ES2949794T3

ES2949794T3 - Batería de flujo redox enrollada

Info

Publication number: ES2949794T3
Application number: ES19835634T
Authority: ES
Inventors: Thomas Weimer
Original assignee: Spiraltec GmbH
Current assignee: Spiraltec GmbH
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: DK3900095T3; WO2020127207A1; EP3900095A1; DE102018132669A1; EP3900095B1

Abstract

La invención se refiere a una batería de flujo redox que comprende al menos un módulo de batería de flujo redox enrollado (10a, 10b) que tiene al menos dos medias celdas separadas por al menos una película de membrana, a través de cada una de las cuales fluyen electrolitos fluidos (106, 107), dichos electrolitos que tienen respectivamente una de dos sustancias activas redox (101, 103) disueltas en un disolvente, que interactúan entre sí mediante una reacción redox, estando formadas las al menos dos medias celdas separadas enrollando al menos una primera sección (3a) de al menos una película de membrana, una sección de al menos una primera película deflectora eléctricamente conductora (4a), al menos una segunda sección (3b) de al menos una película de membrana, y una sección de al menos una segunda película deflectora eléctricamente conductora (4b) sobre un cuerpo central (1), en donde respectivos canales de flujo (8a, 8b, 8c,8d) están formados por al menos un distanciador (9) entre los tramos de lámina de membrana y los tramos de lámina de desviación después del enrollado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCI N

Batería de flujo redox enrollada

Especialidad técnica

[0001] La presente invención es una batería de flujo redox bobinada. Las baterías de flujo redox son acumuladores de energía electroquímicos con medios de almacenamiento líquidos en los que el material redox-activo o bien la sustancia redox-activa está disuelta en un electrólito líquido. Este electrólito se deposita en tanques y, a demanda, se conduce por bombeo a una unidad de reacción central, el corazón de la batería de flujo redox, para ejecutar la carga y descarga. En los procesos de carga y descarga se oxidan o reducen materiales activos de la batería de flujo redox esencial en semiceldas separadas, produciéndose un intercambio de electrones a través de los electrodos y un intercambio de iones a través de una membrana conductora de iones que separa las semiceldas.

Descripción del estado actual de la técnica

[0002] En comparación con otros acumuladores de energía, las baterías de flujo redox presentan una construcción más compleja, que requiere además de tanque y conductos, como mínimo dos bombas para la circulación de los electrólitos, junto con todos los equipamientos de manejo y control correspondientes. La batería de flujo redox esencial debe además estar dotada de entradas y salidas para las soluciones de electrólitos. Aparte de la estructura básica de la batería, también son característicos del sistema de baterías de flujo de redox la química redox empleada, los disolventes próticos y apróticos usados en cada química redox, las membranas y los materiales de electrodos, así como la construcción del entorno del sistema característico del sistema de baterías de flujo redox. Los materiales o sustancias disueltas redox-activas se almacenan en los tanques separados de la celda y de cualquier tamaño, por lo que la cantidad de energía almacenada no depende del tamaño de la celda de la batería de flujo de redox. La tensión de las celdas viene dada por la ecuación Nernst para cada sistema redox y oscila en sistemas viables en la práctica entre 1 V y 2,2 V (véase, por ejemplo: https://de.wikipedia.org/wiki/Redox-Flow-Batterie).

[0003] Podemos encontrar una vista general de los sistemas de química redox en el foro de baterías de Alemania. Entre las combinaciones relevantes de sustancias redox-activas que se ensayan en los sistemas de baterías de flujo redox encontramos: Zn/Br, Zn/Luft, H2/Br, Fe/Fe, Cu/Cu, VanadiumNanadium und NaBr+Na2S4/Na2S2+NaBr3, véase, por ejemplo, htt ps://www.batterieforu mdeutschland.delinfoportaI/lexikon/redox-flow-batterien.

[0004] En este sentido, la batería redox de vanadio constituye una variante particularmente interesante, dado que el vanadio existe en cuatro valores/estados de oxidación distintos, con lo cual puede utilizarse vanadio en ambas semiceldas. Mediante un así denominado cruce a través de la membrana en la unidad de reacción central es posible evitar la contaminación (véase, por ejemplo: http://www.isea.rwth-aachen.de:80/eess/technology/redox-flow).

[0005] Otros tipos son, por ejemplo, los sistemas de metales alcalinos, los pares redox orgánicos o los sistemas de metales complejos. En 2015 se presentó una innovación con pares redox orgánicos en la Universidad Friedrich-Schiller en Jena: una batería de flujo redox basada en polímeros (pRFB) renunciando completamente a usar metales como material activo. Este nuevo tipo de batería utiliza polímeros orgánicos (similares al metacrilato o al poliestireno) dotados de una unidad o sustancia redox-activa. No se necesitan ácidos corrosivos como disolventes, siendo suficiente una simple solución salina (véase: Tobias Janoschka, Norbert Martin, Udo Martin, Christian Friebe, Sabine Morgenstern, Hannes Hiller, Martin D. Hager, Ulrich S. Schubert, An aqueous, polymer-based redox-flow battery using non-corrosive, safe, and low-cost materials, Nature vol. 527, págs. 78-81 (2015)).

[0006] Durante el proceso de carga y descarga en una batería de flujo redox se requiere para la nivelación de carga el intercambio de iones y electrólitos. Con la utilización de membranas de intercambio de aniones pueden transferirse iones con carga negativa, y con membranas de intercambio de cationes, iones con carga positiva. Cuando el tamaño de los iones es muy dispar, puede realizarse también una transferencia de iones selectiva a través de la membrana porosa. La aplicación de soluciones acuosas de polímeros posibilita, por ejemplo, el uso de membranas de diálisis para la separación de ánodo y cátodo, de fabricación más sencilla y barata que la de las membranas clásicas de intercambio de iones. Todos estos posibles tipos de membranas están disponibles en forma de membranas de película, siendo también posible utilizar tipos mixtos.

[0007] A fin de incrementar la superficie de los electrodos, generalmente se combina un electrodo de alta densidad con una rejilla o un material no tejido con capacidad conductora de electricidad. En la mayoría de los casos los electrodos de las baterías de flujo redox son de base de grafito. Además de la conductividad suficiente, la resistencia química a sustancias redox-activas reductoras y oxidativas constituye otro criterio fundamental de selección de los electrodos adecuados.

en los convertidores de energa similares a la pila de combustible, los denominados stacks. Estos apilamientos de células se componen de células electroquímicas ordenadas en fila. Por regla general, estos stacks son sistemas así llamados “Plate-and-Frame” configurados de forma similar a las células de combustible. En un circuito en serie de células se utilizan como electrodos para el aumento de tensión las denominadas placas bipolares entre las celdas. Una semicelda del stack característica consta por tanto de placa bipolar fieltro de grafito, marco de caudal y membrana conductora de iones. Por consiguiente, en los sistemas convencionales “Plate-and-Frame” se requieren juntas de estanqueidad para sellar cada cámara individual del flujo de electrólitos. Para garantizar la estanqueidad se necesita cumplir unas exigencias muy estrictas, que en criterios industriales se traducen en prensas hidráulicas, soldaduras y adhesiones. Además, en un circuito en serie habitual hay que asegurar tanto el caudal homogéneo por cada celda como dentro de cada celda.

[0009] Un escollo de gran peso en la proliferación de las baterías de flujo redox como procedimiento eficaz de almacenamiento de energía son hoy los altos costes de inversión, determinados ante todo por los costes del stack. La cara construcción resultante de los módulos en lo que se refiere a la conducción de la corriente y a la estanqueidad comportan altos costes de inversión para los stacks de baterías.

