluir zinc en cualquier otra forma tal como una aleacion o chapado sobre otro metal. De acuerdo con una realizacion de esta invencion, el electrolito puede comprender una mezcla de aproximadamente 15 % de cloruro de zinc (ZnCh) y aproximadamente 15 % de cloruro de amonio (NH4Cl) en agua en % en masa. El electrolito puede comprender alternativamente una mezcla de aproximadamente 15 % de cloruro de zinc y aproximadamente 20 % de cloruro de amonio en agua por porcentaje en masa. En algunas realizaciones, el electrolito acuoso puede contener diversas cantidades de cloruro de zinc y cloruro de amonio y puede tambien contener otras sales o cloruros adecuados tales como LiCl. Por ejemplo, un electrolito puede comprender aproximadamente 10 %, 12 %, 13 %, 14 %, 14,5 %, 15 %, 15,5 %, 16 %, 17 %, 18 % o 20 % de cloruro de zinc o de cloruro de amonio. En algunas realizaciones, aproximadamente la misma cantidad o cantidades similares de cloruro de zinc y cloruro de amonio pueden ser proporcionadas. Otros materiales pueden ser anadidos para amortiguar el electrolito. Estos podrlan incluir citrato de amonio u otros tampones compatibles tales como acetato de amonio o hidroxido de amonio en 1 a 2 % en masa.
III. Electrodo en contacto con el aire poroso
Un electrodo en contacto con el aire estructuralmente solido, poroso (catodo) podrla fabricarse mediante el uso de cualquier material a base de carbono adecuado. Un grupo adecuado podrla incluir el negro de carbono, negro de acetileno, grafito natural o artificial, carbon activado, carbon vltreo, pollmeros a base de carbono, nanopartlculas de carbono funcionalizadas o no funcionalizadas (definidas aqul por tener dimensiones menores de un micrometro), nanotubos de carbono funcionalizados o no funcionalizados, nanofibras de carbono, fulerenos, laminas de grafeno, o cualquier otra combinacion adecuada de materiales de matriz a base de carbono o materiales a base de carbono modificado. El carbono funcionalizado puede indicar que el carbono ha sido modificado para contener grupos salientes unidos de otra especie. Las especies unidas pueden contener grupos funcionales (por ejemplo, grupos funcionales que contienen nitrogeno o fluor) dentro de una estructura de carbono que puede ser utilizada para construir un electrodo poroso funcional. Como ejemplo, un carbono fluorado puede tener la formula general CFx donde el sublndice x es en general menor de 1,0. El catodo puede estar hecho de materiales compuestos o mezclas de cualquiera de estos tipos de carbono, con o sin un aglutinante adecuado para retener juntas estas partlculas. A este catodo a base carbono se le puede anadir un catalizador de reduccion de oxlgeno o de oxidacion de agua, adecuado.
Un aglutinante como se describe en la presente memoria puede incluir en general un material polimerico que ayuda a mantener la integridad del electrodo al introducir cohesion mecanica entre las partlculas mismas del electrodo y tambien proporciona adhesion entre las partlculas del electrodo y el colector de corriente. Esencialmente, un aglutinante mantiene juntas las partlculas del electrodo. Los aglutinantes son generalmente insolubles en los materiales presentes en una baterla, y son en general inertes en el intervalo de voltajes de operacion de la celda o de la baterla. El porcentaje de aglutinante polimerico puede variar de 0,1 % a 25 % y preferiblemente de 1 % a 10 % de la masa completa del electrodo. En algunos casos, el porcentaje del aglutinante puede ser mayor que y/o menor que uno o mas de los siguientes valores: 0,1 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 %, 10 %, 12 %, 15 %, 17 %, 20 %, 22 % y/o 25 %. Una cantidad excesiva de aglutinante puede ir en detrimento de la densidad gravimetrica de la celda o la baterla (y en general disminuye la conductividad del electrodo) mientras que demasiado poco aglutinante en el electrodo no proporciona una cohesion mecanica adecuada.
Es posible que uno o mas de los materiales anteriores pueda por si mismo tener un papel multifuncional en un sistema de baterla. Estos materiales pueden comportarse no solamente como un material de soporte, es decir, tener
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una fase dispersa conductora de alta area superficial, sino tambien pueden actuar para ayudar a catalizar ya sea la reduccion de oxlgeno o las reacciones de oxidacion de agua. Es tambien posible que algunos de los materiales contenidos en el electrodo en contacto con el aire participen efectivamente en las reacciones de reduccion u oxidacion de la celda. Al hacerlo asl, estos pueden ayudar a incrementar la capacidad de amperio-hora de la celda.
Los ejemplos de materiales que pueden catalizar la reaccion de reduccion de oxlgeno podrlan incluir, pero no se limitan a, materiales especiales a base de carbono o metales preciosos seleccionados, metales nobles tales como Pt, Pd, Au, Ru o Rh, o cualquier otro metal tales como Mn, V, Ce, Bi, Ag, Cu o Fe. Las combinaciones de estos metales pueden ser tambien utiles. Los ejemplos podrlan incluir catalizadores binarios tales como PdPt o PtxYi-x, en la que Y se selecciona del grupo que consiste en cobalto, nlquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio, tungsteno, aluminio, plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x esta entre 0,1 y 0,9 (por ejemplo, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9). Los ejemplos podrlan tambien incluir catalizadores ternarios tales como PtxMzY1-x-z en la que M se selecciona del grupo que consiste en iridio, renio, cobalto, nlquel o combinaciones de los mismos, Y se selecciona del grupo que consiste en cobalto, nlquel, vanadio, cobre, hierro, cromo, paladio, titanio, tungsteno, aluminio, plata, cobre, oro o combinaciones de los mismos, y x + z esta entre 0,1 y 0,9.
Tambien se pueden usar los oxidos de metales preciosos o no preciosos adecuados (por ejemplo RuO2, IrO2 o V2O5).
Otros catalizadores adecuados pueden incluir combinaciones de diversos metales preciosos tales como Ptd,5Auci,5(PtAu).
Otros catalizadores adecuados pueden incluir metales de transicion tales como compuestos a base de Mn, Fe o Co o V, oxidos metalicos, oxidos metalicos dopados, oxidos metalicos mixtos, porfirinas a base de metal, o cualquier combinacion adecuada de los mismos. Los materiales adecuados como aditivos de catodo pueden tambien incluir diversos oxidos metalicos, calcogenuros de metales de transicion y partlculas metalicas soportadas en nanotubos de carbono.
La matriz del electrodo en contacto con el aire puede tambien estar fabricada con materiales no a base de carbono. Se puede utilizar cualquier material que proporcione conductividad electrica y sea estable en la solucion electrolltica. Los ejemplos pueden incluir, pero no se limitan a, compuestos de silicio o azufre (tales como SiO2, SnS), oxidos (tales como aluminosilicato, ultramarino, Al2O3) o compuestos de titanio (tales como Ti4O7 o Ti5O9 o TiB2). Pueden tambien ser utilizados pollmeros de cadena larga no a base de carbono.
El electrodo en contacto con el aire puede ser fabricado con diversas mezclas o combinaciones de materiales a base de carbono junto con materiales no a base de carbono. El electrodo en contacto con el aire puede estar fabricado con mezclas o combinaciones de materiales a base de carbono u otros materiales descritos en la presente memoria.
Los materiales catallticos anadidos al electrodo en contacto con el aire no necesitan funcionar solamente o simplemente como catalizadores de reduccion de oxlgeno o de oxidacion de agua. Estos materiales pueden efectivamente formar parte y jugar un papel (ya sea parcial o completamente) en la reaccion efectiva de descarga de la celda o carga de la celda. Por si mismos, cuando intervienen en una reaccion de reduccion o de oxidacion, estos materiales pueden proporcionar efectivamente ya sea voltajes de carga de la celda mas altos o mayores capacidades de amperio-hora que las que podrlan de otro modo ser observadas en estas celdas. Estos materiales pueden tambien jugar un papel en la disminucion de los potenciales de carga requeridos. Esta elevacion del voltaje de operacion de la celda, el incremento de las capacidades de la celda o la disminucion de los voltajes requeridos de carga de la celda pueden conducir a mayores capacidades de celda, mejores eficiencias de ciclo de la celda, capacidades de energla mas altas y un ciclo de vida mejorado.
Como ejemplo, el MnO2 como un aditivo al electrodo en contacto con el aire puede participar efectivamente en la reaccion de descarga de la celda a traves de un proceso denominado de doble inyeccion. Este implica la insercion o la intercalacion de protones provenientes de la solucion de electrolito acuoso y la reduccion del oxido de Mn por los electrodos provenientes del circuito externo. Este proceso de doble inyeccion podrla ser expresado como:
MnO2 + H+ + e- ^ MnOOH
Si el electrodo en contacto con el aire continua descargandose, el MnOOH formado puede ser posteriormente reducido en la siguiente etapa:
MnOOH + 3H+ + e- ^ Mn2+ + 2H2O
Al participar en la reaccion efectiva, se puede aumentar la capacidad de amperio-hora de la celda. Una caracterlstica ventajosa de los oxidos de Mn es que estos pueden sufrir oxidacion y reduccion. Mediante la oxidacion de un oxido de manganeso ya reducido, el oxido de manganeso reducido puede regenerarse y restaurarse a su antiguo estado de oxidacion y ser capaz de sufrir reacciones de reduccion adicionales. El oxlgeno proveniente ya sea del aire o del oxlgeno externo que se disuelve en el electrolito (o presente en la celda) puede ayudar a reoxidar parcialmente
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estos materiales durante periodos de menor velocidad de descarga o durante periodos de no descarga. Al llegar a reoxidarse, estos oxidos de manganeso pueden estar adicionalmente disponibles para continuar siendo reducidos, proporcionando de este modo capacidad adicional de la celda de amperio-hora. En un sentido, esto puede permitir que el oxlgeno aumente una porcion sustancial de la capacidad de descarga total de la celda.
Los posibles ejemplos de tales aditivos de electrodo en contacto con el aire que podrlan participar en las reacciones efectivas de reduccion/oxidacion pueden incluir, pero no se limitan a, los oxidos de metales de transicion tales como Fe2O3, CoO2, Co3O4, MnO2, MnOOH, MnsOs o CeFe2O4. Los oxidos a base de metales de transicion pueden tambien proporcionar efectos beneficos ya sea al catalizar la reaccion de carga de la celda o descarga de la celda o al cambiar efectivamente las reacciones de carga/descarga de la celda a traves de un nuevo par oxidacion/reduccion o el lanzamiento de la reaccion electroqulmica que da como resultado voltajes operacionales de la celda mas altos. Los ejemplos de otros oxidos adecuados pueden incluir la clase general de los oxidos de Mn, descritos mediante la formula general MnxOy (por ejemplo, Mn2O3, Mn3O4 o MnsOs y oxidos superiores) donde los subindices x, y, z y w son cualquier grupo adecuado de numeros, tales como (1-z/2) < y/x < (2-z/2) y w < 2. Otros ejemplos de otros oxi- hidroxidos adecuados pueden incluir la clase general de los oxidos de Mn, descritos por la formula general MnxOy(OH)z(H2O)w (por ejemplo, Mn2O3, Mn3O4 o Mn5O8 y oxidos superiores) donde los subindices x e y son cualquier grupo adecuado de numeros, tales como 1 < y/x < (2-z). El manganeso puede mostrar un numero de diferentes estados de oxidacion. Debido a la estabilidad de estos estados de oxidacion, tales como 2+, 3+ y/o 4+, cualquier composicion simple de oxido de manganeso puede contener efectivamente una mezcla estable de varios oxidos diferentes, tales como, por ejemplo, MnO2, Mn2O3, Mn3O4 y MnO.
Es bien sabido que las partlculas de oxido de manganeso pueden estar fabricadas en diversas estructuras cristalinas. La estructura cristalina particular de un oxido de manganeso se espera que afecte a las propiedades catallticas y electroqulmicas y al funcionamiento de la celda. Cuando los oxidos de manganeso utilizados ya sea solos o en combination con mezclas flsicas de otros aditivos adecuados (por ejemplo, carbono, la inclusion de otros metales tales como W o Mo, o por la adicion de oxidos, sulfuros o boruros seleccionados tales como PtO2, NiO2, V2O3, V2O5, Nb2O5, MoO3, ZnO2, SnO2, Fe2O3, W2O3, Co3O4, CoO, Al2O3, Bi2O3, Yb2O3, Ge2O3, CeO2, B2O3, ZnO, TiO2, ZrO2, TiS2 o TiB2) la combinacion puede mostrar mejoras en el funcionamiento de la celda y estabilidad anadida, especialmente en un electrolito a base de cloruro. Otras especies adecuadas que pueden ser utilizadas solas o bien anadidas a los oxidos de manganeso, pueden incluir los oxidos de metales de transicion que tambien contienen un metal. Los ejemplos podrlan incluir sustancias tales como Mn1,5Ni0,5O4 o PbMnOx, donde el sublndice x podrla ser cualquier numero adecuado, tal como 2 < x < 8 (por ejemplo, 2, 3, 4, 5, 6, 7 u 8). Otros ejemplos de posibles materiales solitarios para los electrodos en contacto con el aire o como aditivos al electrodo en contacto con el aire pueden incluir oxidos de metal de transicion que pueden tambien contener atomos del grupo de los lantanidos, ya sea solos o en combinacion con otros materiales (por ejemplo, LaMnO3 o LaMnO3+a), donde el sublndice a puede tener valores adecuados, tales como a = 1 o 0 < a < 1 (por ejemplo 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0).
Otro grupo de materiales puede incluir compuestos que contienen un atomo del grupo de los lantanidos, un metal y un oxido de metal de transicion. Estos compuestos pueden tener la formula general LaMxMnyOz, donde La representa un elemento lantanido adecuado, M representa un metal adecuado y Mn representa manganeso. Los subindices x, y, y z pueden ser numeros adecuados elegidos de modo que el compuesto sea electricamente estable, tal como 0 < x < 1, x + y = 1, 3 < z < 4. Los ejemplos de esta clase de compuestos podrlan incluir, pero no estan limitados a compuestos tales como: LaNi0,5Mn0,5O3, LaCu0,5Mn0,5O3 o La0,8Sr0,2MnO3 o La2/3Ca1/3MnO3, La1/2Sr1/2MnO3.
Otros ejemplos de aditivos adecuados para el electrodo de oxigeno incluyen los compuestos que tienen la formula general MnxMyOz, donde Mn representa manganeso, M es un metal adecuado (por ejemplo seleccionado del grupo de bismuto, indio, itrio, iterbio o niobio), O representa oxlgeno y los subindices x, y y z son numeros adecuados, tales como 0 < x < 1, x + y = 1, 1 < z < 4.
Otro ejemplo de aditivos adecuados para el electrodo de oxlgeno incluyen los compuestos que tienen la formula general MnxMyAzOaHb donde Mn representa manganeso en su estado de oxidacion +4, +3 o +2 o en un estado de oxidacion fraccional entre +4 y +2, M es un metal o metal de transicion adecuado que puede estar en un estado de oxidacion de 4+, 3+, o 2+, tales como plomo, estano, germanio, titanio, circonio, boro, aluminio, indio, bismuto, cobre, zinc, nlquel, cobalto, hierro, molibdeno, itrio, escandio, niobio, iterbio, A es un metal alcalino o alcalinoterreo adecuado, y H es un halogeno adecuado. Los subindices x, y, z, A, y B son tales que el compuesto es electricamente neutro, tal como para el metal M en un estado de oxidacion 4+ y Mn en un estado de oxidacion 4+, 4x+4y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidacion 3+ y Mn en un estado de oxidacion 4+,
4x+3y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidacion 2+, y Mn en un estado de oxidacion 4+,
4x+2y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidacion 3+ y Mn en un estado de oxidacion 3,5+, 3,5x+3y+z+b=2a, como para el metal M en un estado de oxidacion 4+ y Mn en un estado de oxidacion 3+, 3x+4y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidacion 3+, y Mn en un estado de oxidacion 3+,
3x+3y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidacion 2+, y Mn en un estado de oxidacion 3+,
3x+2y+z+b=2a, como para el metal M en un estado de oxidacion 4+, y Mn en un estado de oxidacion 2+, 2x+4y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidacion 3+, y Mn en un estado de oxidacion 2+,
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2x+3y+z+b=2a, tal como para el metal M en un estado de oxidacion 2+ y Mn en un estado de oxidacion 2+, 2x+2y+z+b=2a, por ejemplo, tales compuestos pueden ser Mn0,97Bi0,03O2H, Mn0,97Bi0,03Na0,03O2H0,97.
Otro posible tipo podrla incluir un metal de transicion adecuado, un metal alcalino o alcalinoterreo adecuado y que incluye un grupo fosfato. Esta clase general de compuestos puede tener la formula general AxMyPO4 donde A es un metal alcalino o alcalinoterreo y M es un metal de transicion adecuado. Los subindices x e y son tales que el compuesto es electricamente estable, tal como x+2y=3. Los ejemplos de esta clase de compuestos podrlan incluir LiMnPO4, LiCoPO4 y LiFePO4.
Cualquiera de los aditivos o catalizadores descritos o listados anteriormente (ya sea solo, en combinacion, o junto con otros materiales adecuados listados anteriormente) pueden funcionar ya sea para catalizar las reacciones de reduccion del oxlgeno u oxidacion del agua para generar oxlgeno. Ademas, todos los posibles aditivos de catodo listados anteriormente pueden tambien actuar para proporcionar un nuevo mecanismo o via de reaccion de descarga o carga, donde estos mismos materiales estan sufriendo una reaccion de reduccion u oxidacion, contribuyendo de este modo directamente al numero de culombios transferidos durante la reaccion de la celda. Estos materiales pueden tambien funcionar como una lanzadera electroqulmica. Por ejemplo, un material puede por si mismo sufrir reduccion durante la descarga de la celda y luego reoxidarse (y estar disponible para las reacciones de reduccion posteriores), por medio de reacciones colaterales con el oxlgeno o cualquier otro agente oxidante adecuado, presente en la celda. El oxlgeno u otro agente oxidante podrla estar ya sea disponible en el aire externo o bien presente en una forma disuelta (tal como oxlgeno disuelto) dentro del electrolito llquido. Esta reaccion de “recarga” asistida por oxlgeno podrla ayudar a elevar los voltajes de carga de la celda, incrementar las capacidades de celda o disminuir los voltajes de carga de la celda.
Al sufrir cambios de valencia durante la oxidacion/reduccion de la celda, estos aditivos/catalizadores pueden sufrir reduccion u oxidacion. Esta reaccion de reduccion y oxidacion puede conducir a celdas que tienen dos mesetas de voltaje despues de la carga/descarga de la celda. Una meseta de voltaje podrla ser debida a las reacciones normales de la celda de zinc-aire que tienen lugar durante la carga/descarga. La otra meseta de voltaje podrla ser debida a la oxidacion/reduccion ya sea del propio aditivo o de una lanzadera de reaccion acoplada en la cual interviene el aditivo, o porciones del aditivo.
Cualquiera de los aditivos o catalizadores listados anteriormente puede participar en mas de uno de los mecanismos de reaccion anteriores. Un catalizador dado puede actuar ya sea como un catalizador directo para la oxidacion del agua o la reduccion del oxlgeno, mientras que simultaneamente, o en un momento posterior, actua como una lanzadera de reduccion u oxidacion electroqulmica para elevar efectivamente el potencial de la celda bajo carga, para incrementar la capacidad de amperio-hora de la celda y/o para disminuir los potenciales de carga de la celda. El par de reduccion y oxidacion particular no necesita implicar unicamente al material seleccionado y al oxlgeno. Otros agentes reductores (ya sea presentes en la propia celda o introducidos desde la parte externa) pueden ser efectivamente utilizados.
Cualquiera de estos diversos aditivos o catalizadores descritos anteriormente (por ejemplo un oxido de manganeso) podrlan por si mismos sufrir posiblemente las reacciones de oxidacion/reduccion mediante la formacion de un compuesto intermedio de reaccion con cualquier componente de celda adecuado, ya sea normalmente presente en la celda o el electrolito, o formado en la celda o el electrolito ya sea durante la carga o la descarga. El aditivo puede sufrir tambien posiblemente reacciones de oxidacion y/o reduccion mediante la formacion de un compuesto intermedio de reaccion con cualquier producto formado en la celda ya sea durante la carga de la celda o durante la descarga de la celda.
Como ejemplo, el oxlgeno gaseoso presente en la celda puede reoxidar el compuesto reducido. Esta especie recien oxidada puede estar luego facilmente disponible para sufrir adicionalmente las reacciones de reduccion subsecuentes en la celda. Esto puede tener el efecto de ampliar la capacidad de amperio-hora de la celda. Esta reoxidacion de uno de los componentes reducidos de la celda, por el oxlgeno, puede ocurrir ya sea mientras que la celda esta en descanso, es decir no esta siendo descargada, o puede ocurrir incluso durante la descarga a velocidad baja donde la reoxidacion del oxlgeno es capaz de competir con las velocidades de descarga de la celda y reoxidar el material despues de que este es reducido en la reaccion de la celda.
El agente oxidante que ayuda a regenerar el material de catodo no necesita ser oxlgeno. Este podrla ser cualquier agente oxidante adecuado que este presente en la celda, el electrolito, o introducido desde afuera de la celda.
Los ejemplos de agentes oxidantes podrlan incluir KMnO4, N2O, otros compuestos de manganeso adecuados, o cualquier otro compuesto adecuado que se sabe que sufren cambios del numero de oxidacion en solucion. En particular, se sabe que los compuestos de vanadio y de hierro existen en diversos estados de oxidacion y sus pares de reduccion y oxidacion bien conocidos pueden comportarse como una lanzadera de reduccion y oxidacion en este sistema, para ayudar a reoxidar los aditivos seleccionados del electrodo en contacto con el aire.
Durante la descarga de la celda bajo corriente constante, pueden aparecer dos reglmenes de voltaje de descarga. Un nivel de voltaje, mas bajo, podrla ser debido a las reacciones de descarga ordinarias (por ejemplo, reduccion del
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oxlgeno) que ocurren normalmente en una celda de zinc- aire. El otro nivel de voltaje mas alto durante la descarga de la celda, podrla ser debido a que el catalizador y/o el aditivo sufren un par separado de oxidacion/reduccion. Esto puede tener el efecto de prolongar la reaccion de descarga de la celda, incrementando de este modo la capacidad de amperio-hora de la celda. En algunos casos, pueden aparecer cualquier numero de reglmenes de voltaje de descarga multiples.
Tambien es posible tener un escenario donde mesetas de voltaje de nivel mas alto durante la descarga de la celda podrlan ser debidas a la combinacion normal de dos medias reacciones de la celda: una oxidacion de metal y reduccion de oxlgeno mientras que la segunda meseta de voltaje, mas baja, podrla ser debida a la oxidacion del metal y a una reaccion de reduccion del propio aditivo. Esto podrla tambien tener el efecto general de prolongar la reaccion de descarga de la celda, incrementando de este modo la capacidad de amperio-hora de la celda.
