ES2935189T3 - Batería de aire-metal que tiene un ánodo giratorio y un conjunto de cátodo - Google Patents

Abstract

Un sistema de batería de aire de metal que tiene un conjunto de ánodo/cátodo giratorio. El conjunto está montado en un sistema de alojamiento que proporciona un mecanismo para cargar ánodos de metal nuevo con el fin de recargar mecánicamente la batería. El ánodo y el cátodo pueden girar a alta velocidad con el fin de producir fuerzas centrífugas (g) altas locales en sus respectivas superficies con el fin de limpiar el electrolito líquido de su superficie para permitir el cierre casi instantáneo de las reacciones químicas que producen gas hidrógeno. y corriente eléctrica. El ánodo y el cátodo también giran a velocidades más bajas con el fin de proporcionar una corrosión uniforme de la superficie del ánodo de metal y el cátodo se desplaza sobre el electrolito líquido utilizando un diseño de cojinete de líquido dinámico o estático. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Batería de aire-metal que tiene un ánodo giratorio y un conjunto de cátodo

Antecedentes de la invención

La materia divulgada en el presente documento se refiere a baterías de aire-metal. Las baterías de aire-metal proporcionan fuentes de potencia de alta densidad energética que muestran aplicaciones prometedoras como fuentes de energía distribuida móviles y estacionarias. Tienen potencial para sustituir a los motores de combustión interna de los coches híbridos y los aviones, ya que la densidad energética y la eficiencia de conversión se acercan a las de los combustibles de hidrocarburos.

La FIG. 1 muestra una representación esquemática de un sistema de célula de aluminio-oxígeno 100 convencional. El sistema 100 comprende una batería de aire-metal 102, un soplador de aire 104 o un suministro de oxígeno 106 y un depurador de dióxido de carbono 108. También se encuentra una cuba de electrolito 110 con un filtro 112. Se proporciona un sistema de refrigerante con un intercambiador de calor 114 y una bomba 116. Una bomba de electrolito 118 envía electrolito a través de la batería de aire-metal 102 y un separador de gas 120. También se encuentra un depósito de separación de líquido gas 122 y un sistema de eliminación de hidrógeno 124.

La FIG. 2 representa una porción de la batería de aire-metal 102 con más detalle. Se muestra un ánodo de metal 200, un electrolito 202 y un cátodo que respira aire 204. El cátodo que respira aire 204 puede contener una pantalla conductora colectora de carga incrustada en una matriz conductora que contiene un catalizador que promueve la reducción de oxígeno. Se encuentra una capa hidrófoba que es porosa al gas pero no al electrolito líquido. El oxígeno necesario para la reacción química puede penetrar en el cátodo 204 que respira aire, pero sigue manteniendo el electrolito líquido contra la superficie del ánodo. El ánodo de metal 200 está realizado de una variedad de metales como zinc, magnesio, hierro y aluminio. En una realización, el ánodo de metal 200 es de aluminio debido al bajo coste y densidad del material.

Se sabe que las baterías de aire-metal sufren problemas de corrosión parásita. La corrosión de los bordes de las placas de ánodo y la corrosión parásita de la superficie modifican la forma y las pérdidas I2R (resistencia eléctrica) debido al cambio de distancia entre el ánodo y el cátodo a causa de esta corrosión. La carga mecánica de nuevos ánodos de metal requiere un sellado de bordes de alta integridad en el ánodo de metal para evitar el atrapamiento de electrolito, tras el drenaje del electrolito de una célula.

El ánodo de metal de una batería de aire-metal se consume durante el funcionamiento y causa algunos problemas de rendimiento y fiabilidad del sistema. Una batería de aire-metal que tiene un ánodo cátodo fijos sufre un aumento de la resistencia entre el ánodo y el cátodo debido a la corrosión de la superficie metálica del ánodo, alejándola del cátodo. Además, los bordes del ánodo de metal que no están directamente paralelos al cátodo tienen corrosión parásita que también puede producir gas hidrógeno en las circunstancias adecuadas. Se han diseñado algunos procedimientos para proteger los bordes de los ánodos de metal que son adecuados para controlar este problema, pero complican la recarga mecánica de los ánodos de metal porque se requiere un sellado perfecto del sistema debido a la inmersión directa del ánodo en el electrolito.

Cuando el circuito eléctrico de una batería de aire-metal se interrumpe (por ejemplo, se apaga), el electrolito reacciona instantáneamente con el metal para producir volúmenes peligrosos de gas hidrógeno que deben ser expulsados del sistema de la batería. Las burbujas de hidrógeno se acumulan rápidamente en el electrolito y aumentan la resistencia eléctrica de la batería, de modo que, aunque ésta se vuelva a encender rápidamente, no se dispondrá de plena potencia hasta que el electrolito con burbujas de hidrógeno se elimine del sistema. Este bombeo y lavado del electrolito requiere un sistema de "separación líquido gas" que separe el gas del líquido para que el hidrógeno gaseoso pueda eliminarse de forma segura del sistema. El sistema separación de líquido gas utiliza normalmente algún tipo de cascada de líquido a través de deflectores para permitir la salida del gas fuera de la solución. Los intentos de drenar el electrolito de una batería de aire-metal detienen la salida de energía, pero se ha encontrado que producen pequeñas gotas y recubrimientos de película líquida del ánodo de metal que producen grandes cantidades de gas hidrógeno y corroen el metal de forma desigual, produciendo hoyos y huecos que reducen la eficiencia y la cantidad de energía disponible del sistema. Como consecuencia de estos problemas, todas las baterías de aire-metal están diseñadas para encenderse y funcionar hasta que el ánodo de metal se gaste. En resumen, es muy difícil apagar una batería de aire-metal y volverla a encender sin dañar todo el sistema, por lo que se dejan encendidas durante toda la vida útil del ánodo.