[0010] Salvo en contadas excepciones, todas las tecnologías de separación por membrana se han realizado con éxito primero con el cambio de una geometría plana a una geometría de fibra hueca o de tubo cónico. Como ejemplo, entre muchos otros, encontramos la ósmosis inversa, la ultrafiltración, la separación de gases e incluso la diálisis renal.

[0011] Para los acumuladores de iones de litio (Li-Ion) existe una ventaja evidente en el coste de las geometrías cilíndricas (véase, por ejemplo, Energiespeicher-Roadmap, Fraunhofer ISI 2017, https://batterie-2020.de/wpcontenUuploads/2018/01/batterie-2020.deen-ergiespeicher-roadmap-2017-energiespeicher-roadmap-dezember-2017.pdf.

[0012] En un proyecto de investigación en curso se está ensayando la aplicación de tubillos de membrana de un diámetro de ≤ 5 mm en baterías de flujo redox cilíndricas como alternativa al diseño de apilamiento o stack (véase, por ejemplo,http://forschungenergie-speicher.info/projektschau/versorgungsnetze/projekteinzelansichU/Energie_aus_der_Ro ehre/)

[0013] Hasta ahora no se había probado la geometría cilíndrica bobinada para las baterías de flujo redox ya que para la conducción del flujo de corriente inversa de los electrólitos se consideraba demasiado complejo el diseño de los electrodos y las entradas y salidas.

[0014] El solicitante, Spiraltec GmbH, fabrica módulos de membrana bobinada en espiral de diálisis por difusión para la recuperación de ácidos y bases, como se describe en EP000003317001A1. Esta membrana bobinada permite la estricta conducción de la corriente inversa en una construcción pendiente de ejecutar enrollada y de bajo coste.

Resumen de la invención

[0015] En la presente invención se ofrece una batería de flujo redox con como mínimo un módulo de batería de flujo redox bobinado, que presenta como mínimo dos semiceldas separadas por membranas de película por las que circulan electrólitos líquidos con una de las dos sustancias redox-activas interactuando en una reacción redox. Las como mínimo dos semiceldas separadas del módulo de batería de flujo redox según la invención están construidas devanando como mínimo el primer tramo de como mínimo una película de membrana, un primer tramo de como mínimo una primera película de retorno conductora, como mínimo un segundo tramo de como mínimo una película de membrana y un segundo tramo de como mínimo una segunda película de retorno conductora sobre un cuerpo central, en el que se forma mediante como mínimo un espaciador los respectivos canales de flujo entre los tramos de película de membrana y los tramos de las películas de retorno.

[0016] De esta manera entre cada tramo de película de membrana y cada tramo de película de retorno hay dispuesto un espaciador que distancia o separa cada tramo entre sí, y entre los dos tramos, esto es, el tramo de la película de membrana y el de la película de retorno, se forma o prepara un espacio para el canal de corriente. Con el enrollado o envolvimiento de los tramos de las películas de membrana y de retorno, así como de los espaciadores dispuestos entre ellos, los respectivos tramos y espacios se devanan por ejemplo en espiral, proporcionándose así canales de corriente en espiral.

[0017] Los tramos de membrana de película se seleccionan dependiendo de la química o reacción redox y del disolvente elegido. Se pueden utilizar membranas de intercambio de aniones o de intercambio de cationes o membranas porosas, o bien una combinación de estas distintas clases de membranas.

[0018] Se utilizan hojas lisas conductoras como tramos de películas de retorno conductoras de electricidad (en adelante denominadas más sencillamente películas de retorno), que funcionan como electrodos y dentro de las semiceldas reciben paso de corriente de un electrólito con una de las dos sustancias redox-activas.

retorno y una como mnimo segunda pelcula de retorno, se componen de un compuesto en ingl s compound de carbono y como mínimo uno de los siguientes materiales: polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK).

[0020] En un modo de ejecución, el carbono se compone en la combinación para las películas de retorno al menos parcialmente de grafito y/o nanotubillos de carbono y/o grafeno.

[0021] Los electrodos resistentes a la corrosión aptos para los respectivos sistemas redox pueden también fabricarse con revestimientos comercializados habitualmente de películas de metal o de polímeros como películas de retorno y dicho recubrimiento contendrá grafito y/o grafeno y/o nanotubillos de carbono (C-tubos).

[0022] Así, en un modo de ejecución, las hojas por recubrir que sirven de películas de retorno son películas de polímeros compuestas como mínimo de uno de los siguientes materiales: polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK).

[0023] En un modo de ejecución, las hojas por recubrir que sirven de películas de retorno son películas de metal de como mínimo uno de los siguientes materiales conductores: plata, cobre o aluminio.

[0024] En su configuración, el revestimiento o recubrimiento de la película de preparación de las correspondientes películas de retorno se realiza por estampado con una tinta que contenga grafito y/o nanotubillos de carbono y/o grafeno.

[0025] En un modo de ejecución, las películas de retorno están recubiertas adicionalmente de sustancias activas conductoras de electricidad y catalíticas.

[0026] En un modo de ejecución se introduce una estructuración de la superficie de las películas de retorno para el incremento de la superficie.

[0027] En un modo de ejecución, la estructuración de la superficie de la película de retorno forma los espaciadores que definen los canales de corriente de los electrólitos en las semiceldas.

[0028] En un modo de ejecución, los espaciadores entre las cada película de desvío y cada película de membrana son fieltros, materiales no tejidos o papel.

[0029] En un modo de ejecución, los espaciadores son rejillas biplanas o tejidos.

[0030] En un modo de ejecución, los espaciadores son como mínimo de uno de los siguientes materiales: polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK).

[0031] En un modo de ejecución, los espaciadores poseen adicionalmente capacidad de conductividad eléctrica y/o están recubiertos catalíticamente.

[0032] En un modo de ejecución, los espaciadores son como mínimo de grafito y/o de nanotubillos de carbono y/o de grafeno o bien están como mínimo parcialmente recubiertos.

[0033] En un modo de ejecución, antes de la utilización de los espaciadores en la batería de flujo redox se realiza un tratamiento previo de los espaciadores por incorporar, en el que se generan por pirólisis espaciadores de carbono más libres y reactivos.

[0034] En un modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, los tramos de cada película están sujetos como mínimo a un elemento sellante fijado en el cuerpo central y los tramos de las respectivas películas, es decir, de las películas de retorno y de las películas de membrana, están tensados para el sellado de como mínimo un elemento sellante y el cuerpo central.

[0035] En un modo de ejecución el módulo de batería de flujo redox previsto en la invención presenta elementos sellantes conductores para los tramos de la película de retorno conductora que están conectados con conductividad eléctrica a los tramos de la película de retorno conductora.

[0036] En un modo de ejecución, los elementos sellantes conductores son tubos comercializados habitualmente de materiales conductores.

[0037] En un modo de ejecución los elementos sellantes conductores contienen como mínimo uno de los siguientes materiales: cobre, aluminio, carbono en forma de grafito, y/o grafeno y/o nanotubillos de carbono.

como mnimo uno de los siguientes materiales: polipropileno PP, polietileno PE, cloruro de polivinilo PV , ter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK) o disponen de un revestimiento de este tipo.

[0039] En un modo de ejecución el módulo de batería de flujo redox previsto en la invención presenta elementos sellantes de aislamiento eléctrico para los tramos de la película de membrana.

[0040] En un modo de ejecución los elementos sellantes por aislamiento eléctrico son perfiles de como mínimo uno de los siguientes elementos: polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC),éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK) o perfiles dotados de revestimiento electroaislante o un recubrimiento de estos materiales.

[0041] En un modo de ejecución el cuerpo central se forma de los elementos sellantes conductores y electroaislantes que se unen con tramos de película de membrana o de película de retorno colocados de forma alterna entre los elementos sellantes.

