ES2663802T3

ES2663802T3 - Disposición de células electroquímicas

Info

Publication number: ES2663802T3
Application number: ES14811809.4T
Authority: ES
Inventors: Kolja Alexander BROMBERGER; Tom Smolinka; Joachim Went
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: DE102013225159B4; DE102013225159A1; EP3090454B1; EP3090454A1; WO2015082614A1

Abstract

Disposición de células electroquímicas, en particular para el empleo en baterías de flujo-Redox, en la que al menos una célula electroquímica está formada con varios elementos de base (GE-X) colocados superpuestos y conectados de forma hermética a fluido con sus zonas marginales exteriores, dos electrodos (3, 3.1, 3.2), un separador o una membrana (2, 2.1), respectivamente, al menos dos conductos de entrada y de salida (4 y 5) así como al menos dos zonas, que pueden ser atravesadas por la corriente, para reactivos, que están, respectivamente, en contacto con uno de los dos electrodos (3, 3.1, 3.2), en la que los reactivos son agua, alcoholes, electrolitos acuosos o electrolitos a base de disolventes orgánicos o líquidos iónicos o hidrógeno, compuestos de hidrocarburos líquidos o gaseosos, oxígeno o una mezcla de gases que contiene oxígeno, caracterizada por que las células electroquímicas están formadas con elementos de base (GE-X) colocados superpuestos y los elementos de base (GE-X) son estructuras planas, que presentan una estructura de red o están formadas de un material poroso, en la que las células electroquímicas están conectadas de forma hermética a fluido en la zona marginal exterior exclusivamente por medio de elementos de base (GE-X) y una primera masa de relleno (FM-1), en la que la primera masa de relleno (FM-1) está introducida en espacios huecos, de manera que éstos están al menos casi totalmente rellenos, y no está presente ningún elemento de marco adicional y en los elementos de base (GE-X) están previstas zonas con al menos una masa de relleno (FM-Y), que configuran con un elemento de base (GE-X) una junta de estanqueidad, un separador o una membrana (2, 2.1), un electrodo (3, 3.1, 3.2), una placa bipolar o lámina (6, 6.1), en la que las zonas sin masa de relleno (FM-Y) funcionan como espaciadores y que son en y perpendicularmente al plano de elementos de base (GE-X) permeables a fluido para los reactivos y de esta manera configuran vías de flujo definidas para los reactivos y están presentes zonas con aberturas, que configuran conductos de entrada y salida (4 y 5) para fluidos así como estructuras de canales y de distribución (18) y las zonas (7) que pueden ser atravesadas por la corriente de reactivos o representan zonas con aberturas que representan alojamientos para materiales funcionales, como separador o membrana (2, 2.1), electrodos (3, 3.1, 3.2) que pueden ser atravesados o rebasados por la corriente así como placas o láminas bipolares (6, 6.1) o elementos funcionales.

Description

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DESCRIPCION

Disposición de células electroquímicas

La invención se refiere a una disposición de células electroquímicas de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. En este caso se puede tratar de células de combustible de baja temperatura, disposiciones de electrolizadores y en particular de baterías de flujo-Redox, todas las cuales son accionadas a una temperatura de funcionamiento inferior a 300° C.

Los convertidores electroquímicos de célula de combustible, electrolizador o batería de flujo-Redox son muy similares en su modo de funcionamiento principal y en su estructura. En todas las tres tecnologías de trata de células electroquímicas, que presentan dos espacios de reacción con corriente de ataque de electrodos y corriente de paso de electrodos y son separados en cuanto al fluido por una membrana. La admisión de reactivo y la descarga de producto de reacción se realizan en este caso a través de estructuras de canal y utilizando los llamados campos de flujo.

A continuación se explican brevemente las tecnologías individuales.

Una célula de combustible convierte energía química de un combustible alimentado de forma continua y de un agente oxidante en energía eléctrica. Como combustible se puede emplear hidrógeno o un compuesto orgánico, como por ejemplo metano o metanol. Como agente oxidante se emplea oxígeno. Está muy extendida la llamada célula de combustible de membrana de intercambio de protones. En el ánodo se oxida el combustible catalíticamente bajo cesión de electrones a protones. A través de la membrana de intercambio de iones, los protones llegan al espacio de los cátodos. Los electrodos son conducidos a través de una carga eléctrica desde el ánodo hacia el cátodo. En el cátodo se reduce el agente oxidante a través de la absorción de los electrones a aniones, que reaccionan directamente con los protones para formar agua. En los electrodos se desarrollan las siguientes reacciones:

Ánodo:: H2 2 H+ + 2 e'

Cátodo:: 1/2 O2 + 2H+ + 2 e' H2O

Reacción e la célula total:: 2 H2 + O2 2 H2O

En las células de combustible de membrana de intercambio de protones de baja temperatura se emplean placas bipolares con estructura fresada de canales de gas, que están adyacentes a las capas de difusión de gas. A través de la estructura de canales se conducen, por una parte, los reactivos (combustible y agente oxidante) superficialmente a los electrodos y, por otra parte, se conducen los productos de reacción fuera de la célula. Además, a través de una placa bipolar se establece la conectividad eléctrica entre dos células vecinas. Los electrones de una primera cé4lulas, que se liberan en el ánodo, migran a través de la capa de difusión de gas hacia la placa bipolar y llegan desde allí sobre el lado de los cátodos de una segunda célula. Los electrones migran a través de la capa de difusión de gas hacia el cátodo. La reacción que se desarrolla en la célula de combustible está unida con un desarrollo de calor. Este calor debe disiparse. En sistemas de alto rendimiento, a tal fin las placas bipolares son recorridas adicionalmente por la corriente de agua de refrigeración. Las placas bipolares están constituidas normalmente de grafito, pero se utilizan también acero resistente a la corrosión, compuestos de fibras de carbono, compuestos de plástico y grafito, titanio y circonio.

Durante la electrolisis se fuerza una reacción Redox a través de una corriente eléctrica. Dos electrodos se sumergen en un electrolito y se conectan en una fuente de tensión continua. Si se aplica una tensión continua suficientemente grande, se producen en los electrodos unas reacciones Redox separadas, en las que un componente del electrolito cede electrones al ánodo cargado positivamente, mientras que otro absorbe electrones en el cátodo cargado negativamente. En el electrolito se cierra el circuito de corriente electroquímicamente a través de la migración de los aniones (OH-) o bien de los cationes (H+) hacia los electrodos. Como reactivo se emplea con frecuencia agua en una electrolisis.

Resultan las siguientes reacciones de electrodos:

Cátodo:: 2 H+ + 2e' H2

Ánodo:: H2O 0,5 O2 + 2 H+ 2 e'

Reacción de la célula total:: H2O H+ + 0,5 O2

Para que no se produzca en este caso una mezcla de los productos de electrolisis hidrógeno y oxígeno, el espacio del ánodo y el espacio del cátodo están separados, en general, por un diafragma estanco al gas, en general una membrana, que puede ser atravesada, sin embargo, por iones. Los electrodos están constituidos de metales nobles porosos y sirven al mismo tiempo como catalizador. En este caso, se pueden utilizar, por ejemplo, sobre el lado del ánodo iridio y sobre el lado del cátodo platino. Los electrodos son prensados con la membrana para formar una unidad de membrana y electrodos (MEA). Los derivadores de corriente porosos de material conductor distribuyen la

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corriente eléctrica y el agua necesaria para la reacción sobre la superficie de los electrodos. Al mismo tiempo posibilitan el transporte de los productos de electrolisis hidrógeno y oxígeno sobre estructuras de canal.

Las baterías de flujo-Redox, designadas, en general, también como baterías de flujo, pertenecen a los acumuladores electroquímicos de energía. Éstos acumulan la energía fuera del convertidor electroquímico, designado a continuación como pila, en depósitos de electrolito y trabajan en la zona de baja temperatura. En oposición a los acumuladores convencionales, en los que el electrodo y el electrolito representan una unidad fija, en la batería de flujo-Redox, la parte de potencia y la capacidad, es decir, la parte de acumulación, están desacopladas. La energía eléctrica alimentada y descargada conduce en la pila a la modificación de la fase de oxidación de iones desprendidos y, por lo tanto, a una modificación del contenido de energía química de estos iones. En el caso más sencillo, una pila está constituida por una célula individual de dos electrodos de flujo de paso porosos, una membrana de intercambio de iones y dos acumuladores de corriente. Los dos electrodos de una célula son atravesados por la corriente de dos soluciones de electrolito (reactivos) con diferentes parejas Redox. Entre los dos electrodos está dispuesta una membrana permeable a iones, que es estanca para los dos electrolitos. En una semicélula tiene lugar una oxidación de la especie de iones disuelta en el electrolito respectivo, de manera que se liberan electrones, que son conducidos a través de los acumuladores de corriente y la fuente/carga a otra semicélula de la célula electroquímica respectiva y de esta manera generan una corriente eléctrica continua. En la otra semicélula tiene lugar una reducción de los iones presentes allí. El circuito de corriente se cierra sobre iones o cationes (H+), que pueden migrar a través de la membrana. Según la dirección de la corriente se carga o descarga en este caso la batería. La tensión eléctrica de la célula depende de la diferencia de los potenciales Redox de los iones empleados en los dos electrolitos diferentes. Para el ejemplo de una batería de flujo-Redox-vanadio resultan las siguientes reacciones de los electrodos:

Semicélula negativa:: V3+ + e O V 2+

Semicélula positiva:: VO2+ + H2O O VO2+ + 2 H+ + e

Reacción de la célula total:: V3+ + VO2+ + H2O O V2+ + VO2+ + 2 H+

El electrodo no participa en este caso de la reacción, con lo que, en oposición a un acumulador convencional, no se producen mermas de la potencia a través de desgaste del material del electrodo.

La batería de flujo-Redox más extendida es una batería de flujo-Redox de vanadio (VRFB), que fue desarrollada en los años 1980 en sus características básicas. Otras combinaciones de parejas-Redox como cinc/bromuro, PSB- polisulfuro/bromuro y cinc/ cerio presentan inconvenientes individuales y juegan un papel más bien secundario. En la VRGB se aprovecha el hecho de que el vanadio posee cuatro iones estables (dos parejas Redox) y, por lo tanto, sólo es necesario un único elemento para el funcionamiento de la batería. De esta manera, no se produce ningún daño irreversible en el caso de mezcla imprevista de los dos circuitos de electrolitos, y solamente se pierde la energía acumulada, pero no todo el electrolito. Una mezcla está siempre presente a través de difusión sobre la membrana, por lo que esto representa una ventaja muy importante frente a otros tipos de baterías de flujo-Redox como por ejemplo acumuladores de cinc-cerio. El líquido del electrolito está constituido por un ácido acuoso, la mayoría de las veces H2SO4, que suministra los protones necesarios para el funcionamiento y están presentes disueltos en la especie de vanadio. Sobre la base de esta estructura relativamente sencilla y su potencial de innovación actualmente todavía alto, las baterías de flujo-Redox representan acumuladores de energía en la zona MWh con costes de almacenamiento potencialmente muy reducidos.

Mientras que la factibilidad técnica de estas tecnologías está verificada, los costes del sistema o bien del almacenamiento actualmente todavía demasiado altos representa prioritariamente una barrera a la entrada en el mercado y de esta manera inhiben una penetración mayor en el mercado. Una porción esencial de los costes se corresponde en este caso a los costes de fabricación de los convertidores electroquímicos con conceptos actuales de células y de apilamiento.

En principio, además del empleo de los materiales funcionales para los tipos de células electroquímicas utilizables en la invención, como electrodos, membranas y placas bipolares, es necesario un empleo alto de material especialmente a través de materiales del bastidor y materiales de estanqueidad. Las partes del bastidor según el estado de la técnica se fabrican por medio de procedimientos de fabricación por arranque de virutas o procedimientos de moldeo en caliente, como por ejemplo fundición por inyección. Esto requiere un gasto de fabricación alto de las partes del bastidor. Como se describe más adelante, estas partes del bastidor deben presentar diferentes funciones. Una función esencial es, además del alojamiento de los materiales funcionales, el alojamiento de materiales de estanqueidad. De acuerdo con el estado de la técnica, se emplean juntas tóricas, cordones redondos, juntas de estanqueidad planas o juntas de estanqueidad obtenidas bajo licencia. Estos conceptos de bastidor y métodos de estanqueidad son inadecuados para la producción en serie, puesto que no sólo requieren un empleo de material alto, sino que implican también un gasto de fabricación y de montaje alto. Para una optimización de la densidad de potencia y una reducción de los costes específicos en el diseño de convertidores electroquímicos es necesario realizar una densidad de los electrodos adaptada para el caso de diseño. La aplicación de electrodos muy finos está limitada por el empleo de partes de bastidor según el estado de la técnica, puesto que éstas deben presentar un espesor mínimo para presentar la funcionalidad plena (ver más abajo).

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En el ejemplo de la batería de flujo-Redox de vanadio, las funciones necesarias de los conceptos de bastidor según el estado de la técnica deben representarse a continuación más concretas. Éstas se pueden transmitir de manera similar a otros tipos de células electroquímicas.

Normalmente, se utilizan pilas de células bipolares en el tipo de construcción de prensas de filtros. Los bastidores de las células en baterías de flujo-Redox están constituidos, en general, por dos semicélulas superpuestas, de manera que cada semicélula se forma, respectivamente, por un bastidor. Este bastidor presenta un orificio, en el que se emplaza el electrodo respectivo. Una membrana separa las dos semicélulas. Los electrodos son atravesados en cada caso por una corriente de líquido de electrolito, de manera que a través de procesos electroquímicos se obtiene corriente eléctrica, que se puede tomar a través de conexiones eléctricas en las placas extremas de la pila. En baterías de flujo-Redox de vanadio, los líquidos de electrolito son en gran medida similares, sólo presentan otro estado de oxidación (V2+ y V3+, VO2+ y VO2+). El ataque de la corriente de los electrodos se realiza a través de canales en las partes del bastidor, que desembocan, respectivamente, en un canal colector. En el extremo de los canales colectores están presentes conexiones, que posibilitan una entrada y salida de los líquidos de electrolito dentro y fuera de las pilas de células. Las pilas de células son separadas en cuanto al fluido por medio de placas bipolares (abreviado: BPP) y están conectadas eléctricamente entre sí. De esta manera, las células individuales están conectadas eléctricamente en serie para alcanzar altos niveles de tensión eléctrica. En cuanto al fluido, las células individuales están conectadas en paralelo. La pila de células se tensa mecánicamente por medio de placas de presión, barras roscadas, tuercas, arandelas y muelles.