El documento US 6,299,998 B1 divulga una batería de pila (o célula) de combustible de ánodo móvil que comprende una batería de pila de combustible que tiene un electrolito, y un ánodo móvil que tiene material de ánodo depositado en dos lados de un sustrato eléctricamente conductor, que puede ser un disco de ánodo giratorio, o un ánodo linealmente móvil, intercalado entre dos electrodos de aire, donde los electrodos de aire tienen cada uno al menos una porción de recarga y al menos una porción de descarga. La parte de recarga del electrodo de aire está diseñada para una recarga óptima y la parte de descarga del electrodo de aire está diseñada para una descarga óptima, de forma que la pila de combustible rinda al máximo de su capacidad. El área del electrodo de aire de recarga puede ser mayor que el área del electrodo de aire de descarga para tiempos de recarga más rápidos. El electrodo de aire de recarga puede funcionar a densidades de corriente más bajas para evitar la densificación del ánodo, el cambio de forma del ánodo y el crecimiento de dendritas. La descarga del material del ánodo en ambos lados del ánodo aumenta la profundidad de la descarga e incrementa la capacidad de la batería. El movimiento del ánodo asegura su descarga intermitente para reducir la pasivación y aumentar aún más la profundidad de descarga. El movimiento del ánodo ayuda a asegurar una reproducción uniforme durante la recarga. Además, el movimiento del ánodo agita el electrolito, asegurando una distribución uniforme de los iones metálicos.

Algunas baterías de aire-metal permiten que el ánodo o el cátodo ajusten su posición y sigan la corrosión de la superficie metálica del ánodo. Esto reduce las pérdidas I2R. Sin embargo, estos sistemas no prevén la incoherencia del campo eléctrico entre las distintas zonas del conjunto ánodo cátodo. Además, estos sistemas no pueden proporcionar la eliminación completa del electrolito de un sistema previamente en funcionamiento.

La exposición anterior se ofrece meramente a título informativo y no pretende servir de ayuda para determinar el alcance de la materia reivindicada.

Breve descripción de la invención

En una primera realización, se proporciona una batería de aire-metal como se establece en la reivindicación 1. En una segunda realización, se proporciona un conjunto de batería como se establece en la reivindicación 10.

En una tercera realización, se proporciona un procedimiento para operar una batería de aire-metal como se establece en la reivindicación 12. En una cuarta realización, un procedimiento de funcionamiento de una batería de aire-metal se proporciona como se establece en la reivindicación 13.

Las realizaciones preferentes de la presente invención pueden deducirse de las reivindicaciones dependientes. Esta breve descripción de la invención sólo pretende proporcionar una breve visión general de la materia divulgada en el presente documento de acuerdo con una o más realizaciones ilustrativas, y no define ni limita el alcance de la invención, que se define únicamente por las reivindicaciones adjuntas. Esta breve descripción se proporciona para introducir una selección ilustrativa de conceptos de forma simplificada que se describen más adelante en la descripción detallada.

Breve descripción de los dibujos

Para que las características de la invención puedan ser comprendidas, se incluye una descripción detallada de la invención por referencia a ciertas realizaciones, algunas de las cuales se ilustran en los dibujos adjuntos. Cabe señalar, sin embargo, que los dibujos ilustran sólo ciertas realizaciones de la presente invención y, por lo tanto, no deben considerarse limitantes de su ámbito, ya que el ámbito de la invención abarca otras realizaciones igualmente eficaces. Los dibujos no están necesariamente a escala, ya que en general se hace hincapié en ilustrar las características de determinadas realizaciones de la invención. En los dibujos, se utilizan números similares para indicar piezas similares en las distintas vistas. Así, para una mayor comprensión de la invención, puede hacerse referencia a la siguiente descripción detallada, leída en relación con los dibujos, en los que:

La FIG. 1 es una representación esquemática de un sistema que utiliza una batería de aire-metal;

la FIG. 2 es el esquema de una batería aire-metal;

la FIG. 3A es una vista de perfil de un disco de ánodo mientras que la FIG. 3B es una vista desde arriba del disco de ánodo;

la FIG. 4 es una vista de perfil del disco de ánodo sostenido parcialmente bajo un disco de cátodo por un motor de accionamiento de disco;

la FIG. 5 es una vista desde arriba de la realización de la FIG. 4 que muestra el movimiento del disco de ánodo con respecto al disco de cátodo;

la FIG. 6A es una vista desde abajo del disco de cátodo de la FIG. 4 mientras que la FIG. 6B es una vista de perfil del disco de cátodo;

la FIG. 7A es una vista de perfil de un disco de ánodo, la FIG. 7B es una vista en perspectiva inferior del disco de ánodo; la FIG. 7C es una vista desde abajo del disco de ánodo;

la FIG. 8A es una vista desde abajo de un disco ánodo de dos caras; la FIG.8B es una vista lateral del disco de ánodo; la FIG. 8C es una vista en perspectiva de un disco de ánodo; la FIG. 8D es una vista en perspectiva de un disco de ánodo montado en un soporte de montaje de plástico;

la FIG. 9 es una vista en despiece de una batería de aire-metal que muestra un conjunto de cátodo flanqueado por dos discos de ánodo;

la FIG. 10A es una vista lateral de un conjunto de cátodo; la FIG. 10B representa una vista de la cara externa del conjunto de cátodo; la FIG. 10C es una vista interna de la mitad del conjunto de cátodo que muestra su estructura interna;

la FIG. 10D muestra una vista lateral en sección transversal de una batería de aire-metal;

la FIG. 11A representa una vista desde arriba de la batería de aire-metal; la FIG. 11B es una vista en sección transversal de la batería de aire-metal de la FIG. 11A;