[0042] En un modo de ejecución el cuerpo central es un perfil o se compone de varios perfiles y es eléctricamente aislante.

[0043] En un modo de ejecución el cuerpo central está fabricado como mínimo en uno de los siguientes materiales: refuerzos de fibra de vidrio (RFV), refuerzo de fibra de carbono (RFC), polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK) o está dotado de un recubrimiento de como mínimo uno de estos materiales.

[0044] En un modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención los elementos sellantes de los tramos de la película de membrana y de los tramos de película de retorno conductoras están fijados en el cuerpo central en alternancia o bien forman alternativamente el cuerpo central, y entre las películas existe en cada caso como mínimo un espaciador, de manera que tras el bobinado, los canales de flujo resultantes están delimitados en el enrollado cada uno por una película de membrana y una película de retorno.

[0045] En un modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención existen como mínimo 5 perfiles de entrada y 2 de salida, y los perfiles de entrada y salida están dispuestos en el cuerpo central de forma alterna con los elementos sellantes de los tramos de película de membrana y de película de retorno.

[0046] En un modo de ejecución existen como mínimo dos perfiles de entrada y dos perfiles de salida de como mínimo uno de los siguientes materiales: refuerzos de fibra de vidrio (RFV), refuerzo de fibra de carbono (RFC), polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK), con aberturas de salida para los electrólitos a lo largo del eje del perfil.

[0047] En un modo de ejecución los como mínimo dos perfiles de entrada y dos perfiles de salida son rejillas.

[0048] En un modo de ejecución los espaciadores entre cada hoja, es decir, entre las películas de retorno y de membrana, están dispuestos con los perfiles de entrada y salida en el cuerpo central.

[0049] En un modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, al final del rollo se conectan fuertemente como mínimo dos tramos de película de membrana en el extremo bobinado, de manera que o bien el tramo de película de retorno que se encuentra entre estos tramos de película de membrana se acorta de tal manera que los espaciadores hacen girar al final de la bobina al electrólito, que fluye entre los dos tramos de película de membrana unido o, en caso de estructuraciones de la superficie de la película de retorno como espaciador, perfora suficientemente el final de la bobina como para permitir el desvío de la corriente del electrólito. Tras la unión de los tramos de película de membrana, el tramo de película de retorno que queda en la parte exterior del final de la bobina también se fija fuertemente a la superficie todavía libre de este tramo de película de retorno, y los espaciadores sobresalen en los tramos de película de membrana unidos de forma que al final de la bobina el electrólito que fluye por los tramos de película de retorno ahora unidos bordea los tramos de película de membrana unidos. Así se consiguen dos canales de corriente para ambos electrólitos, que fluyen del cuerpo central hasta el final de la bobina, allí giran y fluyen de vuelta hacia el cuerpo central.

[0050] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, los extremos de los tramos de película de membrana de la parte exterior se unen entre sí mecánicamente y se sellan.

[0051] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, los extremos de los tramos de película de membrana se sellan mecánicamente al final de la bobina mediante un proceso de envolvimiento conjunto y con un perfil de apriete fabricado en polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polieteretercetona PEEK.

[0052] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, los extremos de los tramos de película de membrana están pegados.

[0053] En otro modo más de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, los extremos de los tramos de película de membrana están pegados con caucho butílico.

[0054] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, los extremos de los tramos de película de membrana están soldados.

[0055] En otro modo de ejecución el módulo de batería de flujo redox previsto en la invención está sellado radialmente hacia fuera en relación con el eje longitudinal de un cuerpo.

[0056] En otro modo de ejecución, para el sellado radial, el extremo del tramo libre de la película de retorno al final de la bobina se pega a ésta.

[0057] En otro modo de ejecución, para el sellado radial, el extremo del tramo libre de la película de retorno al final de la bobina se pega al rollo con caucho butílico.

[0058] En otro modo de ejecución, para el sellado radial, el extremo del tramo libre de la película de retorno al final de la bobina se suelda a ésta.

[0059] En otro modo de ejecución el módulo de batería de flujo redox previsto en la invención presenta en la parte externa del envolvimiento un tubo de película que sella de forma segura tanto el tramo de película de retorno externo como también la totalidad del módulo de batería de flujo redox hacia fuera.

[0060] En un modo de ejecución el tramo externo de la película de retorno al final de la bobina está pegado o bien soldado y el tubo de película en la parte externa del envolvimiento sirve de seguridad adicional.

[0061] En un modo de ejecución, el tubo de película para el sellado del final de la bobina se compone de uno de los siguientes materiales: polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK).

[0062] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención los perfiles de entrada y salida para los electrólitos se definen de tal manera que hacen posible el funcionamiento de una corriente inversa. El primer electrólito atraviesa en cualquier dirección el tramo de película de retorno encerrado en los tramos de película de membrana del final de la bobina. Si se ha fijado en el cuerpo central el perfil de entrada y salida para el primer electrólito, entonces desde los dos perfiles restantes del cuerpo central se establece para la entrada y salida el primer perfil vecino al perfil de entrada del primer electrólito como perfil de salida del segundo electrólito. De esta manera se fija también el perfil de entrada para el segundo electrólito.

[0063] En un modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención las caras frontales del módulo de batería de flujo redox se sellan con un material de moldeo.

[0064] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención la masa de moldeo se compone como mínimo de uno de estos materiales: resina de epoxi, resina de poliuretano, resina viniléster o silicona.

[0065] En un modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, tras el moldeo, se vuelven a abrir los perfiles de entrada y sellado de las películas de desvío en los frontales como mínimo de una de las dos caras frontales, por ejemplo, mediante perforaciones.

[0066] En otro modo de ejecución, antes del moldeo de las caras frontales, se disponen racores adecuados, es decir, resistentes químicamente, por ejemplo, machones dobles de polipropileno como mínimo en uno de los orificios de las caras frontales para los perfiles de entrada y salida, así como conectores de electrodos en como mínimo un orificio para los perfiles de sellado de las películas de retorno, y los conectores de electrodos se unen con conductividad eléctrica con los perfiles de sellado de las películas de retorno.

[0067] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, antes del moldeo de las caras frontales se disponen los racores de los perfiles de entrada y salida de tal forma que sobresalgan frontalmente de la bobina, y que tras el moldeo de las caras frontales con formas apropiadas resulten accesibles directamente desde fuera.

[0068] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, antes del moldeo de las caras frontales, los materiales de los electrodos se unen con conductividad eléctrica a los perfiles de sellado de las ormas apropiadas y sellados, los electrodos resulten accesibles directamente en las caras rontales.

[0069] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, antes del moldeo de una cara frontal, se disponen los racores de los perfiles de entrada y salida en esta cara frontal de tal forma que sobresalgan frontalmente de la bobina y, tras el moldeo de las caras frontales con formas apropiadas, resulten accesibles directamente desde esta cara frontal y que, antes del moldeo de la otra cara frontal, los materiales de los electrodos estén unidos a los perfiles de sellado con conductividad eléctrica de tal forma que sobresalgan por la otra cara frontal del rollo y así, tras el moldeo de la otra cara frontal con formas apropiadas y sellados, los electrodos sean accesibles directamente desde la otra cara frontal.

[0070] En otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, los materiales de los electrodos son barras de grafito, perfiles de aluminio o de cobre.

[0071] La presente invención además se refiere a un proceso de generación de energía con sustancias redox-activas disueltas en fluidos con utilización del módulo de batería de flujo redox previsto en la invención, en el que un primer fluido se conduce a un primer canal de corriente del módulo batería de flujo redox y un segundo fluido, a un segundo canal de corriente del módulo de batería de flujo redox, siendo dirigidos el primer fluido y el segundo a través del módulo de batería de flujo de redox gracias a un principio de corriente continua o de corriente inversa.