De modo similar, durante la carga de la celda a corriente constante, pueden aparecer dos reglmenes de voltaje de carga. Un nivel de potencial mas alto durante la carga electrica en una celda de zinc podrla ser debido a las reacciones normales que se producen en el electrodo en contacto con el aire durante la carga de la celda de zinc- aire (es decir, el agua que es oxidada para formar el oxlgeno gaseoso). La otra carga, de nivel de voltaje de carga mas bajo, podrla ser debida a que el catalizador o el aditivo sufren una reaccion de oxidacion separada. En algunos casos, pueden aparecer cualquier numero de reglmenes multiples de voltaje de carga.
Es tambien posible tener un escenario donde una meseta mas baja de voltaje de carga sea debida al par normal de reduccion y oxidacion del zinc y el aire mientras que la meseta de voltaje mas alta es debida a la oxidacion del aditivo del electrodo en contacto con el aire especlfico.
El grado y la capacidad de amperio-hora de la celda debido a estas nuevas mesetas de voltaje de descarga mas altas o la carga de amperio-hora disminuida, requeridas, podrlan depender de la cantidad del aditivo presente. Ya que el aditivo puede participar en la propia reaccion de descarga y/o carga, la duracion de esta meseta de voltaje adicional podrla por lo tanto depender de la cantidad del aditivo presente.
Las mejoras en el grado y la capacidad de amperio-hora de la celda tambien pueden ser principalmente independientes de la cantidad del aditivo y depender en un alto grado de una o mas reacciones lanzadera donde la especie de interes que esta siendo oxidada o reducida es continuamente regenerada en la celda.
Durante la descarga de la celda, el oxlgeno proveniente del aire puede entrar a la celda a traves de un electrodo en contacto con el aire poroso y puede sufrir la reduccion de oxlgeno en sitios del catalizador especlficamente disenados en o sobre el electrodo en contacto con el aire. El electrodo en contacto con el aire puede ser un electrodo a base de carbono o bien puede ser a base de otros materiales adecuados. Mientras tanto, en el electrodo metalico (el cual puede ser zinc) el zinc entra en solucion como iones de zinc solubles. En presencia de un electrolito a base de cloruro, el cloruro de zinc puede ser algo soluble en el electrolito acuoso. Conforme continua la descarga de la celda y se crean en solucion mas iones zinc, el llmite de solubilidad del cloruro de zinc puede ser excedido. Esto puede provocar que parte del cloruro de zinc precipite. Los metodos para abordar la precipitacion de acuerdo con una realizacion de la invencion seran descritos con mayor detalle mas adelante. Durante la carga de la celda, se produce una reaccion electroqulmica inversa. El oxlgeno gaseoso es generado a partir de la oxidacion del electrolito llquido en el electrodo en contacto con el aire mientras que el zinc metalico puede ser regenerado (chapado) nuevamente sobre el electrodo de zinc.
Un proceso simplificado de descarga/carga en el electrolito de cloruro, el cual puede tener un pH de aproximadamente 6, puede ser descrito por las siguientes reacciones:
Durante la descarga de la celda
Reaccion del catodo: Reaccion del anodo:
Durante la carga de la celda
Reaccion del catodo: Reaccion del anodo:
2H+ + 1/2O2 + 2e- ^ H2O Zn ^ Zn2+ + 2e-
H2O + 2Cl- ^ 2HCl + I/2O2 + 2e- ZnCl2 + 2H+ + 2e Zn +2HCl
Las especies de zinc formadas durante la descarga de la celda en un electrolito de cloruro de amonio podrlan ser mas precisamente descritas como Zn(NH3)2Cl2.
En el electrodo en contacto con el aire, el oxlgeno gaseoso obtenido del aire ambiental puede entrar a la celda a traves de una membrana hidrofoba, permeable al aire. Durante la carga de la celda, el oxlgeno gaseoso puede ser producido a traves de la electrolisis del agua (oxidacion) en el electrodo en contacto con el aire poroso.
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Un efecto colateral de utilizar electrolitos acuosos a base de cloruro en las tecnologlas de baterla de zinc-aire, recargables, es que durante la carga de la celda (con potenciales anodicos), puede ocurrir posiblemente una reaccion parasita no deseada que implica el desprendimiento de cloro:
(1) 2Cl- ^ Cl2(g) + 2e- E0 = 1,36 V
La generacion de cloro puede ser una reaccion indeseable en este sistema de electrolito, ya que puede disminuir las eficiencias generales de carga de la celda. Esto es debido a que la energla electrica puede generar cloro (reaccion no deseada) en lugar del desprendimiento de oxlgeno (reaccion deseada). Por lo tanto, puede ser deseable que el sistema de baterla sea disenado de modo que durante la carga de la celda, los potenciales anodicos favorezcan el desprendimiento de oxlgeno y reduzcan al mlnimo el desprendimiento de cloro.
(2) 2H2O ^ 4H+ + 02(g) + 4e- E0 = 1,23 V
Cabrla esperar que el desprendimiento de oxlgeno (reaccion 2) con su potencial de oxidacion mas bajo (1,23 voltios) ocurra predominantemente debido a que es termodinamicamente favorecido respecto al desprendimiento de cloro (reaccion 1) con un potencial de oxidacion mas alto de 1,36 voltios. Sin embargo, cada reaccion tiene un sobrepotencial. El termino “sobrepotencial” se refiere a la cantidad de voltaje (por encima del potencial teorico) necesario para provocar que una reaccion particular efectivamente ocurra. Esto significa que el desprendimiento de cloro es una reaccion qulmica mucho mas simple y que tiene un sobrepotencial mas bajo que el que tiene la oxidacion del agua a 02(g) . Esto significa que en ambientes de cloruro acuosos, el desprendimiento no deseable del cloro puede efectivamente ocurrir mas probablemente que el desprendimiento de oxlgeno.
El cloro generado durante la carga de la celda puede disolverse en agua para formar acido hipocloroso, HClO. Los iones hipoclorito podrlan entonces descomponerse en cloruro, varias especies de cloro oxidadas, conocidas, o incluso liberar gas cloro disuelto, dependiendo de las condiciones. Aunque el gas cloro per se no permanece intacto, esta reaccion puede todavla ser indeseable en la celda, ya que disminuye las eficiencias de carga completas.
Existen varias formas practicas de minimizar o reducir el desprendimiento de cloro (o de hipoclorito) no deseable (o mejorar las eficiencias de generacion de oxlgeno). Ya que el desprendimiento de oxlgeno es favorecido en condiciones de baja densidad de corriente, una posibilidad puede ser disminuir las densidades de corriente de carga para favorecer as! el desprendimiento de oxlgeno (en vez de cloro). En algunas realizaciones, las densidades de corriente de carga deseables pueden ser de aproximadamente 10 mA/cm2 hasta aproximadamente 200 mA/cm2 y pueden ser variadas dependiendo de la aplicacion hasta la corriente de carga o descarga maxima que la baterla tolerara.
Otro procedimiento puede ser regular el pH del electrolito. A ciertos valores de pH, la generacion de oxlgeno puede ser mas favorecida que el desprendimiento de cloro. Un pH mas alto favorece el desprendimiento de O2 sobre el desprendimiento de Cl2. El electrolito puede estar ligeramente elevado y amortiguado por la adicion de hidroxido de amonio o citrato de amonio. El desprendimiento de cloro es favorecido por debajo de un pH de 2. Mientras que el cloruro de amonio actua como un amortiguador de pH en este sistema, la adicion de hidroxido de amonio acuoso podrla elevar el pH del electrolito sin afectar de manera adversa la conductividad del electrolito u otras propiedades de funcionamiento.
Otro enfoque puede ser utilizar los electrodos en contacto con el aire o los catalizadores seleccionados en el electrodo en contacto con el aire que tienen sobrepotenciales altos para el desprendimiento de cloro y/o sobrepotenciales muy bajos para el desprendimiento de oxlgeno. De esta manera, durante la carga de la celda, se favorece el desprendimiento de oxlgeno. Esto se puede lograr mediante la modificacion de las superficies del electrodo (como se discutira con mayor detalle mas adelante) o mediante la adicion de materiales como el MnO2, los cuales son bien conocidos por tener bajos sobrepotenciales para el desprendimiento de oxlgeno. De manera similar, la adicion de diversas sales de electrolito ha mostrado que minimiza el desprendimiento de cloro. Los ejemplos de tales sales o productos qulmicos pueden incluir cloruro de cobalto, oxido de iridio (IrO2) o sales de manganeso solubles. Adicionalmente, existen aditivos solubles en agua tales como urea que se sabe que reaccionan con el cloro, si este es formado, para producir gases facilmente ventilados, no toxicos.
Se debe entender, no obstante, que el electrolito alcalino puede ser utilizado como parte del sistema divulgado en la presente memoria si el dioxido de carbono es primero eliminado del aire entrante. Si esto ocurre, todavla podrlan ser realizados todos los beneficios de una celda como se describe en la presente memoria.
IV. Celda de zinc-aire con tercer electrodo
Un aspecto de la invencion se refiere a una baterla reversible o recargable, tal como una celda de zinc-aire, que tiene un electrodo de zinc y un catodo a base de carbono para la reduccion electroqulmica del oxlgeno gaseoso. Este tipo de catodo puede tambien ser conocido como un catodo de aire ya que el oxlgeno que es qulmicamente reducido, generalmente es obtenido del aire ambiental.
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En las celdas de metal-aire, electricamente recargables, limitadas, tradicionales, se espera que los electrodos en contacto con el aire realicen dos funciones opuestas pero distintas (de ahl el nombre ocasional de electrodo en contacto con el aire bifuncional). Una primera funcion del electrodo bifuncional es permitir que ocurra la reduccion del oxlgeno durante la descarga de la celda. Una segunda funcion del electrodo bifuncional es permitir el desprendimiento de oxlgeno gaseoso durante la carga de la celda.
Ya que un electrodo en contacto con el aire bifuncional sirve para multiples propositos diversos (por ejemplo, una reduccion y oxidacion), existen varios retos para estos electrodos en contacto con el aire. En primer lugar, existe unicamente un punado de materiales conductores que no se corroeran facilmente en los electrolitos acuosos con estos amplios cambios en el potencial electrico aplicado. Esta corrosion es especialmente prevalente cuando se tratan electrolitos de cloruro acuoso. Esto hace considerablemente mas complicada la seleccion de un colector de corriente de electrodo en contacto con el aire. En segundo lugar, la generacion de burbujas de oxlgeno gaseoso durante la carga de la celda puede introducir presion y tensiones mecanicas en la estructura porosa del carbono, las cuales tienden a debilitar este electrodo en contacto con el aire poroso.
Un posible procedimiento es no requerir que el mismo electrodo en contacto con el aire poroso realice las reacciones de reduccion de oxlgeno y/o de generacion de oxlgeno. Mas bien, en algunas realizaciones, se puede proporcionar un tercer electrodo o auxiliar en una celda, en lugar del electrodo en contacto con el aire estandar. Este electrodo auxiliar puede realizar exclusivamente unicamente una funcion: por ejemplo, unicamente una carga de celda y la generacion del oxlgeno asociad, o unicamente la descarga de la celda y la reduccion de oxlgeno. De este modo, se puede proporcionar un electrodo en contacto con el aire exclusivamente para la reduccion del oxlgeno durante la descarga de la celda, mientras que un segundo electrodo en contacto con el aire, auxiliar podrla ser disenado y utilizado exclusivamente para la oxidacion del agua y la generacion de oxlgeno durante la carga de la celda. El electrodo auxiliar disenado para la generacion de oxlgeno puede estar situado ya sea entre el electrodo en contacto con el aire normalmente utilizado y el electrodo metalico, o situado sobre ambos lados del electrodo metalico. Ya que un electrodo auxiliar podrla habitualmente ser utilizado unicamente durante la recarga de la celda y la generacion de oxlgeno, este podrla entonces ser optimizado para la recarga (produccion de oxlgeno) por medio de catalizadores optimizados para la produccion de oxlgeno mientras que el electrodo en contacto con el aire tradicional podrla ser optimizado para la descarga (reduccion de oxlgeno).
La Figura 12 muestra un ejemplo de esta nueva configuracion de electrodo. La Figura 12 proporciona un esquema de un diseno de tres electrodos en una celda de zinc-aire recargable electricamente. Aqul, un electrodo en contacto con el aire poroso tradicional (AA) y un electrodo de zinc solido (CC) estan separados por el electrolito llquido. Un tercer electrodo auxiliar (BB), el cual es unicamente utilizado durante la carga de la celda y electricamente aislado del electrodo AA, puede estar situado entre el electrodo CC y el electrodo AA. En algunas realizaciones, el electrodo auxiliar BB puede ser electricamente aislado del electrodo aA ya sea por un aislador o por un espacio vaclo.
El electrodo AA puede ser un electrodo en contacto con el aire de carbono, poroso, estandar, o cualquier otro tipo de electrodo en contacto con el aire que este disenado y optimizado para la reduccion del oxlgeno. El electrodo CC puede ser un electrodo de zinc metalico, o cualquier otro electrodo metalico o anodo como se describe en otro sitio en la presente memoria. En algunos casos, el tercer electrodo, el electrodo auxiliar (BB), podrla utilizarse unicamente durante la carga de la celda. Los materiales adecuados utilizados para fabricar este electrodo auxiliar podrlan incluir, pero no estan limitados a, un metal, oxido metalico, o carbono fabricado en una malla, lamina metalica, tamiz o espuma, cable, metal expandido o podrla ser metal prensado o sinterizado, carbono o un oxido metalico adecuado.
Durante la descarga de la celda, se conectan los electrodos AA y CC y se producen las corrientes electricas.
Durante la carga de la celda, los electrodos BB y CC pueden ser automaticamente conectados al circuito mediante un interruptor electrico. Las corrientes electricas provenientes de un circuito externo pueden ser aplicadas a traves de estos electrodos para generar oxlgeno gaseoso a partir de la solucion acuosa.
Mediante el uso de una disposicion de electrodo auxiliar, se puede obtener un electrodo diferente (posiblemente mas barato y mas eficiente) dedicado a la porcion de carga del funcionamiento de la celda. Durante la descarga de la celda, los electrodos CC y AA, conectados a traves de un circuito externo, pueden proporcionar energla electrica. El flujo de corriente puede ser en la misma direccion que en las celdas tradicionales. El oxlgeno proveniente del aire ambiental puede ser electroqulmicamente reducido por los electrones generados en el electrodo de zinc.
Antes de la carga de la celda, el electrodo AA puede ser desconectado del circuito que lo conecta al electrodo metalico CC (por ejemplo, el electrodo de zinc) y el tercer electrodo auxiliar (BB) puede ser automaticamente electricamente conmutado en el circuito de la celda y conectado al electrodo metalico CC. Ahora, durante la carga, los electrodos BB y AA estan electricamente conectados y son utilizados. El electrodo auxiliar BB puede estar especialmente configurado en un formato con mayores areas superficiales. Estos colectores de corriente podrlan estar en la forma de una malla, placas porosas, alambres, tamices, espuma, polvo prensado o sinterizado, nanopartlculas, tiras u otras estructuras de area superficial abierta y/o alta, adecuadas. Aqul, el area superficial puede ser considerablemente mas grande que la de su huella geometrica. Esto podrla permitir el mejor contacto con
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el electrolito de modo que la generacion de oxlgeno puede ocurrir mas facilmente. La naturaleza porosa de este electrodo esta disenada para permitir que el electrolito fluya al traves y podrla tambien permitir que el oxlgeno gaseoso generado escape facilmente. Ya que el gas O2 es generado unicamente en este electrodo auxiliar poroso, el electrodo de reduccion de oxlgeno AA no sera danado.
Este tercer electrodo auxiliar puede tambien ser disenado para contener catalizadores especlficos para aumentar el desprendimiento de O2 (catalizadores que tienen bajos sobre-potenciales para la generacion de oxlgeno). Ademas, este tercer electrodo puede ser luego protegido de las corrientes inversas durante la descarga de la celda, mediante el uso de diodos de interruption que unicamente permiten que este electrodo sea utilizado durante la carga de la celda.
Despues de que la celda ha sido completamente cargada, el tercer electrodo (de carga) BB puede ser electricamente desconectado del conjunto de circuitos de la celda y el electrodo metalico estandar CC y el electrodo en contacto con el aire tradicional AA pueden ser reconectados.
Durante la descarga de la celda, el electrodo en contacto con el aire AA y el electrodo metalico CC pueden ser electricamente conectados.
Durante la carga de la celda, el electrodo en contacto con el aire BB y el electrodo metalico CC pueden ser electricamente conectados.
Cualquier mecanismo de conmutacion o conexion/desconexion electrica conocido en la tecnica puede ser utilizado para proporcionar las conexiones deseadas durante la carga y la descarga. Tales conexiones pueden ser realizadas en respuesta a las instrucciones proporcionadas por un controlador.
El electrodo en contacto con el aire de recarga puede fabricarse de modo que sea:
1. Mas grande que el electrodo en contacto con el aire de descarga para permitir la recarga rapida a menores densidades de corriente.
2. Mas pequeno que el electrodo en contacto con el aire de descarga para ocupar menos volumen y no bloquear el electrodo en contacto con el aire.
V. Hidruros metalicos como un anodo de baterfa
En algunas realizaciones, de la invention, el hidruro de titanio, TiH2, puede ser un material adecuado de electrodo metalico/anodo en la baterla horizontalmente configurada, actualmente descrita.
Al contrario que otras aleaciones de almacenamiento de hidrogeno, de metal del tipo AB5 tales como LaNis, polvo de titanio y su hidruro podrlan ser mas baratos y tener mas altas densidades de energla. Tambien, de manera contraria a otros electrodos metalicos que se disuelven cuando sufren oxidation, el TiH2 no se disuelve despues de su oxidation. El TiH2 simplemente se convierte en titanio metalico solido.
Como anodo, durante el ciclo de descarga de la celda, el TiH2 puede liberar dos protones y dos electrones para formar Ti metalico. Durante la carga, dos protones y dos electrones pueden volver al titanio metalico y se puede formar de nuevo TiH2. Las reacciones de descarga/carga podrlan ser:
Descarga: TiH2 ^ Ti + 2H+ + 2e-
Carga: Ti + 2H+ +2e- ^ TiH
Los hidruros metalicos tlpicos se deterioran despues de numerosos ciclos de descarga/carga debido a las tensiones mecanicas inducidas. Esto puede provocar decrepitation y la formation de polvos de metal y de hidruro metalico de tamano mas pequeno. Estos polvos de tamano mas pequeno no se adhieren bien entre si, dando como resultado una menor conductividad electrica y un mal funcionamiento de la celda. No obstante, en conjunto con el diseno de celda configurada horizontalmente, actualmente propuesto, como es proporcionado mas adelante en la presente, donde los electrodos metalicos estan horizontalmente colocados, la action de la gravedad puede ayudar incluso a que el polvo de Ti y TiH2 finamente dividido se sedimenten nuevamente sobre el colector de corriente debajo. No obstante, aunque los electrodos metalicos esten ligeramente inclinados, la gravedad debe permitir que los polvos de Ti y TiH2 se sedimenten nuevamente sobre el colector de corriente de una manera relativamente estable o uniforme. Ya que los polvos de TiH2 y Ti permaneceran en contacto Intimo consigo mismos y con el colector de corriente, este electrodo metalico puede continuar sufriendo oxidacion y reduccion con buena eficiencia.
El polvo de Ti tambien puede ser modificado por tratamiento mediante cualquiera de los diversos procesos de tratamiento propuestos en la presente memoria para hacer que el titanio sea mas electricamente conductor.
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El hidruro de titanio puede funcionar como una baterla estandar o como una baterla de titanio-hidruro-aire. Las caracterlsticas o porciones de la discusion relacionada con los electrodos de hidruro de titanio pueden tambien aplicarse a las baterlas de zinc-aire o a otras baterlas de anodo metalico y viceversa.
VI. Configuracion/Orientacion de celda horizontal
De acuerdo con otro aspecto mas de la invencion, un sistema de baterla de anodo metalico, tal como un sistema de baterla de zinc aire, puede tener una configuracion de celda horizontal. La Figura 1 muestra las celdas de zinc-aire recargables dispuestas en una orientacion horizontal de acuerdo con una realizacion de la invencion. El sistema de baterla puede incluir bastidores de plastico 100a, 100b un electrodo en contacto con el aire 102, 102b, un electrodo metalico 104a, un electrolito 106a, 106b, y un tunel de flujo de aire 108a, 108b. En algunas realizaciones, un electrodo en contacto con el aire 102a, 102b, puede incluir una membrana hidrofoba 110, carbono y catalizador 112, titanio expandido 114, y carbono conductor 116. El electrodo en contacto con el aire puede funcionar como un catodo durante la descarga de la celda. El electrodo metalico funciona como un anodo durante la descarga de la celda. En otras palabras, durante la descarga de la celda el electrodo en contacto con el aire funciona como un catodo mientras que el electrodo metalico funciona como un anodo. Durante la carga de la celda, los papeles se invierten. El electrodo en contacto con el aire de carbono poroso funciona ahora como un anodo (pierde electrones) mientras que el electrodo metalico funciona ahora como un catodo (gana o acepta electrones). En algunas realizaciones, un sistema de celda de baterla de anodo metalico puede comprender un electrodo metalico, un electrodo en contacto con el aire, y una solucion acuosa de electrolito. En algunas realizaciones, el electrolito puede tener un pH dentro del intervalo de aproximadamente 3 a 10.
En algunos ejemplos, un bastidor de plastico aislante, puede ser formado de diversos plasticos, incluyendo pero sin limitarse a Noril, polipropileno (PP), oxido de polifenileno (PPO), poliestireno (PS), poliestireno de alto impacto (HIPS), acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), tereftalato de polietileno (PET), poliester (PES), poliamidas (PA), poli(cloruro de vinilo) (PVC), poliuretanos (PU), policarbonato (PC), poli(cloruro de vinilideno (PVDC), polietileno (PE), policarbonato/acrilonitrilo-butadieno-estireno (PC/ABS), o cualquier otro pollmero o combination de los mismos. En algunas realizaciones, el plastico utilizado para formar un bastidor puede ser elegido por su capacidad para tolerar altas temperaturas, es decir, tan altas como el punto de ebullition del electrolito. En algunas realizaciones, el plastico utilizado para formar un bastidor puede ser moldeable por inyeccion. Un bastidor de plastico fabricado a partir del plastico moldeado por inyeccion tal, pero sin limitarse a Noryl, puede ser disenado para sujetar el electrodo de zinc solido (mostrado sobre el fondo de la celda) y un electrodo en contacto con el aire. El electrodo de zinc sobre el fondo de la celda puede estar separado de una malla colectora de corriente de titanio metalico expandido (incrustado dentro de la parte inferior del electrodo en contacto con el aire de carbono, poroso, por una distancia fija. Este espacio de separation entre el electrodo de zinc (electrodo metalico/anodo) y el colector de corriente de malla de titanio para el electrodo en contacto con el aire/catodo es rellenado con la solucion de electrolito de cloruro acuosa, electricamente conductora.