la FIG. 12 es una vista lateral de un conjunto de batería de aire-metal con múltiples células;

la FIG. 13 representa la extracción de un disco de ánodo de conjuntos de cátodos adyacentes;

las FIGS. 14A, 14B y 14C representan un cartucho de carga deslizante para su uso con la batería de airemetal divulgada;

las FIGS. 15A, 15B y 15C muestran vistas adicionales del cartucho de carga deslizante;

la FIG. 16A y la FIG. 16B muestran el conjunto de cátodo para su uso con el cartucho de carga deslizante; las FIGS. 17A, 17B y 17C muestran un conjunto de batería que utiliza una pluralidad de células;

la FIG. 18A y la FIG. 18B muestran el cartucho de carga deslizante en uso para cambiar un disco de ánodo, mientras que la FIG. 18C muestra la batería de aire-metal en estado cerrado; y

la FIG. 19A, la FIG. 19B y la FIG. 19C son vistas alternativas del cartucho de carga deslizante.

Descripción detallada de la invención

La presente divulgación se refiere a una batería de aire-metal que proporciona un apagado completo y rápido de la potencia sin corrosión parásita ni producción de gas hidrógeno peligroso, como se ha descrito anteriormente. La presente divulgación también prevé el reinicio rápido a plena potencia y la producción de una potencia de salida constante durante todo el consumo del ánodo metálico. Algunas realizaciones de la batería de aire divulgada proporcionan una configuración de ánodo de metal de bajo coste que no necesita sellos de borde de alta integridad y que puede cargarse automáticamente en el sistema de batería de aire de metal con fines de funcionamiento prolongado.

Como se muestra en las FIG. 3A y FIG. 3B, se ilustra un disco de ánodo 300 configurado para proporcionar soluciones a muchos problemas convencionales experimentados por las baterías de aire convencionales. El disco de ánodo 300 puede estar comprendido de metal (por ejemplo, aluminio) unido a un soporte de montaje de plástico 304 del mismo diámetro que el disco de ánodo 300. Véanse la FIG. 3A (vista lateral) y la FIG. 3B (vista desde arriba). El soporte de montaje de plástico 304 tiene un eje central 306 montado para facilitar la autocarga en un brazo motorizado 400 (véase la FIG. 4). El disco de ánodo 300 está montado en el brazo motorizado 400 que proporciona conductividad eléctrica desde el disco de ánodo 300. El brazo motorizado 400 comprende un circuito colector de energía estacionario que recibe la electricidad a través de escobillas u otros acoplamientos magnéticos inductivos similares a los que se encuentran en los motores eléctricos.

Con referencia a la FIG. 5, una realización de la batería de aire-metal tiene el disco de ánodo 300 y el brazo motorizado 400 montados en un pivote de brazo único 500 que puede moverse hacia adelante y hacia atrás (véase la flecha 504) entre una estación de carga de disco (para cargar un disco nuevo) y la estación de cátodo de la batería (para el funcionamiento bajo tensión). El disco de cátodo 502 de la estación catódica de la batería se representa en la FIG. 5. El disco de cátodo 502 está diseñado para proporcionar la colección de la carga, permitir el intercambio de oxígeno a la reacción y proporcionar el espaciamiento de electrodos activos por cojinete dinámico y estático líquido.

Con referencia a la FIG. 6A (vista desde abajo) y a la FIG. 6B (vista lateral), el disco de cátodo 502 tiene canales superficiales de soporte de líquido 600 a través de los cuales se bombea líquido electrolítico que permite al disco de cátodo 502 "flotar" por encima de la superficie del disco de ánodo 300. El electrolito entra por el orificio de alimentación 602 y se desplaza a través de la vía de fluido 604 hasta los canales de salida 600. El disco de cátodo 502 se fija en posición plana por encima del disco de ánodo 300 y puede moverse verticalmente hacia arriba y hacia abajo para seguir la superficie del disco de ánodo 300 a medida que fresa químicamente el soporte de montaje de plástico 304. Esta configuración puede invertirse si el diseño lo requiere, de modo que el disco de ánodo 300 pueda flotar verticalmente hacia arriba y hacia abajo para seguir la reducción de la superficie del disco de cátodo 502 con el fin de mantener constante la separación entre el disco de ánodo 300 y el disco de cátodo 502. El electrolito se extruye del conjunto de cátodo. En una realización, el disco de ánodo y el conjunto de cátodo están uno al lado del otro. En otra realización, el disco de ánodo se dispone por encima del conjunto de cátodo.

Con referencia a las FIG. 7A, FIG. 7B y FIG. 7C, se muestra una realización de un sistema de batería metálica de un solo disco. El disco de ánodo 300 es un disco de aluminio de la serie 5000 o 6000 unido o pegado a una base de montaje de plástico PVC redonda moldeada por inyección que funciona como el soporte de montaje de plástico 304. En el centro del soporte de montaje de plástico 304 se encuentra un punto de montaje circular 700 con ranuras que permiten la fijación mecánica mediante cojinetes de bolas al brazo motorizado 400. Una escobilla de anillo conmutador 702 está moldeada en el soporte de montaje de plástico 304 que se conecta eléctricamente al disco de ánodo 300. La escobilla de anillo conmutador 702 tiene escobillas en su superficie que comunican la corriente eléctrica a una parte estacionaria del accionamiento del motor con el fin de completar el circuito de la batería. Las escobillas de conmutador de grafito son similares a las de los motores de corriente continua y pueden retraerse para cargar y descargar discos nuevos. En la realización de la FIG. 7C, una rejilla de malla colectora eléctrica está dispuesta en una superficie posterior del cátodo y proporciona un aspecto de similar a una escotilla.