Si deben cumplirse las funciones necesarias en un concepto de bastidor o se emplea un procedimiento por arranque de virutas o de moldeo con calor para la fabricación, resultan forzosamente limitaciones en la configuración del espesor de una célula individual. El espesor mínimo de un bastidor empleado según el estado de la técnica está en aproximadamente 3 mm. En este caso, aparecen habitualmente el 75 % de pérdidas de tensión eléctrica de una célula individual, las llamadas pérdidas-IR. Éstas son determinadas, junto a las conductividades iónicas o bien eléctricas, esencialmente por el espesor del electrodo atacado por la corriente o bien atravesado por la corriente. Por lo demás, tal bastidor no es ideal con respecto al empleo de material, el gasto de fabricación y de montaje. En la fundición por inyección y en procedimientos por arranque de virutas, especialmente en superficies de células > 2000 cm2 de área de los electrodos, es problemático el mantenimiento de tolerancias de espesores así como de la paralelidad plana. Un procedimiento de unión descendente para la integración de la placa bipolar y de la membrana en el bastidor requiere adicionalmente un gasto de fabricación alto. Para la realización de medidas de superficies grandes más allá de 2000 cm2 es necesario observar especialmente la distribución de la corriente de los electrolitos en el plano de la célula. Además, es aplicable reducir al mínimo las llamadas corrientes de derivación (en inglés: Shunt-Currents) a través de una conducción adecuada del canal. El objetivo es en este caso adaptar la longitud del canal y la sección transversal del canal de tal manera que, por una parte, la resistencia iónica entre dos semicélulas sea la máxima posible y, por otra parte, se reduzcan al mínimo las pérdidas de presión en los canales. El empleo de elementos de estanqueidad insertados sueltos en un número alto de células es caro, costoso y requiere, en general, un gasto de montaje alto, puesto que debería evitarse un resbalamiento o bien una caída de los elementos de estanqueidad. Un escalado efectivo de la potencia de baterías de flujo-Redox implica el incremento de la superficie de los electrodos. Al mismo tiempo, debería asegurarse una distribución uniforme del electrolito en las superficies de los electrodos, para reducir al mínimo las resistencias de las células e incrementar al máximo las densidades de potencia. Esto se aplica especialmente con densidades altas de la corriente de carga en la zona-SOC superior (estado de carga, en inglés: State of Charge) y altas densidades de la corriente de descarga en la zona inferior-SOC, puesto que aquí el flujo de paso del electrolito debe ser correspondientemente alto. Al mismo tiempo, debe mantenerse lo más pequeña posible la pérdida de presión sobre toda la zona de funcionamiento sobre la pila, para reducir al mínimo la energía necesaria para los accionamientos de la bomba. La superficie de los electrodos se puede incrementar, con una superficie constante específica del volumen [m2/m3] del material del electrodo a través de la elevación de la densidad de los electrodos, de la anchura de los electrodos y de la altura de los electrodos. El área de la sección transversal atravesada por la corriente se forma a partir del espesor de los electrodos y de la anchura de los electrodos. La longitud atravesada por la corriente se defina por la altura de los electrodos. En todos los casos, la permeabilidad hidráulica del electrodo respectivo permanece constante. Si se incrementa la altura de los electrodos, se eleva la energía necesaria de la bomba, puesto que el electrolito debe recorrer un trayecto más largo a través del electrodo. A ello hay que añadir en el caso de la circulación vertical desde abajo hacia arriba una presión hidrostática adicional. En cambio, si se incrementa la anchura de los electrodos, se empeora, en general, la distribución del electrolito sobre la anchura de los electrolitos. Esto se aplica especialmente con altas densidades de corriente y, por lo tanto, altos flujos de paso del electrolito, y con una zona-SOC alta. Debido a una circulación inhomogénea a través del electrodo se eleva la resistencia de la célula y de esta manera se reduce el rendimiento energético. Si se incrementa la densidad de los electrodos, se elevan forzosamente las pérdidas-IR. De esta manera, se reduce igualmente el rendimiento energético. Por lo tanto, en todos los casos se reduce el rendimiento del sistema.

Otra posibilidad para elevar la superficie de los electrodos consiste en el incremento de la superficie específica del volumen [m2/m3]. Esto se puede conseguir, en general, a través de una selección adecuada del material de los electrodos, a través de una adición de partículas de incremento de la superficie sobre el electrodo, a través de una activación térmica, química o electroquímica del material de los electrodos o a través de la compresión del electrodo. Mientras que los tres primeros puntos son específicos del material y, por lo tanto, independientes del diseño de la

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célula, en el caso de una compresión de los electrodos, el diseño de la célula debe adaptarse a ello. Durante la compresión del electrodo, se reduce la densidad del electrodo y la permeabilidad hidráulica así como la resistencia del contacto eléctrico con la BPP. La conductividad eléctrica se incrementa en este caso. Como consecuencia, se reducen las pérdidas-IR y se incrementa la pérdida de presión con el mismo flujo a través del electrolito.

Por lo tanto, para superficies grandes de los electrodos debería ser un objetivo optimizar, además de la altura y la anchura de los electrodos, también la densidad de los electrodos y la compresión de los electrodos. Para densidades grandes de corriente eléctrica es deseable, además, emplear electrodos lo más finos posible con superficie de reacción alta específica del volumen, actividad alta para las reacciones principales y permeabilidad eléctrica alta, para reducir al mínimo, por una parte, las sobretensiones y, por otra parte, las pérdidas de presión. Se consigue un incremento de la actividad, en general, a través de un tratamiento térmico, químico o electroquimico del material de los electrodos para aplicar grupos funcionales sobre la superficie de los electrodos. El diseño de la célula debería poder alojar tales electrodos y garantizar un ataque homogéneo de la corriente. Además, el diseño de la célula debería posibilitar un desacoplamiento de la permeabilidad hidráulica del electrodo y la pérdida de presión sobre la célula. Éste es un aspecto importante precisamente ante los antecedentes de una distribución muy buena del electrolito sobre toda la superficie de los electrodos. Además, del electrodo-3D atravesado por la corriente conocido, se ofrecen los llamados campos de flujo, como se conocen a partir de aplicaciones de células de combustible. Estos campos de flujo permiten una guía selectiva de los electrolitos a lo largo de un electrodo, con lo que se puede conseguir una distribución igual del electrolito sobre la superficie de los electrodos y, por lo tanto, un aprovechamiento alto del electrodo. El campo de flujo está insertado en este caso típicamente en una placa bipolar. Para la configuración de superficies grandes de electrodos no es necesario realizar tales guías de fluido en la placa bipolar, sino configurarlas lo más independientes posible de ésta, puesto que de lo contrario ésta debe presentar un espesor mínimo para presentar una estabilidad mecánica suficiente. La resistencia eléctrica y el empleo de material necesario se incrementan de esta manera. Además, también para tales campos de flujo se emplean la mayoría de las veces compuestos de plástico-grafito por medio de prensado en caliente o fundición por inyección o procedimientos de arranque de virutas.

El documento DE 10 2006 048 860 A1 se refiere a un módulo de células de combustible y a su utilización.

Se conoce a partir del documento DE 10 2009 040 786 B3 un distribuidor de gas para la descarga pasiva de agua y una célula de combustible de polímero.

En el documento DE 10 2011 017 264 A1 se describe una posibilidad para el montaje de un electrodo de difusión de gas en una célula electroquímica.

La publicación DE 10 2013 205 473 A1 se refiere a poliolefinas parcialmente fluoradas, que se pueden emplear en células de combustible.

Por lo tanto, el cometido de la invención en preparar un diseño de célula y de pila de tipo nuevo para convertidores electroquímicos / disposiciones de células, muy especialmente baterías de flujo-Redox, que se pueden fabricar de manera más económica y sencilla y con el que se pueden alcanzar densidades de potencia más elevadas así como un rendimiento más alto.

De acuerdo con la invención, este cometido se soluciona con una disposición de células electroquímicas, que presenta las características de la reivindicación 1. Las configuraciones y desarrollos ventajosos de la invención se pueden realizar con características designadas en reivindicaciones dependientes.

En la invención es especialmente ventajoso que se puede proporcionar un concepto de célula y de pila sin bastidor (varias células electroquímicas colocadas superpuestas apiladas, que están conectadas entre sí con preferencia de forma conductora de electricidad e hidráulicamente, que es funcional sin un bastidor o elementos de bastidor según el estado de la técnica.

El concepto de célula y de pila propuesto ofrece la posibilidad de realizar grandes superficies de electrodos para densidades altas de corriente eléctrica y caudales altos de reactivos, con resistencias eléctricas y pérdidas de presión al mismo tiempo reducidas. El rendimiento general se puede incrementar claramente de esta manera frente a conceptos según el estado de la técnica.

Desde el punto de vista del diseño, el concepto presentado ofrece nuevos grados de libertad, puesto que, por una parte, la densidad de los electrodos y el prensado de los electrodos se pueden definir de manera variable e independiente de una parte del bastidor y, por otra parte, la pérdida de presión se puede desacoplar, a través de vías definidas de la circulación de reactivos en la semicélula respectiva de una célula electroquímica, de la permeabilidad del electrodo. De esta manera es posible una reducción al mínimo de las pérdidas-IR con una reducción al mínimo simultanea de la pérdida de presión y de la resistencia a la circulación.

Por lo demás, a través de la introducción de estructuras de canales se puede elevar claramente la distribución de la concentración de los reactivos sobre superficies grandes de electrodos, lo que homogeneiza la distribución de la

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densidad de la corriente de paso sobre la superficie de los electrodos y de esta manera la distribución de la densidad de la corriente eléctrica dentro del electrodo y, por lo tanto, se reduce la polarización de la concentración en la/las célula(s) electroquímica(s). De esta manera, es posible reducir claramente las pérdidas de la tensión eléctrica así como la energía necesaria de la bomba y del compresor para la alimentación de reactivos.

A través de una configuración adecuada de los canales de circulación se pueden reducir al mínimo a través del concepto de célula propuesto cuando se emplean reactivos conductores iónicos, las llamadas corrientes de derivación, que repercute negativamente sobre el rendimiento energético.

En general, de esta manera no sólo se puede incrementar el rendimiento energético de la disposición de células electroquímicas, sino también el rendimiento del sistema.

Por lo tanto, con la invención se pueden conseguir los siguientes efectos.

1. Costes de fabricación reducidos a través de la reducción del empleo de material y del gasto de fabricación y de montaje al prescindir de un bastidor según el estado de la técnica.

2. Altas densidades de potencia y de corriente alcanzables a través de resistencias reducidas de las células por medio de la reducción al mínimo de las pérdidas-IR por medio de la densidad optimizada de los electrodos y la compresión de los electrodos.

3. Desacoplamiento de la permeabilidad del electrodo y la pérdida de presión sobre la célula a través de zonas de circulación libremente definibles adicionalmente entre separador o membrana y electrodo.

4. - Homogeneización de la concentración de electrolito sobre toda la superficie del electrodo a través del empleo de placas bipolares de campos de flujo independientes o bien estructuras de distribución de la circulación y con ello una reducción de las pérdidas de tensión a través de polarización de la concentración.

5. Integración variable de los materiales funcionales del separador o membrana, placa bipolar o bien lámina y electrodo.

a. Integración de placas bipolares o bien de láminas bipolares de acuerdo con el estado de la técnica.

b. Integración de placas bipolares o bien de láminas bipolares de nuevo tipo.

c. Integración de electrodos de nuevo tipo.

d. Integración de separador o membrana de acuerdo con el estado de la técnica.

e. Integración de separador o membrana de acuerdo con el estado de la técnica.

f. Integración de separadores o membranas de nuevo tipo.

6. Distribución homogénea de la circulación de los reactivos sobre células individuales y dentro de una célula a lo largo de la anchura de los electrodos sobre una zona amplia de regulación de la corriente volumétrica de la alimentación/preparación de reactivo de grados de libertad técnicos de diseño con respecto a

a. especificaciones eléctricas (zona de potencia, de corriente, de tensión, capacidad nominal)

b. especificaciones eléctricas (caudal de flujo, pérdida de presión, distribución del reactivo sobre células individuales y a lo largo de la anchura de los electrodos de cada célula).

7. Adecuadas para tiempos de actividad largos y alta resistencia de los ciclos.

En la aplicación de la invención para baterías de flujo-Redox deberían conseguirse otros efectos, que se indican a continuación.

8. Adecuadas para superficies de células grandes entre 500 y 50.000 cm2.

9. Adecuadas para altas densidades de corriente entre 50 y 1000 mA/cm2.

10. Adecuadas para altos rendimientos energéticos con altas densidades de corriente.

11. Adecuadas para alto grado de utilización de la capacidad teórica con altas densidades de corriente.

La invención se basa en una estructura superficial fina, que puede estar provista con diferentes funciones. En este caso, se pueden configurar todas las funciones conocidas a partir del estado de la técnica de los bastidores y materiales funcionales, como separador o membrana, electrodos, placas o láminas bipolares por medio de una estructura superficial de este tipo. Es ventajoso que las funciones, que hasta ahora se podían asociar a los componentes individuales, se puedan definir individualmente sobre o en una estructura superficial. De esta manera, se simplifica la estructura general de la pila. Otra ventaja de la invención es la aplicación general a diferentes tipos de células electroquímicas / convertidores como, por ejemplo, células de combustible, electrolizadores y baterías de flujo-Redox.