El bastidor 100a puede rodear una celda. Un electrodo en contacto con el aire 102a puede ser proporcionado como una capa superior de una celda. Un electrodo metalico 104a puede ser proporcionado como una portion intermedia de una celda. Un tunel de flujo de aire 108b puede ser proporcionado entre el electrodo metalico 104a de una primera celda y un electrodo en contacto con el aire 102b de una segunda celda. Un electrolito 106a puede ser proporcionado dentro de la celda. El electrolito 106a puede estar contenido por el bastidor 100a y tambien por la capa de electrodo metalico 104a. En realizaciones alternativas, las posiciones del electrodo en contacto con el aire y del electrodo metalico pueden ser cambiadas de modo que un electrodo metalico puede ser proporcionado como una capa superior, y un electrodo en contacto con el aire puede ser proporcionado como una porcion intermedia.
En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire poroso puede ser un electrodo de catodo de oxlgeno a base de carbono o un electrodo de oxlgeno a base de pollmero que tiene una membrana catalltica hidrofoba permeable al aire y/o un colector de corriente resistente a la corrosion, en el que durante la carga electrica bajo potenciales anodicos, puede ser favorecido el desprendimiento de oxlgeno. Los electrodos en contacto con el aire tambien pueden incluir cualquier material conocido en la tecnica.
En algunas realizaciones, el tratamiento con plasma gaseoso a baja temperatura puede ser utilizado para mejorar notablemente la adhesion de los metales a diversos plasticos. El plasma gaseoso ha demostrado que mejora la adhesion de los metales depositados por vapor en diversas superficies polimericas. Mediante el tratamiento de las superficies polimericas con diversos plasmas de gas antes de la aplicacion de adhesivos estructurales, se puede formar una union mas fuerte, mas duradera. Los ejemplos de plasmas gaseosos deseables pueden incluir O2, mezclas de CF4/O2 o N2. Se espera que tal tratamiento mejore la adhesion de un bastidor de plastico a un electrodo metalico. Ya sea en una celda simple o en disenos de multiples celdas, pueden existir un numero de sitios dentro de las pilas de celdas donde una superficie de plastico este adhesivamente unida a una superficie metalica con adhesivos estructurales. Este sello de duration mas larga podrla traducirse en una celda de vida mas prolongada.
Existen diferentes ventajas de tener una orientacion de electrodo horizontal. En primer lugar, una configuracion horizontal puede permitir que las celdas sean rapidamente y de manera no costosa, ensambladas a partir de recipientes o bastidores de plastico moldeados por inyeccion. Otra ventaja mas es que no es necesario ningun
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separador de baterla no poroso. En la mayorla de las baterlas, las membranas de separacion son a menudo costosas y la perforacion de esta membrana es tambien el principal motivo de fallo de estas caracterlsticas. Al eliminar la necesidad de un separador de baterla poroso, pueden fabricarse celdas horizontalmente orientadas y utilizarse de manera mas barata y mas confiable. En algunas realizaciones, un electrolito llquido dentro de una celda particular puede hacer contacto directamente con un electrodo metalico de esa misma celda. En algunas realizaciones, el electrolito metalico puede o no hacer contacto directamente con el electrodo en contacto con el aire poroso de la celda. No es necesario proporcionar ninguna separacion entre el electrolito llquido y el electrodo metalico. En algunas realizaciones, puede no proporcionarse ninguna separacion o capa de separacion entre el electrolito llquido y el electrodo metalico y/o el electrodo en contacto con el aire. Por ejemplo, puede proporcionarse una celda de baterla de anodo metalico recargable, es decir que tiene un electrodo metalico, un electrodo en contacto con el aire, y un electrolito acuoso entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire, en el que el electrodo en contacto con el aire puede hacer contacto directamente con el electrolito y no se proporciona ningun separador entre el electrodo en contacto con el aire y el electrolito.
La eliminacion de una membrana de separacion entre el metal y el electrodo en contacto con el aire es clave para disminuir los costos de la baterla a niveles accesibles, y para ayudar a prolongar la vida del ciclo de la baterla de modo que esta se vuelve adecuada para el uso de red publica. Al orientar las celdas de modo que un electrodo metalico este sobre la porcion inferior, la gravedad ayuda a mantener los metales chapados libres del contacto (y del cortocircuito) con el electrodo en contacto con el aire superior. En algunas realizaciones, el electrodo metalico puede ser un anodo metalico de zinc y la gravedad puede evitar que el zinc chapado haga contacto con el electrodo en contacto con el aire por arriba. Esto crea una baterla extremadamente confiable ya que no existe membrana que falle y la celda se basa en la gravedad para asegurar la operacion apropiada. Un sistema de baterla de anodo metalico recargable puede ser capaz de realizar un numero mayor de ciclos de descarga/recarga sin degradacion flsica de los materiales ni degradacion sustancial del funcionamiento del sistema de celda de baterla. En algunas realizaciones, el sistema puede ser capaz de realizar aproximadamente 100 o mas, 200 o mas, 300 o mas, 350 o mas, 400 o mas, 450 o mas, 500 o mas, 700 o mas, 1.000 o mas, 1.500 o mas, 2.000 o mas, 3.000 o mas, 5.000 o mas, 10.000 o mas, 20.000 o mas ciclos de descarga/recarga sin degradacion sustancial.
Durante la operacion de la celda, los productos de descarga de reaccion pueden ser principalmente cloruro de zinc. Cuando la solubilidad del cloruro de zinc excede sus llmites de solubilidad (ya que es formado en electrolitos a base de cloruro, la presencia de iones cloruro, mediante el efecto del ion comun, provocara que los llmites de solubilidad del cloruro de zinc sean rapidamente excedidos) este se precipita. Por lo tanto, la configuracion de celda horizontal junto con la ayuda de la gravedad, deberla ayudar a las partlculas de cloruro de zinc que precipitan a sedimentarse nuevamente sobre el electrodo metalico de zinc horizontalmente colocado situado debajo. Ya que las partlculas de cloruro de zinc se depositan en/cerca del electrodo de zinc, los iones de zinc sufriran consideradamente menos migracion. Esto significa que durante la carga de la celda, cuando el zinc es depositado nuevamente sobre el electrodo metalico, puede perderse menos zinc en otros sitios en la celda. Esto conduce a eficiencias del ciclo de zinc considerablemente mejoradas y a una capacidad mejorada de la celda. La eliminacion de los separadores de membrana en las celdas recargables tambien significa que las perdidas de resistencia interna dentro de las celdas pueden ser minimizadas o reducidas. Esto conduce a potenciales de operacion mas altos y a menos desperdicio del calor generado.
Una geometrla de celda horizontal puede tambien permitir establecer una distancia fija reproducible entre el electrodo (anodo) de metal (zinc) y el colector de corriente del electrodo en contacto con el aire. Esto ayuda a controlar la resistencia del electrolito de manera mas reproducible. En algunas realizaciones, una celda de baterla puede tener un bastidor que soporta el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire a una distancia fija uno del otro. Una distancia fija puede definir un espacio en el cual puede estar contenido un electrolito llquido. En segundo lugar, en geometrlas horizontales, donde cada electrodo de respiracion de aire individual esta sobre la parte superior del conjunto de celda, es decir el electrodo en contacto con el aire esta de cara hacia arriba, se pueden apilar numerosos conjuntos de celda de zinc-aire uno sobre la parte superior del otro. Esto no solamente incrementa la densidad de energla (ya que las celdas pueden ahora estar estrechamente empaquetadas conjuntamente) sino que tambien permite el diseno de un sistema de baterla con espacios de aire abiertos entre las celdas individuales. Este espacio abierto puede actuar como un tubo de distribution de flujo de gas horizontal donde el aire puede ser bombeado a traves de los alojamientos de baterla entre las celdas individuales para hacer circular el aire/oxlgeno sobre la parte superior e cada electrodo en contacto con el aire individual.
La Figura 2 muestra un ejemplo de las celdas individuales que pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. Una celda puede incluir un bastidor de plastico 200a, 200b, un electrodo en contacto con el aire 202a, 202b, un electrodo metalico 204a, 204b y un electrolito 206a, 206b. El electrolito llquido puede estar contenido por el bastidor de plastico y puede ser ademas soportado por el electrodo metalico sobre la parte inferior de la celda. En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire puede ser proporcionado por arriba del electrolito. El electrolito puede estar intercalado y sujetado entre el electrodo metalico debajo y el electrodo en contacto con el aire arriba. Se pueden proporcionar uno o mas tuneles de flujo de aire 208a, 208b entre las celdas individuales. Un tunel de flujo de aire 208b puede ser proporcionado entre un electrodo metalico 204a, y un electrodo en contacto con el aire 202b.
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De este modo, dos celdas individuales pueden estar separadas una de la otra por un pasaje de aire horizontal o tunel (no dibujado a escala). Esta configuracion de celda horizontal puede permitir que el aire/oxlgeno sea bombeado y circulado entre las celdas hacia los electrodos en contacto con el aire individuales. El flujo de aire/oxlgeno a los electrodos en contacto con el aire puede permitir que las celdas mantengan su suministro de oxlgeno necesario incluso a densidades de corriente mas altas y el flujo de aire proporciona adicionalmente enfriamiento de la celda. La circulacion del aire no necesita estar continuamente en funcionamiento y las velocidades de flujo de aire pueden ser cuidadosamente reguladas mediante mecanismos de retroalimentacion. En algunas realizaciones, el aire puede fluir entre celdas individuales en una pila en la misma direction para cada uno de los tuneles de flujo de aire. En otra alternativa, el aire que fluye entre las celdas individuales en una pila puede ser disenado para que fluya en diversas direcciones.
En un ejemplo, se puede utilizar un ventilador (el cual puede incluir ventiladores axiales, ventiladores centrlfugos, ventiladores de flujo transversal), bomba, o cualquier otro mecanismo adecuado para producir flujo de aire. Uno o mas accionadores pueden formar parte del mecanismo de flujo de aire o puede estar en comunicacion con el mecanismo de flujo de aire. Los ejemplos de accionadores pueden incluir, pero no se limitan a, motores, solenoides, accionadores lineales, accionadores neumaticos, accionadores hidraulicos, accionadores electricos, accionadores piezoelectricos o imanes. Los accionadores pueden provocar que el aire fluya basado en una senal recibida desde un controlador. Los accionadores pueden o no estar conectados a una fuente de energla. Uno o mas sensores pueden ser proporcionados en una disposition de celda. En algunas realizaciones, los sensores pueden ser sensores de temperatura, sensores de voltaje, sensores de corriente o sensores de pH. Estos sensores pueden estar en comunicacion con el controlador. En funcion de las senales recibidas desde los sensores, el controlador puede proporcionar senales a los mecanismos de flujo de aire, los cuales pueden variar y/o mantener el flujo de aire entre las celdas.
Como se menciono previamente, existen diversas ventajas de una geometrla horizontal en las celdas anodicas metalicas.
A. Una geometrla horizontal puede permitir la resistencia fija/controlada de electrolito, lo cual puede requerir un control menos activo de la temperatura de la celda, densidad de corriente o niveles de electrolito.
B. Una geometrla horizontal puede proporcionar tambien facilidad para ensamblar flsicamente y apilar multiples celdas.
C. Puede no existir necesidad de un separador de baterla ya que la gravedad ayuda a separar y a sedimentar los materiales de diferentes densidades sobre el electrodo metalico.
D. El producto de descarga y precipitado puede ser favorecido por la gravedad, como se menciono previamente, para que sedimente en forma de una capa uniforme (o sustancialmente uniforme) sobre un electrodo metalico debajo.
E. Un diseno horizontal puede ayudar a enfriar las celdas y puede tambien permitir una mayor distribution de oxlgeno a los electrodos en contacto con el aire individuales, lo cual puede permitir corrientes mas altas.
F. La gravedad puede tambien ayudar a hacer fluir el electrolito como se describe mas adelante.
G. La compresion puede retener las celdas en su sitio.
Un diseno de baterla horizontal no necesita estar limitado a una baterla de anodo metalico, tal como una baterla de zinc-aire. Un diseno de celda horizontal puede tambien ser utilizado en otros sistemas de baterla donde se forma un producto de descarga solido o ligeramente soluble ya sea durante el funcionamiento de la celda o durante la inactividad de la celda. Este puede incluir, pero no se limita a, baterlas de plomo-acido (“inundadas” y VRLA), baterlas de NiCad, baterlas de hidruro metalico de nlquel, baterlas de iones litio, baterlas polimericas de iones litio o baterlas de sal fundida.
VII. Diseno del centrodo para la interconexion de las celdas
De acuerdo con un aspecto de la invention, pueden proporcionarse sistemas y metodos para conexiones baratas, escalables, entre multiples celdas.
La interconexion de varias celdas individuales en una conexion electrica en serie mientras que se mantiene una configuracion geometrica horizontal para una o mas celdas (o cada celda) puede conseguirse facilmente mediante lo que puede ser denominado como un “centrodo”. Un “centrodo” puede ser creado tomando un electrodo en contacto con el aire en una celda y rizandolo a lo largo de ambos lados con una pieza metalica separada. Esta pieza metalica puede estar unida electricamente a la celda por arriba de esta o puede por si misma ser el electrodo metalico para la celda por arriba de esta. El espacio entre el electrodo metalico (ahora colocado sobre la parte superior) y el electrodo en contacto con el aire (ahora colocado debajo) puede estar separado por un canal de aire delgado 208a, 208b que permite que el aire fluya sobre la parte superior de estos electrodos en contacto con el aire. Esto se muestra en la Figura 2. El subconjunto de centrodo resultante se asemeja a la section de un sombrero cuando se observa a traves de la trayectoria de aire 108a, 108b (desde delante hacia atras) como se muestra en la Figura 1. El electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire pueden estar sustancialmente verticalmente alineados y horizontalmente orientados.
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La Figura 1 ilustra como un electrodo metalico 104a de una primera celda puede ser engarzado alrededor de un electrodo en contacto con el aire 102b de una segunda celda, con lo cual se conectan la primera y segunda celdas en serie. El electrodo metalico de una primera celda y un electrodo en contacto con el aire de una segunda celda pueden estar electricamente conectados con cualquier numero de formas adecuadas. Por ejemplo, el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire puede engarzarse uno contra el otro, abrazarse uno al otro, soldarse uno al otro, presionarse uno contra el otro, acoplarse uno a otro con adhesivo conductor, soldarse uno al otro, o sujetarse de otro modo.
En algunas realizaciones, un electrodo en contacto con el aire y un electrodo metalico pueden estar separados por una distancia fija en el que el electrodo en contacto con el aire puede estar localizado por arriba del electrodo metalico. La distancia fija puede ser informe a traves del area del electrodo en contacto con el aire y del electrodo metalico. En una alternativa, la distancia fija puede ser variable a traves del area del electrodo en contacto con el aire y del electrodo metalico. En algunas realizaciones, la distancia fija puede estar en un intervalo que puede incluir aproximadamente 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 1 cm, 1,5 cm, 2 cm, 3 cm o mas. La distancia fija entre el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metalico puede definir un espacio en el cual puede contenerse o proporcionar un electrolito. El electrodo en contacto con el aire y el electrodo metalico pueden formar parte de la misma celda.
Se puede ensamblar, apilar y conectar cualquier numero de celdas para lograr cualquier voltaje total operativo que se requiera. Cada bastidor de plastico puede ser una parte comun disenada para ajustarse a la forma y a los requerimientos de selladura de los centrodos individuales. Cada centrodo puede tener perfiles superior e inferior unicos moldeados en plastico. Los perfiles moldeados en el plastico pueden ser los mismos de celda a celda, o pueden variar. Los perfiles moldeados pueden facilitar el apilamiento de las celdas y el soporte de los centrodos dentro de las celdas. Un proceso automatizado ensambla las celdas de una manera modular intercalando esencialmente multiples centrodos entre los correspondientes dos bastidores de celda de plastico. Este proceso puede ser repetido continuamente.
La Figura 3 muestra una vista en seccion isometrica de una celda simple de acuerdo con una realizacion de la invencion. La celda puede tener un bastidor 300, un electrodo metalico 302 y un electrodo en contacto con el aire 304. La celda puede tener cualquier forma o dimension deseada. Por ejemplo, la celda puede tener una forma rectangular, forma cuadrada, forma circular, forma triangular, forma trapezoidal, forma pentagonal forma hexagonal o forma octagonal. El bastidor puede ser correspondientemente conformado para caber alrededor de la celda.
En algunas realizaciones, un bastidor 300 puede tener una porcion vertical 312. El bastidor tambien puede tener un saliente horizontal 306 que puede sobresalir dentro de la celda. El saliente puede sobresalir desde la porcion vertical en cualquier sitio a lo largo de la porcion vertical. En algunas realizaciones, el saliente puede sobresalir en o cerca de la parte inferior de la porcion vertical, en o cerca de la parte superior de la porcion vertical, o en o cerca del centro de la porcion vertical. La porcion vertical y/o el saliente horizontal pueden ser proporcionados a lo largo de la circunferencia completa de la celda o pueden ser proporcionados a lo largo de uno, dos, tres, cuatro o mas lados de la celda. En algunas realizaciones, una o mas porciones de la celda pueden o no incluir una porcion del bastidor (por ejemplo, la porcion vertical y/o de saliente del bastidor). En algunas realizaciones, la seccion transversal del saliente puede ser proporcionada como un rectangulo, trapezoide, cuadrado, cualquier otro cuadrilatero, triangulo o puede tener cualquier otra forma. En algunas realizaciones, la superficie superior del saliente puede estar inclinada. En algunas realizaciones, la superficie superior del saliente puede estar inclinada hacia abajo hacia el centro de la celda, o puede estar inclinada hacia abajo hacia el perlmetro de la celda. Como alternativa, la superficie superior puede ser plana con una orientacion horizontal.
En algunas realizaciones, un electrodo metalico 302 puede ser proporcionado por debajo del saliente 306. En algunas realizaciones, un electrodo metalico puede tener una orientacion horizontal. El electrodo metalico puede hacer contacto con el lado inferior del saliente. En algunas realizaciones, el electrodo metalico puede ser conformado para hacer contacto con uno o mas lados verticales 312 del bastidor. En otra alternativa, el electrodo metalico puede ser conformado para estar en estrecha proximidad del lado vertical sin hacer contacto con el lado vertical. El electrodo metalico puede estar paralelo o sustancialmente paralelo al lado vertical en esta porcion.
En algunas realizaciones, el bastidor puede tener un perfil inferior 314 proporcionado sobre una porcion inferior de la celda. En algunas realizaciones, el perfil inferior puede ser una indentacion, muesca, canal, ranura u orificio que puede ser proporcionado en o cerca del fondo del bastidor. El electrodo metalico puede ser conformado para caber dentro del perfil inferior. Una porcion del electrodo metalico que cabe dentro del perfil inferior puede estar paralela o sustancialmente paralela a la superficie del electrodo metalico que abarca la celda. Una porcion del electrodo metalico que cabe dentro del perfil inferior puede estar perpendicular o sustancialmente perpendicular a la porcion del electrodo metalico que hace contacto o esta en estrecha proximidad con el lado vertical.
En algunas realizaciones, un electrodo en contacto con el aire 304 puede abarcar una celda. El electrodo en contacto con el aire puede tener una configuracion sustancialmente plana. En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire puede hacer contacto con un perfil inferior 314 de una celda. En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire puede ser ajustado dentro del perfil inferior de la celda. En algunas realizaciones,
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una porcion del electrodo metalico 302 puede entrar en contacto electricamente con el electrodo en contacto con el aire dentro del perfil inferior de la celda. Por ejemplo, la porcion del electrodo metalico puede ser engarzado alrededor del electrodo en contacto con el aire dentro del perfil inferior de la celda. En realizaciones preferibles, puede proporcionarse un espacio vaclo entre la porcion del electrodo en contacto con el aire que abarca la celda y la porcion del electrodo metalico que abarca la celda. El aire puede ser proporcionado dentro del espacio vaclo. En algunas realizaciones, el aire puede fluir dentro de este espacio vaclo.
En algunas realizaciones, puede ser proporcionado un perfil superior sobre una porcion superior de la celda. En algunas realizaciones, el perfil superior puede ser una indentacion, muesca, canal, ranura u orificio que puede ser proporcionado en o cerca de la parte superior del bastidor. En algunas realizaciones, el perfil superior puede ser una imagen especular del perfil inferior. En algunas realizaciones, un perfil superior puede acomodar un electrodo metalico y/o el electrodo en contacto con el aire por encima de la celda. En algunas realizaciones, puede intercalarse un contacto electrico entre un electrodo metalico y un electrodo en contacto con el aire entre un perfil inferior de una primera celda y un perfil superior de una segunda celda. En otras realizaciones, no necesita ser proporcionado un perfil superior. Tambien, se puede moldear por inyeccion una celda de plastico alrededor de un centrodo u otras conexiones electricas.
Pueden proporcionarse otras configuraciones para perfiles del bastidor, electrodos metalicos y electrodos en contacto con el aire. Por ejemplo, puede proporcionarse un electrodo metalico sobre la parte superior de un saliente. Puede proporcionarse un electrodo en contacto con el aire sobre la parte superior de una celda. Las posiciones de los electrodos metalicos y de los electrodos en contacto con el aire pueden ser intercambiadas.
En algunas realizaciones, un bastidor puede incluir perfiles moldeados adicionales tales como un reborde 308. El bastidor puede incluir tambien una porcion inclinada 310. En algunas realizaciones, un reborde puede capturar un electrolito. En algunas realizaciones, parte del electrolito puede ser canalizado por la porcion inclinada 310 en una celda. El electrolito puede estar contenido por la porcion vertical 312 de la celda y puede ser soportado por una porcion del electrodo metalico 302 que abarca la celda. En algunas realizaciones, el reborde puede permitir que una porcion del electrolito fluya a traves de la porcion de reborde del bastidor y salga por debajo de la porcion de reborde del bastidor. Esto puede evitar o reducir el rebose del electrolito desde la celda. En algunas realizaciones, el electrolito puede ser proporcionado desde dentro de la celda, o puede ser proporcionado desde una fuente por arriba de la celda, o puede ser capturado, mantenido o alimentado a una camara de cuchilla o de expansion que lo empuja hacia arriba o diagonalmente por arriba de la celda, de modo que la gravedad empujara el electrolito nuevamente hacia abajo cuando exista espacio en la celda.
Una ventaja adicional de una configuracion horizontal es que las celdas pueden estar disenadas de modo que el control del electrolito llquido se vuelve significativamente mas facil. Un sistema de control del electrolito, basado en la gravedad puede ser proporcionado de acuerdo con una realizacion de la invencion. A medida que las baterlas de zinc-aire se descargan, el volumen neto del sistema de electrolito de zinc llquido puede aumentarse. Si no se realiza cierto acomodo para este volumen, a medida que el electrolito llquido se expande, la presion podrla aumentar dentro de la celda y el electrolito llquido podrla penetrar en el lado inferior del electrodo en contacto con el aire poroso. Esto puede no solamente provocar inundacion del electrodo en contacto con el aire poroso sino que la diferencia de presion proveniente del electrolito llquido en expansion que empuja dentro del electrodo en contacto con el aire poroso, puede danar el fragil electrodo en contacto con el aire. En baterlas selladas, pequenas, debe permitirse un espacio extra para tal expansion del llquido de electrolito. Sin embargo, este volumen extra puede disminuir la densidad de energla total de la celda y podrla crear problemas en un sistema donde muchas celdas estan conectadas en serie y todas las celdas deben mantener un nivel de electrolito correcto. Esto tampoco permite que el nuevo electrolito llquido sea alimentado dentro del sistema ni tampoco el ensayo del electrolito llquido.