Al inicio de la operación, el brazo motorizado 400 se mueve bajo una columna de almacenamiento de discos (no mostrada) donde un nuevo disco es cargado en el brazo motorizado 400. A continuación, el brazo motorizado 400 se desplaza horizontalmente hacia arriba hasta engancharse en el centro del disco de cátodo. La batería de aire-metal se pone en marcha bombeando electrolito en los canales 600 de la superficie del disco de cátodo 502, haciéndolo así flotar a una distancia fija del disco de metal 300 del ánodo. La corriente empieza a fluir inmediatamente y el disco de metal 300 del ánodo se hace girar a unos cientos de rpm (por ejemplo, de 200 rpm a 500 rpm) para facilitar la eliminación del electrolito de los bordes del disco y permitir la expulsión activa de cualquier gas producido por el sistema. Este giro a bajas revoluciones también facilita la corrosión galvánica uniforme de la superficie metálica, manteniendo los discos lisos y de altura uniforme durante el funcionamiento. El movimiento vertical del disco de ánodo giratorio o del disco de cátodo mantiene constante la separación de los electrodos durante el funcionamiento, lo que permite utilizar ánodos de metal gruesos en la batería sin que aumente la resistencia debida a la corrosión de los sistemas estándar de baterías de ánodo fijo de aire-metal. El sistema descrito en el documento US 4.053.685 A muestra cómo el movimiento del cátodo y el ánodo proporciona una mayor eficiencia y permite el uso de un ánodo de metal mucho más grueso en un sistema de una sola célula.

Para apagar la batería de aire-metal, la bomba de electrolito se apaga y el disco de ánodo 300 se baja, alejándolo del disco de cátodo 502 y simultáneamente se hace girar hasta miles de rotaciones por minuto (rpm) (por ejemplo, más de 1000 rpm para discos grandes o más de 2200 rpm para discos más pequeños) y se aleja horizontalmente del disco de cátodo 502. El disco de ánodo 300 se mueve horizontalmente hacia arriba hasta alcanzar miles de rotaciones por minuto (rpm) (por ejemplo, más de 1000 rpm para discos grandes o más de 2200 rpm para discos más pequeños). Esto se hace para secar la superficie metálica del electrolito. Este secado se produce rápidamente en el disco de ánodo 300 mientras se eliminan simultáneamente los residuos de electrolito que gotean de un disco de cátodo 502, ahora vacío. En otras realizaciones, el disco de cátodo 502 también puede centrifugarse de forma similar en caso de que el movimiento del disco de ánodo 300 esté restringido. Para ello, pueden incorporarse al sistema otras configuraciones mecánicas. Por ejemplo, el disco de ánodo 300 se puede mover fuera de debajo del disco de cátodo 502 para evitar el goteo sobre la superficie del ánodo después del apagado. Adicional o alternativamente se puede introducir una compuerta u otra barrera entre el disco de ánodo y el disco de cátodo para evitar goteos de electrolito sobre la superficie del ánodo. También se podría utilizar un limpiador mecánico para eliminar los residuos de electrolito de la superficie del cátodo o se puede poner el sistema completamente boca abajo para evitar que gotee por gravedad sobre la superficie del ánodo. En algunas realizaciones de la batería de aire-metal es deseable utilizar la alta "g" de giro del disco de ánodo y el disco de cátodo para detener todas las reacciones químicas inmediatamente. El hecho de que el cátodo o el ánodo se muevan hacia delante y hacia atrás o hacia arriba y hacia abajo es secundario al ciclo de centrifugado del disco respectivo. Una de las principales ventajas de este procedimiento de centrifugado es que no es necesario ningún tipo de tratamiento de los bordes del disco de ánodo 300 para evitar la corrosión parásita, ya que el borde del disco recibe la fuerza G más elevada. Esto elimina por completo los cierres herméticos a los líquidos que utilizan muchos sistemas convencionales. La eliminación de esta junta facilita la instalación de los discos, a diferencia de la instalación de electrodos de placa plana que requieren juntas perfectas, como las que se encuentran en los sistemas estándar de baterías de aire-metal. En el pasado, el sellado perfecto de las placas metálicas cuadradas solía requerir una instalación manual en un taller.

El brazo motorizado 400 utilizado para el control de giro del disco de ánodo 300 es de estilo "tortilla" plana, con el fin de reducir la profundidad del paquete del sistema completo. El brazo motorizado 400 funciona bajo la muy baja fricción del cojinete líquido durante su funcionamiento. La inercia del disco durante el giro en seco permite utilizar un motor relativamente pequeño con un consumo de corriente bajo. El posicionamiento horizontal del motor de giro/plataforma de disco puede lograrse utilizando un pequeño motor paso a paso del tipo que se encuentra en escáneres o impresoras de oficina.

El disco de cátodo 502 puede fabricarse a partir de una matriz de carbón de bajo coste, con colectores de carga de alambre de metal incrustados o de un material conductor a base de silicona con colectores de carga de alambre de metal incrustados. Para la fabricación del disco de cátodo 502 pueden aplicarse otros materiales de cátodo bien conocidos por los expertos en la materia. Exclusivo del disco de cátodo 502 divulgado es el canal de cojinete líquido 600, a través del cual se bombea electrolito durante el funcionamiento. Estos canales de cojinete de líquido 600 se mecanizan o moldean en el disco de cátodo 502 en el momento de la fabricación y se colocan y dimensionan para una elevación hidrodinámica y/o hidrostática máxima utilizando el flujo mínimo de electrolito. Se produce una fuerza hidrostática cuando el fluido electrolítico se emite desde el canal de cojinete de líquido 600 y el disco de ánodo puede, o no, estar girando. Se produce una fuerza hidrodinámica cuando el fluido electrolítico entra en contacto con un disco giratorio. La fuerza hidrodinámica autoestabiliza la rotación del disco para mantener una separación uniforme durante el funcionamiento de la batería de aire-metal. En una realización, la separación está entre 1-2 mm. En otras realizaciones que utilizan discos grandes, la separación puede ser de 3-5 mm. Esta separación constante, combinada con la rotación del disco, permite un barrido uniforme del disco. Esto promueve el consumo simétrico del disco.