En la estructura superficial se puede tratar de productos enrollados, que se pueden elaborar y procesar con procedimientos como, por ejemplo, corte, estampación, corte con láser-CNC, impresión con tamiz de seda, impresión-3D, prensado en caliente u otros procedimientos. De esta manera, el concepto es adecuado para una fabricación en masa. Se pueden reducir los costes de fabricación a través del empleo más reducido de material, una fabricación simplificada de los componentes individuales y un proceso de montaje simplificado de pilas de células.

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Reactivos que se pueden emplear en la invención pueden ser agua, alcoholes, electrolitos acuosos y electrolitos a base de disolventes orgánicos o líquidos iónicos o hidrógeno, compuestos de hidrocarburos líquidos o gaseosos, oxígeno o una mezcla de gases que contiene oxígeno, compuestos de hidrocarburos líquidos o gaseosos, oxígeno o una mezcla de gases que contiene oxígeno.

El elemento de base está constituido por una estructura plana, que puede ser un cañamazo, género de punto, tejido, artículo de malla, red o una matriz de poros abiertos. Tal elemento de base puede estar formado de un compuesto químico o de una material que están seleccionados de termoplásticos, en particular polietileno (PE), poliéster (PET), polipropileno (PP), poliestireno (PS), polisulfona (PSU), cloruro de polivinilo (PVC), plástico fluorado, en particular etileno-clorotrifluoretileno (E-CTFE), etileno-tetrafluoretileno (ETFE), tetrafluoretileno-perfluoropropileno (FEP), politetrafluoretileno (PTFE), fluoruro de polivinilideno (PVDF), un elastómero, duroplásticos, fibras de carbono, de grafito, de grafeno, de aramida, titanio, platino, acero. También se puede utilizar un compuesto de ellos. El material empleado debería ser estable química y electroquímicamente frente a reactivos y productos de reacción empleados.

Tal elemento de base debería estar formado y configurado de tal forma que se pueda introducir una masa de relleno en espacios huecos. En este caso, los espacios huecos deberían poder rellenarse al menos casi totalmente. Esto es especialmente importante en la zona marginal exterior, que debe ser hermética a fluido. Por ejemplo, si debe configurarse un separador o una membrana con una masa de relleno, ésta debería ser también hermética a fluido para evitar un intercambio de reactivo entre las dos semicélulas a través del separador o esta membrana en el espacio de reacción vecino. Esto se refiere también a placas bipolares o láminas bipolares.

Base de la invención es / son uno o varios elementos de base (abreviado: GE-X, que está(n) formado(s) a partir de una estructura superficial con preferencia con un espesor definido (d_GE). En este caso, los elementos de base deberían estar formados con un material con preferencia polímero, que presenta una estructura de red o poroso. La zona marginal exterior puede estar provista con una masa de relleno, que es hermética a fluido y garantiza en las zonas marginales exteriores una conexión con preferencia por continuidad del material con al menos otro elemento de base dispuesto junto a este elemento de base. Por estanco a fluido debe entenderse en este caso una estanqueidad frente a gases y líquidos, en particular a los reactivos respectivos, especialmente los electrolitos. La unión estanca a fluido en la zona marginal exterior se puede conseguir de esta manera exclusivamente por medio de elementos de base y masa de relleno, de manera que no está presente ni es necesario ningún elemento de bastidor exterior adicional.

En elementos de base, están provistas zonas con una masa de relleno, que forman un borde exterior estanco a fluido. Dentro de esta zona marginal exterior están configuradas zonas que no contienen masa de relleno y, por lo tanto, pueden ser atravesadas por la corriente de reactivos y/o contienen una masa de relleno y de esta manera se pueden funcionalizar y/o configuran las aberturas, en las que se pueden introducir elementos funcionales.

En general, un elemento de base de este tipo se caracteriza por que en zonas no rellenas en el plano-xy y perpendicularmente al plano (coordenada-z) puede ser permeable a fluido para los reactivos y productos de reacción respectivos en el sentido de una circulación a través de un cuerpo poroso. Estas zonas sirven como espaciadores entre materiales funcionales y/o elementos funcionales y forman en combinación con una masa de relleno unas vías de flujo y zonas de circulación porosas definidas para los reactivos.

La figura 17 muestra un fragmento de un elemento de base GE de este tipo en una vista en planta superior y en una sección con su estructura porosa 16, una zona rellena con una masa de relleno así como una abertura 17 en esta zona.

En conexión con una primera masa de relleno FM-1 preferida, se pueden configurar estructuras de canal y zonas de circulación definidas de esta manera dentro del plano del elemento de base. Un elemento de base con vías de circulación definidas posibilita la admisión de reactivo y la descarga de productos de reacción desde/en canales colectores en/desde la/s células electroquímicas individuales y la distribución sobre los electrodos. En virtud de una estructura superficial incompresible de elementos de base, las fuerzas a través del prensado de la pila de células no conducen a un estrechamiento de la sección transversal de estos canales. Por lo tanto, sobre el plano de semicélulas pueden estar configuradas estructuras del tipo de canal, que posibilitan una distribución óptima del reactivo dentro o en el electrodo respectivo o en el separador o en la membrana y de esta manera mejoran la distribución de la concentración y la distribución de la densidad de la corriente eléctrica en la célula electroquímica respectiva. A continuación sólo se utiliza el concepto de membrana, pudiendo utilizarse en las citas correspondientes, en lugar de membrana, también el concepto de “separador”.

En el plano de las semicélulas de una célula electroquímica, pueden estar configuradas entradas y salidas 4 y 5 para reactivos y productos de reacción, que están optimizados en la corriente de derivación con respecto a la pérdida de presión y en el caso de empleo de electrolitos conductores de electricidad cono reactivos. En el plano de semicélulas pueden estar configuradas también zonas de entrada y salida de la corriente para reactivos y productos de reacción hacia el o desde un electrodo 3, que permiten una distribución óptima del fluido sobre la anchura de la membrana 2 conductora de iones o bien el electrodo 3. En el plano de las semicélulas, pueden estar configuradas también zonas

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superficiales 7 que pueden ser atravesadas por la corriente de reactivos y de productos de reacción, que posibilitan una circulación optimizada a lo largo de la membrana 2 respectiva y el electrodo 3 y de esta manera mejoran la distribución de la concentración y la distribución de la densidad de la corriente eléctrica en la célula electroquímica. Se conoce que la densidad de la corriente de paso en el límite de las fases entre electrodo 3 y reactivo / electrolito es máxima en la zona de la membrana 2. Para la homogeneización de esta densidad de la corriente de paso y para un aprovechamiento mejorado implicado con ello de la superficie de los electrodos a lo largo de la altura de los electrodos y de la densidad de os electrodos se pueden utilizar vías de circulación definidas para reactivo o bien electrolito. A través del comportamiento de flujo del reactivo / electrolito a lo largo de estas vías de circulación se puede reducir la capa límite laminar presente en la membrana 2 y se puede conseguir una mezcla transversal elevada del reactivo / electrolito en la dirección de la densidad del electrodo (eje-z). De esta manera se puede incrementar al grado de aprovechamiento del electrodo 3 y, como consecuencia, se puede reducir la resistencia eléctrica de la célula.

De esta manera se puede funcionalizar de manera específica tal elemento de base a través de la introducción de masas de relleno, proveyendo zonas con una masa de relleno para configurar la función de una junta de estanqueidad, de una membrana 2, de un electrodo 3 y de una placa o lámina bipolar 6.

Una primera forma de realización de un elemento de base GE-11 con su estructura básica porosa cumple en zonas no rellenas la función de un cuerpo poroso que puede ser atravesado por la corriente.

Una segunda forma de realización de un cuerpo de base GE-12 cumple en zonas rellenas con una primera masa de relleno 1 FM1 la función de una junta de estanqueidad.

La figura 18 muestra un elemento de base de este tipo con su estructura de base porosa en canales de entrada y salida 4 y 5 y con una zona central 7 que puede ser atravesada por la corriente, que está formada con un elemento de base GR-11, con una zona marginal rellena con una primera masa de relleno FM-1 con efecto de obturación en un elemento de base GE-.12 así como con aberturas en esta zona.

Una tercera forma de realización de un elemento de base GR-13 cumple en zonas rellenas con una segunda masa de relleno FM-2 la función de una membrana 2.1 integrada.

La figura 19 muestra un elemento de base de este tipo con una zona marginal rellena con una primera masa de

relleno FM-1 con efecto de obturación así como con una zona central rellena con una segunda masa de relleno FM-

2 para la configuración de una membrana 2.1 integrada.

Una cuarta forma de realización de un elemento de base GE-14 cumple en zonas rellenas con una tercera masa de relleno FM-3 la función de un electrodo 3.1 integrado.

La figura 20 muestra un elemento de base de este tipo con una zona marginal rellena con una primera masa de

relleno FM-1 con efecto de obturación así como con una zona central rellena con una tercera masa de relleno FM-3

para la configuración de un electrodo 3.1 integrado.

Una quinta forma de realización de un elemento de base GR-15 cumple en zonas rellenas con una cuarta masa de relleno FM-4 la función de una placa bipolar o lámina bipolar 6.1 integrada.

La figura 21 muestra un elemento de base GE-15 de este tipo con una zona marginal rellena con una primera masa de relleno FM-1 con efecto de obturación así como con una zona central rellena con una cuarta masa de relleno FM- 4 para la configuración de una placa o lámina bipolar 6.1 integrada.

Además, un elemento de base puede presentar en zonas, que están rellenas con una primera masa de relleno FM1- , una zonas / aberturas rebajadas, que cumplen la función de un alojamiento para materiales funcionales, como membrana 2, electrodos 3 que pueden ser atravesadas o rebosados por la corriente así como placas o láminas polares / elementos funcionales 6 o son en el plano-x-y y perpendicularmente al plano (coordenada-z) permeables frente a gases y líquidos en el sentido de una circulación libre y de esta manera pueden cumplir la función de una estructura de canal abierta o la función de una ayuda de posicionamiento o la función de un alojamiento para un elemento tensor.

Un rebaje / abertura representa de esta manera una interrupción de la estructura de la forma plana de un elemento de base. En esta zona, para el cumplimiento de algunas funciones no debería estar presenta ninguna masa de relleno FM-1 a FM-4. Una o varias aberturas / rebajes se pueden configurar a través de estampación, corte con láser-CNC u otros procedimientos.

Una sexta forma de realización de un elemento de base GE-16 cumple en zonas/aberturas rebajadas la función de un alojamiento para materiales funcionales.

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De esta manera, en elementos de base pueden estar configuradas otras zonas con preferencia con aberturas, que pueden formar con una tercera o cuarta masa de relleno FM-3 o FM-4 una estructura superficial conductora de electricidad para la configuración de electrodos 3 que pueden ser atravesados por la corriente de reactivos. También se pueden configurar otras aberturas, a través de las cuales está configurado un conducto9r eléctrico poroso para la configuración de un electrodo y puede estar dispuesto allí.

Una séptima forma de realización de un elemento de base GE-17 cumple en las zonas/abertura rebajadas la función de una zona de circulación libre o de una estructura de canal. De esta manera se pueden conseguir vías de circulación definidas para reactivos y productos de reacción, que unen/conectan para fluido entre sí varias semicélulas a través de una configuración de al menos un canal colector 18.

De esta manera, se pueden configurar y disponer otras aberturas en elementos de base, de manera que al menos una conexión de fluido de semicélulas individuales de la disposición está configurada como alimentación y al menos una conexión de fluido de semicélulas individuales está configurada como descarga a través de aberturas que se comunican entre sí de varios elementos de base y de esta manera se forma una estructura de distribución, a través de la cual se pueden conseguir una distribución uniforme del reactivo dentro de semicélulas individuales de una pila de células de varias células electroquímicas colocadas superpuestas así como un vaciado automático de una vía de fluido y/o una descarga de gas. Esto es ventajoso cuando una bomba o un compresor para la alimentación de reactivo se vuelve incapaz de funcionare y debe interrumpirse el proceso electroquímico.

Esto se representa en la figura 22. Sobre el plano de las semicélulas es posible de manera similar la configuración de canales y de zonas de circulación de manera correspondiente al elemento de base GE-11.

Una octava forma de realización de un elemento de base GR-18 cumple en zonas/aberturas rebajadas la función de una ayuda de posicionamiento.

Una novena forma de realización de un elemento de base GR-19 cumple en zonas/aberturas rebajadas la función de un alojamiento para un elemento de fijación. De esta manera se pueden configurar en elementos de base otras aberturas, que están configuradas y dispuestas de tal manera que en cada caso un elemento de una disposición de fijación está guiado a través de aberturas que se comunican entre sí y con los elementos de una disposición de fijación se pueden conectar varias células electroquímicas en unión por continuidad del material, por aplicación de fuerza y en unión positiva. Así, por ejemplo, tales aberturas pueden estar configuradas en la zona marginal exterior y a través de ellas pueden estar guiadas barras tensoras, que pueden formarla disposición de fijación con elementos en forma de placas. Los elementos en forma de placas pueden descansar, en el caso de varias células electroquímicas apiladas, sobre las superficies frontales de una pila de este tipo, de manera que por medio de las barras tensoras una fuerza de presión actúa sobre las células electroquímicas, que comprimen los elementos de base.

La figura 22 muestra un ejemplo de las formas de realización GE-17, GE-18, GE-19 de un elemento de base.

Se puede emplear un elemento de base para alojar una membrana, electrodo o plata o bien lámina bipolar de acuerdo con el estado de la técnica o bien para configurar juntas de estanqueidad, membranas integradas de tipo nuevo, electrodos, lacas o láminas bipolares así como unidades compuestas a partir de ellos. Una primera masa de relleno FM-1 puede estar constituida de elastómero, como caucho de etileno-propileno-terpolímero (EPDM), polímero fluorado (FPM/FKM), caucho de silicona (SI) o de un termoplástico o de un plástico parcialmente reticulado. Debería sellar totalmente la estructura abierta de la figura plana, para que sea hermética a fluido frente a los reactivos y productos de reacción. Se puede aplicar en una geometría plana definida sobre la estructura plana del elemento de base respectivo. A través de la primera masa de relleno se puede conseguir una acción de obturación a través de contacto de presión, adhesión o unión por continuidad del material con la estructura plana del elemento de base respectivo, con otros materiales funcionales, como membrana, placa o lámina bipolar o elementos de estanqueidad o un elemento de base dispuesto adyacente. Además de la función de estanqueidad, la primera masa de relleno se puede emplear con preferencia para configurar estructuras definidas de canal y zonas de circulación dentro del plano del elemento de base. A través de una introducción de esta primera masa de relleno se puede conseguir también una compensación selectiva de diferencias de altura. Se puede aplicar por medio de rascador, impresión con tamiz de seda, impresión-3D, impregnación, dispensación, extrusión, soldadura térmica, ultrasonido o soldadura de alta frecuencia u otros procedimientos sobre la estructura plana o también se puede introducir en espacios huecos.