[0072] En un modo de ejecución del proceso descrito está previsto que el primer canal de corriente del módulo de batería de flujo redox se limite como mínimo por zonas, es decir, únicamente dentro de la zona seleccionada, a una cara de la película de membrana de intercambio de iones y a una segunda cara de una película de retorno conductora de electricidad, y en el que el segundo canal de corriente se limite al menos por zonas a una primera cara de una segunda película de retorno conductora de electricidad y a una segunda cara de película de membrana de intercambio de iones, con disposición de un espaciador en el primer y/o segundo canal de corriente.

[0073] En otro modo de ejecución del proceso descrito está previsto que el primer fluido y el segundo fluido se giren al final del primer canal de corriente o, respectivamente, del segundo canal de corriente y, en ello, cada uno de los dos fluidos atraviesen una película de retorno conductora sobre dos caras y que, de forma independiente a las concentraciones de las sustancias redox-activas, tenga lugar una transferencia de electrones entre el primer canal de corriente y el segundo a través de ambas superficies de las películas de retorno conductoras, así como una transferencia de iones a través de la membrana.

[0074] En otro modo de ejecución del proceso descrito está previsto que, para incrementar la tensión de la batería de flujo redox hasta la tensión de funcionamiento deseada, se conecten eléctricamente en serie varios módulos de batería de flujo redox.

[0075] En otro posible modo de ejecución del proceso descrito está previsto que, en caso de conexión en serie de varios módulos de batería de flujo redox, el flujo de los electrólitos a través de cada módulo de batería de flujo redox se regule a una corriente volumétrica homogénea con ayuda de limitadores de caudal.

[0076] En otras configuraciones se conectan en paralelo varios grupos de módulos de batería de flujo redox en un circuito en serie.

Breve descripción de los gráficos

[0077]

La figura 1 muestra una representación esquemática del principio de un modo de ejecución de la batería de flujo redox según la invención.

La figura 2 representa un modo de ejecución paradigmático del módulo de batería de flujo redox según la invención antes del bobinado.

La figura 3 representa otro modo de ejecución paradigmático del módulo de batería de flujo redox según la invención antes del bobinado.

La figura 4 muestra un corte transversal de un modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox.

La figura 5 ilustra un tramo al final de un bobinado de otro modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox previsto según la invención.

[0078] La figura 1 enseña el principio de la batería de flujo redox en un proceso ideal de descarga. El electrólito 106 con la sustancia redox-activa 101 fluye en una primera cámara del módulo de batería de flujo redox limitada por un electrodo 111 y una membrana conductora de protones 110. Un electrólito 107 con una sustancia redox-activa 103 fluye en otra cámara del módulo de batería de flujo redox restringida por otro electrodo 112 y la membrana conductora de protones 110. Ambos electrólitos contienen además protones 10Sa y aniones 10Sb, que no son redox-activos. Durante la descarga, la sustancia redox-activa 101 en el electrodo 111 se reduce a la sustancia 102 al recibir como mínimo un electrón, y la sustancia redox-activa 103 en el electrodo 112 se oxida a una sustancia 104 al liberar como mínimo un electrón. Los electrones fluyen mediante una carga eléctrica no configurada desde el electrodo 112, formado en el módulo de batería de flujo de redox por una primera película de retorno, hasta el electrodo 111, formado en el módulo de batería de flujo redox por una segunda película de retorno. El circuito de corriente se cierra mediante el transporte de protones 10Sa a través de la membrana conductora selectiva 110, y en el módulo de batería de flujo de redox, a través de la película de membrana conductora selectiva 110. Como alternativa, el circuito de corriente se puede cerrar mediante el transporte de aniones 10Sb a través de la membrana 110.

[0079] En la figura 2 se muestra un módulo de batería de flujo redox 10a devanado. La perspectiva de la figura 2 es de vista superior o de corte transversal del módulo de batería de flujo superior 10a como se muestra al inicio del bobinado. Un eje de cuerpo del módulo de batería de flujo redox 10a se extiende fuera del plano visual. De esta forma, el módulo de batería de flujo redox 10a forma un cuerpo hueco alargado. Esta disposición del módulo de batería de flujo redox 10a permite un funcionamiento tanto de flujo de corriente continua como de inversa. El módulo de batería de flujo redox según la invención presenta un cuerpo central 1. En el modo de ejecución ilustrado en la figura 2 el cuerpo central 1 es un perfil con un corte transversal fundamentalmente cuadrado. El cuerpo central 1 está protegido frente al ataque de ácidos y/o bases gracias a un material resistente a ácidos y/o bases. Este material puede ser, por ejemplo, polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK). Alternativamente, podría utilizarse como cuerpo central un perfil de un material plástico de fibra reforzada (RFV, RFC). Resulta conveniente dotar al cuerpo central en su superficie axial de aislamiento eléctrico.

[0080] Alrededor del cuerpo central 1 están dispuestos un grupo de perfiles 5a-5d, 7a, 7b. En un primer elemento sellante 5a está sujeta una primera película de membrana que presenta un primer tramo 3a. En un segundo elemento sellante 5b está sujeta una segunda película de membrana que presenta un segundo tramo 3b. Se puede utilizar, por ejemplo, una película de membrana de intercambio de iones, de tipo comercial, del fabricante BWT GmbH. En el modo de ejecución del módulo de batería de flujo redox 10a según la invención mostrado en la figura 2, los elementos sellantes 5a, 5b están formados como tubos o rodillos tensores encargados de tensar el primer tramo 3a y el segundo tramo 3b entre los rodillos tensores 5a, 5b y el cuerpo central 1. En concreto, en el modo de ejecución mostrado en la figura 2 el segundo elemento sellante 5b está dispuesto frente al primer elemento sellante 5a.

[0081] El primer elemento sellante y el segundo 5a, 5b están fijados en el cuerpo central 1 mediante elementos tensores 6. Los elementos tensores 6 son, por ejemplo, pasadores de resorte que tiran del elemento sellante 5a, 5b en dirección al cuerpo central 1. Para el sellado, el primer tramo 3a y el segundo tramo 3b se tensan en cada caso entre los respectivos elementos sellantes 5a o 5b y el cuerpo central 1. Para ello, el primer y segundo tramo 3a, 3b pueden enrollarse repetidamente alrededor del elemento sellante 5a, 5b. Para mejorar la estanqueidad, los elementos sellantes 5a, 5b puede complementariamente pegarse al cuerpo central 1 o a su cubierta protectora. Resulta particularmente adecuado el pegado con caucho butílico.

[0082] Los elementos sellantes o los rodillos tensores 5a y 5b pueden ser de metal, en cuyo caso estos rodillos 5a y 5b deben revestirse con un material resistente como, por ejemplo, una manguera termoretráctil de polipropileno.

[0083] En el modo de ejecución mostrado están esencialmente sujetos en un desplazamiento de 90 grados un tercer y un cuarto elemento sellante 5c, 5d a un cuerpo central 1 mediante elementos tensores 6. Estos elementos sellantes sirven a la vez como electrodos para el módulo de batería de flujo redox. Para conseguir un mejor rendimiento de corriente resultan especialmente ventajosa la ejecución como perfiles gruesos de cobre o como perfiles que contengan carbono. También el tercer y cuarto elemento sellante 5c, 5d del modo de ejecución de la figura 2 están configurados como rodillos tensores 5c, 5d.

[0084] En el tercer elemento sellante 5c está dispuesta una primera película de retorno conductora. Esta primera película de retorno 4a está tensada entre el tercer elemento sellante 5c y el cuerpo central 1. En el cuatro elemento sellante 5d está dispuesta una segunda película de retorno conductora, tensada entre el cuarto elemento sellante 5d y el cuerpo central 1.