De acuerdo con un aspecto de la invencion, este problema puede abordarse mediante cuatro celdas adyacentes horizontalmente alineadas, donde las cuatro celdas comparten una esquina comun. Este conjunto horizontal de cuatro celdas puede ser denominado como un “cuadrete”. En el punto donde las cuatro celdas se encuentran, las celdas podrlan compartir un orificio de llenado, rebose o de recirculacion. Cada celda puede ser disenada para tener acceso a este orificio pequeno. Cada orificio puede tener un pequeno reborde de rebose que puede estar inclinado ligeramente por encima de la superficie inferior de cada electrodo en contacto con el aire.
La Figura 5 muestra un ejemplo de un cuadrete de cuatro celdas, y la Figura 4A muestra una pila de celdas en seccion transversal dentro de un sistema de control del electrolito llquido, basado en la gravedad. El sistema de control del electrolito llquido basado en la gravedad puede incluir un canal A de alivio de gas, proveniente de un tanque o recipiente B, que puede estar en comunicacion fluida con otro tanque o recipiente C. En algunas realizaciones, se pueden proporcionar valvulas u orificios de entrada y de salida D, E en un tanque. En algunas realizaciones, los tanques o recipientes F adicionales pueden estar en comunicacion con un tanque principal o recipiente C. Puede proporcionarse cualquier distribucion de tanques o recipientes. Estos pueden o no incluir filtros que pueden capturar partlculas no deseadas. En algunas realizaciones, los tanques de deposito pueden tambien proporcionar una oportunidad para anadir o retirar cualquier material deseado tales como aditivos de electrolitos. A medida que un electrolito circula dentro de un sistema de control del electrolito, su concentracion y/o composicion es controlada y puede ser modificada como sea necesario.
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Una via de paso G de fluido de suministro puede suministrar el electrolito al sistema de baterla completo. Una via de paso en V de fluido de retorno puede devolver el electrolito llquido al sistema de baterla. Una via de paso de fluido puede incluir un tubo, canal, mecha o cualquier otro conjunto que pueda transportar el fluido. El electrolito puede ser suministrado a un tanque de electrolito superior H. Se pueden proporcionar uno mas orificios de drenaje o de llenado J. Cuando el electrolito K rebosa el tanque, este puede gotear hacia abajo hacia una celda subyacente y puede ser recogido por un reborde de rebose L.
Un reborde de rebose L puede garantizar que un nivel constante del electrolito llquido este siempre en contacto con todos los puntos de la cara inferior del electrodo en contacto con el aire T. El electrolito P puede ser proporcionado dentro de una celda. Durante la descarga de la celda cuando el electrolito llquido se expande, este reborde puede permitir drenar el electrolito en exceso en el “cuadrete” horizontal. Todo esto puede ser logrado sin requerir ninguna presion hidrostatica sobre el electrodo en contacto con el aire. En otras palabras, estos orificios unicos pueden permitir la expansion del electrolito llquido y el escape gaseoso mientras que se mantienen los niveles apropiados (y automaticamente controlados) del electrolito para cada grupo de celdas horizontalmente dispuestas. Este equilibrio automatico del nivel de electrolito puede tambien ayudar a mantener el funcionamiento electrico uniforme. Estos orificios, localizados en el centro comun de cada cuatro celdas adyacentes “cuadretes”, pueden alinearse verticalmente directamente por arriba de otros orificios por debajo (en “cuadretes” localizados por debajo) para crear una serie de tubos alimentadores verticalmente orientados. Estos tubos pueden distribuir cualquier electrolito llquido que rebose desde todas las partes de las celdas apiladas hacia una bandeja colectora pequena U situada en el fondo de una pila dada de celdas. Estos orificios pueden incluir una porcion prismatica M que ayuda a descomponer el electrolito llquido que rebosa en gotas pequenas N.
Las celdas pueden incluir un electrodo en contacto con el aire T y un electrodo metalico R que pueden estar conectados en uno o mas puntos de conexion S. Se puede proporcionar un tunel de aire O entre el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metalico. En algunas realizaciones, el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metalico pueden formar un centrodo. U Se puede proporcionar un bastidor Q para una celda, cuadrete o grupos de celdas o cuadretes. Los bastidores pueden ser apilados dentro del sistema de baterla.
Se puede proporcionar una o mas valvulas u orificios I dentro de un tanque de electrolito superior II o la bandeja colectora U. Este orificio puede permitir que los aditivos de electrolito y/o algunos electrolitos sean drenados. Un orificio puede permitir el escape de los gases. En algunas realizaciones, los orificios pueden proporcionar acceso para tomar mediciones de conductividad o de pH. Los orificios pueden tener otros usos adicionales.
Durante la carga de la celda, cuando los volumenes de electrolito llquido en cada celda disminuyen, se pueden utilizar estos mismos orificios para anadir electrolito llquido nuevamente dentro de cada celda de un “cuadrete”. Durante la carga de la celda, una bomba colectora puede ser activada para rellenar el “cuadrete” superior. El electrolito que rebosa de este cuadrete horizontalmente configurado, de cuatro celdas, horizontal, de la parte mas alta, entra al tubo de drenaje y mediante alimentacion por gravedad, simplemente llena el “cuadrete” horizontal debajo de este. Este rebosamiento puede continuar y llenar el siguiente “cuadrete” por debajo del mismo. El llenado automatico de los cuadretes horizontales con electrolito llquido puede proceder rapidamente hasta que todos los “cuadretes” en una pila vertical han sido rellenados (o llenados a tope) con electrolito llquido. Esto orificios de llenado/rebose pueden estar disenados para realizar tambien otra funcion. Una protuberancia prismatica (M) colocada debajo de cada reborde de rebose (4-L) puede ayudar a separar cualquier llquido de electrolito en pequenas gotas (N) antes de que estas goteen dentro de un cuadrete particular. Esto puede ayudar ventajosamente a la separation o a la desconexion de cualquier circuito electricamente conductor que pueda haber sido de otro modo creado por un flujo de llquido conductor continuo (es decir, un numero grande de gotas individuales conectadas) entre las celdas individuales. Un flujo no alterado de electrolito conductor podrla haber provocado un gran cortocircuito electrico debido al alto voltaje producido por numerosas celdas apiladas en serie.
En las celdas verticalmente orientadas que utilizan las configuraciones convencionales de tipo placa y bastidor, las conexiones llquidas entre las celdas pueden ser una fuente de perdida de energla y otros problemas de diseno. La configuration horizontal descrita en la presente memoria y provista de acuerdo con las realizaciones de la invention, con el orificio de llenado/rebose descrito puede minimizar o reducir estos problemas con una parte de plastico, moldeado por inyeccion, facilmente ensamblada.
La facilidad de ensamblaje, modularidad y aumento de escala de este diseno de baterla es tambien facilmente aparente en comparacion con las dificultades asociadas con los conjuntos de baterla convencionales (ver Figura 5).
La Figura 4B muestra un sistema adicional para mantener un nivel de electrolito constante dentro de una pluralidad de celdas apiladas de acuerdo con otra realization mas de la invencion. Un sistema de control del electrolito llquido de baterla por flujo de gravedad puede incluir dos sistemas separados. El primer sistema puede incluir una estacion de transfusion con un recargador de electrolito. El segundo sistema puede incluir una baterla de anodo metalico de flujo por gravedad, tal como una baterla de zinc-aire de flujo por gravedad.
Un cargador de electrolito y una bomba de transfusion pueden ser proporcionados de acuerdo con una realizacion de la invencion. El cargador puede ser electricamente conectado a un tapon de carga el cual a su vez puede estar
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conectado a una fuente de energla, tal como una red electrica/red publica. Puede proporcionarse un rectificador para convertir la electricidad AC de una fuente de energla en DC para cargar la baterla. El sistema de transfusion con el cargador de electrolito puede ser utilizado para las estaciones de combustible existentes, de uso residencial o de flota. Este puede ser incorporado dentro de las estructuras pre-existentes. La bomba de transfusion puede incluir uno o mas miembros conductores de electrolito A, B que pueden ser un tubo, canal o cualquier otra via de paso de fluido para transportar un electrolito acuoso. Un primer miembro de conduccion de electrolito puede ser un suministro de electrolito A. Un segundo miembro conductor puede ser un retorno de electrolito B. El electrolito puede fluir desde el cargador de electrolito y la bomba de transfusion en el suministro de electrolito y puede fluir hacia el cargador de electrolito y la bomba de transfusion en el retorno de electrolito. En algunas realizaciones, puede utilizarse una bomba, valvula, diferencial de presion o cualquier otro mecanismo para iniciar y provocar el flujo de electrolito. En algunas realizaciones, puede proporcionarse una valvula, interruptor, o mecanismo de cierre que pueda detener y/o iniciar el flujo del electrolito.
Una baterla de anodo metalico de flujo de electrolito asistido por gravedad, puede incluir un tubo de llenado de electrolito recargado A, un tubo de retorno de electrolito utilizado B, una valvula de control C, un controlador electronico D, una bomba E, una llnea de suministro hacia un tanque de almacenamiento de electrolito F, una llnea de suministro hacia los tubos de distribucion superiores G, las valvulas de control de suministro superiores H1, 112, el controlador de flujo de electrolito superior 11, 12, los orificios J-1, J-2, J-3, el tanque de almacenamiento K, y la llnea de retorno de electrolito proveniente del tanque de almacenamiento L. En algunas realizaciones, en un diseno de flujo asistido por gravedad, la gravedad puede empujar el electrolito a traves de las celdas sin requerir que una bomba empuje el electrolito a traves de las celdas. En un diseno de rebose de electrolito por flujo de gravedad, no se requiere ningun agente de mecha.
El tubo de llenado de electrolito A puede proporcionar el electrolito llquido a la baterla del anodo metalico de flujo por gravedad. La valvula de control C puede determinar si el electrolito va a ser proporcionado a la baterla de anodo metalico y cual debe ser la velocidad de electrolito/flujo. La valvula de control puede ser dirigida por un controlador electronico D que proporcione instrucciones a la valvula de control. Estas instrucciones pueden determinar cuanto flujo de electrolito permite la valvula de control. Las instrucciones pueden ser proporcionadas automaticamente desde el controlador. El controlador puede o no estar en comunicacion con un procesador externo, el cual puede proporcionar las instrucciones al controlador. En algunas realizaciones, el controlador puede tener una interfaz de usuario o puede estar en comunicacion con un dispositivo externo que puede tener una interfaz de usuario. En algunas realizaciones, un usuario puede ser capaz de comunicarse con una interfaz de usuario, y puede proporcionar las instrucciones al controlador, lo cual puede afectar a las instrucciones proporcionadas a la valvula de control.
En algunas realizaciones, la baterla de metal-aire puede tener una bomba E que puede favorecer el flujo y la circulacion del electrolito. En algunas realizaciones, la bomba puede ser proporcionada dentro de un tanque de almacenamiento K de la baterla de anodo metalico. Una llnea de retorno de electrolito proveniente del tanque de almacenamiento L puede proporcionar el electrolito desde el tanque de almacenamiento K a la valvula de control C. La llnea de retorno de electrolito proveniente del tanque de almacenamiento puede ser conectada a la bomba. La bomba puede forzar el electrolito a traves de la llnea de retorno de electrolito hacia la valvula de control. El controlador electronico puede proporcionar las instrucciones a la valvula de control que pueden determinar si el electrolito puede volver y/o la velocidad de flujo a la cual puede volver el electrolito.
Puede proporcionarse una llnea de suministro hacia el tanque de almacenamiento F. El electrolito puede fluir desde la valvula de control C hacia el tanque de almacenamiento K. Una llnea de suministro hacia los tubos de distribucion G tambien puede proporcionarse. El electrolito puede fluir desde la valvula de control hacia los tubos de distribucion superiores. En algunas realizaciones, puede ser proporcionada un tubo de distribucion. En otras realizaciones, puede ser proporcionada una pluralidad de tubos de distribucion superiores. Los tubos de distribucion superiores pueden o no estar en comunicacion fluida una con la otra. En algunas realizaciones, el electrolito proporcionado a traves de la llnea de suministro G puede ser controlado mediante una o mas valvulas de control de suministro H1, H2. En algunas realizaciones, puede proporcionarse una valvula de control para cada tubo de distribucion superior. La valvula de control puede regular el flujo de electrolito hacia cada tubo de distribucion superior. El controlador electronico D puede estar en comunicacion con las valvulas de control de suministro superiores. El controlador electronico puede proporcionar las instrucciones a las valvulas de control de suministro superiores. En algunas realizaciones, las instrucciones proporcionadas por el controlador electronico pueden ser proporcionadas sobre una conexion cableada, o pueden ser proporcionadas inalambricamente.
En algunas realizaciones, los controladores superiores de flujo de electrolito 11, 12 pueden controlar el flujo del electrolito desde el tubo de distribucion superior hacia las celdas debajo. Los controladores de flujo pueden descomponer el electrolito en gotas pequenas que no forman una corriente electricamente conductora, continua. Los controladores de flujo pueden controlar la velocidad del fluido que es transferido desde el tubo de distribucion superior hacia las celdas subyacentes.
En algunas realizaciones, el tubo de distribucion superior y/o el tanque de almacenamiento K pueden tener orificios J-1, J-2, J-3. En algunas implementaciones, los orificios pueden estar en comunicacion con el controlador electronico
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D. En algunas realizaciones, los orificios pueden proporcionar acceso para tomar una o mas mediciones. Las mediciones pueden ser comunicadas al controlador electronico que puede proporcionar las instrucciones a las otras partes del sistema de control del electrolito. Por ejemplo, en funcion de las mediciones, el controlador electronico puede provocar el ajuste del caudal del electrolito, el ajuste de la temperatura del electrolito, el ajuste del pH del electrolito o el ajuste de la composicion del electrolito.
Puede proporcionarse una conexion electrica dentro del sistema de baterla. Por ejemplo, una conexion electrica puede ser proporcionada en un lado (+) de la baterla y una conexion electrica puede ser proporcionada en un lado (- ) de la baterla, y puede ser conectado a un segundo enchufe de carga. El enchufe de carga 2 puede ser enchufado en un enchufe de pared, tal como de una red electrica/red publica. Un rectificador de AC a DC puede ser proporcionado, el cual puede convertir la AC de una red electrica/red publica a DC para cargar las baterlas. Un inversor puede o no proporcionarse, el cual puede convertir la DC de las baterlas a AC conforme las baterlas son descargadas.
En algunas realizaciones, el voltaje del sistema de baterla puede ser controlado. En algunas realizaciones, el voltaje del sistema completo puede ser controlado o el voltaje de cada modulo puede ser individualmente controlado. Cuando el voltaje cae inesperadamente, esto puede indicar un problema con una o mas celdas. En algunas realizaciones, cuando el voltaje cae, el sistema puede incrementar el caudal del electrolito.
En algunas realizaciones, se pueden controlar una o mas caracterlsticas de la baterla y/o del electrolito en un unico punto. Por ejemplo, el pH del electrolito, la temperatura del electrolito, la composicion del electrolito pueden ser medidos en un unico punto, tal como dentro del tanque de almacenamiento. La invencion puede incluir un sistema de control simplificado que puede determinar si el sistema necesita o no ser ajustado sin requerir sistemas detectores costosos y complejos.
VIII. Aditivos para mejorar la calidad de la chapa de zinc y la formacion de especies de zinc insolubles
Las perdidas de resistencia interna (IR) pueden ser mantenidas bajas mediante chapado de un recubrimiento de zinc de buena calidad durante cada ciclo de recarga. Un factor clave en la longevidad de esta celda es que no necesita mantenerse ninguna forma especlfica de electrodo. En este electrolito de la baterla, el ciclo de celda continua no dana el electrodo metalico. El sistema de baterla puede incluir cualquier numero de aditivos bien conocidos que mejoran la deposicion del zinc sobre el electrodo metalico. Los ejemplos de aditivos pueden incluir, pero no se limitan a polietilenglicol de diversos pesos moleculares y/o tiourea. Con estos aditivos, se puede chapar un recubrimiento de zinc fresco altamente conductor, a nivel, liso, durante cada ciclo de recarga de la celda. Esta capa de zinc esta despues facilmente disponible para sufrir una oxidacion facil y formar iones zinc disueltos durante la siguiente descarga de la celda. En este sistema de baterla, no se requiere que se forme ninguna forma flsica exacta durante el chapado con zinc. Ya que la gravedad ayuda a mantener el zinc depositado o chapado en su sitio, el fallo del electrodo metalico (muy comun en otros sistemas de baterlas) puede ahora ser minimizado o reducido como un modo de fallo. Esto ayuda a lograr una baterla con un ciclo de vida muy prolongado.
Otra realization puede incluir otros aditivos que podrlan provocar que los iones de zinc que son generados (durante la oxidacion en el electrodo metalico durante la carga de la celda) permanezcan en estrecha proximidad al electrodo metalico de zinc o al colector de corriente metalico. Esto es importante debido a que estas especies de zinc seran luego facilmente electricamente reducidas (sin migration excesiva) durante la carga de la celda. Podrla ser por lo tanto util tener un electrolito de aditivo soluble en agua que (una vez en contacto con los iones de Zn2+ formados en el electrodo metalico) puedan formar una especie de zinc insoluble que puede precipitarse hacia el fondo de las celdas horizontalmente orientadas. Las especies de zinc insolubles pueden permanecer cerca del electrodo de zinc y estar mas facilmente disponibles para la reduction electroqulmica subsecuente durante la recarga de la celda. El sistema de baterla puede incluir un aditivo que puede controlar la precipitation deseable. Tales aditivos pueden incluir cualquiera de las siguientes especies solubles en agua. Los ejemplos de especies solubles en agua que forman especies de zinc insolubles incluyen, pero no se limitan a: benzoatos, carbonatos, yodatos, y estearatos.
En algunas realizaciones, los aditivos que tienen cualquiera de las propiedades descritas en la presente memoria pueden incluir pero no estan limitados a urea, tiourea, polietilenglicol, benzoatos, carbonatos, yodatos, estearatos, tensioactivos de catalizador soluble en agua, o aloe vera, solos o en combination. En algunas realizaciones, la adicion de extracto de aloe vera puede reducir la corrosion del zinc.
IX. Catalizadores solubles como aditivo electrolftico para mejorar la formacion de oxfgeno durante la recarga
Ademas de los catalizadores solidos incorporados en el propio electrodo en contacto con el aire, se pueden anadir otros materiales tales como sales de manganeso solubles en agua para mejorar el funcionamiento de la celda durante la recarga. Ya que el oxlgeno es generado durante la recarga de la celda, tambien es util permitir que las burbujas de oxlgeno escapen facilmente. Esto puede conseguirse mediante la adicion de tensioactivos que actuan como agentes antiespumantes (tales como simeticona o Dowex) para romper las burbujas generadas. El sistema de baterla puede incluir un aditivo que evita la formacion de espuma y que permite la liberation de gas. Los aditivos pueden incluir uno o mas de los siguientes: simeticona, Dowex, aloe vera u otros tensioactivos.
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El electrodo en contacto con el aire puede tambien ser montado con un angulo pequeno a la paralela para ayudar a que las burbujas de oxigeno formadas abandonen un cuadrete de cuatro celdas mediante un orificio de llenado comun cerca del reborde de rebose. En algunas realizaciones, el titanio expandido podria ser tambien dispuesto con una ligera corona negativa o el canal de alivio de gas perimetral estampado, de modo que se puede asegurar que la mayor parte del area superficial del electrodo en contacto con el aire sea conforme con el electrolito. Cualquier burbuja de aire o gases puede escapar facilmente a traves de los orificios de llenado comunes. Estas configuraciones se enfrentaran tambien a los problemas de tolerancia a la planitud y mitigaran los problemas de nivelacion).
X. Urea como aditivo electrolftico para eliminar el cloro formado
El sistema de bateria puede incluir un aditivo al electrolito para prevenir o reducir al minimo el desprendimiento de cloro y/o hipoclorito durante la recarga de la celda. La urea puede ser anadida al electrolito acuoso de bateria para controlar la generation de cloro. La urea y el cloro pueden reaccionar para formar cloruros y productos gaseosos benignos (por ejemplo, N2, CO2 y H2). Si se forma cloro libre en el electrolito durante la carga de la celda, este puede reaccionar facilmente con la urea soluble para formar cloruro adicional (el cual es ya un componente del electrolito). Los gases generados provenientes de la reaction del cloro con la urea no son peligrosos y pueden ser ventilados de manera segura. Si se anade urea al electrolito y no es rellenada, entonces, a medida que la celda se carga (y si se genera cloro gaseoso), la urea puede reaccionar con el cloro formado, agotarse y no estar disponible para eliminar cualquier gas de cloro generado durante los siguientes ciclos de carga.
En el diseno de celda proporcionado de acuerdo con una realization de la invention, los electrolitos pueden ser periodicamente probados y, si los niveles de cloro estan por encima de un nivel predeterminado, puede anadirse urea adicional como se requiera. En algunas realizaciones, los electrolitos pueden ser manualmente probados. En otras realizaciones, se pueden proporcionar uno o mas sensores para determinar automaticamente los niveles de cloro y si es necesario, anadir urea adicional para reaccionar con y eliminar el cloro. En algunas realizaciones, la urea puede ser anadida manualmente segun sea necesario. En realizaciones alternativas, la urea puede ser automaticamente anadida cuando los niveles de cloro estan por encima de un nivel predeterminado. En algunas realizaciones, el nivel predeterminado puede estar en el intervalo del 5 % de urea en peso, pero generalmente podrian ser unas pocas ppm de urea.
En algunas realizaciones, el sistema de electrolito de bateria puede incluir un aditivo que puede evitar el desprendimiento de hidrogeno durante la carga de la celda. El aditivo puede incluir, pero no esta limitado a, sales de cloruro de alto sobre-potencial de hidrogeno tales como cloruro de estano, cloruro de plomo, cloruro de mercurio, cloruro de cadmio o cloruro de bismuto.
XI. Recarga rapida con la suspension de zinc/electrolito
Con un diseno de celda horizontal, puede ser proporcionado un sistema donde las celdas pueden ser rapidamente recargadas (por ejemplo, para aplicaciones moviles de alto intervalo). Las particulas de cloruro de zinc formadas durante la descarga pueden ser rapidamente eliminadas de las celdas mediante la suction de esta suspension hacia un tanque o recipiente de desecho. Este Kquido de electrolito utilizado puede ser reemplazado por granulos de zinc frescos en la suspension de electrolito que pueden ser bombeados nuevamente hacia la celda horizontal. Las particulas de zinc solidas pueden sedimentarse hacia el fondo de la celda (electrodo metalico). Se espera que esta recarga mecanica dure solo unos pocos minutos.