A través de la introducción de otras masas de relleno (abreviado: FM-2 a FM-4) directamente sobre o en la estructura plana de un elemento de base se pueden fabricar nuevos tipos de membranas integradas, electrodos y placas o bien láminas bipolares (ver a este respecto de forma ejemplar la figura 19 para una membrana integrada 2.1 de tipo nuevo, la figura 20 para un electrodo integrado 3.1 de tipo nuevo, la figura 21 para una placa o lámina bipolar integrada 6.1 de tipo nuevo).

Si se define el elemento de base superficialmente por secciones con una segunda masa de relleno FM-2, es decir, rellena en zonas determinadas, que es conductora de iones, selectiva de iones así como hermética al gas y al líquido, se pueden configurar estas zonas de un elemento de base en el sentido de una membrana semi-permeable

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conductora de iones. En la disposición de acuerdo con la invención de células electroquímicas, una segunda masa de relleno para la configuración de una membrana conductora de iones puede ser seleccionada a partir de celulosa, acetato de celulosa (CA), triacetato de celulosa (CTA), quitina, ciclodextrina, poliamida (PA), poliamidimida (PAI), poliacrilonitrilo (PAN), polibenzimidazol (PBI), poliéster (PES), óxido de polifenileno (PPO), policarbonato (PC), polieterimida (PEI), polietilenimina (PEI), poliimida (PI), polimetilmetacrilato (PMMA), polipropileno (PP), polisulfona (PSU), polietersulfona (PES), polifenilsulfona (PPsU), politetrafluoretileno (pTfE), Nafion (PTFE sulfonado), fluoruro de polivinilideno (PVDF), polieteretercetona (PEEK), polieteretercetona sulfonada (sPEEK), fluorenil polieteretercetona sulfonada (sFPEEKK), PAES Poliariletersulfona (PAES), poliarilentioéter, ácidos poliarilensulfonados, poliariletercetona (PAEK), poliariletercetona sulfonada (sPAEK), ácido polisulfónico fluorado (PFSA), polivinilpirrolidona (PVP), alcohol de polivinilo (PVOH), polidimetilsiloxano (PDMS) y polietileno tereftalato (PET), zeolita, carbono, óxido de aluminio (A^Oa), dióxido de titanio (TO2), óxido de circonio (ZrO2) y vidrio o una mezcla de ellos. Una segunda masa de relleno debería presentar en el estado relleno una conductividad iónica alta o conductividad de protones, una selectividad alta frente aniones y cationes definidos y una permeabilidad reducida para los componentes de los reactivos y productos de reacción. Se puede aplicar en una geometría superficial definida sobre la estructura superficial de un elemento de base, lo que se puede conseguir de la misma manera por medio de rascado, impresión con tamiz de seda, impresión-3D, impregnación, dispensación, prensado en caliente y otros procedimientos. Debería presentar/formar con la estructura superficial una estructura estable, con preferencia flexible. Con la estructura superficial se puede cumplir la función de una membrana de intercambio de iones.

Si se rellena un elemento de base por secciones con una tercera masa de relleno FM-3 de manera definida en la superficie, que es porosa, conductora de electricidad, permeable para los reactivos respectivos, con una superficie reactiva específica alta y actividad electroquímica alta para las reacciones principales y es estable en el estado relleno contra la corrosión, se puede conseguir la función de un electrodo. Una tercera masa de relleno para la configuración de electrodos se puede seleccionar de oro, partículas de carbono, partículas de grafito, fibras de carbono, fibras de grafito, fibras a base de celulosa, a base de poliacrilonitrilo (PAN), CNT funcionalizado con carboxi (nanotubitos de carbono), MWCNT (nanotubitos de carbono de varias paredes), grafeno, platino, partículas de platino que llevan carbono, titanio, óxidos de titanio, partículas de iridio, de rutenio o una mezcla de ellos. Se puede aplicar en una geometría plana definida sobre la estructura plana de un elemento de base, lo que se puede conseguir por medio de rascador, impresión con tamiz de seda, impresión-3D, impregnación, dispensación, pensado en caliente u otros procedimientos. Debería presentar con la estructura plana una estructura mecánicamente estable, con preferencia flexible. Con la estructura plana recubierta de manera correspondiente puede cumplir la función de un electrodo.

Con una masa de relleno de este tipo se puede configurar con preferencia una estructura superficial para la configuración de espacios huecos dentro de una célula electroquímica. De esta manera se pueden configurar, por ejemplo, canales de circulación para reactivo / electrolito, de manera que con ello se consigue una conducción optimizada de los reactivos/electrolitos a lo largo de las superficies de los electrodos. Además, existe la posibilidad de configurar con una tercera masa de relleno FM-3 una estructura superficial para la configuración de espacios huecos dentro de la célula electroquímica, que pueden ser atravesados por la corriente de reactivo, con lo que se puede conseguir una configuración sencilla de canales y de campos de flujo.

Si se rellena un elemento de base en la superficie por secciones con una cuarta masa de relleno FM-4 de manera definida, que es hermética al gas y al líquido frente a los componentes de los reactivos y es conductora de electricidad, se puede cumplir la función de una placa o lámina bipolar. Una cuarta masa de relleno puede presentar uno o varios polímeros y/o componentes metálicos y para la configuración de placas bipolares está seleccionada de oro, partículas de carbono, partículas de grafito, fibras de carbono, fibras de grafito, fibras a base de celulosa, a base de poliacrilonitrilo (PAN), CNT funcionalizado con carboxi (nanotubitos de carbono), MWCNT (nanotubitos de carbono de varias paredes), grafeno, platino, partículas de platino que llevan carbono, titanio, óxidos de titanio, partículas de iridio, de rutenio o una mezcla de ellos. Una cuarta masa de relleno debería presentar una conductividad eléctrica alta y debería ser estable en el estado relleno contra corrosión así como hermética al líquido y a la difusión frente a los componentes de reactivos y productos de reacción. Se puede aplicar con una geometría superficial definida sobre la estructura placa correspondiente de un elemento de base respectivo. Se puede aplicar con rascador, impresión con tamiz de seda, impresión-3D, impregnación, dispensación, pensado en caliente u otros procedimientos sobre la estructura plana. Debería formar con la estructura superficial respectiva un compuesto estanco hidráulicamente así como debería presentar una estructura mecánicamente estable, con preferencia flexible.

Una masa de relleno, que sólo está parcialmente reticulada, se puede reticular posteriormente a través de un procedimiento térmico u otro procedimiento. De esta manera, se puede fabricar un material compuesto a través de adhesión o unión por continuidad del material a la estructura plana, a materiales funcionales, materiales de estanqueidad o elementos de base vecinos.

También existe la posibilidad de proveer un elemento de base con al menos dos masas de relleno diferentes, que están configuradas entonces superpuestas y pueden formar en cada caso un elemento funcional. En este caso, éstos pueden ser los elementos funcionales membrana con electrodo o electrodo con placa o lámina bipolar. En esta forma, se puede reducir el gasto de fabricación. En este caso también existe la posibilidad de configurar, como ya se

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ha descrito, con una tercera masa de relleno una estructura superficial, que se puede utilizar entonces como canal / canales de circulación para reactivos / electrolitos a lo largo de la superficie de los electrodos.

En la disposición de acuerdo con la invención de células electroquímicas, al menos una célula electroquímica está formada con varios elementos de base superpuestos y conectados con sus zonas marginales exteriores de manera hermética a fluido, dos electrodos, respectivamente al menos dos conductos de entrada y salida así como al menos dos zonas que pueden ser atravesadas por la corriente para reactivos, en particular para dos electrolitos diferentes, que están en cada caso en contacto con uno de los dos electrodos. Evidentemente, también se pueden agrupar varias de tales células electroquímicas para formar una pila y a través de conexión eléctrica correspondiente se puede utilizar en tipo de construcción monopolar o bipolar una tensión eléctrica más alta.

Según el tipo de las células electroquímicas, se pueden emplear como reactivos electrolitos acuosos o electrolitos a base de disolventes orgánicos o líquidos iónicos o agua o alcoholes o hidrógeno, compuestos de hidrocarburos, oxígeno, mezcla de gases que contiene oxígeno o polímeros activos redox en disolventes orgánicos.

En una variante preferida, los canales de alimentación para reactivo pueden estar configurados de tal manera que se vacían por sí mismos cuando se para la bomba o el compresor. Esto tiene la ventaja de que se interrumpe la conexión conductora de iones de dos semicélulas de un circuito y se puede reducir o incluso se puede evitar la descarga automática durante la parada en una batería de flujo-Redox, como por ejemplo una batería electroquímica. La configuración de tales canales depende de la orientación de los elementos de base y de la dirección de la circulación del reactivo / electrolitos a través de la pila de células.

Otra ventaja consiste en que se pueden realizar vías de circulación definidas en zonas marginales de electrodos. En las zonas marginales de los electrodos existe, por ejemplo, el peligro de reacciones secundarias formadoras de gas durante la carga, puesto que el flujo de paso o bien la corriente volumétrica se reduce aquí a menudo, y se pueden configurar las llamadas "zonas muertas". Esto se puede evitar integrando el electrodo respectivo por todos los lados, en particular en los bordes laterales, en la estructura superficial de elementos de base. De esta manera, se puede conseguir una circulación alta segura en las zonas marginales. Además, condicionado por reacciones secundarias, pueden aparecer gases como por ejemplo hidrógeno y oxígeno en el electrodo, A través de la estructura útil de un elemento de base configurado de forma correspondiente se puede mejorar claramente la descarga de estos gases.

La figura 23 muestra un ejemplo para un electrodo 3.1 integrado con un elemento de base FE-14 con zonas marginales laterales que pueden ser atravesadas por la corriente de un elemento de base GE-11.

Para conseguir un ataque de la corriente uniforme de un electrodo, deberían estar presentes varios conductos de entrada y de salida 4 y 5 para reactivo/electrolito sobre la anchura de los electrodos en una semicélula. Para la reducción de las corrientes de derivación, se puede mantener una longitud mínima y un diámetro máximo de los conductos de entrada y salida. Para la configuración de estos canales con concebibles diferentes variantes. De forma ejemplar, aquí son posibles dos variantes. En una primera variante, a partir de un canal colector 18 se conducen varios canales individuales, que desembocan en diferentes lugares de la anchura de los electrodos en la zona de entrada. El número de los canales individuales es en este caso variable, pero siempre mayor que uno.

La figura 24 muestra un ejemplo para un elemento de base GE-3 con cuatro canales colectores 18 y canales de entrada y salida 4 y 5 múltiples.

En una segunda variante, a partir de varios canales colectores se conducen varios canales individuales, que desembocan en diferentes lugares de la anchura de los electrodos en la zona de entrada. De manera más ventajosa, todos los canales de entrada deberían tener la misma resistencia a la circulación para conseguir una distribución uniforme de la corriente volumétrica en la semicélula respectiva. Todos los canales individuales deberían presentar la misma resistencia iónica para conseguir una reducción al mínimo de las corrientes de derivación.

La figura 25 muestra un ejemplo para un elemento de base con varios canales colectores 18 y canales de entrada y salida 4 y 5 múltiples.

Si se emplean varios canales colectores 18, puede estar presenta una placa de distribución, que distribuye la corriente principal sobre los canales colectores 18. Puesto que la estructura de canal está constituida en planos, es posible también representar la zona de ataque de la corriente en varios planos. Esto es especialmente ventajoso para conseguir, cuando se emplean reactivos líquidos de baja viscosidad, como por ejemplo electrolitos no acuosos, una pérdida de presión reducida sobre la disposición de células, pudiendo incrementarse el área de la sección transversal recorrida por la corriente a través de una pila de varios elementos de base con estructuras de canal integradas. Además de una reducción al mínimo de las pérdidas de presión y de las corrientes de derivación se puede conseguir al mismo tiempo una distribución homogénea del reactivo sobre el (los) electrodo(s).

En la zona de la superficie de proyección hacia una membrana 2 se pueden configurar zonas, en parte, con aberturas y/o zonas, en parte, con al menos una masa de relleno, que está seleccionada a partir de las cuatro masas de relleno FM-1 a FM-4 explicadas anteriormente, con lo que se puede obtener con la membrana 2

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adyacente y el electrodo 3 o con el electrodo 3 adyacente y la placa/lámina bipolar 6 o con la membrana adyacente 2 y la placa/lámina bipolar 6 un campo de flujo, en el que se puede conducir reactivo / electrolito de manera definida entre electrodo 3 y membrana 2 o entre electrodo 3 y placa/lámina bipolar 6 o entre membrana 2 y plata/lámina bipolar 3.

La figura 26 muestra un ejemplo para un elemento de base con un ataque sencillo de la corriente y formas de realización ejemplares de estos campos de flujo en cuatro variantes. En este caso, a la derecha y a la izquierda de la línea de simetría B se muestra una conducción de la corriente en forma de meandro, que se puede conseguir a través de un llenado correspondiente con una masa de relleno FM-1 a FM-4.

Las variantes 1 a 4 en la figura 26 deben entenderse como variantes posibles, que comprenden, en general, toda la superficie de la zona 7 que puede ser atravesada por la corriente para reactivos y productos de reacción.

La figura 23 muestra un ejemplo de un electrodo 3.1 integrado en un elemento de base GR-11 con zonas marginales laterales que pueden ser atravesadas por la corriente.