[0085] Es importante asegurarse de mantener lo más reducida posible la resistencia eléctrica entre los electrodos 5c, 5d y la película de retorno conductora. En caso de películas de retorno 4a, 4b metálicas, en particular en el uso de películas de cobre o combinaciones con tubos de cobre 5c, 5d, la película de retorno 4a puede soldarse con el electrodo 5c, y la película de retorno 4b, con el electrodo 5d al principio de la película.

cada elemento sellante 5c, 5d. Para mejorar la estanqueidad, los elementos sellantes 5a, 5b puede complementariamente pegarse al cuerpo central 1 o a su cubierta protectora. Resulta particularmente adecuado el pegado con caucho butílico. Con ello también se consigue el aislamiento eléctrico necesario.

[0087] La primera y segunda película de retorno 4a, 4b son impenetrables para los respectivos módulos de batería de flujo redox 10a con contacto directo a cada electrólito que atraviesa las películas de retorno y, en la superficie de la película, son químicamente resistentes frente a cualquier sustancia en contacto con cada película de retorno, además de poseer una conductividad eléctrica elevada.

[0088] Las películas de retorno conductoras aptas 4a, 4b contienen, como mínimo, uno de los siguientes materiales: cobre, aluminio, carbono en forma de grafito y/o grafeno y/o nanotubillos de carbono. Las películas de retorno metálicas poseen en todas las superficies en contacto con electrólitos un revestimiento químicamente resistente y conductivo. Las películas de retorno 4a, 4b pueden, por ejemplo, presentar un espesor de aprox. 10-1000 micras.

[0089] En el modo de ejecución mostrado en la figura 2 el tercer elemento sellante 5c está dispuesto frente al cuarto elemento sellante 5d. De este modo, el primer y segundo elemento sellante 5a, 5b y respectivamente el tercer y cuarto elemento sellante 5c, 5d están dispuestos unos frente a otros. Ahora bien, serían asimismo factibles modos de ejecución en los que los elementos sellantes presentaran una desalineación entre unos y otros.

[0090] Los elementos tensores 6 tiran de los rodillos tensores 5a-5d cada uno en dirección del cuerpo central 1 para tensar las respectivas películas 3a, 3b, 4a, 4b entre sus correspondientes rodillos tensores 5a-5d y el cuerpo central 1. Como elementos tensores 6 pueden, por ejemplo, utilizarse pasadores de resorte, introducidos en las perforaciones apropiadas de cada extremo del tubo de los rodillos tensores 5a-5d o en el cuerpo central 1. Además, con el tensado se consigue la estanqueidad, de manera que no se filtre ningún electrólito entre los rodillos tensores 5a-5d y el cuerpo central 1. En caso de utilizar pasadores conductores 6 para la sujeción de los electrodos 5c y 5d en un cuerpo central 1 conductor de electricidad, debe colocarse como mínimo en un electrodo un material aislante entre el pasador y el electrodo.

[0091] Los rodillos tensores 5a-5d pueden penetrar en el material protector del cuerpo central 1 para aumentar la superficie de sellado y mejorar la estanqueidad. Los perfiles metálicos, como el perfil de aluminio utilizado en el modo de ejecución de la figura 2 (de la marca Bosch-Rexroth) poseen una rigidez más alta que los rubos o perfiles fabricados en un material polímero y, por tanto, serán preferibles como elementos sellantes o rodillos tensores 5a-5d para la transmisión de las fuerzas de presión hasta el centro de la bobina. El perfil de aluminio utilizado en la figura 2 como cuerpo central presenta, por ejemplo, una longitud de canto de 30 mm y una longitud de 25 cm. Entre los rodillos tensores 5a-5d que, por ejemplo, presentan un diámetro de aprox. 10-25 mm, están dispuestos de forma alterna los tubos de entrada 7a y de salida 7b. Los tubos de entrada y salida 7a y 7b son, por ejemplo, rejillas de un diámetro de 10-25 mm y presentan repartidas en su circunferencia unas aberturas para que los electrólitos puedan entrar y salir radialmente con respecto a su eje longitudinal. En la figura 2 también se encuentra a la izquierda junto al primer rodillo tensor 5a, en el que está dispuesta la película de membrana con el primer tramo 3a, un primer tubo de entrada 7a. Junto a este primer tubo de entrada 7a se encuentra el rodillo tensor 5c, en el que está colocada la primera película de retorno 4a o un tramo de la primera película de retorno 4a. También se encuentra un primer tubo de entrada 7b. Junto al primer tubo de salida 7b se encuentra el segundo rodillo tensor 5b, en el que está dispuesta la película de membrana con el segundo tramo 3b. Junto al segundo rodillo tensor 5b se encuentra un segundo tubo de entrada 7a y, al lado, el cuarto rodillo tensor 5d, en el que está dispuesta la segunda película de retorno 4b y respectivamente el tramo de la segunda película de retorno 4b. Junto al cuarto rodillo tensor 5d se encuentra un segundo tubo de salida 7b, y, junto a éste, el primer rodillo tensor 5a. Así, el módulo de batería de flujo redox según la invención 10a presente como mínimo dos tubos de entrada 7a y como mínimo 2 tubos de salida 7b.

[0092] La figura 3 muestra en esencia la construcción de un módulo de batería de flujo redox según la invención tal y como se visualiza en la figura 2, únicamente que en la figura 3 el cuerpo central 1 está formado por un cuerpo hueco alargado con corte transversal redondo, en lugar de un perfil fundamentalmente cuadrado.

[0093] En un modo de ejecución alternativo no mostrado sería concebible que el cuerpo central 1 presentara una primera mitad 5a unida a una segunda mitad 5b, en la que entre las mitades primera y segunda se tensara una película de membrana 3 que presentara un primer y segundo tramo 3a, 3b. Además, las entradas y salidas para los electrólitos 7a, 7b podrían estar integradas ya en cada mitad 5a, 5b. Y sólo sería necesario que de cada mitad 5a, 5b adicionalmente se dispusieran los electrodos 5c, 5d con las películas de retorno conductoras 4a y 4b y, en su caso, los espaciadores 9 (véase la figura 5).

[0094] Mientras que las figuras 2 y 3 muestran la zona del módulo de batería de flujo redox según la invención 10a, 10b alrededor del cuerpo central 1, la figura 4 ilustra una vista de corte transversal de un módulo de batería de flujo redox según la invención 10b. Los citados segundos tramos 3a, 3b de la película de membrana y los correspondientes tramos de la primera y segunda película de retorno 4a, 4b están devanados conjuntamente alrededor de los elementos sellantes y los tubos 5a-5d, 7a, 7b dispuestos en el cuerpo central 1. Mediante el devanado de las películas alrededor del cuerpo central 1 y con la disposición de los espaciadores 9, no mostrados aquí, entre las correspondientes películas 3a, 3b, 4a, 4b, se forman entre las películas de membrana, o entre los tramos de la película de membrana 3a, 3b y las torno al cuerpo central 1. Est previsto que entre las pelculas vecinas 3a, 3b, 4a, 4b o bien entre los tramos vecinos o respectivamente entre la correspondiente película de membrana 3a, 3b y la película de retorno 4a, 4b, un espaciador 9. Los canales de flujo de corriente en forma de espiral 8a, 8b, 8c, 8d se forman durante el bobinado de las películas 3a, 3b, 4a, 4b o de los tramos de película 3a, 3b, 4a, 4b debido a los espaciadores colocados 9.

[0095] Los espaciadores 9 que no se muestran en la figura 4 (figura 5) están dispuestos en los rodillos tensores 7a y en los tubos de salida 7b.