En algunas realizaciones, como se muestra en la Figura 4B, una o mas celdas horizontales pueden estar dentro de un alojamiento o pueden formar parte del alojamiento de la bateria. El alojamiento puede estar conectado a un tanque. En algunas realizaciones, el liquido de electrolito utilizado puede ser devuelto al tanque. El Uquido de electrolito puede ser devuelto a traves de una tuberia de retorno, un tubo, un canal, un conducto, o cualquier otro aparato de comunicacion de fluido. En algunas realizaciones, el tanque puede suministrar liquido de electrolito al alojamiento. El electrolito puede ser suministrado mediante una tuberia de retorno, un tubo, un canal, un conducto, o cualquier otro aparato de comunicacion de fluido. En algunas realizaciones, el mismo tanque puede recibir el liquido de electrolito utilizado y proporcionar el Uquido de electrolito fresco. El Uquido de electrolito puede ser a continuation reciclado dentro del sistema. En algunas realizaciones, el tanque puede tener uno o mas procesos de tratamiento que pueden tratar el Uquido de electrolito utilizado antes de que este sea suministrado nuevamente al alojamiento. Por ejemplo, pueden anadirse granulos de zinc frescos al electrolito. En otras realizaciones, se pueden utilizar diferentes tanques para recibir el Uquido de electrolito utilizado y proporcionar Uquido de electrolito fresco. El electrolito fresco puede entrar al sistema, y el electrolito utilizado puede ser retirado del sistema.
Las particulas de cloruro de zinc provenientes de la celda utilizada pueden ser regeneradas localmente o en alguna instalacion regional (el equivalente a una refineria o granja de tanques) mediante tecnicas electroquimicas bien conocidas. Tal modification podria convertir este sistema de lo que podria ser considerado generalmente como una bateria en mas de una celda de tipo de flujo o una celda de combustible de zinc-aire. No obstante, todas las ventajas anteriores podrian estar disponibles, y podria conseguirse un ciclo de descarga mas prolongado que un ciclo de descarga que estuviera disponible solo a partir de la cantidad de zinc que puede caber dentro de cada celda sin la
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circulacion del zinc externo. Otro metodo de reabastecimiento de combustible podrla ser descrito como la transfusion de electrolito, donde el electrolito degradado puede ser intercambiado con el electrolito fresco para el reabastecimiento conveniente, rapido, similar a las estaciones de bombeo tradicionales.
XII. Alojamiento y conjunto de baterfa de anodo metalico
Como se describio previamente, el sistema de baterla de anodo metalico puede incluir un alojamiento de baterla. Este alojamiento puede tener cualquier numero de configuraciones que pueden contener una o mas celdas individuales encerradas. En algunas realizaciones, una celda por si misma puede formar parte del alojamiento. Por ejemplo, las celdas pueden ser apiladas de modo que los bastidores de celda pueden formar parte del alojamiento. En algunas realizaciones, el alojamiento puede ser hermetico a los fluidos. Por ejemplo, el alojamiento puede ser hermetico a los llquidos y/o hermetico al aire. En algunas realizaciones, el alojamiento puede incluir uno o mas mecanismos de ventilacion.
A. Alojamiento de plastico con “cuadrete” de cuatro celdas compartido y sistema de orificio de relleno/escape de electrolito
La disposicion y el diseno de un bastidor de celda de plastico puede ser optimizada o mejorada en cuanto a eficiencia espacial, resistencia, moldeabilidad y perdidas de resistencia internas mlnimas o reducidas debido a la menor resistencia entre celdas.
Un diseno de bastidor de celda, de acuerdo con una realizacion de la invencion, puede incorporar un sistema de control del electrolito, centralizado comun, que puede ser compartido por cuatro celdas horizontalmente orientadas individualmente en el bastidor. En otras realizaciones, el sistema de control del electrolito centralizado puede ser compartido por cualquier numero de celdas, incluyendo pero sin limitarse a uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez, once, doce, trece, catorce, quince, dieciseis, diecisiete, dieciocho, diecinueve, veinte, o mas celdas. Este diseno puede permitir el espaciamiento “centralizado” optimo, la capacidad de apilamiento flsico y la conectividad electrica optima del sistema de tubo de distribucion.
La Figura 5 muestra un ejemplo de una configuracion de apilamiento de baterla de un sistema de almacenamiento de energla. Las paredes externas de los bastidores de plastico 500a, 500b, 500c, 500d pueden formar una pared de alojamiento 502. En algunas realizaciones, las cuatro celdas 504a, 504b, 504c, 504d pueden formar un cuadrete 504 con un sistema de control del electrolito centralizado compartido 506.
Cualquier numero de celdas pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. Por ejemplo, cuatro celdas 504c, 504e, 504f, 504g pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. En algunas realizaciones, una o mas, dos o mas, tres o mas, cuatro o mas, cinco o mas, seis o mas, siete o mas, ocho o mas, nueve o mas, diez o mas, doce o mas, quince o mas, veinte o mas, treinta o mas, o cincuenta o mas celdas pueden ser apiladas una sobre la parte superior de la otra. Uno o mas pasajes del flujo de aire 508a, 508b, 508c, 508d pueden ser proporcionados para cada celda. La pluralidad de celdas verticalmente apiladas puede ser seleccionada para lograr un voltaje deseado. Si las celdas verticalmente apiladas son conectadas en serie, el numero de celdas verticalmente apiladas puede corresponder a un nivel de voltaje incrementado. Como se describe en otro sitio de la presente memoria, se puede utilizar un centrodo para crear una conexion en serie entre las celdas.
Cualquier numero de cuadretes o pilas de cuadretes pueden ser proporcionados adyacentes uno al otro. Por ejemplo, un primer cuadrete 504 puede esta adyacente a un segundo cuadrete 510. Una o mas hileras de cuadretes y/o una o mas columnas de cuadretes pueden ser proporcionadas en un sistema de almacenamiento de energla. En algunas realizaciones, un sistema de almacenamiento de energla puede incluir una disposicion de i x j de cuadretes, en la que i y j son cualquier numero entero mayores que o iguales a 1, incluyendo, pero sin limitarse a 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, o mas. En otras realizaciones, las celdas o cuadretes pueden tener configuraciones escalonadas, configuraciones concentricas, o estar colocados de cualquier manera uno con respecto al otro. Pueden proporcionarse o no espacios vaclos entre las celdas o cuadretes adyacentes. Como alternativa, las celdas y/o los cuadretes adyacentes pueden estar electricamente conectados entre si. En algunas realizaciones, una o mas celdas, o uno o mas cuadretes pueden compartir un bastidor comun con la celda o cuadrete adyacente. En otras realizaciones, cada celda o cuadrete puede tener su propio bastidor, el cual puede o no hacer contacto con el bastidor de la celda o cuadrete adyacente.
Como se discutio previamente, cualquier numero de celdas pueden compartir un sistema de control del electrolito llquido centralizado comun. Cuatro celdas cuadrilateras pueden compartir un sistema de control del electrolito centralizado, comun, formando un cuadrete. En otros ejemplos, seis celdas triangulares pueden compartir un sistema de control del electrolito centralizado comun o tres celdas hexagonales pueden compartir un sistema de control del electrolito centralizado comun. Se puede utilizar cualquier combinacion de formas de celda, en la que una esquina de una o mas celdas puede compartir un sistema de control del electrolito centralizado, comun. Cualquier referencia a los cuadretes puede ser aplicada a otros numeros o configuraciones de celdas que pueden compartir un sistema de control del electrolito centralizado comun. Pueden proporcionarse conexiones conductoras de cruce horizontal y/o vertical. Esto puede proporcionar redundancia de conexion.
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B. Diseno de sistema de goteo controlado por tubo de distribucion y gravedad unico
La Figura 6 muestra un ejemplo de un sistema de control del electrolito centralizado, para un sistema de almacenamiento de energla de acuerdo con una realizacion de la invencion. Una pluralidad de celdas 600a, 600b, 600c pueden compartir un sistema de control del electrolito comun. El sistema de control del electrolito puede incluir un reborde 602a, 602b, 602c para cada celda. El reborde puede ayudar a la contencion del electrolito llquido dentro de la celda. El sistema de control del electrolito puede tambien incluir una o mas porciones inclinadas o verticales 604a, 604b, 604c. La porcion inclinada o vertical puede dirigir el electrolito para que fluya hacia la celda. En algunas realizaciones, la combinacion de reborde y porcion inclinada o vertical puede capturar el electrolito proporcionado desde arriba de la celda. En algunas realizaciones, pueden ser proporcionadas una o mas protuberancias de soporte 606a, 606b, 606c. El sistema de control del electrolito centralizado puede tambien incluir una protuberancia prismatica 608a, 608b, 608c que permite que el electrolito que rebosa gotee hacia las celdas subyacentes y/o a un tanque de captura de electrolito situado por debajo.
En un ejemplo, el llquido de electrolito puede ser atrapado por un reborde de rebose 602a de una primera celda 600a. El llquido de electrolito puede fluir hacia abajo de la porcion inclinada o vertical 604a y quedar contenido dentro de la celda. Si el electrolito llquido rebosa de la primera celda, este puede fluir sobre el reborde de rebose y dentro de la protuberancia prismatica 608a. Despues de fluir a traves de la protuberancia prismatica, el llquido sera atrapado por el reborde 602d y la porcion inclinada o vertical 604d de una segunda celda 600d situada debajo de la primera celda. El electrolito puede ahora ser capturado y contenido dentro de la segunda celda. Si la segunda celda esta rebosando o posteriormente rebosa, el fluido de electrolito puede fluir a traves de la protuberancia prismatica 608d de la segunda celda y puede ser atrapado por una tercera celda 600e, o puede continuar fluyendo hacia abajo hacia otras celdas situadas por debajo.
Cuando se llena inicialmente un sistema de baterla con el electrolito llquido, se pueden llenar primero las celdas situadas sobre la parte superior y luego el electrolito llquido puede rebosar hacia las celdas o cuadretes subyacentes, el cual puede entonces fluir dentro de las celdas o cuadretes subyacentes adicionales, por lo que son proporcionadas muchas capas de celdas verticales. Eventualmente, todas las celdas en una configuracion de apilamiento vertical pueden llenarse con el electrolito y el electrolito en exceso puede ser capturado por una bandeja de deposito inferior, localizada debajo de las celdas.
Cualquiera de las caracterlsticas del sistema de control del electrolito pueden formar parte integral del bastidor de la celda y pueden ser separadas o separables del bastidor de la celda. En algunas realizaciones, los perfiles de los componentes pueden ser moldeados por inyeccion.
El sistema de control del electrolito puede manejar continuamente niveles de electrolito llquido en cada uno de los cuatro “cuadretes” de celda para asegurar un contacto electrico constante y uniforme con la porcion inferior de cada electrodo-aire. Se puede proporcionar una cantidad suficiente de electrolito a las celdas, de modo que los electrolitos pueden hacer contacto con la porcion inferior (por ejemplo, 610a) de un electrodo en contacto con el aire. En algunas realizaciones, la porcion inferior puede ser un electrodo metalico/anodo. En otras realizaciones, se puede proporcionar o no suficiente electrolito a la celda para garantizar que el electrolito haga contacto con una porcion inferior 612a de una sobrecarga de electrolito- aire. La porcion inferior del electrodo en contacto con el aire puede ser un catodo durante la descarga.
La Figura 3 proporciona una vista adicional de una celda que tiene un sistema de control del electrolito en la esquina.
En realizaciones preferidas, puede configurarse una protuberancia prismatica o reborde para romper o desconectar cualquier conexion potencial de llquido conductor que fluye entre las celdas. La protuberancia prismatica puede romper el llquido de electrolito en gotas individuales de tamano pequeno. La protuberancia prismatica puede controlar el caudal de cualquier electrolito rebosante.
El sistema de control del electrolito puede ser util para permitir el rebosamiento y control eficiente del electrolito. El electrolito rebosante puede ser capturado por las celdas de debajo y puede fluir hacia abajo hasta que este es capturado por un tanque colocado debajo.
El sistema de control del electrolito puede tambien permitir que los gases generados, no deseados, sean ventilados de manera segura. En algunas realizaciones, los gases pueden ser ventilados a traves de pasajes formados por las porciones prismaticas, ya sea de conexion hacia arriba o hacia abajo.
Ventajosamente, el sistema de control del electrolito puede reabastecer las celdas con el electrolito llquido a traves de un sistema de goteo, controlado por gravedad. Las celdas pueden ser reabastecidas por el rebosamiento desde las celdas localizadas por arriba, o desde una fuente de electrolito. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 4A, el electrolito puede ser suministrado a un tanque de retencion superior. El electrolito puede ser suministrado a las celdas o al tanque de retencion de cualquier otra manera.
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Como se proporciona en las realizaciones de la invention, el rebosamiento asistido por gravedad, junto con un orificio de relleno comun para cada celda puede ser generalizado y utilizado en cualquier otro dispositivo de almacenamiento de energla donde los niveles de electrolito llquido pueden cambiar durante la carga y descarga. Tales sistemas de control de llquidos no necesitan estar limitados a las celdas de metal-aire, tales como las celdas de zinc-aire descritas aqul. Otros tipos de celdas de almacenamiento de energla pueden tambien beneficiarse del uso de sistemas de control de llquido, similares. Los niveles de electrolito llquido pueden ser ajustados automaticamente de modo que el llquido unicamente toca la portion inferior de cada electrodo en contacto con el aire individual.
Una modification adicional a este diseno implica la fabrication de cada celda con un receso en forma de cavidad contenida en un lado. Esta cavidad puede funcionar como un deposito de llquido donde los volumenes de electrolito en exceso pueden ser almacenados de manera segura, como sea necesario. Cuando los volumenes de electrolito disminuyen, el llquido en exceso almacenado en esta cavidad puede fluir automaticamente mediante gravedad y ser utilizados para rellenar la celda garantizando de este modo que todas las partes enfrentadas al electrolito (porcion inferior) del electrodo en contacto con el aire permanezcan en contacto con el electrolito llquido.
C. Diseno de compresion para fiabilidad
La Figura 5 proporciona una vista de una configuration de apilamiento de baterla. Como se describio previamente, en algunas realizaciones, las superficies externas de los bastidores de las celdas pueden formar un alojamiento. En algunas realizaciones, todas las superficies de sellado crlticas pueden estar bajo carga compresiva vertical para la fiabilidad a largo plazo del sellado anadido. Por ejemplo, una carga por compresion puede ser aplicada al apilamiento de celdas, lo que puede distribuir la carga por compresion a los bastidores. Esto provoca que los bastidores sean comprimidos entre si y formen un sello. La carga compresiva puede ser proporcionada en una direction que comprime un apilamiento de celdas entre si. La carga compresiva puede ser proporcionada en una direction perpendicular a un plano formado por un electrodo metalico o el electrodo en contacto con el aire de la celda. En algunas realizaciones, la carga compresiva puede ser proporcionada en una direccion vertical.
Los conjuntos de centrodo pueden ser intercalados entre los bastidores de plastico correspondientes para formar una serie de celdas individualmente selladas. Como se describio previamente, los centrodos pueden ser formados cuando un electrodo metalico de una celda es electricamente conectado al electrodo en contacto con el aire de otra celda. En una realization, esta conexion electrica puede formarse cuando un electrodo metalico esta engarzado alrededor de un electrodo en contacto con el aire. Esto puede permitir una conexion en serie entre las celdas. En algunas realizaciones, puede ser aplicada una fuerza de compresion entre las celdas. La fuerza de compresion puede ser aplicada a la conexion entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire. La aplicacion de una fuerza que une el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire puede mejorar la conexion electrica entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire. En algunas realizaciones, el punto de contacto del electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire puede estar intercalado entre bastidores de plastico y la carga compresiva puede proporcionar una fuerza de compresion entre los bastidores y los contactos. Puede formarse un sello hermetico a los fluidos, el cual puede prevenir que el electrolito fluya desde una celda a otra a traves del contacto del bastidor con el centrodo. Este sello puede ser realizado o soportado con adhesivo.
Las paredes externas y las divisiones internas (la cuales pueden formar los bastidores de las celdas) pueden ser miembros estructurales disenados para alojar y sellar apropiadamente los trabajos internos de cada celda, y aplicar cargas compresivas sobre juntas de celda crlticas y superficies de sellado. Esto proporciona un sistema estructural facilmente ensamblado, de diseno fiable y ventajoso cuando las celdas individuales estan verticalmente apiladas. La Figura 1 y la Figura 2 muestran como las celdas individuales pueden ser apiladas verticalmente. En algunas realizaciones, un apilamiento puede ser cargado con una fuerza de compresion que puede ser aplicada a los bastidores y/o conexiones entre los electrodos metalicos y los electrodos en contacto con el aire.
D. El sub-conjunto de electrodo metalico, electrodo en contacto con el aire
La Figura 1 muestra una conexion entre un electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire. En algunas realizaciones, un metodo de conjunto por estampado engarza el electrodo metalico sobre el electrodo en contacto con el aire, formando una section en forma de sombrero para que el aire pase a su traves. En algunas realizaciones, el electrodo metalico puede estar engarzado sobre el electrodo en contacto con el aire de modo que una porcion del electrodo metalico hace contacto con un borde de un primer lado del electrodo en contacto con el aire y un borde sobre un segundo lado del electrodo en contacto con el aire. En otras realizaciones, el electrodo en contacto con el aire puede estar engarzado sobre el electrodo metalico, de modo que una porcion del electrodo en contacto con el aire hace contacto con un borde sobre un primer lado del electrodo metalico y un borde sobre un segundo lado del electrodo metalico. El electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire pueden estar engarzados conjuntamente de cualquier manera de modo que estos son flexionados o plegados uno sobre el otro con diversas configuraciones. En algunas realizaciones, estos estan engarzados o de otro modo acoplados entre si, de modo que estos hacen contacto uno con el otro sin requerir flexiones o pliegues. Tambien se pueden utilizar otras maneras de formar una conexion electrica como se menciono anteriormente.
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Un conjunto de electrodo de contacto de anodo metalico puede utilizar diferentes materiales que estan engarzados para formar una conexion de flujo electrico a lo largo de ambos bordes de la trayectoria de aire. En algunas realizaciones, los ejemplos de materiales para el electrodo metalico pueden incluir zinc (tal como una amalgama de polvo de zinc) o mercurio. Los ejemplos de materiales para el electrodo en contacto con el aire pueden incluir carbono, teflon, o manganeso.
Un conjunto de electrodo puede ser proporcionado donde el electrodo metalico proporciona el piso sellado del recipiente de electrolito situado por encima, mientras que el electrodo en contacto con el aire forma la cubierta sellada para el deposito de electrolito situado por debajo. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 1, un electrodo metalico 104a puede formar el piso de un deposito de electrolito 106a. El electrodo en contacto con el aire 102a puede formar la cubierta para el deposito de electrolito. El electrodo metalico y/o el electrodo en contacto con el aire pueden ser sellados.
Un centrodo formado por el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire pueden tener cualquier dimension. Una o mas de las dimensiones (por ejemplo, longitud o anchura) pueden ser de aproximadamente 1,27, 2,54, 5,08, 7,62, 10,16, 12,7, 15,24, 17,78, 20,32, 22,86, 25,4, 27,94, 30,48 cm o mas.
E. Diseno conductor cruzado entre celdas
La Figura 7 muestra una vista adicional de una configuracion de apilamiento de baterla con conexiones de electrodo metalico-electrodo en contacto con el aire. Una configuracion de un conjunto de electrodo metalico - electrodo en contacto con el aire, puede ser proporcionada donde las pestanas engarzadas vecinas u otras extensiones de los centrodos se superponen o se tocan, creando una configuracion en serie repetible, modular y horizontal y verticalmente conectada electricamente.
Una primera celda puede incluir miembros del bastidor 700a, 700c, y puede tener un electrodo metalico 702a. El electrodo metalico puede estar engarzado alrededor del electrodo en contacto con el aire 704b de una celda subyacente. En algunas realizaciones, el electrodo metalico de una celda vecina 702c puede estar engarzado alrededor del electrodo en contacto con el aire en su celda subyacente 704d. En algunas realizaciones, la conexion electrica formada por el electrodo metalico 702a y el electrodo en contacto con el aire 704b puede estar en comunicacion electrica con la conexion electrica formada por el electrodo metalico 704c y el electrodo en contacto con el aire 704d. Por ejemplo, uno de los electrodos metalicos 702c puede hacer contacto con el otro electrodo metalico 702a. Como alternativa, la conexion electrica entre las celdas vecinas puede ser formada mediante cualquier combinacion de electrodos metalicos y/o electrodos en contacto con el aire haciendo contacto uno con el otro. En algunas realizaciones, las conexiones electricas entre las celdas situadas por arriba y situadas por debajo y las celdas adyacentes (por ejemplo, la conexion entre 702c, 704d, 702a, 704b) puede ser proporcionada entre los bastidores (por ejemplo, 700c, 700d).
La Figura 7 muestra un ejemplo de como los electrodos metalicos y los electrodos en contacto con el aire pueden realizar las conexiones electricas mediante engarzado y plegamiento. No obstante, cualquier combinacion de contactos entre los electrodos metalicos y los electrodos en contacto con el aire plegados sobre y haciendo contacto entre si, puede ser utilizada de acuerdo con diversas realizaciones de la invencion. Las posiciones de los electrodos metalicos y los electrodos en contacto con el aire pueden ser invertidas en realizaciones alternativas de la invencion, y cualquier discusion relacionada con las posiciones del electrodo metalico pueden aplicarse a las posiciones del electrodo en contacto con el aire y viceversa.
Las pestanas engarzadas superpuestas o de otro modo elasticas pueden permitir una conexion electrica en serie o en serie-paralelo para la fiabilidad, simplicidad y flexibilidad del sistema. Por ejemplo, una ventaja de tal sistema puede ser que son necesarios menos cables y puntos de conexion debido a que cada hilera en un bastidor de celda puede ser electricamente conectada en serie a traves de pestanas engarzadas superpuestas.
La Figura 9A proporciona una vista inferior de un conjunto de bastidor de la celda con conexiones electricas. Una o mas celdas 900a, 900b, 900c, 900d pueden formar un cuadrete con un sistema de control del electrolito comun 902. El fondo de una celda puede estar formado por un electrodo metalico. Se puede proporcionar uno o mas componentes del bastidor 904a, 904b, 904c, 904d, 906a, 906b separando las celdas. En algunas realizaciones, las conexiones electricas entre celdas pueden ser proporcionadas para celdas adyacentes. Por ejemplo, las conexiones electricas pueden ser proporcionadas entre dos o mas celdas dentro de una hilera, tal como entre una primera celda 900a y una segunda celda 900b. Una conexion electrica puede ser proporcionada cerca de un bastidor 904a entre las celdas. Las conexiones electricas pueden ser proporcionadas entre dos o mas celdas dentro de una columna, tal como entre una primera celda 900a y una segunda celda 900c. Una conexion electrica puede ser proporcionada cerca de un bastidor 906a entre las celdas. Las conexiones electricas pueden ser proporcionadas para cualquier combinacion de celdas adyacentes dentro de una hilera o columna.
En algunas realizaciones, las conexiones electricas no son proporcionadas entre las celdas adyacentes. En algunas realizaciones, pueden ser proporcionadas conexiones electricas unicamente entre celdas situadas por arriba y situadas por abajo que forman una pila.