Con las formas de realización de un elemento de base GE-11 a GE-19 se pueden definir subunidades para la configuración de semicélulas, células y pilas de células.

Según el tipo del campo de aplicación se puede adaptar la funcionalidad de los elementos de base individuales. La secuencia del apilamiento de estos elementos de base depende de la misma manera de la aplicación. Es ventajoso mantener una simetría a lo largo de una línea de simetría A y/o B. De esta manera es posible configurar con un solo elemento de base con conductos de entrada y salida 4 y 5 definidos para reactivos y productos de reacción ambas semicélulas de una célula electroquímica, disponiendo un elemento de base girado en cada caso alrededor de 180° en el plano, con respecto al elemento de base vecino. De esta manera existe la posibilidad de poder hacer circular el reactivo respectivo de una manera uniforme sobre la superficie del electrodo 3 respectivo.

Una primera subunidad, abreviado: UE-1, de una célula electroquímica representa la unidad de membrana 1, que se muestra en las figuras 4 y 27 en una vista en planta superior y en las figuras 5 y 28 en una vista en sección.

La primera variante de una unidad de membrana 1 (UE-1-1) está constituida en este caso por un conjunto de al menos dos elementos de base con abertura superficial en la zona central, como se representa en la figura 12 y con una membrana 2. La membrana 2 se integra entre estos dos elementos de base y se retiene con efecto de sujeción con estos elementos de base. La superficie de apoyo de la membrana 2 sobre los elementos de base respectivos sirve como superficie de contacto y se forma un conjunto hermético al líquido y al gas por medio de unión del material por aplicación de fuerza, unión adhesiva, unión por continuidad del material o una combinación de ellos. De esta manera es posible insertar la membrana de manera hermética al líquido y al gas tanto en el plano-xy como también perpendicularmente al mismo en la zona marginal exterior. La zona de un elemento de base gE-12 se puede conectar independientemente de la membrana 2 con otros elementos de base. De esta manera, es posible conectar los elementos de base de manera hermética al líquido y al gas, tanto en el plano-x-y como también perpendicularmente a él. La figura 27 muestra una vista en planta superior y la figura 28 muestra una vista en sección de esta forma de realización de una unidad de membrana 1 como UE-1-1. Tal unidad de membrana 1 es, por lo tanto, hermética al líquido y al gas en sí y se puede procesar fácilmente como unidad compuesta.

De acuerdo con la variante UE-1-1 se forma una unidad de membrana 1 como subunidad UE-1-2, que está constituida por un conjunto de al menos dos elementos de base sin interrupción superficial en la zona central, como se representa en la figura 2 y una membrana 2. Además de la configuración de un conjunto hermético a fluido con los dos elementos de base en la zona marginal exterior, la membrana 2 está engastada a ambos lados por una estructura plana de un elemento de base.

La figura 4 muestra una vista en planta superior y la figura 5 muestra una vista en sección de esta forma de realización de una unidad de membrana 1 como subunidad UE-1-2. En este caso, de acuerdo con la representación inferior, se conectan entre sí dos elementos de base GE-12 y la membrana 2 por medio de la unión 20 por continuidad del material en el borde exterior.

En esta variante UE-1-2, la estructura de la figura superficial de uno o varios elementos de base en la zona que puede ser atravesada por la corriente puede favorecer la distribución del fluido entre la membrana 2 y el electrodo 3, perturbando al menos parcialmente la capa límite laminar, que está presente en la membrana 2 para el reactivo respectivo.

Esta variante de una subunidad UE-1-2 puede presentar de acuerdo con la configuración de elementos de base según la figura 26 zonas rellenas en zonas parciales FM-1 a FM-4 o bien zonas con aberturas, que cumplen esencialmente la función de campos de flujo y sirven para la mejora de la distribución de la concentración del reactivo / electrodo respectivo entre la membrana 2 y el electrodo 3 y dentro del electrodo 3. De esta manera resultan otras variantes de configuración.

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Pero todas las variantes descritas pueden contener también una membrana 2.1 integrada de tipo nuevo, que está formada con un elemento de base GE-13, como se representa en la figura 19, y que se puede emplear en el lugar de la membrana 2.

Así, por ejemplo, una membrana 2 o una membrana 2.1 integrada en otro elemento de base pueden estar integradas por aplicación de fuerza o por continuidad del material de forma hermética a fluido en la zona marginal exterior entre dos elementos de base, con lo que se forma una unidad de membrana 1.

Por medio de estampación u otros procedimientos, después de la fabricación de la unidad de membrana 1, se pueden configurar aberturas en todos los elementos de base GE-X, para obtener canales colectores 18, ayudas de posicionamiento 9 así como alojamientos 10 para una fijación mecánica. Una disposición posible de estas aberturas se deduce a partir de la figura 10.

Así, por ejemplo, se puede incorporar una membrana 2 o una membrana 2.1 integrada en otro elemento de base por aplicación de fuerza o por continuidad del material de manera hermética a fluido en la zona marginal exterior entre dos elementos de base, con lo que se forma una unidad de membrana 1. Al menos una unidad de membrana 1 y al menos una unidad de placas bipolares de electrodos 15 pueden formar un conjunto hermético a fluido y en este caso la unidad de membrana 1 y la unidad de placas bipolares de electrodos 15 pueden estar dispuestas directamente superpuestas y conectadas por aplicación de fuerza o por continuidad del material, de manera que se forma una unidad de placas bipolares de electrodos y membrana 15. Las dos últimas posibilidades mencionadas se pueden emplear especialmente en células de combustible o para electrolisis.

Para la fabricación de una membrana 2.1 integrada de tipo nuevo de acuerdo con la descripción según el elemento de base GE-13 se puede recurrir a un plástico conductor de iones, que representa la estructura superficial de un elemento de base. Esta estructura superficial conductora de iones debería presentan en este caso grupos funcionales aniónicos o catiónicos. El material puede corresponder, por ejemplo, al de una segunda masa de relleno FM-2.

Otra variante de una subunidad, abreviado: UE-2, puede representar una unidad de placas bipolares de electrodos.

La unidad de placas bipolares de electrodos obtenida de esta manera puede estar representada por un conjunto de al menos dos elementos de base, respectivamente, con una abertura superficie en la zona central de estos elementos de base, como se representa en la figura 12 y puede estar formada por una placa bipolar o bien lámina bipolar 6. La placa bipolar o bien lámina bipolar 6 se integra en este caso entre estos dos elementos de base en la zona de la abertura superficial. La superficie de apoyo de la placa bipolar o bien lámina bipolar 6 sobre los elementos de base respectivos en la zona rellena se lleva a un conjunto hermético al líquido y al gas. De esta manera, es posible engastar la placa bipolar o bien la lámina bipolar de forma hermética a líquido y a gas tanto en el plano-x-y como también perpendicularmente al mismo. Para compensar el espesor de la placa bipolar o bien de la lámina bipolar en la zona rellena de uno o varios elementos de base, se puede emplear o bien otro elemento de base con abertura superficial o un material de estanqueidad. La zona de un elemento de base GR-12 se puede conectar con otros elementos de base independientemente de la placa bipolar o bien de la lámina bipolar. De esta manera, es posible conectar los elementos de base de una manera hermética al líquido y al gas tanto en el plano-x-y como también perpendicularmente a él. En la zona de las aberturas superficiales de los elementos de base se emplazan en cada caso los electrodos.

Una vista en planta superior de una unidad de placas bipolares de electrodos 15 se representa en la figura 1 y una vista en sección en la figura 15. En este caso, los elementos de base GE-12 así como la placa o lámina bipolar están conectados entre sí con una unión 20 por continuidad del material.

A través de la selección del espesor d de los elementos de base y del número z de los elementos de base por semicélula de células electroquímicas se puede realizar un ajuste selectivo del espesor de los electrodos de una manera específica de las semicélulas. Además, a través de la adaptación del electrodo no prensado con el espesor total de la semicélula d HZ = n GE * z GE se puede conseguir un prensado definido del electrodo de una manera específica de las semicélulas. De este modo se definen la permeabilidad y la conductividad eléctrica del electrodo así como la resistencia del contacto eléctrico entre la placa bipolar o bien la lámina bipolar y el electrodos. Una vista en sección de una unidad de placas polares y electrodos 15, respectivamente, con dos elementos de base según la figura 12 para el alojamiento de un electrodo 3 se muestra en la figura 29.

El electrodo 3 o bien puede ser pensado por una fuerza de presión de apriete sobre la placa bipolar o bien la lámina bipolar 6, o puede ser aplicado por adhesión o por medio de unión por continuidad del material sobre la placa bipolar o bien la lámina bipolar 6. Adhesivos conductores de electricidad o procedimientos de unión térmica son procedimientos conocidos, que se pueden utilizar a tal fin. En otra variante UE-2-2, la plata bipolar o bien la lámina bipolar 6 pueden de una subunidad UE-2-1 puede estar sustituida por una lámina bipolar 6.1 integrada, que está constituida por un elemento de base GE-15, cuya zona media superficial está rellena con una segundas masa de relleno FM-4.

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En otra variante de una subunidad UE-2-3, el electrodo 3 de una subunidad UE-2-1 puede estar sustituido por un electrodo 3.1 integrado de tipo nuevo, que está formado por un elemento de base GR-14, cuya zona media superficial está rellena con una tercera masa de relleno FM-3.

En otra variante de una subunidad UE-24, tanto la placa bipolar o bien la lámina bipolar 6 de una subunidad UE-1-2 puede estar sustituido por una lámina bipolar 6.1 integrada de tipo nuevo según el elemento de base GE-15, es decir, que también el elemento 3 de una subunidad UE-2-1 puede estar sustituido por un electrodo 3.1 integrado de tipo nuevo según el elemento de base GR-14.

En otra variante de una subunidad UE-2-5, la placa bipolar o bien lámina bipolar 6.1 y el electrodo 3.1 se pueden aplicar en cada caso exclusivamente a través de una masa de relleno sobre el mismo elemento de base. De esta manera se forma un elemento funcional, que está constituido por tres capas, a saber, electrodo 3.2, placa/lámina bipolar 6.2 y electrodo 3.2. Una placa bipolar o bien lámina bipolar integrada 6.2 se forma con un elemento de base GE-15, que está relleno en la zona media superficial con una cuarta masa de relleno FM-4. Sobre esta masa de relleno se aplica en ambos lados una tercera masa de relleno del electrodo FM-3. Las capas están conectadas entre sí en unión por continuidad del material. De esta manera resulta con ventaja una resistencia mínima de contacto eléctrico entre las capas individuales. Con preferencia, la tercera masa de relleno FM-3 configura una estructura superficial, que se puede utilizar como canal/canales de circulación para reactivos / electrolitos a lo largo de la superficie de los electrodos. Una vista en sección de la variante de una subunidad UE-2-5 se representa en la figura 33.

Por medio de estampación u otros procedimientos se configuran, después de la fabricación de la unidad de placas polares y electrodos, unas aberturas en todos los elementos de base GE-X, para obtener canales colectores 18, ayudas de posicionamiento 9 así como alojamientos 10 para una fijación mecánica. Una disposición posible de estas aberturas se deduce a partir de la figura 10.

Para la fabricación de una lámina bipolar de tipo nuevo y de electrodo de tipo nuevo se puede recurrir a una estructura fibrosa o porosa a base de carbono, grafito, fibras de carbono, fibras de grafito o fibras de vidrio, una zeolita, óxido de aluminio (A^Oa), dióxido de titanio (TiO2) y/u óxido de circonio (ZrO2), que representa la estructura superficial de un elemento de base.

Al menos otro elemento de base con conductos de entrada y salida definidos para el reactivo / electrolito y productos de reacción puede cerrar de forma complementaria la unidad de placas bipolares y electrodos. Esta forma de realización se puede configurar en la zona superficial que puede ser atravesada por la corriente de acuerdo con los ejemplos para los elementos de base según la figura 26.

Una tercera variante de una subunidad (abreviado: UE-3) puede representan una unidad de electrodos y membrana. Ésta se puede formar en una primera variante de una subunidad UE-3-1 sobre una unidad de membrana 1, aplicando en la zona no rellena de una subunidad UE-1-2 una tercera masa de relleno FM-3 y resultando de esta manera un electrodo que puede ser rebosado o atravesado por la corriente de reactivo / electrolito. De esta manera, se forma una estructura de capas, que está constituida por electrodo, membrana electrodo. Con preferencia, la tercera masa de relleno FM-3 configura una estructura superficial, que se puede utilizar como canal / canales de circulación para reactivos / electrolitos a lo largo de la superficie de los electrodos. Una vista en sección de esta variante de una subunidad UE-3-1 se representa en la figura 30.

En una variante UR-3-2 se aplica sobre una membrana de tipo nuevo integrada en un elemento de base GE-13 de una segunda masa de relleno FM-2 a ambos lados en cada caso al menos un elemento de base GR-14 con un electrodo 3.1 de tipo nuevo integrado de una tercera masa de relleno FM-3. De esta manera, esta unidad está constituida por al menos tres elementos de base. Con preferencia, las capas están conectadas entre sí por continuidad del material. La conexión de elementos de base se realiza de acuerdo con la descripción anterior.

En una variante de una subunidad UE-3-3 se aplica sobre una membrana 2.1 de tipo nuevo integrada en un elemento de base GR-13, que está formada con la masa de relleno FM-2, ambos lados una tercera masa de relleno FM-3. Por lo tanto, se trata de una unidad con un solo elemento de base. Las capas están unidas entre sí con preferencia por continuidad del material. Con preferencia, la tercera masa de relleno FM-3 configura una estructura superficial, que se puede utilizar como canal / canales de circulación para reactivos / electrolitos a lo largo de la superficie del electrodo.

En una variante de una subunidad UE-3-4, se construye sobre una unidad de membrana, aplicando sobre la membrana como subunidad UE-1-1 a ambos lados una tercera masa de relleno FM-3 y de esta manera resulta un electrodo que puede ser atacado o atravesado por la corriente de reactivo / electrolito. De esta manera se forma un elemento funcional, que está constituido por tres capas, a saber, electrodo, membrana, electrodo. Las capas están unidas entre sí por continuidad del material. De esta manera resulta con ventaja una resistencia mínima de contacto eléctrico entre las capas individuales. Con preferencia, la tercera masa de relleno FM-3 configura una estructura superficial que se puede utilizar como canal / canales de circulación para reactivos / electrolitos a lo largo de la

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superficie de los electrodos. Una vista en sección de esta variante de una subunidad UE-3-4 se representa en la figura 31.