Los canales de cojinete de líquido 600 también están posicionados para facilitar un campo eléctrico uniforme sobre una sección del disco de cátodo 502 que, durante la rotación, "escanea" la superficie del disco de ánodo 300 durante una rotación proporcionando un fresado químico uniforme de la superficie del ánodo. En la ilustración se muestran cuatro canales en ángulos de 90 grados. A título ilustrativo y no limitativo, una batería que utilice un disco de ánodo de 17,8 cm (siete pulgadas) puede utilizar canales de 0,64 cm (un cuarto de pulgada) de ancho y 5 cm (dos pulgadas) de largo. Para discos más grandes, los tamaños relativos serían aproximadamente los mismos. Los canales también están colocados para facilitar un campo eléctrico uniforme sobre una sección del cátodo que durante la rotación "escanea" la superficie del ánodo de metal completo durante una rotación proporcionando un fresado químico uniforme de la superficie del ánodo. Durante el funcionamiento, la fuerza de los muelles extremos de es soportada por el cojinete de líquido electrolítico, de modo que ninguna superficie del ánodo esté en contacto real con la superficie del cátodo y, en su lugar, tiene una separación de líquido de alrededor de 1 mm durante el funcionamiento. El motor de accionamiento de los discos de ánodo está montado en la carcasa del extremo con los discos de ánodo entrelazados para proporcionar un eje que comunica potencia mecánica a cada disco (FIG. 11A y FIG. 11B).

El disco de cátodo 502 está montado de tal manera que puede elevarse y alejarse del disco de ánodo giratorio 300 para permitir que el disco de ánodo 300 se mueva alejándose de debajo del conjunto de cátodo. Esto se consigue mediante un solenoide magnético o un sistema de motor eléctrico. Durante el funcionamiento, el peso del disco de cátodo 502 es soportado por el cojinete de líquido electrolítico y, por lo tanto, no tiene control motor activo fuera de la presión de alimentación de electrolito que es determinada por la bomba de alimentación de electrolito durante el funcionamiento estático del cojinete o la acción hidrodinámica del electrolito contra el disco de ánodo 300.

El brazo motorizado 400 puede ser estar montado en un pivote de brazo simple 500 (véase la FIG. 5) que mueve el disco de ánodo 300 hacia delante y hacia atrás bajo el mecanismo de carga-descarga del disco hacia y desde el disco de cátodo 502. Este diseño permite el almacenamiento compacto de discos nuevos y el almacenamiento completo en seco de la carga actual mediante discos secos centrifugados. Haciendo girar tanto el disco de cátodo 502 como el disco de ánodo 300 se puede conseguir una configuración alternativa que elimine la necesidad de accionamiento horizontal. Ambos sistemas pueden elegirse o adaptarse a diversas aplicaciones y elegirse para facilitar la integración en otros sistemas. Ambas soluciones son iguales en capacidad de arranque-parada.

En una realización, la batería comprende un disco de ánodo 800 que tiene dos superficies metálicas opuestas 810 adheridas a un soporte de montaje de plástico 802 del mismo diámetro que el disco de ánodo 800. véase las FIG. 8a y FIG. 8B. En el centro de los discos de ánodo 800 se encuentra un eje muñón 804 con un conductor accionado por muelle 806 unido al eje muñón 804 con estrías 808 que se indexan a las ranuras correspondientes. Este conductor de muelle 806 está montado en un lado del disco de ánodo 800, de tal manera que está conectado eléctricamente a los discos de ánodo 800. Los discos de ánodo 800 se cargan entre los conjuntos de cátodo como el queso entre dos rebanadas de pan. En otra realización, como se muestra en las FIG. 8C y FIG. 8D, los discos de ánodo 800 están unidos por un lado a un soporte de montaje de plástico 812 que tiene una forma que se unirá mecánica o magnéticamente por un accesorio 814 a un eje muñón central 816. Situado en el centro del ánodo de aluminio ese encuentra un contacto de muelle que proporciona la conexión eléctrica entre el ánodo de aluminio y el eje del motor. El eje del motor conduce la corriente desde el aluminio hasta el sistema de baterías para su conexión en serie o en paralelo.

Como se muestra en la FIG. 9, un conjunto de cátodo 900 está flanqueado por dos discos de ánodo 800 adyacentes. Una vista en despiece del conjunto de cátodo 900 se muestra en la FIG. 10. El conjunto de cátodo 900 tiene un espacio de aire interior sellado para mantener el electrolito fuera del espacio de aire interior. En la parte superior se encuentra una entrada de aire 902 y una salida de aire 904 para que un ventilador (por ejemplo, el soplador de aire 104) pueda mover el aire dentro y fuera del espacio de aire interior para proporcionar oxígeno a la superficie posterior del conjunto de cátodo 900. Los electrodos que están montados en lados opuestos de la cámara de aire están en diferentes partes del circuito y no se conectan eléctricamente entre sí. El material del electrodo se apoya en placas metálicas con poros para proporcionar zonas de intercambio de oxígeno desde el interior del espacio aéreo.