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La Figura 9B muestra una vista de un conjunto de bastidor y uno o mas centrodos. Se puede proporcionar un bastidor 880 para una o mas celdas simples o cuadretes, o una pluralidad de celdas simples o cuadretes. Uno o mas centrodos 882a, 882b pueden estar formados por un electrodo metalico 884 y un electrodo en contacto con el aire 886. Se puede formar un centrodo para que quepa dentro del bastidor. En algunas realizaciones, el bastidor puede descansar sobre los centrodos de modo que una porcion lateral del bastidor forma una pared de una celda y el electrodo metalico del centrodo forma el piso de la celda. Una pluralidad de centrodos adyacentes, por ejemplo, 882a, 882b pueden estar electricamente conectados uno al otro. Por ejemplo, un centrodo puede tener un punto donde el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire hacen contacto uno con el otro 888. El punto de contacto de una primera celda puede hacer contacto con un punto de contacto de la segunda celda. En algunas realizaciones, el centrodo puede estar formado de modo que un tunel de aire 890 es proporcionado entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire.
El bastidor 880 puede incluir un conjunto de distribucion de electrolito 892 que puede estar formar parte integral del bastidor. El conjunto de distribucion de electrolito puede incluir una ranura 894 que puede permitir que el electrolito fluya a las celdas subyacentes. El conjunto de distribucion de electrolito puede incluir un borde de rebose 896 que puede determinar cuando un electrolito rebosa hacia la ranura. En algunas realizaciones, la altura del borde de rebose puede proporcionar tolerancia para cuando las celdas o el sistema de baterla completo se inclina. Incluso si el sistema de baterla completo es inclinado, si el borde de rebose es suficientemente alto, dentro de las celdas se retendra suficiente electrolito antes del rebosamiento.
El bastidor puede tambien incluir un saliente 898 que puede sobresalir del bastidor. El electrodo metalico 884 puede hacer contacto con el saliente. En algunas realizaciones, se puede formar un sello hermetico al fluido entre el electrodo metalico y el saliente. El contacto entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire 888 puede hacer contacto con una porcion inferior del bastidor 881. La porcion inferior del bastidor puede descansar sobre la parte superior del punto de contacto. Una conexion hermetica al fluido puede o no formarse. Una porcion inferior 883 del bastidor puede descansar sobre la parte superior de un punto de contacto formado entre centrodos adyacentes.
F. Configuracion apilable y conjunto modular
La Figura 5 muestra un diseno que utiliza un componente del bastidor de plastico que esencialmente intercala los multiples centrodos entre dos de los bastidores comunes. Esto puede proporcionar ventajosamente un diseno simplificado. Por ejemplo, como se muestra, se puede proporcionar un bastidor formando un patron de cuadrlcula que puede abarcar multiples celdas. Los bastidores en patron de cuadrlcula pueden ser apilados unos sobre la parte superior de los otros. En algunas realizaciones, los bastidores en patron de cuadrlcula pueden estar formados por una pieza integral simple. Como alternativa, los bastidores en patron de cuadrlcula pueden estar formados de multiples piezas que pueden estar conectadas una a la otra. Las multiples piezas pueden o no ser desprendibles. Los centrodos 512a, 512b pueden ser proporcionados entre los bastidores 514a, 514b, 514c.
El diseno del bastidor puede incluir un sistema de control del agua. El sistema de control del agua puede ser proporcionado en la Figura 4, que puede mostrar entradas de agua, orificios de rebose elevados y bordes de goteo prismaticos, como se describio previamente. El sistema de control de agua puede utilizarse para garantizar un nivel deseado de electrolito dentro de una o mas celdas.
Cuando esta apilado, el diseno de bastidor de plastico puede formar una serie de tubos o conductos verticales que permiten que el agua rebose, goteando y rellenando el electrolito y el escape del gas. Como se discutio previamente con relacion a la Figura 4 y a la Figura 6, se puede proporcionar un sistema de control del electrolito. Cuando los bastidores son apilados uno sobre el otro, el sistema de control del electrolito puede ser proporcionado para las pilas de celdas.
La configuracion del conjunto de bastidor apilable puede ser modular y eficiente. Los perfiles de plastico pueden conformarse a la forma de acoplamiento del electrodo metalico debajo, y al electrodo en contacto con el aire por arriba de la celda que esta por debajo de este, lo que puede permitir una configuracion modular con menos partes. La Figura 1 y la Figura 2 proporcionan un ejemplo de un apilamiento de celdas con perfiles en los bastidores que pueden ser moldeados para conformarse a la conexion del electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire. Dependiendo de la forma de la conexion entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire, los bastidores se pueden adaptar para conformarse a la forma de la conexion. En algunas realizaciones, uno o mas rebordes, muescas, canales, protuberancias, u orificios pueden ser proporcionados sobre el bastidor de plastico para complementar un perfil conformado correspondiente de la conexion electrodo metalico-electrodo en contacto con el aire. En algunas realizaciones, la forma complementaria puede mantener el bastidor libre de desplazamiento horizontalmente en una o mas direcciones. Cualquier perfil puede formar parte integral de la celda o ser separable de la celda. En algunas realizaciones, los perfiles del bastidor pueden ser moldeados por inyeccion.
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G. Instalacion modular y configuraciones de utilizacion
Se pueden conseguir multiples configuraciones de baterla modificando la escala del diseno del bastidor. Por ejemplo, el diseno del bastidor puede incluir un bastidor de celda simple, un bastidor de celda de cuadrete, o multiples cuadretes en un bastidor simple. El diseno del bastidor para cada agrupamiento (por ejemplo, celda simple, celda de cuadrete, cuadretes multiples) puede estar formado por una pieza integral simple. Como alternativa, el diseno del bastidor podrla incluir multiples partes.
En algunas realizaciones, tambien se pueden proporcionar multiples bastidores adyacentes entre si. Por ejemplo, se pueden proporcionar adyacentes entre si multiples bastidores de una sola celda, bastidores de celda de cuadrete o bastidores de multiples cuadretes. Los bastidores proporcionados adyacentes entre si pueden o no estar conectados entre si utilizando un conectador. En algunas realizaciones, se puede proporcionar una fuerza para mantener los bastidores uno contra el otro.
Los bastidores pueden ser apilados a cualquier altura deseada dependiendo de las demandas de energla y de almacenamiento. Cualquier numero de bastidores se pueden apilar uno sobre la parte superior del otro. Por ejemplo, uno o mas, dos o mas, tres o mas, cuatro o mas, cinco o mas, seis o mas, siete o mas, ocho o mas, nueve o mas, diez o mas, once o mas, quince o mas, veinte o mas, treinta o mas, sesenta o mas, noventa o mas, 120 o mas, o 150 o mas bastidores pueden ser apilados uno sobre la parte superior del otro. En algunas realizaciones, cada bastidor puede ser de aproximadamente 0,175, 0,635, 1,27, 2,54, 5,08, 7,62, 10,16, 12,7, 15,24, 17,78, 20,32, 22,86, 25,4 o 30,48 cm de altura. En algunas realizaciones, una altura total de una pila de bastidores puede ser del orden de aproximadamente 2,54 cm o mas, 7,62 cm o mas, 15,24 cm o mas, 30,48 cm o mas, 60,96 cm o mas, 91,44 cm o mas, 152,4 cm o mas, 304,8 cm o mas o 609,6 cm o mas.
Las pilas de bastidores individuales pueden estar orientadas en diversas direcciones para optimizar la circulacion de aire. Por ejemplo, los tuneles de aire pueden ser proporcionados dentro de las celdas. En algunas realizaciones, los tuneles de aire pueden ser proporcionados entre las celdas. Por ejemplo, un tunel de aire continuo puede ser formado entre celdas adyacentes. Los tuneles de aire pueden ser proporcionados para columnas de celdas y/o para hileras de celdas. En algunas realizaciones, estos tuneles de aire pueden ser paralelos uno al otro. En otras realizaciones, uno o mas tuneles de aire pueden ser perpendicular uno al otro. En algunas realizaciones, los tuneles de aire pueden estar formados por una llnea recta, o en otras realizaciones, los tuneles de aire pueden tener flexiones o curvas. En algunas realizaciones, cuando las celdas pueden estar ligeramente inclinadas, los tuneles de aire pueden estar sustancialmente horizontalmente orientados pero tienen una ligera elevacion y caen para acomodar la inclinacion de las celdas. El aire puede fluir en la misma direccion para los tuneles de aire paralelos, o puede fluir en direcciones opuestas. En algunas realizaciones, un tunel de aire puede ser confinado a un nivel simple. En otras realizaciones, pueden ser proporcionados pasajes que pueden permitir que un tunel de aire sea proporcionado sobre multiples niveles de los apilamientos. Se puede utilizar cualquier combinacion de estas configuraciones. Se puede utilizar una pila o serie de pilas en diversas configuraciones e instalarse en diversos alojamientos. Por ejemplo, las alturas en los apilamientos pueden variar. De manera similar, el numero de celdas proporcionadas por nivel de un apilamiento puede variar. En algunas realizaciones, los tamanos o formas de las celdas individuales pueden ser uniformes, mientras que en otras realizaciones, los tamanos o formas de las celdas individuales pueden variar. Los tamanos del alojamiento pueden variar dependiendo del tamano de los apilamientos. Por ejemplo, un sistema de almacenamiento de energla total puede tener una o mas dimensiones (por ejemplo, altura, anchura, longitud) del orden de millmetros (mm), centlmetros cm) o metros (m). Cada dimension puede estar dentro del mismo orden de magnitud, o puede estar dentro de ordenes de magnitud variables. Una pila o serie de pilas pueden ser configuradas como un sistema de celda de combustible mediante el intercambio o el relleno del electrolito y el empaquetamiento de dichos sistemas de soporte. Por ejemplo, un sistema de celda de combustible de zinc-aire, puede incluir la adicion de zinc metalico y la eliminacion del oxido de zinc. Como se menciono previamente, se pueden anadir granulos de zinc al electrolito. El oxido de zinc o el cloruro de zinc pueden ser llevados hacia un tanque de desecho.
H. Recipiente de carga aislado y utilizacion de maquina HVAC
La Figura 8A muestra un ejemplo de un recipiente de carga aislado y la utilizacion de la maquina HVAC para un apilamiento de baterla de acuerdo con una realizacion de la invencion. Una pluralidad de modulos 800a, 800b, 800c puede ser proporcionada dentro de un alojamiento 802. Cada modulo puede tener una bandeja superior 804, una o mas pilas de celdas (las cuales pueden incluir uno o mas niveles/capas de celdas simples, celdas de cuadrete y/o cualquier numero de celdas) 806, y una bandeja o deslizador inferior 808. Ver tambien la Figura 8H. Cada pila de celdas puede tener un tubo de distribucion, mediante la cual el electrolito puede ser enviado o desconectado a una pila o seccion dada de un apilamiento. De modo similar, las conexiones electricas pueden ser segregadas y desconectadas a ciertos apilamientos.
En un ejemplo, se pueden proporcionar 16 modulos 800a, 800b, 800c de 960 celdas de cuadretes. Se pueden proporcionar dos hileras, cada una teniendo ocho modulos. En diversas realizaciones de la invencion, puede ser proporcionado cualquier numero de modulos, incluyendo pero no limitados a uno o mas, dos o mas, tres o mas, cuatro o mas, cinco o mas, seis o mas, siete o mas, ocho o mas, nueve o mas, diez o mas, doce o mas, quince o
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mas, veinte o mas, treinta o mas, cincuenta o mas, o cien o mas modulos. En algunas realizaciones, los modulos pueden estar dispuestos en una o mas hileras y/o una o mas columnas. En algunas realizaciones, los modulos pueden estar dispuestos en una serie. Un alojamiento 802 puede estar formado para ajustar los modulos. En algunas realizaciones, el alojamiento puede ser de aproximadamente 12,192, 13,716, 15,24 o 15,8496 m de longitud.
Un modulo puede tener cualquier dimension. En algunas realizaciones, un modulo puede ser de aproximadamente 1,27 m por 1,11 m. En un ejemplo, un modulo puede comprender 80 o 120 o mas pilas de 15 o mas o menos celdas de cuadrete. No obstante, un modulo puede estar formado por cualquier numero de niveles/capas en las pilas, incluyendo pero sin limitarse a 1 o mas capas, 2 o mas capas, 3 o mas capas, 5 o mas capas, 10 o mas capas, 20 o mas capas, 30 o mas capas, 40 o mas capas, 50 o mas capas, 60 o mas capas, 70 o mas capas, 80 o mas capas, 90 o mas capas, 100 o mas capas, 120 o mas capas, 150 o mas capas, o 200 o mas capas. Cada capa de pilas puede incluir cualquier numero de celdas simples o en cuadrete. Por ejemplo, cada nivel/capa de pilas puede incluir 1 o mas, 2 o mas, 3 o mas, 4 o mas, 5 o mas, 6 o mas, 7 o mas, 8 o mas, 9 o mas, 10 o mas, 12 o mas, 14 o mas, 16 o mas, 20 o mas, 25 o mas, 30 o mas, 36 o mas, 40 o mas, 50 o mas o 60 o mas celdas simples o celdas de cuadrete por nivel/capa.
En algunas realizaciones, un modulo puede incluir una bandeja superior 804. La bandeja superior puede estar configurada para aceptar electrolito. En algunas realizaciones, la bandeja superior puede estar configurada para distribuir el electrolito a una o mas celdas. La bandeja superior puede estar en comunicacion fluida con los sistemas de control del electrolito de las celdas. En algunas realizaciones, la bandeja superior puede estar en comunicacion fluida con una o mas celdas. La bandeja superior puede incluir una o mas protuberancias. La una o mas protuberancias puede proporcionar el soporte estructural para una cubierta sobre la bandeja. La bandeja superior puede incluir uno o mas canales o muescas. En algunas realizaciones, la bandeja superior puede incluir uno o mas orificios o vlas de paso que proporcionan comunicacion fluida a las capas subyacentes.
Un modulo tambien puede incluir una bandeja o deslizador inferior 808. En algunas realizaciones, la bandeja o deslizador inferior puede recolectar el electrolito que puede rebosar desde las pilas superiores. La bandeja o deslizador inferior puede contener el electrolito recolectado o puede transferirlo a otro sitio.
Se puede idear un diseno modular para que quepa en diversos recipientes de carga ISO de una manera optimizada. En algunas realizaciones, un alojamiento puede ser un recipiente de carga ISO. El alojamiento puede tener una longitud de aproximadamente 6,1 m, 12,2 m, 13,7 m, 14,6 m y 16,2 m. Un recipiente ISO puede tener una anchura de aproximadamente 12,4 m. En algunas realizaciones, un recipiente puede tener una altura de aproximadamente 2,9 m o 1,3 m o 2,6 m. Tambien se puede idear un diseno modular que quepa en cualquier otro recipiente estandar, tales como recipientes de flete por via aerea. El diseno modular puede proporcionar flexibilidad para el sistema de almacenamiento de energla para caber dentro de los recipientes o estructuras pre-existentes.
Un diseno modular puede tener la ventaja del acoplamiento del equipo de control de refrigeracion y del aire existente a los recipientes aislados como una solucion de HVAC completa.
El enfriamiento convencional puede conseguirse colocando adecuadamente los orificios de enfriamiento hacia la parte externa del alojamiento.
En algunas realizaciones, un sistema de baterla puede incluir uno o mas modulos de baterla, uno o mas sistemas de control del electrolito, y uno o mas conjuntos de enfriamiento de aire. En algunas realizaciones, un modulo de baterla puede incluir una bandeja superior, una bandeja inferior, y una o mas pilas de celdas. En algunas realizaciones, una pila de celdas puede incluir una o mas capas o niveles de celdas. En algunas realizaciones, uno o mas niveles o capas de celdas pueden incluir una celda simple, un cuadrete de celdas, una pluralidad de celdas, o una pluralidad de cuadretes de celdas. Por ejemplo una capa puede ser estar hecha de una serie m x n de celdas o una serie m x n de cuadretes, en donde m y/o n pueden ser independientemente seleccionados de cualquier numero entero mayor que o igual a 1, incluyendo pero sin limitarse a 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20,
21, 22, 23, 24, 25 o mas. Cada modulo puede incorporar una o mas partes de un sistema de control del electrolito. En algunas realizaciones, cada cuadrete puede compartir una o mas partes de un sistema de control del electrolito.
En algunas realizaciones, un modulo puede ser un modulo de 50 kW/300 kWh. En otras realizaciones, un modulo puede tener cualquier otra potencia/energla. Por ejemplo, un modulo puede proporcionar 10 kW o mas, 20 kW o mas, 30 kW o mas, 50 kW o mas, 70 kW o mas, 100 kW o mas, 200 kW o mas, 300 kW o mas, 500 kW o mas, 750 kW o mas, 1 MW o mas, 2 MW o mas, 3 MW o mas, 5 MW o mas, 10 MW o mas, 20 MW o mas, 50 MW o mas, 100 MW o mas, 200 MW o mas, 500 MW o mas, o 1000 MW o mas. Un modulo puede tambien proporcionar 50 kWh o mas, 100 kWh o mas, 200 kWh o mas, 250 kWh o mas, 300 kWh o mas, 350 kWh o mas, 400 kWh o mas, 500 kWh o mas, 700 kWh o mas, 1 MWh o mas, 1,5 MWh o mas, 2 MWh o mas, 3 MWh o mas, 5 MWh o mas, 10 MWh o mas, 20 MWh o mas, 50 MWh o mas, 100 MWh o mas, 200 MWh o mas, 500 MWh o mas, 1000 MWh o mas, 2 000 MWh o mas o 5000 MWh o mas.
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La Figura 8B muestra las porciones inferiores de los modulos de baterla de acuerdo con una realizacion de la invencion. Las porciones inferiores pueden incluir una o mas pilas 820 las cuales pueden incluir una o mas capas/niveles 836 de celdas. El modulo de baterla puede incluir un soporte 824 de la pila de baterlas por debajo de las capas de celdas. El soporte de la pila puede soportar la pila bajo un tanque inferior 822. El tanque inferior puede estar configurado para contener el electrolito que puede fluir desde las pilas. El soporte de la pila puede estar configurado para prevenir que el electrolito haga contacto con el fondo de las pilas, tal como un electrodo en contacto con el aire en el fondo de la pila. En otras realizaciones, el soporte de pila puede permitir que el electrolito haga contacto con el fondo de la pila pero puede proporcionar el soporte para mantener el soporte de pila suspendido sobre las porciones de tanque inferior.
En algunas realizaciones, el tanque de almacenamiento de electrolito, inferior, que puede ser termoconformado, puede recibir el rebosamiento de electrolito y favorecer la circulacion del electrolito dentro del sistema de baterla. Por ejemplo, el tanque inferior puede dirigir el electrolito hacia un tanque de pruebas y luego hacia un tanque superior, el cual puede distribuir el electrolito hacia una o mas pilas. El tanque inferior se conecta fluidamente a uno o mas miembros de distribucion de fluido 826 que pueden incluir tubos, canales o cualquier otro pasaje para la distribucion del fluido, conocidos en la tecnica.
Una pila 820 dentro de un modulo de baterla puede incluir una o mas capas o niveles 836. Un nivel o capa puede incluir un bastidor 830. El bastidor puede ser moldeado por inyeccion o formado de cualquier otra manera. En algunas realizaciones, se puede proporcionar un bastidor simple que forma parte integral por capa o nivel. En otras realizaciones se pueden proporcionar multiples bastidores o porciones separables de bastidores por capa o nivel. En algunas realizaciones, un bastidor puede incluir una porcion de un sistema de control del electrolito 832. El sistema de control del electrolito puede estar formando parte integral del bastidor. Cuando las capas de los bastidores son apiladas verticalmente, las porciones del sistema de control del electrolito pueden llegar a alinearse verticalmente y permitir que el electrolito sea distribuido a las celdas 834 dentro de las capas.
Una celda 834 puede formarse al estar rodeada por un bastidor 830 y soportada por un electrodo 828. En realizaciones preferibles, la superficie del electrodo que forma la porcion inferior de la celda puede ser un electrodo metalico. Un electrolito puede fluir hacia la celda y ser soportado por el electrodo y contenido por el bastidor. Cualquier rebosamiento del electrolito puede fluir hacia el sistema de control del electrolito 832 y puede ser distribuido a una celda subyacente o puede fluir por toda la via hacia el tanque inferior 822.
La Figura 8C muestra una pluralidad de modulos de baterla en un sistema de baterla. En algunas realizaciones, un sistema de baterla puede incluir un alojamiento que puede incluir un piso 840 o base o una o mas paredes 842 o coberturas. Como se menciono previamente, en algunas realizaciones, un alojamiento puede ser un recipiente estandar, tal como un recipiente de transporte.
Un sistema de baterla puede incluir un sistema de control del electrolito. En algunas realizaciones, un sistema de control del electrolito puede incluir uno o mas tanques 844a, 844b que pueden favorecer la circulacion del electrolito dentro del sistema o una reserva o suministro de agua para asegurar una mezcla homogenea del consistente cuando se produce evaporation. Estos tanques pueden facilitar la filtration del electrolito dentro del sistema o facilitar la provision de aditivos al electrolito dentro del sistema. En algunas realizaciones, se puede utilizar una o mas bombas, valvulas, o diferenciales de presion tales como una fuente de presion positiva, o una fuente de presion negativa dentro del sistema de electrolito, con lo cual se facilita la circulacion de electrolito. En algunas realizaciones, el tanque puede tener una entrada y/o salida desde el sistema. La entrada y/o salida puede ser utilizada para eliminar los materiales de desecho filtrado, para proporcionar aditivos, ventilar gases o el fluido en exceso, o para proporcionar fluido fresco hacia el sistema. En algunas realizaciones, uno o mas miembros de conduction de electrolito 846 pueden ser proporcionados dentro del sistema de baterla. El miembro de conduccion de electrolito puede ser un tubo, un canal, o cualquier otro conjunto capaz de transportar el fluido desde el tanque hacia los tanques superiores de las pilas directamente o a traves de un tubo de distribucion. Los miembros de conduccion de electrolito pueden transferir el electrolito desde un tanque 844a, 844b hacia uno o mas modulos 850. En algunas realizaciones, el electrolito puede ser transferido a una bandeja o tanque superior del modulo. En algunas realizaciones, los miembros de conduccion de electrolito pueden ser utilizados para transferir el electrolito desde un modulo hacia un tanque 844a, 844b. El miembro conductor de electrolito puede transferir el electrolito desde una bandeja o tanque inferior de un modulo a un tanque 844a, 844b.
El sistema de baterla puede incluir un conjunto de flujo de aire. El conjunto de flujo de aire puede provocar que el aire circule dentro del sistema de baterla. En algunas realizaciones, el conjunto de flujo de aire puede provocar que el aire fluya dentro de los modulos. En algunas realizaciones, el conjunto de flujo de aire puede provocar que el aire fluya en tuneles de aire entre las celdas. En algunas realizaciones, uno o mas tuneles de aire pueden ser proporcionados entre cada capa de una pila. En algunas realizaciones, los tuneles de flujo de aire pueden estar horizontalmente orientados. En algunas realizaciones, los tuneles de flujo de aire pueden ser sustancialmente orientados de manera horizontal y/o pueden tener una ligera inclination (por ejemplo, 1 a 5 grados). Un conjunto de flujo de aire puede incluir un ventilador, una bomba, diferencial de presion tal como una fuente de presion positiva o una fuente de presion negativa, o cualquier otro conjunto que pueda provocar que el aire fluya. En algunas realizaciones, un conjunto de flujo de aire puede provocar que el aire fluya dentro de tuneles de uno o mas modulos.