En una variante de una subunidad UE-3-5, se construye sobre una unidad de membrana 1, aplicando sobre la membrana 2 de una subunidad UE-1-1 a ambos lados una tercera masa de relleno FM-3 y de esta manera resulta un electrodo 3.2 que puede ser atacado por la corriente de reactivo / electrolito 3.2. Otra tercera masa de relleno FM- 3 se aplica en ambos lados sobre el electrodo resultante para configurar una capa abierta a la difusión para reactivo / electrolito. De esta manera, se forma un elemento funcional, que está constituido por cinco capas, a saber, capa de difusión 19, electrodo 3, membrana 2, electrodo 3, capa de difusión 19. Las capas están unidas entre sí por continuidad del material. De esta manera resulta con ventaja una resistencia mínima de contacto eléctrico entre las capas individuales. Una vista en sección de esta variante uE-3-5 se representa en la figura 32.

Las variantes de las subunidades UE-3-4 y UE-3-5 se pueden construir naturalmente en lugar de la subunidad UR-1- 1 también sobre una membrana 2.1 integrada en un elemento de base GR-13 de una segundas masa de relleno FM- 2. De esta manera resulta otra variante UE-3-6 para una estructura de tres capas, que se representa en la figura 34 y una variante UE-3-7 para una estructura de cinco capas que se representa en la figura 35.

Por medio de estampación u otros procedimientos, después de la fabricación de la unidad de electrodos y membrana se configuran aberturas en todos los elementos de base GE-X, para obtener canales colectores 18, ayudas de posicionamiento 9 así como alojamientos 10 para una fijación mecánica. Una disposición posible de estas aberturas se deduce a partir de la figura 10.

Al menos otro elemento de base con conductos de entrada y salida definidos para reactivo / electrolito y productos de reacción puede cerrar de forma complementaria la unidad de electrodos y membrana. Esta forma de realización se puede configurar en la zona superficial que puede ser atravesada por la corriente de acuerdo con los ejemplos para elementos de base según la figura 26.

Una cuarta variante de una subunidad (abreviado: UE-4) puede representar una unidad de placas polares de campo de flujo 16. Ésta puede estar formada en una primera variante uE-4-1 por un conjunto de al menos dos elementos de base, como se representa en la figura 26 y una placa bipolar o bien lámina bipolar 6. En este caso, el campo de flujo se puede configurar a través de la introducción de una cuarta masa de relleno FM-4 en la zona media no rellena de los elementos de base. De esta manera resultan, como se representa en la figuras 26, unas estructuras de canal que pueden ser atravesadas por la corriente de reactivos. En este caso, la placa / lámina bipolar 6 está en contacto aplicación de fuerza o por continuidad del material con la tercera masa de relleno FM-3. La placa bipolar o bien la lámina bipolar 6 se incorpora en este caso entre estos dos elementos de base. La superficie de apoyo de la placa bipolar o bien de la lámina bipolar 6 sobre los elementos de base respectivos en la zona rellena se lleva a una unión hermética al líquido y hermética al gas. De esta manera es posible engastar la placa bipolar o bien la lámina bipolar 6 de manera hermética al líquido y hermética al gas, tanto en el plano-x-y como también perpendicularmente a l mismo. Para compensar el espesor de la placa bipolar o bien de la lámina bipolar 6 en la zona rellena de uno o varios elementos de base, o bien se puede emplear otro elemento de base con abertura plana o un material de estanqueidad. La zona de un elemento de base GE-12 se puede conectar con otros elementos de base independientemente de la placa bipolar o bien de la lámina bipolar. De esta manera es posible conectar los elementos de base de manera hermética al líquido y al gas, tanto en el plano-x-y como también perpendicularmente al mismo.

En una variante UE-4-2 se aplica sobre una placa o lámina bipolar 6.1 integrada de tipo nuevo como elemento de base GR-15 a ambos lados una cuarta masa de relleno FM-4, de tal manera que resulta una estructura de canales que corresponde a la figura 26 y de esta manera resulta un campo de flujo que puede ser atravesado por la corriente de reactivo / electrolito. De este modo se forma un elemento funcional que está constituido de tres capas, a saber, campo de flujo, placa / lámina bipolar 6.1, campo de flujo. Las capas están unidad entre sí por continuidad del material. De esta manera resulta con ventana una resistencia mínima de contacto eléctrico entre las capas individuales.

Por medio de estampación u otros procedimientos, después de la fabricación de la unidad de campo de flujo-placa bipolar, se pueden configurar aberturas en todos los elementos de base GE-X, para obtener canales colectores 18, ayudas de posicionamiento 9 así como alojamientos 10 para una fijación mecánica. Una disposición posible de estas aberturas se deduce a partir de la figura 10.

Una quinta variante de una subunidad (abreviado: UE-5) representa una unidad de placas bipolares-electrodos- membrana. Una unidad de placas bipolares-electrodos-membrana puede estar formada por al menos una unidad de membrana 1 y una unidad de placas bipolares-electrodos 15, o por una unidad de electrodos-membrana y una lámina bipolar 6, o por una unidad de electrodos-membrana y una unidad de placas bipolares-campo de flujo, que se colocan directamente superpuestas.

Las superficies de contacto de las unidades individuales se llevan por aplicación de fuerza o por continuidad del material a un conjunto hermético al gas y hermético al líquido (hermético hidráulico). Una unidad formada con una

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unidad de placas bipolares-electrodos 15 y una unidad de membrana se puede emplear especialmente para células de combustible o un electrolito. Por lo tanto, a partir de varias subunidades UE-5 de este tipo se pueden combinar números de células discrecionales en forma de conjuntos de células o pilas. La última semicélula respectiva termina con un colector de corriente 12 y una placa 14, que pueden ser prensados en cada caso mecánicamente entre sí. Un colector de corriente 12 puede ser una placa bipolar 6, en la que se puede tomar o alimentar la tensión eléctrica a través de un contacto.

Las variantes de las subunidades UE-1, UE-2, UE-3,UE-4 y UE-5 representan grupos constructivos especialmente adecuados para el proceso de montaje, que pueden ser en cada caso herméticos en si hidráulica / reumáticamente y herméticos a la difusión. Además, cada subunidad se puede manipular como grupo de construcción cerrado fácilmente en un proceso de montaje. Además, se puede reducir la fuerza de presión de apriete necesaria para la pila de células, puesto que la acción de estanqueidad se puede realizar por continuidad del material y no o al menos sólo parcialmente a través de prensado.

A partir de las subunidades UE-1 a UE-5 se pueden fabricar conjuntos de células herméticas a fluido y herméticas a difusión con un número definido de células.

Estos conjuntos de células pueden formar de nuevo grupos de construcción nuevos para el proceso de montaje, que se pueden premontar y verificar antes del montaje propiamente dicho de las pilas de células. En el caso de un defecto de una célula electroquímica se puede realizar la sustitución de esta célula a través de una sustitución del conjunto de células, al que pertenece esta célula electroquímica. Así, por ejemplo, una pila de células puede estar constituida por 100 células individuales de cinco conjuntos de células, respectivamente, que pueden presentar en cada caso veinte células individuales en la configuración de las variantes de subunidades UE-1, UE-2, UE-3, UE-4, UE-5.

De esta manera se simplifica esencialmente el montaje de una pila, puesto que se reduce en gran medida el número de las piezas individuales y se pueden definir los ajustes de la membrana 2, de la placa bipolar o bien de la lámina bipolar 6 y del electrodo 3 ya a través de las subunidades UE-1 a UE-5.

Es ventajoso que en un conjunto de células todas las células individuales se puedan conectar eléctricamente en serie y en cuanto al fluido en serie o con preferencia paralelas entre sí. Si se conectan dos conjuntos de células entre sí, éstos se pueden conectar eléctricamente en serie y en cuanto al fluido en serie o con preferencia paralelos entre sí.

Entre dos conjuntos de células, que están conectados hidráulicamente entre sí, se puede incorporar al menos un elemento de base (GE-X) o una subunidad (UE-Z), que conectan los canales colectores de productos de reacción 18 de estos conjuntos de células entre sí en cada caso a través de un canal, que está configurado de tal manera que se reducen las corrientes de derivación en los conductos en los que se conduce un reactivo / producto de reacción. De esta manera, se puede conseguir una distribución uniforme de la corriente volumétrica sobre las zonas atacadas o atravesadas por la corriente. Los canales colectores de reactivo y/o de producto de reacción están conectados en cada caso en al menos una entrada y salida.

De esta manera, es posible definir diferentes configuraciones de disposiciones de cascadas. Con el concepto propuesto es posible realizar, de acuerdo con la disposición en cascada, las subunidades individuales en diferentes variantes.

De este modo, se pueden configurar sistemas de dos depósitos y de cuatro depósitos con electrolitos en baterías de flujo-Redox. En el caso de un sistema de dos depósitos se extrae el reactivo / electrolito desde un depósito de reserva y se conduce a la pila de células. Después de la reacción de las especies activas de los electrolitos en la pila de células con un rendimiento entre aproximadamente 5 % y 60 %, se conduce el electrolito de nuevo al mismo depósito de reserva. Puesto que el anolito y el catolito se pueden conducir, respectivamente, en circuitos separados, se necesitan dos depósitos para un sistema completo. En el caso de un sistema de cuatro depósitos, se extrae el electrolito desde un depósito de reserva y se conduce a la pila de células. Después de la reacción de las especies activas de los reactivos / electrolitos en la pila de células con un rendimiento entre 60 % y 100 %, se conduce el electrolito a un segundo depósito. Puesto que el anolito y el catolito se conducen en cada caso en circuitos separados, se necesitan entonces cuatro depósitos para un sistema completo. En sistemas de cuatro depósitos, se carga uno de los electrolitos con una sola pasada a través de la pila de células de 0 % a 100 % de grado de carga y se descarga de 100 % a 0 %.

Para la configuración de disposiciones de cascada dentro de la pila de células se pueden optimizar conjuntos de células individuales con respecto a las trayectoria de la circulación, a las propiedades del material de la membrana, electrodo y placa bipolar o lámina bipolar sobre el plano de las subunidades para una zona de grado de carga correspondiente. Esto puede ser ventajoso precisamente para el empleo en sistemas de cuatro depósitos, puesto que se pretenden rendimientos muy altos. Se conoce que las propiedades del reactivo/electrolito, como viscosidad, conductividad eléctrica y valor-pH don dependientes de las concentraciones de las especies activas y, por lo tanto,

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dependen del grado de carga respectivo. Las pérdidas de tensión eléctrica a través de pérdidas-IR y sobretensión dependen de la misma manera de las concentraciones de las especies activas y, por lo tanto, del grado de carga.

Indicación del espesor preferido para el empleo en baterías de flujo-Redox:

Elementos de base: Membrana:

Electrodos:

Placas / laminas bipolares: Elementos de estanqueidad: Masas de relleno:

10 |jm a 2 mm 10 jm a 500 jm 5 jm a 5 mm 50 jm a 1 mm 50 jm a 1 mm 10 jm a 2,5 mm

En resumen, se pueden agrupar las siguientes ventajas de la disposición de acuerdo con la invención de células electroquímicas y del diseño de la pila frente al estado de la técnica:

El concepto de célula y de pila propuesto de acuerdo con la invención se caracteriza por costes reducidos de fabricación y de producción, en particular al prescindir de una bastidor de acuerdo con el estado de la técnica. Se utiliza una estructura de una figura superficial como elemento de base, que se puede procesar posteriormente a través de un “proceso de rollo a rollo” en unidades de membrana, unidades de electrodos- membrana y unidades de placas bipolares-electrodos de unidades de placas bipolares-campos de flujo. Esto diferencia el concepto propuesto esencialmente de los conceptos de acuerdo con el estado de la técnica. Otra ventaja esencial es la posibilidad se construir variantes de subunidades, que simplifican esencialmente el proceso de montaje. El número de las unidades a construir se puede reducir de esta manera claramente.

De esta manera, se puede proporcionar una arquitectura de células y de pilas que requiere, en comparación con la fundición por inyección o con procedimientos por arranque de virutas, unas inversiones iniciales esencialmente más reducidas para la fabricación de series pequeñas. Precisamente los altos costes de inversión para máquinas y herramientas para la fabricación de pilas de células de acuerdo con el estado de la técnica representan actualmente una barrera alta de entrada en el mercado para convertidores electroquímicos, en particular para la tecnología de flujo-Redox.

Además, se pueden aplicar optimizaciones con respecto a la densidad de los electrodos y la compresión de los electrodos fácilmente en el concepto de célula. Adicionalmente se puede conseguir un desacoplamiento de la permeabilidad del electrodo y la pérdida de presión sobre la célula electroquímica respectiva a través de zonas que pueden ser atravesadas por la corriente que se pueden definir libremente entre membrana y electrodo o entre electrodo y placa o lámina bipolar. Esto es especialmente ventajoso para la homogeneización del reactivo y la concentración del producto de reacción sobre toda la superficie de los electrodos y, por lo tanto, para una homogeneización de la distribución de la densidad de la corriente eléctrica. Por lo tanto, el concepto es apropiado para construir pilas de células de superficie grande con altas densidades de potencia y de corriente eléctrica. El concepto de células posibilita la construcción de pilas de células con membranas, electrodos y placas bipolares o bien láminas bipolares y de esta manera se puede emplear con ventaja para una serie de disposiciones de células electroquímicas/convertidores, como célula de combustible, electrolizador o batería de flujo-Redox.