Como se muestra en las FIG. 10A, 10B y FIG. 10C, el conjunto de cátodo 900 tiene una superficie 1000 comprendida por un polvo a base de carbono con aglutinante hidrófobo y material(es) catalizador(es) que proporciona(n) una rápida reacción de reducción de oxígeno (ORR). Tales materiales son conocidos en la técnica. El conjunto de cátodo 900 es de doble cara con placas metálicas 1002 a cada lado. La superficie 1000 tiene una pantalla conductora colectora de carga 1004 que permite que el oxígeno permee la superficie 1000. En la superficie externa 1006 de la placa metálica 1002 se pueden encontrar cuatro canales portadores de líquido 1008 dentados espaciados uniformemente en forma de cruz. Estos canales 1008 están conectados a uno o más tubos que transportan electrolito al disco de ánodo 800 con fines de producción de energía, refrigeración y lubricación como cojinete líquido. Dentro del conjunto de cátodo 900 se encuentra un eje giratorio 1010 montado sobre cojinetes sellados que comunica la potencia giratoria de un disco de ánodo al siguiente (por ejemplo, véanse los dos discos de ánodo 800 en la FIG. 9). En una realización, se utiliza un cojinete de empuje. El cojinete de empuje puede ser un cojinete de empuje hidrostático o hidrodinámico que utiliza el electrolito como fluido de trabajo. El eje de rotación 1010 también tiene un colector de carga eléctrica, como una pista de rodadura de cobre exterior o una malla conductora. El colector de carga eléctrica se conecta a un conductor deslizante 1012 (por ejemplo, escobillas de carbón o estructura similar) para la colección de corriente del disco de ánodo 800. Esta corriente se comunica al conjunto de cátodo 900 que está opuesto a la pantalla metálica correspondiente permitiendo la conexión de potencia en serie dentro de la configuración de células múltiples de la batería de aire-metal.

En el centro de cada conjunto de cátodo se encuentra un cojinete sellado a cada lado en el que está montado un eje de giro. Este eje de giro 1010 contiene el anillo conmutador para la conexión eléctrica a una de las dos superficies del cátodo. La escobilla del conmutador 1014 está montada directamente en una de las placas metálicas proporcionando conexión eléctrica directamente al cátodo. Cuatro orificios pasantes 1016 en la base de cada conjunto de cátodo están conectados a cuatro varillas de soporte que permiten el libre movimiento de los conjuntos de cátodo entre sí. Este movimiento facilita el cambio de grosor de cada disco de ánodo a medida que se consume el metal durante el funcionamiento de la batería. Como se muestra en la FIG. 10D, en el conjunto inferior de varillas de soporte se encuentran espaciadores electromecánicos 1018 que empujan y separan los cátodos para la eliminación de disco de ánodo gastado y la carga de nuevos discos de ánodo fresco. Los cátodos se abren en secuencia para limitar el espacio de alojamiento necesario para el haz total de células.

La FIG. 11A representa una vista desde arriba de un conjunto de batería de aire-metal que comprende una pluralidad de células de batería de aire-metal. Como se muestra en la FIG. 11A, los discos de ánodo 800 y los conjuntos de cátodo 900 están conectados dentro de una carcasa 1100 que proporciona contención de electrolito líquido. En la parte inferior de la carcasa 1100 se encuentra una bandeja de colección de electrolito (no mostrada en la FIG. 11A pero véase la bandeja de recolección de electrolito 1204 de la FIG. 12) que recoge el electrolito usado de cada célula, desde donde se drena en una toma de bomba común 1206 y se envía para su reacondicionamiento antes de ser reintroducido en las cámaras de células. Los discos de cátodo 908 están montados sobre unas varillas de soporte de cátodo no conductoras 1208 que permiten un movimiento libre hacia delante y hacia atrás. Los discos de ánodo 800 se montan entre los conjuntos de cátodo 900 en el interior con el primer disco de accionamiento directo de un solo motor común. Cada disco de cátodo es empujado suavemente cerca de una superficie del correspondiente disco de ánodo 800 por cuatro muelles de compresión 1102 en las varillas de soporte de cátodo 1208 situadas en el extremo opuesto al motor de accionamiento. Queda espacio suficiente en el extremo del muelle para que dos conjuntos de cátodo 900 cualesquiera puedan separarse lo suficiente como para permitir la extracción y la instalación de los discos de ánodo 800. Durante el funcionamiento, el electrolito bombeado en el sistema de cojinete líquido separa los conjuntos de cátodo 900 y la holgura es absorbida por los muelles de compresión 1102, de modo que se mantiene la misma separación cátodo-ánodo durante el funcionamiento.

La FIG. 11B es la misma vista desde arriba, excepto que la parte superior de los conjuntos de cátodo 900 se ha cortado para ilustrar el sistema interno. Se ilustran el eje de giro 1010 y la escobilla conmutador 1014.

Para poner en marcha la batería de aire-metal se bombea líquido en los canales de cátodo 600 hasta que los discos de ánodos 800 quedan suspendidos en un cojinete líquido. El motor de accionamiento principal se pone en marcha y gira a una velocidad lenta de 100 a 200 rpm. La energía sale de la batería por el eje central 1202 (véase la FIG. 12) para el negativo y, en el caso contrario, el último conjunto de cátodo 1200 para el positivo. Véase la FIG. 12, que son vistas laterales en sección transversal del dispositivo. La FIG. 12 muestra la bandeja de colección de electrolitos 1204. La batería de aire-metal se apaga, deteniendo el motor de accionamiento principal y, unos segundos después, la bomba de electrolito. A continuación, los separadores electromecánicos 1018 alejan los conjuntos de cátodo 900 de la superficie de los discos de ánodo 800, momento en el que el motor principal se pone en marcha y hace girar los discos de ánodo 800 a más de 2500 RPM para limpiar la superficie de cada disco utilizando la fuerza centrífuga. Por lo general, la batería puede encenderse y apagarse en pocos segundos (por ejemplo, menos de diez segundos) y funcionará hasta que se agote el metal de los discos de ánodos o se agote el electrolito. Para discos grandes, pueden ser necesarios treinta segundos. La posibilidad de girar rápidamente la batería de aire-metal es ventajosa porque así se reduce la producción de hidrógeno en exceso y se evita dañar el disco de ánodo. Ventajosamente, la naturaleza flotante de los discos de ánodo 800 permite su fácil sustitución. Véase la FIG. 13.