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En algunas realizaciones, el aire puede fluir entre tuneles de diferentes modulos. Las celdas pueden estar configuradas de modo que los tuneles de aire se puedan formar de forma continuada entre celdas adyacentes y/o modulos adyacentes. En otras realizaciones, se puede producir una interrupcion en el tunel entre celdas y/o entre modulos.
En algunas realizaciones, el sistema de baterla puede incluir tambien uno o mas bancos inversores 848. El banco inversor puede convertir la corriente DC en corriente AC.
La Figura 8D muestra una vista superior de un sistema de baterla que incluye una pluralidad de modulos de baterla. Como se describio previamente, un alojamiento puede ser proporcionado para el sistema de baterla. El alojamiento puede incluir un piso 860 y/o una cubierta o puerta 862 la cual puede incluir paredes o techo. Se pueden proporcionar uno o mas tanques 864 o miembros conductores de electrolito 866 tal como un tubo. El miembro conductor de electrolito puede conectar fluidamente el tanque con uno o mas modulos 870. En algunas realizaciones, cada modulo puede ser conectado directamente fluidamente al tanque a traves del miembro conductor de electrolito. En algunas otras realizaciones, uno o mas modulos pueden ser indirectamente conectados al tanque a traves de otros modulos. En algunas realizaciones, un miembro conductor de electrolito puede ser conectado a uno o mas modulos en la parte superior del modulo. El miembro conductor de electrolito puede estar configurado para proporcionar el electrolito a una bandeja superior de uno o mas modulos.
Cualquier numero de modulos 870 puede ser proporcionado dentro de un sistema de baterla. Por ejemplo, uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez, once, doce, trece, catorce, quince, dieciseis, diecisiete, dieciocho, diecinueve, veinte, veintiuno, veintidos, veintitres, veinticuatro, veinticinco, veintiseis, veintisiete, veintiocho, veintinueve, treinta, o mas modulos pueden ser proporcionados dentro de un sistema de baterla. En algunas realizaciones, un sistema de baterla puede ser un recipiente de almacenamiento de energla de 1 MW, de 6 horas. En otras realizaciones, el sistema de baterla puede ser de 100 kW, 200 kW, 300 kW, 500 kW, 700 kW, 1 MW, 2 MW, 3 MW, 5 MW, 7 MW, 10 MW, 15 MW, 20 MW, 30 MW o mas. En algunas realizaciones, el sistema de baterla puede ser un sistema de 1 hora, 2 horas, 3 horas, 4 horas, 5 horas, 6 horas, 7 horas, 8 horas, 9 horas, 10 horas, 11 horas, 12 horas, 13 horas, 14 horas, 15 horas o mas.
En algunas realizaciones, para un modulo estandar, se pueden aplicar una o mas de las siguientes caracterlsticas: el sistema puede tener caracterlsticas tales como 500k - 2 MW, 2-12 MWH y se preve que el sistema podrla tener un bajo costo. Tales caracterlsticas se proporcionan unicamente a modo de ejemplo. No se pretende limitar esta invencion.
Los modulos pueden tener cualquier configuracion dentro del sistema de baterla. Por ejemplo, se puede proporcionar una o mas hileras y/o columnas de modulos. En algunas realizaciones, se puede proporcionar dos hileras de 12 modulos cada una.
En algunas realizaciones, un miembro conductor de electrolito puede ser un tubo que puede pasar sobre cada modulo. En algunas realizaciones, el tubo puede comunicarse fluidamente con cada modulo en la parte superior del modulo. El tubo puede transferir el electrolito hacia la bandeja superior de cada modulo. En algunas realizaciones, el tubo puede pasar como un tubo recto sobre una primera hilera de modulos, que puede flexionarse y girar alrededor y pasar como un tubo recto sobre una segunda hilera de modulos. Como alternativa, el tubo puede tener cualquier otra configuracion flexionada o en zigzag.
En algunas realizaciones, el sistema de baterla puede tambien incluir uno o mas bancos inversores 868. El banco inversor puede convertir la corriente DC a AC.
La Figura 8E muestra un ejemplo de un sistema de baterla que incluye un conjunto de flujo de aire. Un conjunto de baterla puede tener un recipiente con un extremo frontal y un extremo posterior. En algunas realizaciones, el recipiente puede estar termicamente aislado y/o electricamente aislado. En algunas realizaciones, el recipiente puede ser un recipiente estandar, tales como aquellos previamente descritos, o un recipiente refrigerado. En algunas realizaciones, el recipiente puede ser de aproximadamente 13,4 m de longitud.
Uno o mas modulos pueden estar contenidos dentro del recipiente. En algunas realizaciones, se pueden proporcionar hasta 36 modulos dentro del recipiente. Los modulos pueden estar dispuestos en el recipiente de modo que se proporcionan dos hileras de modulos, teniendo cada hilera 12 modulos. De este modo, un sistema de baterla puede tener una disposicion que es de 12 modulos de profundidad y 2 modulos de anchura. En algunas realizaciones, se pueden proporcionar 1800 celdas de cuadrete por modulo. Un modulo puede ser de 120 celdas de altura (por ejemplo, que tiene 120 capas o niveles) y puede tener 15 celdas de cuadrete por capa o nivel. En algunas realizaciones, un sistema de baterla puede tener un total de aproximadamente 50.000 celdas de cuadrete.
La Figura 8E proporciona un ejemplo de un conjunto de flujo de aire. Un conjunto de flujo de aire puede ser proporcionado dentro de un recipiente. El piso del recipiente A puede incluir barras t, muescas, canales, protuberancias, rebordes, u otras formas. Se puede proporcionar un tubo de distribucion de flujo de aire inferior B o en algunos recipientes refrigerados puede utilizarse el piso en T. En algunas realizaciones, el aire en el tubo de
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distribucion inferior puede fluir lateralmente. En algunas realizaciones, el aire puede fluir hacia un pasadizo central C del conjunto de flujo de aire. En algunas realizaciones, el aire puede elevarse en el pasadizo central. Se puede proporcionar uno o mas tuneles de aire D para uno o mas modulos. El tunel de aire puede tener orientacion horizontal. Los tuneles de aire pueden ser proporcionados como parte de los centrodos de las celdas. El aire puede fluir desde el pasadizo central hacia uno o mas tuneles de aire los cuales canalizan el aire lateralmente entre las celdas.
Desde un tunel de aire D, el aire puede fluir lateralmente hacia un pasadizo periferico E. Se pueden proporcionar uno o mas pasadizos perifericos. En algunas realizaciones, se pueden proporcionar dos pasadizos perifericos E, F. El aire puede elevarse a lo largo de los pasadizos perifericos. Un pasadizo periferico puede ser proporcionado entre un modulo K y una pared I del recipiente. En algunas realizaciones, del sistema de circulacion o expulsion de aire o de ventilador, se puede proporcionar un tubo de distribution de aire superior H con un alojamiento de tubo de distri bucion de aire superior G. El tubo de distribucion de aire superior puede recibir el aire desde los pasadizos perifericos. En algunas realizaciones, un bloqueador J puede ser proporcionado para evitar que el aire se eleve desde el pasadizo central directamente hacia el tubo de distribucion de aire superior. Esto puede forzar el flujo de parte del aire hacia los tuneles de aire. En realizaciones alternativas, parte del aire puede elevarse desde el pasadizo central hacia el tubo de distribucion superior. En algunas realizaciones, el aire puede fluir longitudinalmente a lo largo del tubo de distribucion de aire superior. Por ejemplo, el aire puede fluir desde un lado del recipiente con el area de utilidad hacia el otro extremo del recipiente.
La Figura 8F proporciona una vista adicional de un conjunto de flujo de aire. Un conjunto de flujo de aire puede ser proporcionado dentro de un recipiente. El piso del recipiente A puede incluir barras en t, muescas, canales, protuberancias, rebordes u otras formas. El aire puede fluir a lo largo de los espacios proporcionados sobre el piso entre los perfiles de piso. Un pasaje de flujo de aire inferior o tunel B puede ser proporcionado. En algunas realizaciones, el aire en el pasaje inferior puede fluir lateralmente. En algunas realizaciones, el aire puede fluir hacia un pasadizo central C del conjunto de flujo de aire. En algunas realizaciones, el aire puede elevarse en el pasadizo central. Se pueden proporcionar uno o mas tuneles de aire D para uno o mas modulos. Los tuneles de aire pueden tener una orientacion horizontal. Los tuneles de aire pueden ser proporcionados como parte de los centrodos de las celdas. El aire puede fluir desde el pasadizo central, hacia uno o mas tuneles de aire, los cuales canalizan el aire lateralmente entre las celdas.
A partir de un tunel de aire D, el aire puede fluir lateralmente hacia un pasadizo periferico E. Se puede proporcionar uno o mas pasadizos perifericos. En algunas realizaciones, se pueden proporcionar dos pasadizos perifericos. El aire puede elevarse a lo largo de los pasadizos perifericos. Un pasadizo periferico puede ser proporcionado entre un modulo y una pared de recipiente I. En algunas realizaciones, se puede proporcionar un tubo de distribucion de aire superior J con un alojamiento de tubo de distribucion de aire superior. El tubo de distribucion de aire superior puede recibir el aire desde los pasadizos perifericos. En algunas realizaciones, se puede proporcionar un bloqueador H para evitar que el aire se eleve desde el pasadizo central directamente hacia el tubo de distribucion de aire superior. Esto puede forzar el flujo de parte del aire hacia los tuneles de aire. En realizaciones alternativas, parte del aire puede elevarse desde el pasadizo central hacia el tubo de distribucion superior. En algunas realizaciones, el aire puede fluir longitudinalmente a lo largo del tubo de distribucion de aire superior. Por ejemplo, el aire puede fluir desde un lado del recipiente con el area de utilidad hacia el otro extremo del recipiente.
Un tanque de suministro de electrolito superior G puede proporcionarse como parte de un modulo. Un tanque de reception de electrolito inferior F, puede tambien proporcionarse como parte del modulo. En algunas realizaciones, el recipiente I puede descansar sobre una superficie K.
En algunas realizaciones, el aire de suministro puede ser aire proporcionado a traves del piso y el tubo de distribucion inferior. El aire de suministro puede despues elevarse a traves del pasadizo central y fluir a traves de los tuneles de aire. El aire de retorno puede elevarse a traves de los pasadizos perifericos y fluir a traves del tubo de distribucion superior. En realizaciones alternativas de la invention, el aire puede fluir en otras direcciones (por ejemplo, puede ser suministrado desde el tubo de distribucion superior y puede fluir a traves de los tuneles de aire en direcciones opuestas.
La Figura 8G muestra un ejemplo alternativo de una configuration de flujo de aire. En algunas realizaciones, el aire puede fluir longitudinalmente a lo largo del recipiente y no necesita ser dividido lateralmente. El aire puede o no ser circulado nuevamente longitudinalmente a lo largo del recipiente.
En algunas realizaciones, los modulos pueden estar colocados sobre el piso del recipiente. En algunas realizaciones, el piso del recipiente puede tener una barra en forma de T en el piso. En algunas realizaciones, el piso puede tener una o mas muescas, canales, ranuras, protuberancias, o rebordes, que pueden soportar los modulos al tiempo que proporcionan espacio debajo de los modulos. En algunas realizaciones, el aire puede fluir dentro del espacio debajo de los modulos. Esto puede facilitar la regulation de la temperatura.
En algunas realizaciones, se puede proporcionar un area de utilidad dentro del recipiente y adyacente a los modulos. Por ejemplo, los modulos pueden estar colocados dentro de un recipiente para proporcionar un area de utilidad de
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1,82 m por 2,1 m. En algunas realizaciones, un usuario puede ser capaz de acceder al area de utilidad. El usuario puede ser capaz de entrar al recipiente en el area de utilidad. En algunas realizaciones, el area de utilidad puede ser proporcionada en el extremo posterior del recipiente.
En algunas realizaciones, una camara de entrada de aire puede ser proporcionada dentro de un recipiente. La camara de entrada de aire puede sobresalir desde una pared del recipiente en el extremo frontal. La camara de entrada de aire puede ser curvada y puede encontrarse con un modulo aproximadamente a mitad de camino. En algunas realizaciones, un suministro de aire puede ser proporcionado en una porcion de la camara de entrada de aire y en la otra porcion de la camara puede existir una entrada de aire. Por ejemplo, un suministro de aire puede ser proporcionado en el lado inferior de la camara de entrada de aire y una entrada de aire puede ser proporcionada en una porcion superior de la camara de entrada de aire, o viceversa. En algunas realizaciones, el suministro de aire puede incluir aire tratado frlo. El suministro de aire puede fluir en una primera direction horizontal a traves de los modulos proporcionados sobre el lado de suministro de la camara de entrada de aire. Por ejemplo, si el suministro de aire es proporcionado sobre el lado inferior de la camara de entrada de aire, el aire puede fluir en la primera direccion horizontalmente a traves de la mitad inferior de los modulos. El aire puede fluir a traves de uno o mas tuneles de aire de los modulos.
Cuando el aire llega al area de utilidad en el otro extremo del recipiente, el aire puede viajar hacia la otra porcion de los modulos. Por ejemplo, el aire puede elevarse hacia la mitad superior de los modulos y fluir en una segunda direccion nuevamente hacia la parte superior de la camara de entrada de aire. En algunas realizaciones, la segunda direccion puede ser horizontal y/o puede ser opuesta a la primera direccion. El aire puede llegar a la entrada de aire de retorno en la porcion superior de la camara de entrada de aire. La camara de entrada de aire puede ser proporcionada en un extremo frontal del recipiente. Como alternativa, el aire no necesita circular hacia atras y puede ser aceptado por una entrada en el lado del area de utilidad del recipiente. El lado del area de utilidad del recipiente puede o no proporcionar un segundo suministro de aire que puede fluir hacia atras hacia el primer suministro de aire. Una unidad portadora puede tambien ser proporcionada en el extremo frontal del recipiente. La unidad portadora puede aceptar la entrada de aire y puede enfriarlo, puede variar y/o mantener la temperatura del aire, puede filtrar el aire y/o puede variar o mantener la composition del aire.
XIII. Balance de las configuraciones de planta
A. Sistemas de circulation y tratamiento del electrolito
Como se describio previamente, y se mostro en la Figura 4A, se puede proporcionar un sistema de circulacion y tratamiento del electrolito que consiste en varios componentes. En algunas realizaciones, puede ser proporcionado un balance separado de planta (sistema de control del aire y agua/electrolitos). El sistema de circulacion y tratamiento del electrolito puede incluir uno o mas de los siguientes:
a) Un dispositivo para desionizar y/o filtrar cualquier agua antes de que entre al sistema.
b) Un tanque qulmico para introducir y mezclar diversas sales y otras sustancias qulmicas con el agua
desionizada. Esto puede formar una porcion de electrolito.
c) Un tanque o serie de tanques que mide y trata el electrolito de la baterla.
d) Una bomba o serie de bombas que distribuye el electrolito a todo lo largo del sistema de baterla.
e) Diversos sensores que miden y monitorizan el volumen total del electrolito, la temperatura, los niveles de pH y
otras medidas del funcionamiento del sistema.
f) Llneas de suministro y retorno que distribuyen el electrolito llquido hacia y desde la baterla.
g) Diversos sensores y valvulas para controlar el flujo del electrolito llquido y para controlar las conexiones
electricas desde una caja de control.
La Figura 8H proporciona un ejemplo de un sistema de baterla dentro de un recipiente. Pueden proporcionarse uno o mas tanques (por ejemplo, tanque de tratamiento/retencion, tanque de electrolito) y pueden ser conectados a uno o mas modulos a traves de conectores de fluido y valvulas. Por ejemplo, el electrolito puede ser proporcionado a traves de un tubo de distribution y luego ser individualmente dividido en conectadores de fluido separados que transfieren el electrolito a cada uno de los modulos dentro del sistema. Por ejemplo, cada tanque superior de un modulo dentro del sistema puede estar en comunicacion fluida con el tubo de distribucion y puede recibir fluido desde esta. En algunas realizaciones, se puede proporcionar una o mas interfaz de usuario.
En algunas realizaciones, se puede proporcionar una division hermetica al aire entre los modulos y el resto del recipiente. Por ejemplo, se puede proporcionar un area de servicio o de utilidad de modo que pueda tener acceso un operador u otro usuario. Por ejemplo, se puede proporcionar un pasadizo de servicio donde puede entrar un operador u otro usuario. En algunas realizaciones, el area de servicio o de utilidad puede incluir los tanques, la interfaz de usuario, o los controles electronicos. En un ejemplo, la division hermetica al aire puede separar el area de servicio o de utilidad de los modulos.
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B. Sistemas de circulation y acondicionamiento de aire
La Figura 8A muestra un ejemplo de un recipiente de carga aislado y la utilizacion de la maquina HVAC de acuerdo con una realizacion de la invencion. Un sistema de almacenamiento de energla puede incluir un sistema de circulacion y acondicionamiento de aire que consiste en varios componentes. La Figura 8E proporciona un ejemplo de un sistema de circulacion de aire.
Se puede proporcionar una serie de camaras de entrada de flujo de aire para controlar y distribuir el flujo de aire uniformemente entre las celdas. El enfriamiento por aire forzado puede ser mas efectivo que la conexion, especialmente cuando se acopla con buenos disipadores termicos internos y disenos de alojamiento del estilo de camara de entrada de aire. El aire caliente puede ser retirado de los recintos del equipo por ventiladores o sopladores los cuales pueden tambien extraer el aire mas frlo hacia el recinto a traves de las ventilaciones. Dependiendo de los requisitos de enfriamiento, se puede mover a traves del recinto volumenes bajos a altos de aire.
En algunas realizaciones, pueden proporcionarse uno o mas sensores de temperatura. En funcion de la temperatura detectada por el sensor de temperatura, los ventiladores o sopladores pueden variarse y/o mantenerse para controlar la velocidad del flujo de aire. Se puede proporcionar un sistema de ventilador, el cual fuerza el aire a traves de la baterla.
El sistema puede incluir un sistema de procesamiento y filtracion de aire fresco para introducir oxlgeno, mientras que filtra los contaminantes no deseados. En algunas realizaciones, puede ser deseable tener un contenido mas alto de oxlgeno que el aire ambiental.
Se puede proporcionar un sistema HVAC, el cual mide y controla la temperatura del aire dentro del alojamiento de la baterla.
El sistema puede incluir tambien un sistema de control de la humedad que humidifica o deshumidifica el aire dentro el alojamiento de la baterla. Se pueden proporcionar uno o mas sensores de humedad. El sistema de control de humedad puede variar y/o mantener la humedad del aire en funcion de las mediciones provenientes de los sensores de humedad.
En algunas realizaciones, se puede proporcionar una serie de sensores que se comunican con otros diversos sistemas.
C. Conectividad electrica y control
Se puede proporcionar un sistema que facilite el flujo de energla dentro de la baterla y distribuya la energla entre la baterla y la red electrica u otra fuente de energla. En algunas realizaciones, el sistema electrico puede determinar si se proporciona o no un flujo de energla entre la baterla y la red electrica u otra fuente de energla o disipador. El sistema electrico puede determinar la direccion y/o la cantidad de flujo de energla entre la baterla y la fuente de energla o el disipador.
D. Sistemas de medicion y de control
Un sistema de medicion centralizado puede estar comprendido por diversos sensores que estan conectados a un sistema de control informatizado. En algunas realizaciones, el sistema de control informatizado puede incluir uno o mas procesadores y memoria. El sistema de control informatizado puede recoger las mediciones obtenidas de los diversos sensores. El sistema de control informatizado puede realizar uno o mas calculos basandose en las mediciones. Se puede implementar cualquier algoritmo, calculo u otras etapas usando medios tangibles legibles por ordenador, los cuales pueden incluir instrucciones logicas, de codigo, para realizar tales etapas. Tales medios legibles por ordenador pueden ser almacenados en la memoria. Uno o mas procesadores pueden acceder a tal memoria e implementar las etapas en esta.
Un sistema de control informatizado puede estar conectado a otros diversos sistemas mecanicos. En algunas realizaciones, el sistema de control informatizado puede instruir a uno o mas sistemas mecanicos a realizar una accion. Por ejemplo, el sistema de control informatizado puede instruir a una bomba a bombear un mayor volumen de electrolito hacia una bandeja superior. El sistema de control informatizado puede instruir a una o mas valvulas, las cuales pueden efectuar la distribution del electrolito entre la pluralidad de modulos. En otro ejemplo mas, el sistema de control informatizado puede provocar que un ventilador sople a una velocidad mas lenta. En algunas realizaciones, el sistema de control informatizado puede emitir una o mas instrucciones en funcion de las mediciones recibidas desde uno o mas sensores. Se puede proporcionar cualquier instruction por un controlador mediante una conexion alambrica o inalambrica.
Un sistema de control informatizado puede estar conectado a un telefono y/o a una red de comunicaciones celulares. En algunas realizaciones, el sistema de control informatizado puede incluir un dispositivo de procesamiento, tal como un ordenador. Cualquier description de un dispositivo de procesamiento, o cualquier tipo
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especlfico de dispositivo de procesamiento puede incluir, pero no se limita a, un ordenador personal, un ordenador servidor o un ordenador portatil; asistentes digitales personales (PDA) tales como un dispositivo basado en Palm o un dispositivo Windows; telefonos tales como telefonos moviles o telefonos portatiles indicadores de localizacion (tales como GPS); un dispositivo de itinerancia, tales como un dispositivo de itinerancia conectado a la red; un dispositivo inalambrico tal como un dispositivo de correo electronico inalambrico u otro dispositivo capaz de comunicarse inalambricamente con una red de ordenadores o cualquier otro tipo de dispositivo en red que pueda comunicarse sobre una red y manejar las transacciones electronicas. En algunas realizaciones, el sistema de control informatizado puede incluir multiples dispositivos. En algunos casos, el sistema de control informatizado puede incluir una arquitectura de cliente-servidor. En algunas realizaciones, los dispositivos de procesamiento pueden ser especialmente programados para realizar una o mas etapas o calculos o realizar cualquier algoritmo. Un sistema de control informatizado puede comunicarse sobre cualquier red, incluyendo pero sin limitarse a, redes de comunicacion celular, otras redes telefonicas, una red de area local (LAN), o una red de area ancha (tal como la Internet). Se puede proporcionar cualquier comunicacion a traves de una conexion alambrica y/o una conexion inalambrica.
En algunas realizaciones, un usuario puede interactuar con el sistema de control informatizado. El usuario puede estar alejado del sistema de control informatizado y puede comunicarse con el sistema de control informatizado a traves de una red. En una alternativa, el usuario puede estar conectado localmente a una interfaz de usuario del sistema de control informatizado.
E. Instalacion ambiental y configuraciones de alojamiento
En general, las baterlas modulares y sus sistemas no estan limitados por tamano, volumen o escala. Armarios industriales comunes, contenedores, edificios y otras estructuras pueden estar configurados para alojar la baterla y sus sistemas.