Entre dos conjuntos de células, que están conectadas hidráulicamente entre sí, puede estar incorporado un elemento de base (GE-X) o una subunidad (UE-Z), que conectan entre sí los canales colectores de reactivo 18 y/o los canales colectores de producto de reacción 18 de estos conjuntos de células, respectivamente, a través de un canal, que está configurado de tal forma que se reducen las corrientes de derivación en los conductos, en los que se conduce un reactivo / producto de reacción. De esta manera se puede conseguir una distribución uniforme de la corriente volumétrica sobre las zonas que pueden ser atacadas o atravesadas por la corriente. Los canales colectores de reactivo y/o de producto de reacción están conectados, respectivamente, en al menos un conducto de entrada y salida.

En elementos de base pueden estar configurados y dispuestos otras aberturas, de manera que al menos una conexión de fluido de semicélulas individuales de la disposición puede estar configurada como conducto de entrada y al menos una conexión de fluido de semicélulas individuales puede estar configurada como salida a través de aberturas que se comunican entre sí de varios elementos de base y de esta manera se forma una estructura de distribución, a través de la cual se pueden conseguir una distribución uniforme del reactivo dentro de semicélulas individuales de una pila de células de varias células electroquímicas colocadas superpuestas así como un vaciado automático de una trayectoria de fluido y/o una descarga de gas.

Además, con una tercera masa de relleno FM-3 existe la posibilidad de configurar una estructura superficial para la configuración de espacios huecos dentro de una célula electroquímica, que pueden ser atravesados por la corriente de fluido, con lo que se puede conseguir una configuración sencilla de canales y campos de flujo.

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En elementos de base pueden estar configuradas otras zonas con preferencia con aberturas, que pueden formar con una tercera o cuarta masa de relleno FM-3 o FM-4 una estructura superficial conductora de electricidad para la configuración de un electrodo o está dispuesto allí.

De esta manera se puede proporcionar una arquitectura de células para convertidores electroquímicos, que posibilita una optimización de la densidad de potencia eléctrica, por una parte, y de los costes específicos, por otra parte, y permite una fabricación en masa industrial.

A continuación se explica en detalle la invención de forma ejemplar con la ayuda de ejemplos para la fabricación de una batería de flujo-Redox. No obstante, al menos algunos de los ejemplos descritos en este caso para elementos de base y subunidades se pueden emplear también en otros tipos de células electroquímicas. En este caso:

La figura 1 muestra un elemento de base para una unidad de membrana.

La figura 2 muestra el elemento de base de acuerdo con la figura 1 con una primera masa de relleno FM-1 aplicada y/o introducida en el borde exterior.

La figura 3 muestra el elemento de base de acuerdo con la figura 2 con membrana conductora de iones colocada encima.

La figura 4 muestra un segundo elemento de base con primera masa de relleno en el borde exterior, que se coloca sobre la disposición según la figura 3 y se conecta con ésta por continuidad del material y de esta manera forma la unidad de membrana 1.

La figura 5 muestra en una representación en sección los dos elementos de base conectados entre sí, que incluyen la membrana conductora de iones, de acuerdo con las figuras 3 y 4.

La figura 6 muestra una vista en planta superior sobre el elemento de base con conducto de entrada y salida así como una zona que puede ser atravesada por la corriente de electrolito.

La figura 7 muestra una vista en planta superior sobre un elemento de base que se puede colocar, girado alrededor de 180°, sobre un elemento de base de acuerdo con la figura 5.

La figura 8 muestra los dos elementos de base con canales de circulación de acuerdo con las figuras 6 y 7, que están dispuestos en la unidad de membrana de acuerdo con la figura 5 y están conectados con ésta por continuidad del material en la zona marginal exterior.

La figura 9 muestra una representación en sección de una unidad de membrana con dos elementos de base para el ataque de la corriente y la distribución de la circulación de acuerdo con las figuras 6, 7.

La figura 10 muestra una vista en planta superior sobre un elemento de base con varias aberturas en la zona marginal exterior.

La figura 11 muestra una vista en planta superior sobre un elemento de base con abertura central para el alojamiento de un electrodo para la configuración de una unidad de placas bipolares-electrodos.

La figura 12 muestra el elemento de base según la figura 11, que está relleno en la zona marginal exterior con primera masa de relleno FM-1.

La figura 13 muestra el elemento de base de acuerdo con la figura 12 con lámina bipolar colocada encima, que se conecta con ésta por continuidad del material.

La figura 14 muestra una vista en planta superior de una unidad de lámina bipolar-electrodos que está constituida por la disposición de la figura 13 con conexión por continuidad del material con el elemento de base y con la lámina bipolar así como con electrodo colocado en ambos lados.

La figura 15 muestra una representación en sección a través de la unidad de lámina bipolar-electrodos según la figura 14 con lámina bipolar conectada por continuidad del material, electrodos y elementos de base.

La figura 16 muestra una representación en sección a través de una pila de células constituida con varias células electroquímicas.

La figura 17 muestra un fragmento de un elemento de base de este tipo con su estructura porosa, una zona rellena con una masa de relleno así como con una abertura en esta zona.

La figura 18 muestra un elemento de base con su estructura básica porosa en canales de entrada y salida y con una zona central de circulación (GE-11), una zona marginal rellena con una primera masa de relleno con efecto de estanqueidad (GE-12) así como aberturas en esta zona.

La figura 19 muestra un elemento de base con una zona marginal rellena con una primera masa de relleno con efecto de estanqueidad así como con una zona central rellena con una segunda masa de relleno para la configuración de una membrana.

La figura 20 muestra un elemento de base con una zona marginal rellena con una primera masa de relleno, con efecto de estanqueidad así como con una zona central rellena con una tercera masa de relleno para la configuración de un electrodo.

La figura 21 muestra un elemento de base con una zona marginal rellena con una primera masa de relleno con efecto de estanqueidad así como con una zona central rellena con una cuarta masa de relleno para la configuración de una placa o lámina bipolar.

La figura 22 muestra un ejemplo para las formas de realización GE-17, GE-18, GE-19 de un elemento de base.

La figura 23 muestra un ejemplo para un electrodo integrado (GE-14) con zonas marginales laterales que pueden ser atravesadas por la corriente.

La figura 24 muestra un ejemplo para un elemento de base con un canal colector y varios canales de entrada y salida.

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La figura 25 muestra un ejemplo para un elemento de base con varios canales colectores y una pluralidad de canales de entrada y salida para un lado de semicélulas, en la que no se representa el segundo lado de semicélulas.

La figura 26 muestra un ejemplo para un elemento de base con una corriente de ataque sencilla y formas de realización ejemplares de estos campos de flujo en cuatro variantes.

La figura 27 muestra una vista en planta superior de una forma de realización de una unidad de membrana.

La figura 28 muestra una representación en sección de la unidad de membrana de acuerdo con la figura 27.

La figura 29 muestra una vista en sección de una unidad de placa bipolar-electrodos, respectivamente, con dos elementos de base de acuerdo con la figura 12 para el alojamiento de un electrodo.

La figura 30 muestra un ejemplo de una subunidad con una estructura de capas, que está constituida por electrodo, membrana, electrodo.

La figura 31 muestra un ejemplo de una subunidad, en la que tres capas forman un electrodo, una membrana y un electrodo.

La figura 32 muestra un ejemplo de una subunidad con cinco capas, que forman una capa de difusión, un electrodo, una membrana, un electrodo y una capa de difusión.

La figura 33 muestra un ejemplo de una subunidad en una representación en sección con tres capas, a saber, un electrodo, una placa/lámina bipolar y un electrodo; en la que con una tercera masa de relleno FM-3 está configurada una estructura superficial, que se puede utilizar como canal/es de circulación para reactivos/electrolitos a lo largo de la superficie de los electrodos.

La figura 34 muestra otra variante de una subunidad UE-3-6 para una estructura de tres capas, y La figura 35 muestra una variante de una subunidad UE-3-7 para una estructura de cinco capas.

Para la fabricación de una unidad de membrana 1 se pueden formar dos elementos de base según la subunidad UE- 1-2 sin abertura superficial, una membrana 2 de intercambio de iones de venta en el mercado, una conexión por continuidad del material 2 con ambos elementos de base.

Para la formación de una unidad de membrana 1 según UE-1-2 se inserta como estructura plana para un elemento de base GE-11 un tejido de polietileno con un espesor de 250 |im, que se muestra en la figura 1 en una vista en planta superior. El tejido está formado con fibras o hilos, entre los cuales están presentes espacios libres o espacios huecos.

Sobre este tejido de polietileno se aplica por medio de impresión con tamiz de seda una primera masa de relleno FM-1, que permite por medio de procedimientos de soldadura una unión por continuidad del material con la membrana y con otros elementos de base. Esto se muestra con la figura 2, en la que la zona marginal exterior está provista con la primera masa de relleno FM-1. En este caso, los espacios libres o espacios huecos están rellenos en esta zona con la primera masa de relleno FM-1.

Se coloca encima una membrana 2 conductora de iones y se une por continuidad del material con la primera masa de relleno FM-1. Esto se muestra en la figura 3.

Se coloca encima un segundo tejido de polietileno, como cuerpo de base con la primera masa de relleno FM-1 y se conecta de la misma manera por continuidad del material con la membrana 2 y con el primer tejido. De esta manera se termina la unidad de membrana 1. Todas las superficies de contacto entre las masas de relleno FM-1 de las zonas de los elementos de base GR-12 así como la membrana 2 son herméticas hidráulicamente y herméticas al gas. Esto se muestra en las figuras 4 y 5.

Para la fabricación de una unidad de membrana 1 con elementos de base adicionales para el suministro de fluido, para la realización de una circulación definida de entrada y de salida de electrolito de las semicélulas individuales, por cada semicélula se emplea en cada caso otro tejido como un elemento de base con zonas de circulación que tiene una forma representada en la vista en planta superior según la figura 6. Además, con zonas no provistas con la primera masa de relleno FM-1 se configuraron una entrada 4 y una salida 5 para reactivo y/o productos de reacción así como una zona 7 que puede ser atravesada por el reactivo, como se muestra, por ejemplo, en un elemento de base de acuerdo con la figura 10.

A través de una estructura simétrica se puede emplea este elemento de base para ambas semicélulas, girándolo alrededor de 180°.

Uno de estos elementos de base que se pueden emplear de esta manera se muestra en la figura 6. De manera correspondiente, la figura 7 muestra un elemento de base girado alrededor de 180°. Ambos tejidos de polietileno como elementos de base se unen entre sí sobre el lado superior y el lado inferior sobre la unidad de membrana 1 por continuidad del material en las zonas de las superficies de contacto de las zonas rellenas, como se muestra en la figura 8. De esta manera se configuran conductos de entrada y de salida 4 y 5 así como una zona de una semicélula que puede ser atravesada por la corriente.

En la figura 9 se muestra una vista en sección de la unidad de membrana 1 con elementos de base para el ataque de la circulación y la distribución de la circulación de reactivo.

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Por medio de estampación se configuran aberturas en elementos de base GE-X para obtener canales colectores 18, ayudas de posicionamiento 9 así como alojamientos 10 para una fijación mecánica. Una disposición posible de estas aberturas se deduce a partir de la figura 10.

Para la fabricación de una unidad de lámina bipolar-electrodos se pueden emplear dos elementos de base de acuerdo con las subunidades UE-2-1 con abertura plana, una lámina bipolar de compuesto de plástico-carbono así como una unión por continuidad del material de lámina bipolar a los elementos de base y entre dos elementos de base.

Para la formación de una unidad de lámina bipolar-electrodos UE-2-1 se emplea como estructura superficial para un elemento de base GR-16 un tejido de polietileno con un espesor de 1000 |im, que se muestra en la vista en planta superior en la figura 11.

Sobre este tejido de polietileno se aplica por medio de impresión con tamiz de seda una primera masa de relleno FM-1, que permite por medio de procedimientos de soldadura una unión por continuidad del material con la lámina bipolar. En este caso, los espacios libres y los espacios huecos del tejido del elemento de base están rellenos en la zona exterior al menos en la mayor medida posible, con preferencia totalmente con la primera masa de relleno FM-1, como se muestra esto en la figura 12.

Se aplica una lámina bipolar 6 conductora de electricidad y hermética hidráulica y reumáticamente y se une por continuidad del material con la primera masa de relleno FM-1 (figura 13).

Se coloca encima un segundo tejido de polietileno como elemento de base GE-16 con la primera masa de relleno FM-1 y se une de la misma manera por continuidad del material con la lámina bipolar 6 y con el primer elemento de base. Todas las superficies de contacto entre las primeras masas de relleno FM-1 de los dos elementos de base GE-16 así como la lámina bipolar 6 son herméticas hidráulicamente y herméticas al gas. En el alojamiento de los electrodos que resulta con las aberturas se introducen a ambos lados dos electrodos 3 con1,2 |im de espesor.

De esta manera, se termina la unidad de lámina bipolar-electrodos, como se muestra en las figuras 14 y 15.

Para la fabricación de pilas de células a escala técnica se pueden apilar de forma alterna la unidad de membrana 1 con distribución de la circulación y la unidad de lámina bipolar-electrodos 15 y se unen entre sí por continuidad del material y por aplicación de fuerza. Las células marginales representan semicélulas, que están conectadas eléctricamente en un colector de corriente 12, 12'. A través de canales colectores se conectan las células individuales en paralelo hidráulica/reumáticamente, que desembocan en conexiones eléctricas externas en la pila de células.

La representación siguiente de la figura 16 muestra de forma ejemplar una pila de células con dos células individuales (no se representa el suministro de reactivo / electrolito). A través de los colectores de corriente 12, 12' se puede alimentar y descargar corriente eléctrica en la pila de células.

Una disposición de fijación mecánica 13 proporciona una presión de apriete adicional de las placas de presión de apriete 14 en las células marginales. Solas o adicionalmente pueden estar presentes otras aberturas en elemento de base colocados superpuestos de una disposición de acuerdo con la invención, a través de las cuales se conduce un elemento como ayuda de posicionamiento.