Como se muestra en las FIG. 14A, FIG. 14B y FIG. 14C, el disco de ánodo 1400 puede montarse en un cartucho de carga deslizante 1402 que permite retirar y cargar los discos de ánodo 1400 en segundos. El cartucho de carga 1402 contiene un motor de accionamiento de disco central 1404 con cableado asociado. Incorporado en el borde del cartucho de carga 1402 se encuentra un engranaje de cremallera 1414 que engrana con un motorreductor de piñón 1502 (véase la FIG. 15B) montado en un motor de accionamiento de cartucho (no mostrado) que subirá y bajará el cartucho de carga 1402. El cartucho de carga 1402 se desplaza sobre dos pistas 1406 que se encuentran en la carcasa del módulo de células 1408. La carcasa del módulo de células 1408 tiene un cátodo 1410 unido a la cara posterior, de modo que entra en contacto con un disco de ánodo adyacente de un módulo de células adyacente. Los módulos de células están diseñados para insertarse en una caja que contiene el equipo de sistemas de apoyo necesario para hacer funcionar una batería de aire-metal (véase la FIG. 1). Cada módulo de una sola célula tiene pistas de ranura 1412 a cada lado de la carcasa del módulo de la célula para permitir la alineación de la célula dentro de la carcasa exterior. Estas pistas de ranura 1412 están espaciadas exactamente, de modo que una célula acerca un disco de ánodo a una superficie del cátodo correspondiente en el módulo adyacente.

Como se muestra en las FIG. 15A, FIG. 15B y FIG. 15C, en un lado de la carcasa del módulo de células 1408 se encuentra una entrada de aire 1500 que permite la entrada de aire presurizado en una cámara de aire sellada 1506 con una pared 1510 que es el cátodo 1508, lo cual suministra aire a la superficie del cátodo para facilitar las reacciones de reducción de oxígeno (ORR). También está montado en el interior el motorreductor de piñón y cremallera 1502 para mover el cartucho de carga 1402 para la extracción y carga del disco. En la parte inferior de la caja del módulo de células 1408 se encuentra un accesorio de entrada de electrolito 1504 que se conecta con un colector de electrolito y lleva electrolito fresco al módulo donde se envía a través de un tubo flexible (no mostrado) al extremo posterior del cátodo durante el funcionamiento de la batería.

El cátodo 1600 comprende una placa circular que respira aire de material de carbono que contiene un catalizador que permite la ORR. El cátodo circular es hidrófobo en el sentido de que impide que el electrolito líquido se filtre en la cámara de aire sellada 1608. Rodeando y soportando el cátodo se encuentra un sello 1602 (por ejemplo, un material elastomérico, como un sello de silicona) que incorpora un bucle de fuelle que permite el movimiento hacia adelante del cátodo en la dirección de la flecha 1604, en respuesta a la presión diferencial del aire. En otra realización, se utiliza un actuador electromecánico para controlar el movimiento de la superficie del cátodo en la dirección de la flecha 1604. Moldeados en una superficie del cátodo 1600 se encuentran cuatro canales 1606 espaciados según noventa grados entre sí con orificios centrales que suministran electrolito líquido a la superficie del cátodo 1600. Este electrolito forma un cojinete hidrodinámico entre la superficie del cátodo estacionario 1600 y un disco de ánodo giratorio que mantiene una separación entre las superficies de aproximadamente 0,16 cm (un dieciseisavo de pulgada). El cátodo 1600 es empujado hacia el ánodo por la mayor presión del suministro de aire situado detrás de la placa de cátodo, de modo que a medida que se consume el ánodo se mantiene la separación.

Las FIG. 17A, FIG. 17B y FIG. 17C muestran cómo se monta una batería completa a partir de módulos de células individuales insertados en el alojamiento de la batería, en la forma mostrada. Los módulos de células están dispuestos de modo que el disco de ánodo de la célula anterior se enfrenta a un cátodo en la parte posterior del siguiente módulo de células. Montado en la caja de la batería se encuentra un ventilador (no mostrado) que toma el aire ambiente y lo fuerza hacia las cámaras de aire del cátodo en la entrada de aire 1700 donde el oxígeno se consume en la superficie posterior del electrodo de cátodo. El aire se purga lentamente por la parte superior de la carcasa del cátodo a través de un pequeño orificio de purga 1416 de 0,16 cm de diámetro. El orificio de purga 1416 permite eliminar el nitrógeno que queda en el suministro de aire, lo que permite que el oxígeno nuevo del aire fresco llegue a la superficie del cátodo, al tiempo que restringe lo suficiente el flujo de aire para proporcionar una presión de aire elevada que empuje el cátodo hacia la superficie del disco de ánodo. En cada extremo del haz de células de la batería se encuentra un módulo de células sin cátodo en el que la alimentación se conecta al terminal positivo de cobre, y en el otro extremo del haz de células de la batería se encuentra un módulo de células sin disco de ánodo en el que la alimentación se conecta al terminal negativo de cobre. Estos módulos de células son idénticos a los demás, pero les falta un cátodo o un ánodo según el lado del haz en el que estén montados. Normalmente, la batería se conecta en serie y la energía del cátodo anterior se dirige al siguiente disco de ánodo.

Como se muestra en la FIG. 17C, en la base de la carcasa de la batería se encuentra una bandeja de colección de electrolito 1702. Esta bandeja tiene una pequeña bomba 1704 que suministra electrolito a cada módulo de célula a lo largo de un colector común debajo de cada célula. También se encuentra un conducto de aire desde el pleno del ventilador del lado del aire 1706 que sopla aire fresco a través de la tubería del electrolito para limpiar las líneas en seco y proporcionar aire fresco de secado a la superficie de los ánodos.