[0096] En el caso más sencillo, los espaciadores 9 son rejillas de corriente biplanas, por ejemplo, de la marca Tenax (modelo TENAX OS 050). Los espaciadores con capacidad conductiva de electricidad aumentan de forma significativa el rendimiento de la batería de flujo redox. Por ejemplo, las empresas SGL Carbon y Freudenberg ofrecen en este sentido materiales no tejidos que contienen carbono. Los espaciadores 9 distancian las películas de membrana 3a, 3b de sus correspondientes películas de retorno 4a, 4b, de manera que los canales de flujo de corriente 8a, 8b, 8c, 8d se forman correctamente entre ellas. En los canales de flujo de corriente 8a, 8b, 8c, 8d fluye en cada caso un electrólito en dirección circunferencial. En la figura 4, la dirección del flujo en los canales de corriente 8a, 8b, 8c, 8d se indica con flechas. Los canales de corriente 8a, 8b, 8c, 8d están delimitados como mínimo por una película de membrana 3a, 3b, y como mínimo por una película de retorno 4a, 4b (los respectivos espaciadores 9 o rejillas de corriente) y de un cuerpo central. Los tubos de entrada 7a y salida 7b (así como las rejillas de corriente 9) se fijan al cuerpo central en su posición por el devanado de las películas 3a, 3b, 4a, 4b. La longitud y anchura de las películas devanadas resultan de las características de los materiales y de la química de flujo redox elegida, esto es, de las sustancias redox-activas o de la reacción redox y del rendimiento deseado de la batería.

[0097] Las entradas 7a y salidas 7b se seleccionan de tal manera que cada uno de los dos electrólitos fluya con sustancias redox-activas por una película de retorno conductora. En la figura 4 se muestra este proceso en funcionamiento de corriente inversa. El primer electrólito fluye en el área de entrada de corriente 12a en el rollo en el canal 8a hacia fuera, gira en el punto A y fluye de vuelta en el canal 8c hasta el área de salida. Así se produce la primera reacción redox parcial durante todo el recorrido de la corriente siempre en el tramo de película de retorno 4a, y el intercambio de iones tiene lugar en el segundo electrólito durante el flujo hacia fuera por el tramo de la película de membrana 3a y tras el giro en el tramo de la película de membrana 3b. El segundo electrólito fluye por el tramo de película de retorno 4b desde el área de entrada de corriente 12b hasta el punto C, donde gira y retorna al área de salida de corriente 12d, de forma que en ésta pueda producirse la segunda reacción redox parcial.

[0098] Si para el segundo electrólito se invierte la corriente, es decir, de 12b hacia el área de salida y de 12d hacia el área de entrada, también puede darse un funcionamiento de corriente continua.

[0099] La figura 5 muestra el extremo final del rollo de la figura 4, esto es, el tramo alrededor de los puntos A, B y C de la figura 4. El bobinado viene delimitado por la película de retorno 4a que, a su vez, delimita también el canal de flujo de corriente 8a y 8c. Los espaciadores 9 o las rejillas de corriente en los canales de corriente 8a y 8c están recortados en la zona del punto B con la misma longitud de las películas de membrana 3a, 3b a fin de que se produzca un contacto directo entre las rejillas de corriente 9 y las películas de membrana 3a, 3b en un largo de 10-20 cm. Este contacto es posible gracias al devanado de las películas de membrana 3a, 3b. Los extremos de las películas de membrana 3a, 3b están recortados a una misma longitud y más largos que la segunda película de retorno 4b y que las rejillas de corriente 9 del canal de corriente. Para el sellado de los canales de corriente 8b, 8d se han unido los extremos de las películas de membrana 3a, 3b. Esto se consigue mediante pegado, por ejemplo, con caucho butílico o mediante una soldadura. Los extremos también se pueden devanar juntos, lo que provoca un sellado mecánico. Para aumentar el efecto de estanqueidad, se pueden devanar juntas las películas de membrana 3a, 3b repetidamente sobre un primer perfil, que podrá estar revestido, por ejemplo, de una manguera termoretráctil de polipropileno para su protección frente a electrólitos. Esta junta puede estar sujeta con un perfil de apriete, en cuyo caso tiene lugar un sellado especialmente de calidad y un cierre más seguro del canal de corriente 8b, 8d. Como ya se ha comentado, el cierre radial externo del módulo de batería de flujo redox 10a, 10b se consigue mediante la unión de la primera película de retorno 4a consigo misma.

[0100] La figura 5 muestra que entre cada par de películas vecinas 3a, 3b, 4a, 4b, esto es, entre cada película de membrana 3a, 3b y cada película de retorno 4a, 4b o bien entre los tramos de estas películas vecinas 3a,3B, 4a, 4b está dispuesto un espaciador 9 conformado como rejilla de corriente, que separa entre sí o distancia las dos películas 3a, 3b, 4a, 4b o bien sus tramos y de esta forma genera y/o prepara entre las películas 3a, 3b, 4a, 4b, o bien entre sus tramos, un canal de corriente.

Ejemplo: batería de flujo redox de vanadio bobinada.

Reacciones redox:

[0101]

Anólito: V2+ ^ V3+ e-, E0 = -0,255 V

[0102] En la práctica se consigue una tensión máxima de aprox. 1,51 V en estado cargado y de 1,2 V en estado descargado en una concentración de vanadio de aprox. 1,5 - 2 mol/I en los electrólitos. Adicionalmente, la solución inicial contiene 2-3 mol de ácido sulfúrico y ≤ 0, 1 mol/I de ácido fosfórico.

[0103] Para obtener una batería de flujo redox de 1 kW con 6 V de tensión, se conectan en serie cinco módulos de batería de flujo redox de 200 W de potencia y 1,2 V de tensión.

[0104] Se produce un flujo de corriente de 170 A en cada módulo de batería de flujo redox bobinada. Para ello deben hacer reacción 6,4 mol/h de vanadio. Con una diferencia de concentración útil entre el estado cargado y descargado de 1,3 mol/l, el flujo de volumen asciende a 5 l/h para cada electrólito, que se garantiza en cada vuelta de bobinado mediante limitadores de flujo para ambos electrólitos.

[0105] Además, para determinar los materiales y geometrías de las películas y de la bobina se presupone una caída de tensión de 0,03 V en las películas de retorno conductoras con perfiles de tensión y a través de la película de membrana.

[0106] En una celda bobinada se emplean ambas superficies de la película de retorno como electrodos, lo que da como resultado un flujo de corriente de 85A a través de la película de membrana con un área de L x b y un espesor s, así como un flujo de corriente medio de también de 85A a través de la película de retorno con una longitud de trayecto L desde el extremo externo de la bobina hasta el dispositivo tensor y del área transversal b x s hasta el dispositivo tensor. La resistencia resultante permitida será entonces en cada caso:

R = U/I = 0,03V/85A = 3,5*10-4 Ω

[0107] Como película de membrana deberá utilizarse una fumasep FAP450 del fabricante Fumatech BWT GmbH. La resistencia específica de la película se indica en 0,6 Ωcm2. Así, se genera un área transversal mínima de

Aq = 0,6 Ωcm2/3,5*10-4 Ω = 1700 cm2

Geometría seleccionada b x L = 2000 cm2

[0108] Dada la alta conductividad eléctrica del cobre (aprox. 50 *104 Ω-1 cm-1) se utiliza una película de cobre de s = 0,02 cm de espesor como película de retorno,

obteniéndose L/b= R*s* 50 *104 Ω-1cirr1→ = 3,5.