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REIVINDICACIONES

1. - Disposición de células electroquímicas, en particular para el empleo en baterías de flujo-Redox, en la que al menos una célula electroquímica está formada con varios elementos de base (GE-X) colocados superpuestos y conectados de forma hermética a fluido con sus zonas marginales exteriores, dos electrodos (3, 3.1, 3.2), un separador o una membrana (2, 2.1), respectivamente, al menos dos conductos de entrada y de salida (4 y 5) así como al menos dos zonas, que pueden ser atravesadas por la corriente, para reactivos, que están, respectivamente, en contacto con uno de los dos electrodos (3, 3.1, 3.2), en la que los reactivos son agua, alcoholes, electrolitos acuosos o electrolitos a base de disolventes orgánicos o líquidos iónicos o hidrógeno, compuestos de hidrocarburos líquidos o gaseosos, oxígeno o una mezcla de gases que contiene oxígeno, caracterizada por que las células electroquímicas están formadas con elementos de base (GE-X) colocados superpuestos y los elementos de base (GE-X) son estructuras planas, que presentan una estructura de red o están formadas de un material poroso, en la que las células electroquímicas están conectadas de forma hermética a fluido en la zona marginal exterior exclusivamente por medio de elementos de base (GE-X) y una primera masa de relleno (FM-1), en la que la primera masa de relleno (FM-1) está introducida en espacios huecos, de manera que éstos están al menos casi totalmente rellenos, y no está presente ningún elemento de marco adicional y en los elementos de base (GE-X) están previstas zonas con al menos una masa de relleno (FM-Y), que configuran con un elemento de base (GE-X) una junta de estanqueidad, un separador o una membrana (2, 2.1), un electrodo (3, 3.1, 3.2), una placa bipolar o lámina (6, 6.1), en la que las zonas sin masa de relleno (FM-Y) funcionan como espaciadores y que son en y perpendicularmente al plano de elementos de base (GE-X) permeables a fluido para los reactivos y de esta manera configuran vías de flujo definidas para los reactivos y están presentes zonas con aberturas, que configuran conductos de entrada y salida (4 y 5) para fluidos así como estructuras de canales y de distribución (18) y las zonas (7) que pueden ser atravesadas por la corriente de reactivos o representan zonas con aberturas que representan alojamientos para materiales funcionales, como separador o membrana (2, 2.1), electrodos (3, 3.1, 3.2) que pueden ser atravesados o rebasados por la corriente así como placas o láminas bipolares (6, 6.1) o elementos funcionales.
2. - Disposición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que los elementos de base (GE-X) son estructuras planas, con estructura de base con preferencia polímera, como cañamazo, género de punto, tejido, artículos de malla, redes y/o materiales de poros abiertos y en este caso la zona marginal exterior está provista con una primera masa de relleno, que es hermética a fluido y en las zonas marginales exteriores forma una unión por aplicación de fuerza y/o unión del material con al menos otro elemento de base dispuesto en la superficie por encima o por debajo de este elemento de base y/o materiales o elementos funcionales.
3. - Disposición de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada por que un elemento de base (GE-X) está formado de un compuesto químico o material que están seleccionados de termoplásticos, especialmente polietileno (PE), poliéster (PET), polipropileno (PP), poliestireno (PS), polisulfona (PSU), cloruro de polivinil (PVC),plástico fluorado, en particular etileno-clorotrifluoretileno (E-CTFE), etileno-tetrafluoretileno (ETFE), tetrafluoretileno- perfluoropropileno (FEP), politetrafluoretileno (PTFE), fluoruro de polivinilideno (PVDF), un elastómero, duroplásticos, fibras de carbono, de grafito, de grafeno, de aramida, titanio, platino, acero y un compuesto de ellos.
4. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que en elementos de base (GE-X) están configuradas y dispuestas otras aberturas (18), en la que al menos un compuesto fluido de semicélulas individuales de la disposición está configurado como conducto de alimentación y al menos una conexión de fluido de semicélulas individuales está configurada como conducto de salida a través de aberturas que se comunican entre sí de varios elementos de base y de esta manera se forma una estructura de distribución, a través de la cual se pueden conseguir una distribución uniforme del reactivo dentro de semicélulas individuales de una pila de células de varias células electroquímicas colocadas superpuestas así como un vaciado automático de una trayectoria de fluido y/o una descarga de gas.
5. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que en elementos de base (GE-X) están presentes zonas sin masa de relleno u otra abertura, que forma a través de al menos otro elemento de base vecino y/o al menos un separador o una membrana (2, 2.1) y/o al menos una placa bipolar o lámina bipolar (6, 6.1) al menos una trayectoria de fluido definida como conducto de alimentación desde la estructura de distribución hacia un electrodo (3, 3.1, 3.2) para un reactivo y forma al menos una trayectoria de fluido definida como conducto de salida desde este electrodo (3, 3.1. 3.2) para la estructura de distribución y en este caso se puede conseguir un vaciado automático de la trayectoria de fluido y/o una descarga de gas.
6. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que al menos un elemento de base (GE-X) está dispuesto entre el electrodo (3, 3.1, 3.2) y separador o membrana (2, 2.1) o entre la placa bipolar o lámina bipolar (6, 6.1) y el electrodo (3, 3.1, 3.2), que no contiene ninguna masa de relleno en la superficie de proyección hacia este separador o esta membrana (2, 2.1) o electrodo (3, 3.1, 3.2) y de esta manera configura un intersticio definido en la distancia, que puede ser atravesado por la corriente de reactivo respectivo.
7. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que al menos dos elementos de base (GE-X), en los que estén configurados, respectivamente, al menos un conducto de entrada y un conducto de salida (4 y 5) así como aberturas que están en comunicación con éstos para la configuración de

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canales colectores (18) así como al menos una zona (7) que puede ser atravesada por la corriente de reactivo, y estos dos elementos de base (GE-X) están configurados simétricos alrededor de al menos un eje central y están dispuestos girados alrededor de 180° entre sí, están presentes en una célula electroquímica.
8. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que una primera masa de relleno (FM.1) para la configuración de un zona marginal exterior hermética a fluido está seleccionada de un elastómero, en particular caucho de etileno-propileno-terpolímero (EPDM), polímero fluorado (FPM/FKM), caucho de silicona (SI), de un termoplástico o de un plástico sólo parcialmente reticulado y/o

una segunda masa de relleno para la configuración de un separador o de una membrana puede ser seleccionada a partir de celulosa, acetato de celulosa (CA), triacetato de celulosa (CTA), quitina, ciclodextrina, poliamida (PA), poliamidimida (PAI), poliacrilonitrilo (PAN), polibenzimidazol (PBI), poliéster (PES), óxido de polifenileno (PPO), policarbonato (PC), polieterimida (PEI), polietilenimina (PEI), poliimida (PI), polimetilmetacrilato (PMMA), polipropileno (PP), polisulfona (PSU), polietersulfona (PES), polifenilsulfona (PPSU), politetrafluoretileno (PTFE), Nafion (PTFE sulfonado), fluoruro de polivinilideno (PVDF), polieteretercetona (PEEK), polieteretercetona sulfonada (sPEEK), fluorenil polieteretercetona sulfonada (sFPEEKK), PAES poliariletersulfona (PAES), poliarilentioéter, ácidos poliarilensulfonados, poliariletercetona (PAEK), poliariletercetona sulfonada (sPAEK), ácido polisulfónico fluorado (PFSA), polivinilpirrolidona (PVP), alcohol de polivinilo (PVOH), polidimetilsiloxano (PDMS) y polietileno tereftalato (PET), zeolita, carbono, óxido de aluminio (A^Oa), dióxido de titanio (TO2), óxido de circonio (ZrO2) y vidrio o una mezcla de ellos y/o

una tercera masa de relleno (FM-3) para la configuración de electrodos seleccionada de oro, partículas de carbono, de grafito, fibras a base de celulosa, de poliacrilonitrilo (PAN), CNT (nanotubitos de carbono) funcionalizados, MWCNT (nanotubitos de carbono de varias paredes), grafeno, platino, partículas de platino que llevan carbono, titanio, óxidos de titanio, partículas de iridio, de rutenio o una mezcla de ellos y/o

una cuarta masa de relleno (FM-4) para la configuración de partículas de rutenio y/o de láminas de rutenio está seleccionada de oro, partículas de carbono, de grafito, fibras de carbono, de grafito, a base de celulosa, de poliacrilonitrilo (PAN), CNT (nanotubitos de carbono) funcionalizados, MWCNT (nanotubitos de carbono de varias paredes), grafeno, platino, partículas de platino que llevan carbono, titanio, óxido de titanio, partículas de iridio, de rutenio o una mezcla de ellos.
9. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que una segunda masa (FM-2) está aplicada en parte en zonas de un elemento de base (GE-X) o está rellena en otras aberturas, con lo que se configura un separador o membrana (2.1) integrados en el elemento de base (GE-X), y/o

una tercera masa de relleno (FM-3) está aplicada en parte en zonas de un elemento de base (GE-X) o está rellena en otras aberturas, con lo que se forma un electrodo (3.1) integrado en el elemento de base (GE-X) y/o una cuarta masa de relleno (FM-4) está aplicada en zonas de un elemento de base (GE-X) o en otras aberturas, con lo que se configura una placa bipolar o lámina bipolar (6.1) integradas en el elemento de base (GE-X).
10.l- Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que en elementos de base (GE-X) están configuradas otras zonas con preferencia con aberturas, que forman con una tercera o cuarta masa de relleno (FM-3 o FM-4) una estructura superficial conductora de electricidad para la configuración de electrodos (3, 3.1, 3.2) que pueden ser atravesados por la corriente de reactivo, o están configuradas otras aberturas, a través de las cuales está configurado un conductor eléctrico poroso para la configuración de un electrodo (3, 3.1, 3.2) o está dispuesto allí.
11. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que con una tercera masa de relleno (FM-3) está configurada una estructura superficial para la configuración de espacios huecos dentro de una célula electroquímica, que puede ser atravesados por la corriente de reactivo.
12. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que en elementos de base (GE-X) están configuradas otras zonas con aberturas, que están rellenas con una cuarta masa de relleno (FM- 4) conductora de electricidad, a través de la cual está configurado un conductor eléctrico para la conexión conductora de electricidad de varias células electroquímicas o está dispuesto allí.
13. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que un elemento de base está provisto con al menos dos masas de relleno diferentes, que están configuradas superpuestas y/o adyacentes entre sí y forman, respectivamente, una unidad funcional, en la que los elementos funcionales son un separador o membrana (2, 2.1) con electrodo (3, 3.1, 3.2) o electrodo (3, 3.1, 3.2) con placa bipolar o lámina bipolar (6, 6.1).
14. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que un separador o una membrana (2) o un separador o membrana (2.1) integrados en otro elemento de base (GE-X) están integrados en unión por aplicación de fuerza o en unión del material de manera hermética a fluido en la zona marginal exterior entre dos elementos de base (GE-X), con lo que se forma una unidad de separador o de membrana (1) y/o

una placa bipolar o lámina bipolar (6) o una placa bipolar o lámina bipolar (6.1) integradas en otro elemento de base (GE-X) están integrados en unión por aplicación de fuerza o en unión del material de manera hermética a fluido en la zona marginal exterior entre dos elementos de base (GE-X) o entre al menos otros dos elementos de base (GE-X) con electrodo (3.1) integrado y de esta manera se forma una unidad de electrodo-placas bipolares (15), en la que el

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contacto eléctrico entre el electrodo (3.1) y la placa bipolar o lámina bipolar (6.1) está establecido en unión por aplicación de fuerza y/o unión del material y/o

un separador o membrana (2) o un separador o membrana (2.1) integrados en otro elemento de base (GE-X) están integrados en unión por aplicación de fuerza o unión del material de forma hermética a fluido en la zona marginal exterior entre al menos dos electrodos (3) u otros dos elementos de base (GE-X) con electrodo integrado (3.1) y de esta manera se forma una unidad de separador-electrodo o membrana-electrodo.
15. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que al menos una unidad de separador o de membrana (1), que presenta al menos dos elementos de base (GE-X), cada uno de los cuales presenta un conducto de entrada y un conducto de salida (4 y 5), así como aberturas que están conectadas con éstos para realizar canales colectores (18), así como al menos una zona (7) que puede ser atravesada por un reactivo, y al menos una unidad de electrodo-placa bipolar (15), forman un conjunto estanco hidráulicamente, y en este caso los elementos de base (GE-X) rodean por ambos lados la unidad de separador o de membrana (1), y la unidad de electrodo-placa bipolar (15) está dispuesta directamente encima y está conectada con ésta por aplicación de fuerza o por unión del material, de manera que se forma una unidad de separador o de membrana-electrodo- placa bipolar.
16. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que varias células electroquímicas individuales están conectadas eléctricamente en serie e hidráulica/neumáticamente en paralelo y/o con varias células electroquímicas individuales se forma un compuesto de células, cuyas dos células electroquímicas dispuestas en el exterior terminan con un colector de corriente (12, 12') y, respectivamente, dos canales colectores (18) para el conducto de entrada y el conducto de salida (4, 5) del reactivo y/o del producto de reacción.
17. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que entre dos compuestos de células, que están conectados eléctricamente entre sí, está integrado un elemento de base (GE-X) o una subunidad (UE-Z), que conectan entre sí los canales colectores (18) para reactivo y/o productos de reacción de estos compuestos de células, respectivamente, a través de un canal, que está configurado de tal forma que se reducen las corrientes de derivación en los conductos, en los que está guiado un reactivo / producto de reacción.
18. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que en elementos de base (GE-X) están configuradas otras aberturas (10), que están configuradas y dispuestas de tal manera que, respectivamente, un elemento de una disposición de fijación mecánica (13, 14) está guiado a través de aberturas (10) que se comunican entre sí y una pluralidad de células electroquímicas están conectadas entre sí por unión del material, por aplicación de fuerza y en unión positiva con los elementos de una disposición de fijación (13, 14).
19. - Disposición de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que en elementos de base (GE-X) están configuradas otras aberturas (9), que están configuradas y dispuestas de tal manera que, respectivamente, un elemento de una ayuda de posicionamiento está guiado a través de aberturas (9) que se comunican entre sí y están apiladas, prensadas y/o conectadas y fijadas entre sí con un ajuste exacto con los elementos de una ayuda de posicionamiento para varias células electroquímicas.