La baterla y sus sistemas de soporte pueden estar configurados para configuraciones moviles y estacionarias. Por ejemplo, la baterla y sus sistemas de soporte podrlan ser proporcionados en edificios, contenedores de transporte, buques y automoviles, por ejemplo.
XIV. Configuracion de celda de combustible
De acuerdo con algunas realizaciones de la invencion, el sistema de almacenamiento de energla descrito en otro sitio, puede ser utilizado en una configuracion de celda de combustible. En una configuracion de celda de combustible, cada celda puede estar soportada por valvulas de entrada de suministro y de salida de drenaje, para la transferencia o la transfusion de electrolito. En algunas realizaciones, este puede utilizar el sistema de transferencia de electrolito de una baterla de flujo basada en la gravedad. Por ejemplo, una entrada de suministro puede ser proporcionada por encima de una celda y una salida de drenaje puede ser proporcionada por debajo de la celda. En otras realizaciones, los grupos de celdas (tales como cuadretes o capas) pueden estar soportados por una entrada de suministro y salida de drenaje.
Una configuracion de celda de combustible puede proporcionar mecanismos que retiran el electrolito agotado y anaden electrolito fresco a traves de un orificio de transferencia o transfusion remota y conveniente.
XV. Adopcion por el mercado y escenarios de adaptacion
Un sistema de almacenamiento de energla, el cual puede incluir las realizaciones descritas en otro sitio de la presente memoria, puede utilizarse ventajosamente con generadores de energla verde. Los ejemplos de generadores de energla verde pueden incluir granjas eolicas, granjas solares o granjas de mareas. Tambien se puede utilizar un sistema de almacenamiento de energla con generadores de energla tradicionales, tales como los generadores de vapor por combustible fosil o generadores nucleares. En algunas realizaciones, un sistema de almacenamiento de energla puede almacenar energla a partir de un generador. En otras realizaciones, este puede ser capaz de suplementar o de desplazar la energla producida por un generador.
Un sistema de almacenamiento de energla puede ser utilizado en la distribucion de energla. Por ejemplo, este puede ser utilizado con redes electricas regionales, redes electricas locales, almacenamiento remoto y almacenamiento movil.
Un sistema de almacenamiento de energla tambien puede tener aplicaciones en el almacenamiento, control y respaldo de la energla. Por ejemplo, el almacenamiento de energla puede ser utilizado para aplicaciones gubernamentales y militares, aplicaciones comerciales e industriales, aplicaciones comunitarias e institucionales, aplicaciones residenciales y personales (celda de combustible o baterla). En algunas realizaciones, la energla en exceso puede ser almacenada en un sistema de almacenamiento de energla y utilizada cuando sea necesario. El sistema de almacenamiento de energla puede ser de energla densa para ser localizado en subestaciones suburbanas o en sotanos urbanos.
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Se pueden proporcionar al sistema de almacenamiento de energla aplicaciones para el transporte. Por ejemplo, el sistema de almacenamiento de energla puede ser utilizado como fuente de energla para locomotoras y trenes. El sistema de almacenamiento de energla puede ser utilizado tambien para el transporte de carga (en tierra o por agua). El sistema de almacenamiento de energla tambien puede ser utilizado para el transito y transporte colectivo. Por ejemplo, el sistema de almacenamiento de energla puede ser proporcionado como una celda o una baterla de combustible en vehlculos de transporte colectivo. De manera similar, el sistema de almacenamiento de energla puede tener aplicaciones automovillsticas y puede ser proporcionado como una celda o una baterla de combustible para un vehlculo automotriz. Preferiblemente, el sistema de almacenamiento de energla en un vehlculo puede ser recargable.
XVI. El diseno de celda piramidal de cuatro lados aplanado compensa el cambio en los volumenes del electrolito
En las celdas de zinc-aire recargables, los volumenes de electrolito generalmente no permanecen constantes.
Durante la descarga de la celda, a medida que el zinc metalico (con densidad relativamente alta) es convertido en especies de zinc de menor densidad, los volumenes de electrolito pueden incrementarse. Durante la carga de la celda, ocurre la reaccion inversa y los volumenes de electrolito pueden disminuir. Los volumenes de electrolito pueden tambien disminuir debido a la evaporacion del agua.
Estos cambios en los volumenes de electrolito pueden afectar de manera adversa al funcionamiento de la celda. Si los volumenes de electrolito se vuelven demasiado bajos, puede existir insuficiente electrolito conductor entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire. Esto puede provocar un incremento en la resistencia de la celda lo cual a su vez podrla afectar de manera adversa al funcionamiento de la celda. De manera similar, si los volumenes de electrolito aumentan demasiado, el electrolito en exceso puede ser forzado dentro de los poros del electrodo en contacto con el aire. El electrolito que penetra y que inunda los poros del electrodo en contacto con el aire evita que el oxlgeno gaseoso se difunda facilmente (y que se reduzca electroqulmicamente) dentro de los poros. Adicionalmente, el aumento de volumen del electrolito aplica presion sobre el electrodo en contacto con el aire y podrla provocar deterioro mecanico del electrodo. Esto provoca que el funcionamiento de la celda se deteriore.
El control de estos volumenes de electrolito constantemente cambiantes en una pila de baterlas llena en funcionamiento se puede lograr gracias a que tiene un mecanismo de retroalimentacion que puede compensar automaticamente los cambios en los volumenes de electrolito. Cuando se necesita electrolito adicional por parte de las celdas (por ejemplo, durante la carga de la celda cuando los niveles de electrolito disminuyen), el electrolito puede gotear lentamente desde un deposito hacia las celdas individuales. Durante la descarga de la celda, a medida que se expanden los volumenes de electrolito, el electrolito en exceso dentro de las celdas puede ser desviado a traves de un orificio de rebose a un deposito para el almacenamiento.
Las realizaciones previamente descritas pueden incluir un diseno horizontal, de cuatro celdas que incorpora un orificio de llenado y un orificio de salida localizados en la union donde se encuentran cuatro celdas colocadas horizontalmente. Este orificio de llenado/salida hueco puede permitir que el electrolito gotee dentro y fuera de las celdas individuales, segun sea necesario. A medida que varios de estos conjuntos de cuatro celdas son apilados uno sobre la parte superior del otro, el orificio de llenado/salida del conjunto superior de cuatro celdas puede ser colocado exactamente por encima del conjunto inferior de cuatro celdas. De esta manera, varios conjuntos de cuatro celdas apilados verticalmente pueden compartir un orificio de llenado/salida comun que esta conectado a un deposito comun.
Otro diseno horizontal de cuatro celdas puede ser proporcionado de acuerdo con otra realizacion de la invencion. El diseno horizontal puede implicar el ensamblaje de un conjunto de cuatro celdas de modo que cada celda en este conjunto este ligeramente en pendiente (inclinado) hacia arriba (sobre un lado unicamente) hacia el orificio de llenado/salida. Esto puede compensar flsicamente el desprendimiento de gas al permitir que el gas escape mas facilmente.
La Figura 10 ilustra la vista superior (mirando hacia abajo) sobre cuatro celdas (Celda 1, Celda 2, Celda 3, Celda 4) en un conjunto horizontal. Las celdas pueden estar colocadas de modo que compartan un orificio de llenado y salida comun (indicado por 0). La esquina de cada celda individual esta ligeramente inclinada hacia arriba hacia el 0. De este modo, la esquina de cada celda individual mas alejada de 0 puede estar inclinada hacia abajo.
Otra manera mas de visualizar este diseno podrla ser imaginar cuatro celdas individuales colocadas como una piramide de cuatro lados (la parte superior de la piramide podrla ser el punto donde las cuatro celdas se reunen), pero en vez de una forma inclinada hacia arriba como en una piramide tlpica, esta piramide esta aplanada hasta que los angulos inclinados estan unicamente a 1-5 grados de la horizontal. Este angulo de inclinacion de cada celda individual en el conjunto de cuatro celdas puede tener cualquier valor, incluyendo, pero sin limitarse a, 0,25 grados o menos, 0,5 grados o menos, 0,75 grados o menos, 1 grado o menos, 2 grados o menos, 3 grados o menos, 4 grados o menos, 5 grados o menos, 6 grados o menos, 7 grados o menos o 10 grados o menos. Preferiblemente, cada celda puede estar inclinada en el mismo angulo, mientras que en otras realizaciones, las celdas individuales
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pueden estar inclinadas en diversos angulos. Este diseno de piramide aplanada de cuatro lados esta destinado a ayudar en el control del electrolito y al desprendimiento de gas durante los ciclos de descarga/carga.
Esto se muestra en la lista lateral de la Figura 11B. Aqul, cada una de las celdas 1150a, 1150b, 1150c en un conjunto de apilamiento puede estar ligeramente inclinada hacia arriba desde la horizontal hacia el orificio de llenado. En algunas realizaciones, se puede proporcionar una inclination de aproximadamente 1,5 grados. Un tanque de agua superior 1152 puede tener uno o mas tubos de drenaje 1154. Los tubos de drenaje pueden permitir que una cantidad controlada de electrolito fluya desde el tanque de agua superior hacia las celdas situadas por debajo. En algunas realizaciones, pueden proporcionarse tubos de drenaje de 1,9 cm de diametro interno.
El diseno puede incluir uno o mas espaciadores 1156 dentro de un tubo de distribucion 1158. Este tubo de distribucion puede proporcionar un espacio vaclo entre el tanque de agua superior y las celdas subyacentes. En algunas realizaciones, un espaciador puede ayudar a sustentar el espacio entre el tanque de agua superior y las celdas individuales. En algunas realizaciones, el espaciador puede proporcionar soporte entre las celdas y el tanque de agua superior.
Uno o mas perfiles de control de flujo 1166 pueden controlar la velocidad de flujo del electrolito que es proporcionado desde un tanque de agua superior hacia las celdas subyacentes. En algunas realizaciones, el perfil de control de flujo puede sobresalir o puede estar verticalmente alineado. El perfil de control de flujo puede descomponer el electrolito en pequenas gotas. En algunas realizaciones, el perfil de control de flujo puede evitar que se forme una conexion electrica entre el electrolito y el tanque de agua superior y el electrolito en cualquier celda subyacente individual. Una gota proveniente del perfil de control de flujo puede ser atrapada por una celda subyacente. En algunas realizaciones, las celdas subyacentes pueden tener un orificio con una portion de rebose. Los perfiles de control de flujo pueden estar alineados verticalmente sobre la porcion de rebose. Los orificios de las celdas alineadas verticalmente tambien pueden estar alineados. En algunas realizaciones, la gota puede fluir hacia el conjunto de electrolito 1160 de la celda. El electrolito proveniente de una celda superior puede fluir hacia una celda inferior. En algunas realizaciones, cada celda puede tener un perfil de control de flujo de celda 1164 que puede controlar tambien el flujo del electrolito que es proporcionado a las celdas subyacentes. El perfil de control de flujo de la celda puede descomponer el electrolito en gotas y evitar que se forme una conexion electrica entre el electrolito y la celda y el electrolito en la celda subyacente. En algunas realizaciones, los perfiles de control de flujo pueden estar en alineacion vertical sustancial con los perfiles de control de flujo de las celdas situadas por arriba y/o por debajo. Como alternativa, estos pueden tener una alineacion escalonada o de otro tipo. Entre celdas se pueden proporcionar una o mas vlas de aire 1162.
Como se ha descrito previamente, las celdas individuales pueden estar inclinadas, de modo que la porcion de una celda que recibe electrolito puede estar inclinada hacia arriba. El electrolito puede fluir desde la porcion de la celda que recibe el electrolito hacia el otro extremo de la celda.
Una orientation de celda ligeramente inclinada tiene varias ventajas distintas cuando las celdas son ensambladas en un apilamiento. Una primera ventaja es que todavla se mantiene una resistencia de celda constante y reproducible, entre el electrodo metalico y el electrodo en contacto con el aire. Esto ayuda a mantener la resistencia del electrolito bajo un control estrecho.
Una segunda ventaja implica el control de la formation de burbujas de gas. Durante los ciclos de carga de la celda, a medida que se introduce agua, se generan necesariamente burbujas de oxlgeno gaseoso. Este diseno de electrodo inclinado puede permitir que estas burbujas de gas generadas migren facilmente hacia la porcion superior del electrodo, cerca de la esquina de electrodo donde estas pueden ser eliminadas de forma segura. Al conseguir que las burbujas de gas migren facilmente hacia un lado se elimina un posible problema de aumento de la resistencia del electrolito debido a las burbujas de gas atrapadas en el electrolito. Un diseno inclinado puede ser ligeramente angulado para permitir el escape de gas y facilitar el flujo de la suspension en una configuration de baterla de flujo.
Una tercera ventaja que es que durante los ciclos de carga (cuando el electrolito es anadido desde el deposito hacia cada celda individual), un diseno de celda inclinada permite que el electrolito anadido entre facilmente y llene cada celda individual.
El angulo de inclinacion para cada celda no necesita ser grande. Es evidente que si los angulos de inclinacion de las celdas individuales fueran demasiado grandes, cualquier electrolito anadido podrla fluir hacia el fondo de la celda e inundar la porcion inferior de los electrodos en contacto con el aire.
Un angulo de inclinacion preferible puede estar dentro del intervalo unicamente de 1-5 grados respecto a la horizontal. Esto puede ser lo suficientemente bajo como para que el electrolito sustancialmente no se recoja en el fondo de cada celda sino que cualquier burbuja de gas generada sera desviada y elevada hacia la abertura superior del conjunto y salir facilmente.
La Figura 11A muestra una vista superior de un sistema de almacenamiento de energla de acuerdo con una realization de esta invention. En algunas realizaciones, el sistema de almacenamiento de energla puede funcionar
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20
25
como una celda de flujo directo. En otra alternativa, no es necesario que funcione como una celda de flujo directo. Un tanque de agua superior puede tener un piso 1100. Se puede proporcionar un tubo de drenaje 1102, lo que permite que el electrolito fluya hacia una o mas celdas situadas por debajo. En algunas realizaciones, se puede proporcionar uno o mas perfiles de control de flujo 1104 para controlar la velocidad de flujo del electrolito que pasa a las celdas subyacentes. En algunas realizaciones, el perfil de control de flujo puede descomponer el electrolito en gotas pequenas. En algunas realizaciones, se puede proporcionar un perfil de control de flujo para cada celda subyacente. Por ejemplo, si cuatro celdas horizontalmente orientadas (formando un cuadrete plano) estan compartiendo un sistema de control del electrolito comun, se pueden proporcionar cuatro perfiles de control de flujo. Cada perfil de control de flujo puede sobresalir sobre su propia celda correspondiente. Se puede proporcionar cualquier numero de perfiles de control de flujo, los cuales pueden o no corresponder al numero de celdas subyacentes en la capa directamente situada por debajo. Por ejemplo, se puede proporcionar uno, dos, tres, cuatro, cinco, seis, siete, ocho, nueve, diez, o mas perfiles de control de flujo.
Una celda de cuadrete tambien puede tener una porcion central que puede estar inclinada hacia abajo hacia una celda. Cualquier electrolito que pueda caer sobre la porcion central puede fluir hacia abajo y hacia una celda subyacente. En algunas realizaciones, la parte central puede ser moldeada por inyeccion.
XVI. Ejemplo
En un ejemplo, se puede haber proporcionado una celda de prueba. La Figura 13 muestra un ejemplo del voltaje de la celda a lo largo del tiempo de acuerdo con una realizacion de la invencion. Se proporciono un tiempo de prueba de 350.000 segundos para demostrar que este sistema funciona como se describe.
Con la primera celda de prueba se obtuvo un intervalo de voltaje estable. No existio degradacion flsica en la primera version de la celda. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 13, el voltaje permanecio relativamente estable durante 350.000 segundos. Durante la mayor parte del tiempo, el voltaje fue clclico entre 0,9 y 2,1 voltios.

Claims (14)

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    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Una celda anodica metalica recargable electricamente que comprende:
    un electrodo metalico (102, 202);
    un electrodo en contacto con el aire (104, 204) que comprende al menos un colector de corriente que tiene una capa externa resistente a la corrosion que comprende carburo de titanio, una capa interna conductora que comprende titanio y una membrana hidrofoba permeable al aire;
    un electrolito acuoso (106, 206) situado entre el electrodo metalico (102, 202) y el electrodo en contacto con el aire (104, 204); y en donde el electrodo metalico (102, 202) entra directamente en contacto con el electrolito acuoso (106, 206) y sin un material de conduccion ionica y electricamente aislante entre el electrodo en contacto con el aire (104, 204) y el electrolito acuoso (106, 206), caracterizada por que
    un bastidor (100, 200) soporta tanto el electrodo metalico (102, 202) como el electrodo en contacto con el aire de modo que el electrodo metalico (102, 202) y el electrodo en contacto con el aire (104, 204) estan situados a una distancia fija entre si para definir un espacio en el cual esta contenido el electrolito acuoso (106, 206), comprendiendo el bastidor un sistema de control del electrolito integralmente formado en el bastidor (100, 200), comprendiendo el sistema de control del electrolito:
    un orificio de drenaje o de llenado (J);
    un reborde de rebose (L) configurado para capturar y contener el electrolito acuoso (106, 206) dentro de la celda cuando el electrolito acuoso (106, 206) rebosa de uno de un tanque de electrolito superior (H) o de una celda superpuesta verticalmente apilada sobre el electrodo en contacto con el aire (104, 204) de la celda,
    en donde un rebosamiento del electrolito acuoso (106, 206) dentro de la celda fluye sobre el reborde de rebose (L) y entra dentro del orificio de drenaje o de llenado (J), permitiendo al orificio de drenaje o de llenado (J) que el rebosamiento del electrolito acuoso (106, 206) gotee hacia uno de un tanque de captura de electrolito o una celda subyacente apilada verticalmente debajo del electrodo metalico (102, 202) de la celda.
  2. 2. La celda de la reivindicacion 1, en la que el electrodo en contacto con el aire y el electrodo metalico estan conectados en una configuracion bipolar.
  3. 3. La celda de la reivindicacion 1, en la que el bastidor esta hecho al menos parcialmente de un material polimerico o de plastico.
  4. 4. La celda de la reivindicacion 1, en la que el electrodo en contacto con el aire esta en una orientacion esta situado por encima del electrodo metalico.
  5. 5. La celda de la reivindicacion 1, en la que el electrolito es un electrolito a base de cloruro acuoso que en el intervalo de 3 a 10.
  6. 6. La celda de la reivindicacion 1, en la que el electrolito comprende un aditivo que incluye una o siguientes sales de cloruro con alto sobrepotencial de hidrogeno: cloruro de estano, cloruro mercurocloruro, cloruro de cadmio, cloruro de indio o cloruro de bismuto.
  7. 7. Un conjunto de baterla secundario que comprende:
    una primera celda que tiene
    un primer electrodo metalico (102, 202), un primer electrodo en contacto con el aire (104, 204) que comprende al menos un colector de corriente que tiene una capa externa resistente a la corrosion que comprende carburo de titanio, una capa interna conductora que comprende titanio y una membrana hidrofoba permeable al aire, electrolito (106, 206) entre ellos, y
    un primer bastidor (100, 200) que soporta tanto el primer electrodo metalico (102, 204) como el primer electrodo en contacto con el aire (104, 204) a una distancia fija entre si para definir un primer espacio en el que esta contenido el electrolito, incluyendo el primer bastidor (100, 200) un primer labio de rebose (L) configurado para mantener un nivel constante del electrolito (106, 206) dentro de la primera celda;
    una segunda celda que tiene
    un segundo electrodo metalico (102, 202),
    un segundo electrodo en contacto con el aire (104, 204) que comprende al menos un colector de corriente que tiene una capa externa resistente a la corrosion que comprende carburo de titanio, una capa interna conductora que comprende titanio y una membrana hidrofoba permeable al aire, y
    un segundo bastidor (100, 200) que soporta tanto el segundo electrodo metalico (102, 202) como el segundo
    horizontal y
    tiene un pH
    mas de las de plomo,
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    electrodo en contacto con el aire (104, 204) a una distancia fija entre si para definir un segundo espacio entre ellos, incluyendo el segundo bastidor (100, 200) un segundo labio de rebose (L) configurado para capturar el rebosamiento del electrolito (106, 206) que fluye sobre el primer labio de rebose (L) y contener el electrolito capturado (106, 206) dentro del segundo espacio,
    en donde el electrodo metalico (102, 202) de la primera celda entra en contacto con el electrodo que entra en contacto con el aire (104, 204) de la segunda celda de modo que se forma un tunel de aire (108, 208) entre el electrodo metalico (102, 202) de la primera celda y el electrodo en contacto con el aire (104, 204) de la segunda celda, y en donde tanto el electrodo metalico (102, 202) como el electrodo en contacto con el aire (104, 204) de las celdas primera y segunda estan alojados en una orientacion sustancialmente horizontal.
  8. 8. El conjunto de baterla de la reivindicacion 7, en el que el electrodo metalico de la primera celda entra en contacto con el electrodo en contacto con el aire de una segunda celda mediante un engarce mecanico alrededor de los bordes del electrodo en contacto con el aire de la primera celda, formando as! un centrodo.
  9. 9. El conjunto de baterla de la reivindicacion 7, en el que el centrodo proporciona una conexion en serie entre la primera celda y la segunda celda.
  10. 10. El conjunto de baterla de la reivindicacion 7, en el que el gas fluye en una direccion horizontal dentro del tunel de aire.
  11. 11. El conjunto de baterla de la reivindicacion 7, que comprende ademas: una tercera celda que tiene
    un electrodo metalico,
    un electrodo en contacto con el aire que comprende al menos un colector de corriente que tiene una capa externa resistente a la corrosion que comprende carburo de titanio, una capa interna conductora que comprende titanio y una membrana hidrofoba permeable al aire, y electrolito entre ellos; y
    una cuarta celda que tiene
    un electrodo metalico,
    un electrodo en contacto con el aire que comprende al menos un colector de corriente que tiene una capa externa resistente a la corrosion que comprende carburo de titanio, una capa interna conductora que comprende titanio y una membrana hidrofoba permeable al aire, y electrolito entre ellos,
    en donde el electrodo metalico de la tercera celda se engarza mecanicamente alrededor del borde del electrodo en contacto con el aire de la cuarta celda, de modo que se forma un tunel de aire entre el electrodo metalico de la tercera celda y el electrodo en contacto con el aire de la cuarta celda, formando as! un segundo centrodo, y en donde el segundo centrodo esta en contacto electrico con el primer centrodo, proporcionando as! la conexion electrica entre el primer centrodo y el segundo centrodo.
  12. 12. El conjunto de baterla de la reivindicacion 7, que comprende ademas una bandeja de recogida de electrolito llquido situada por debajo de la segunda celda.
  13. 13. El conjunto de baterla de la reivindicacion 7, que comprende ademas un conjunto de suministro de electrolito impulsado por gravedad que proporciona electrolito a la primera y a la segunda celdas.
  14. 14. El conjunto de baterla de la reivindicacion 13, en el que la primera y la segunda celdas estan orientadas horizontalmente e inclinadas hacia arriba cerca del conjunto de suministro de electrolito en un angulo de 1 a 5 grados respecto a la horizontal.
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