[0109] De esta manera resultan para la batería un ancho de película de 25 cm y un largo de película de 85 cm. Para facilitar el bobinado, pueden devanarse también cada vez dos películas de cobre de 0,1 mm de espesor juntas como una película de retorno. Las películas se sueldan como perfiles tensores al inicio de la película sobre tubos de cobre de 1 mm de grosor de pared. A fin de conseguir una protección frente a la corrosión, todas las superficies en contacto con los electrólitos deben contar además con revestimiento conductor y elástico, y que durante el bobinado este revestimiento se mantenga. La densidad de corriente en la superficie de la película de retorno es de 42,5 mA/cm2. Con estos espesores relativamente bajos se puede prescindir de una estructuración costosa de la superficie del revestimiento.

[0110] Como espaciadores se utilizan materiales no tejidos comercializados que contienen carbono de la marca SGL Carbon o Freudenberg, que reducen todavía más las pérdidas resistivas en las películas de retorno. Los tubos de entrada y salida son rejillas de polipropileno o polietileno, y los rodillos tensores para la película de membrana y el cuerpo central son respectivamente tubos de acero inoxidable con una manguera termoretráctil de polipropileno anticorrosiva.

[0111] El moldeo de las caras frontales tras el bobinado tiene lugar mediante una resina epoxi o viniléster resistente químicamente.

[0112] Antes del moldeo, los rodillos tensores de las películas de retorno conductoras se alargan con tubos de cobre tras una sucinta adaptación. Estos sobresalen durante el moldeo de una cara frontal fuera del patrón de molde.

[0113] Tras el moldeo de la otra cara frontal, en la zona de los tubos de entrada 7a y de salida 7b se realizan unas perforaciones que permiten la circulación de entrada y salida a los tubos de entrada y salida 7a, 7b.

[0114] Para el módulo de membrana bobinado de una batería de flujo redox 1 kW con una tensión de 6 V se requieren como componentes principales:

2 m2 de película de membrana fumasep FAP450

4 m2 material no tejido con carbono

2.5 m de tubo de cobre de 10 - 25 mm de diámetro

2.5 tubo de acero inoxidable de 2,5 m y 10 - 25 mm de diámetro

2.5 m de rejillas de 10 - 25 mm de diámetro

aprox. 1 - 2 kg resina de moldeo

2.5 tubo de acero inoxidable de 1,25 m y 25 - 50 mm de diámetro

[0115] Una batería de flujo redox presenta como mínimo un módulo de batería de flujo redox devanado 10a, 10b, que presenta como mínimo dos semiceldas separadas por películas de membrana atravesadas por los electrólitos líquidos 106, 107 respectivamente, cada una con una de las dos sustancias redox-activas 101, 103 que interactúan entre sí y circulan en una reacción redox, en la que como mínimo las dos semiceldas separadas se forman mediante el devanado de como mínimo el primer tramo 3a, de como mínimo una película de membrana, de un tramo de como mínimo una de las primeras películas de retorno 4a, de como mínimo un segundo tramo 3b, de como mínimo una película de membrana y un tramo de como mínimo una segunda película de retorno conductora 4b sobre un cuerpo central 1, y en la que se forman los respectivos canales de corriente 8a, 8b, 8c, 8d, mediante como mínimo un espaciador 9 entre los tramos de la película de membrana y de la película de retorno tras el bobinado.

[0116] El módulo de batería de flujo redox presenta en su configuración como mínimo una primera película de membrana y como mínimo una segunda película de membrana. El primer tramo 3a pertenece como mínimo a la primera película de membrana, mientras que el segundo tramo 3b pertenece como mínimo a la segunda película de membrana.

[0117] El cuerpo central 1 presenta en su configuración una primera mitad y una segunda mitad que están unidas y situadas como mínimo entre la película de membrana, que circula entre los tramos y que presenta como mínimo uno de los primeros tramos 3a y de los segundos tramos 3b.

[0118] Como alternativa a esto, el cuerpo central 1 puede conformarse de una sola pieza.

[0119] Los tramos de película de membrana se eligen en su configuración dependiendo de la reacción redox y del disolvente seleccionados, siendo la membrana de los tramos de película de membrana la que se selecciona en particular del grupo compuesto por membranas densas de intercambio de aniones, membranas de intercambio de cationes, membranas porosas y combinaciones aleatorias de estas clases de membranas.

[0120] Las láminas conductoras se utilizan en su materialización como tramos de cada película de retorno conductora, que funcionan como electrodos y en los que los electrodos de las semiceldas reciben el flujo de un electrólito con una de las dos sustancias redox-activas.

[0121] Las películas de retorno están formadas en su configuración por una combinación de carbono y como mínimo uno de los siguientes materiales: polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK). En este caso el carbono de las películas de retorno se compone al menos parcialmente de grafito y/o nanotubillos de carbono y/o grafeno.

[0122] Como películas de retorno para la reacción redox se fabrican en su configuración electrodos aptos resistentes a la corrosión gracias a su revestimiento con láminas metálicas o poliméricas conductoras de electricidad y en las que dicho revestimiento conductor contiene grafito y/o grafeno y/o nanotubillos de carbono.

[0123] Las láminas por cubrir son en su configuración películas poliméricas de como mínimo uno de los siguientes materiales: polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK). Como alternativa, las películas por revestir son películas metálicas de como mínimo uno de los siguientes materiales conductores: plata, cobre o aluminio.

[0124] En su conformación, el revestimiento de la película se realiza por lacado y/o estampación con tinta que contenga grafito y/o nanotubillos de carbono y/o grafeno.

[0125] También es posible recubrir las películas de retorno adicionalmente con sustancias conductoras y catalíticamente activas, en cuyo caso al menos una superficie de cada película de retorno está estructurada para extender la superficie, y en la que la estructuración de la superficie de las respectivas películas de retorno forma como mínimo un espaciador en cada caso, que como mínimo define un canal de corriente para los electrólitos en las semiceldas.

papel. Adem s, cada espaciador mnimo uno incluye como mnimo una rejilla biplana yo tejido.

[0127] El tubo de entrada 7a (como mínimo uno) y de salida 7b (como mínimo uno) se configura como una rejilla.

[0128] En su configuración, los espaciadores, como mínimo uno, deben ser conductores y/o disponer de un revestimiento catalítico.

[0129] Además, los respectivos espaciadores (como mínimo uno) están recubiertos parcialmente de grafito y/o tubillos de carbono y/o grafeno.

[0130] Es posible que, antes de la utilización de los espaciadores (mínimo uno) en la batería de flujo redox se realice un tratamiento previo del espaciador por incorporar (mínimo uno), en el que mediante pirólisis se genere carbono libre y reactivo en como mínimo uno de espaciadores de carbono.

[0131] En su posible configuración los espaciadores son como mínimo de uno de los siguientes materiales: polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK).

[0132] En su configuración los tramos de las películas están sujetos como mínimo a un elemento sellante dispuesto en el cuerpo central y los tramos de las respectivas películas están tensados entre como mínimo un elemento sellante y el cuerpo central.

[0133] La batería de flujo redox puede presentar elementos sellantes conductores para los tramos de las respectivas películas de retorno conductoras, que están conectadas en su conductividad eléctrica con los tramos de las respectivas películas de retorno, y en la que los elementos sellantes conductores incluyen como mínimo los siguientes materiales: cobre, aluminio, carbono en forma de grafito y/o grafeno y/o nanotubillos de carbono. Asimismo, los elementos sellantes conductores pueden estar compuestos de una combinación de carbono y como mínimo uno de los siguientes materiales: polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o disponer de un recubrimiento de este tipo.

[0134] En su configuración el módulo de batería de flujo redox presenta elementos sellantes aislantes eléctricos para los tramos de la película de membrana, y los elementos sellantes aislantes eléctricos pueden ser de uno de los siguientes materiales: refuerzos de fibra de vidrio (RFV), polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE), o polieteretercetona (PEEK) o bien disponer de un recubrimiento de estos materiales.