El paquete de células de la batería permite el cambio individual de un disco o de un módulo completo de células rápidamente, como se muestra en las FIG. 18A y FIG. 18B. Cada disco de ánodo se retira manualmente de su soporte motor y se sustituye por un disco de ánodo nuevo. A continuación, el sistema repliega el disco de ánodo en la célula para preparar el arranque de la batería. Si surge algún problema con alguno de los módulos de células, pueden cambiarse rápidamente por uno nuevo. El aire y el electrolito están colocados hacia abajo para que no interfieran con la extracción o instalación de nuevos módulos de células. Las FIG. 19A, FIG. 19B y FIG. 19C representan un módulo de células completo con más detalle.

La presente descripción utiliza ejemplos para divulgar la invención, incluyendo su mejor modo, y también para permitir a cualquier experto en la materia poner en práctica la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención viene definido por las reivindicaciones, y puede incluir otros ejemplos que puedan concebir los expertos en la materia. Se pretende que estos otros ejemplos estén dentro del alcance de las reivindicaciones si tienen elementos estructurales que no difieran del lenguaje literal de las reivindicaciones. Las reivindicaciones adjuntas definen la invención.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Una batería de aire-metal que comprende:

un conjunto de cátodo (502) que tiene una superficie del cátodo, el conjunto de cátodo que comprende una vía de fluido (604) para bombear un fluido electrolítico a través del conjunto de cátodo y fuera de la superficie del cátodo, produciendo así una fuerza hidrostática en la superficie del cátodo;

un ánodo (300) dispuesto próximo a la superficie del cátodo, estando el ánodo situado próximo al conjunto de cátodo (502) mediante un cojinete de empuje que permite al ánodo (300) girar con respecto al conjunto de cátodo (502);

un eje (306) para hacer girar el cojinete de empuje, estando el eje en contacto con un conductor deslizante (1012) que recoge la carga eléctrica;

en la que, durante el funcionamiento de la batería de aire-metal, el ánodo (300) permanece separado de la superficie del cátodo según una distancia constante debido a la fuerza hidrodinámica del fluido electrolítico.

2. La batería de aire-metal según la reivindicación 1, en la que el conjunto de cátodo comprende además una cámara de aire (1506) con una entrada de aire (902) y una salida de aire (904) para conducir oxígeno a través de la cámara de aire y hacia fuera a través de la superficie del cátodo.

3. El conjunto de batería según la reivindicación 2, en el que el conjunto de cátodo comprende además un bucle de fuelle (1602) que circunscribe la superficie del cátodo, permitiendo el bucle de fuelle (1602) el movimiento de la superficie del cátodo en respuesta a cambios en la presión del gas en la cámara de aire (1506).

4. La batería de aire-metal según la reivindicación 1, en la que el ánodo (300) es un disco de ánodo.

5. La batería de aire-metal según la reivindicación 1, en la que el conjunto de cátodo comprende además un colector eléctri

6. La batería de aire-metal según la reivindicación 5, en la que el conjunto de cátodo comprende además un bucle de fuelle (1602) que circunscribe la superficie del cátodo, permitiendo el bucle de fuelle (1602) el movimiento de la superficie del cátodo en respuesta a cambios en la presión del gas en la cámara de aire (1506).

7. La batería de aire-metal según la reivindicación 6, en la que el bucle de fuelle (1602) comprende un material elastomérico.

8. La batería de aire-metal según la reivindicación 5, en la que el conjunto de cátodo y el disco de ánodo están alojados dentro de un cartucho de carga deslizante (1402).

9. La batería de aire-metal según la reivindicación 5, en la que el conductor deslizante (1012) es una escobilla de carbón.

10. Un conjunto de batería que comprende

una carcasa (1100) que encierra múltiples baterías de aire-metal, cada una según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9,

en el que el eje (306) está configurado para girar cada cojinete de empuje en las múltiples baterías de airemetal, girando así cada disco de ánodo (800), en el que el eje (306) está en contacto con un conductor deslizante (1012) en cada batería de aire-metal, colectando cada conductor deslizante (1012) carga eléctrica.

11. El conjunto de batería según la reivindicación 10, que comprende además al menos un muelle de compresión (1102) que comprime cada batería de aire-metal contra una batería de aire-metal adyacente.

12. Un procedimiento para operar la batería de aire-metal según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, el procedimiento comprende la generación de electricidad con la batería de aire-metal mediante:

El bombeo del fluido electrolítico a través del recorrido del fluido (604) para aplicar la fuerza hidrostática y espaciar así el ánodo de la superficie del cátodo;

hacer girar el eje (306) a una velocidad predeterminada de manera que el ánodo (300) gire a una velocidad comprendida entre 200 rotaciones por minuto y 500 rotaciones por minuto.

13. Un procedimiento para operar la batería de aire-metal según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, el procedimiento comprende una etapa de apagar la batería de aire-metal mediante:

hacer girar el eje (306) a una segunda velocidad predeterminada de forma que el ánodo (300) gire a una velocidad de al menos 1000 rotaciones por minuto;

detener el bombeo de fluido electrolítico a través del recorrido del fluido, secando así por rotación el ánodo para eliminar el fluido electrolítico.

14. El procedimiento según la reivindicación 13, en el que en la etapa de apagar la batería de aire-metal apaga la batería de aire-metal en menos de treinta segundos, preferiblemente en menos de diez segundos.

15. El procedimiento según la reivindicación 13, en el que en la etapa de girar el eje (306), el eje (306) gira de tal manera que el ánodo (300) gira a una velocidad de al menos 2200 rotaciones por minuto.