[0135] Además, es posible que los elementos sellantes de los tramos de película de membrana y de los tramos de película de retorno conductores estén sujetos de forma alterna al cuerpo central o bien conformen alternativamente el cuerpo central, y que entre las películas esté dispuesto un espaciador que permita que los canales de corriente resultantes tras el bobinado estén delimitados en la bobina cada uno mediante una película de membrana y una película de retorno.

[0136] El módulo de flujo de batería redox (mínimo uno) puede presentar como mínimo dos perfiles de entrada y como mínimo dos perfiles de salida, y dichos perfiles de entrada y salida se disponen de forma alterna con los elementos sellantes de los tramos de película de membrana y de película de retorno y/o son como mínimo parcialmente una parte integrante de los elementos sellantes.

[0137] En la configuración de la batería de flujo redox los como mínimo dos tramos de película de membrana del extremo de la bobina están fuertemente unidos. Así, o bien el tramo de película de retorno que se encuentra entre estos tramos de película de membrana se recorta antes de tal manera que los espaciadores hagan girar al electrólito que fluye entre ambos tramos de película de membrana unidos al final de la bobina alrededor de la película de retorno o bien, en caso de estructuraciones de superficie en la película de retorno como espaciador, esta película de retorno se perfora suficientemente al final de la bobina para permitir el cambio de dirección del flujo de electrólitos de forma que, tras la unión de los tramos de película de membrana del tramo restante de película de retorno situado ahora en la parte externa de la bobina se fija fuertemente a la superficie todavía libre de este tramo de película de retorno al final de la bobina, y los espaciadores sobresalen en los tramos de película de membrana unidos en el extremo de la bobina de forma que el electrólito que fluye por los tramos de película de retorno ahora unidos gira al final de la bobina alrededor de los tramos de película de membrana unidos. Los extremos de los tramos de película de membrana se sellan en la parte externa de la bobina mediante un proceso de envolvimiento conjunto y con un perfil de apriete fabricado en polipropileno (PP), polietileno (PE), cloruro de polivinilo (PVC), éter de polifenileno (PPE), óxido de polifenileno (PPO), sulfuro de polifenileno (PPS), politetrafluoroetileno (PTFE) o polieteretercetona (PEEK).

[0138] Los perfiles de entrada y salida de electrólitos pueden definirse de tal manera que hagan posible el funcionamiento de una corriente inversa y en los que uno de los dos electrólitos del final de la bobina circule en electr litos pueden deinirse de tal manera que hagan posible un uncionamiento puro de corriente inversa, en el que uno de los electrólitos al final de la bobina circule en cualquier dirección en el tramo de película de retorno encerrado entre los tramos de película de membrana.

[0139] En el proceso de generación de energía con sustancias disueltas en fluidos se conduce un primer fluido en un primer canal de corriente del módulo de batería de flujo redox devanado y un segundo fluido en un segundo canal de corriente del módulo de batería de flujo redox de un modo de ejecución de la batería de flujo redox presentada, siendo dirigidos el primer fluido y el segundo a través del módulo de batería de flujo de redox gracias a un principio de corriente continua o de corriente inversa.

[0140] En ello, el primer canal de corriente del módulo de batería de flujo redox se limita como mínimo por zonas, es decir, únicamente dentro de la zona seleccionada, a una cara de la película de membrana de intercambio de iones y a una segunda cara de una película de retorno conductora. El segundo canal de corriente se limita como mínimo por zonas a una primera cara de una segunda película de retorno conductora y a una segunda cara de película de membrana de intercambio de iones, con disposición de un espaciador en el primer y/o segundo canal de corriente.

[0141] En su configuración, se desvía el primer fluido y el segundo en un extremo del primer canal de corriente o del segundo canal de corriente y, en función de las concentraciones de las sustancias redox-activas, se produce una transferencia de electrones entre el primer canal de corriente y el segundo a través de la película de retorno conductora así como una transferencia de iones a través de la película de membrana.

[0142] A fin de incrementar la tensión de la batería de flujo redox hasta la tensión de funcionamiento deseada, se conectan eléctricamente en serie varios módulos de batería de flujo redox y, en esta serie, la circulación de los electrólitos a través de los distintos módulos de la batería de flujo redox se regula con limitadores de flujo a una corriente volumétrica homogénea, y se conectan varios grupos de módulos de batería de flujo redox en circuito en serie en paralelo unos de otros.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Batería de flujo redox que presenta como mínimo un módulo de batería de flujo redox bobinado (10a, 10b), que cuenta con como mínimo dos semiceldas separadas por como mínimo una película de membrana, atravesada a su vez por los electrólitos líquidos (106, 107), cada una con una de las dos sustancias redoxactivas (101, 103) que interactúan entre sí y circulan en una reacción redox, en la que como mínimo las dos semiceldas separadas, mediante el devanado de como mínimo el primer tramo (3a) de como mínimo una película de membrana, de un tramo de como mínimo una de las primeras películas de retorno (4a), de como mínimo un segundo tramo (3b) de como mínimo una película de membrana y de un tramo de como mínimo una segunda película de retorno conductora (4b) están formadas sobre un cuerpo central (1), y en la que mediante como mínimo un espaciador (9) se forman tras el bobinado canales de corriente (8A, 8b, 8c, 8d) entre los tramos de película de membrana y los tramos de película de retorno.

2. Batería de flujo redox según la reivindicación 1, en la que el módulo de batería de flujo redox presenta como mínimo una primera película de membrana y como mínimo una segunda película de membrana, y en la que el como mínimo primer tramo (3a) pertenece a la primera película de membrana y el como mínimo segundo tramo (3b) pertenece a la segunda película de membrana.

3. Batería de flujo redox según la reivindicación 1, en la que el cuerpo central (1) presenta en su configuración una primera mitad y una segunda mitad que están unidas entre sí y situadas entre la película de membrana continua que circula como mínimo entre los tramos primero (3a) y segundo (3b).

4. Batería de flujo redox según las reivindicaciones indicadas anteriormente, en la que las respectivas películas de retorno para reacción redox se fabrican de electrodos aptos resistentes a la corrosión gracias a su revestimiento con láminas metálicas o poliméricas, y en las que dicho revestimiento es conductor de electricidad.

5. Batería de flujo redox según la reivindicación 4, en la que las películas de retorno están recubiertas adicionalmente con sustancias conductoras y catalíticamente activas, en la que al menos una superficie de cada película de retorno está estructurada para extender la superficie y en la que la estructuración de la superficie de las respectivas películas de retorno forman como mínimo un espaciador en cada caso, que como mínimo define un canal de corriente para los electrólitos en las semiceldas.

6. Batería de flujo redox según la reivindicación anterior, en la que como mínimo un espaciador está formado de fieltro, material no tejido y/o papel, y /o en el que el espaciador (como mínimo uno) es una rejilla biplana y/o está compuesto de tejido, y/o en la que cada espaciador (como mínimo uno) es conductor o tiene revestimiento catalítico, y/o en la que los espaciadores (como mínimo uno) están como mínimo parcialmente cubiertos de grafito y/o de nanotubillos de carbono y/o de grafeno.

7. Batería de flujo redox según una de las reivindicaciones anteriores, en la que, con anterioridad al uso de como mínimo un espaciador en la batería de flujo redox, se realiza un tratamiento previo del espaciador por incorporar, que mediante pirólisis genera carbono libre y reactivo en ese espaciador (como mínimo uno) de carbono.

8. Batería de flujo redox según una de las reivindicaciones anteriores, en la que los tramos de las películas están sujetos a como mínimo un elemento sellante dispuesto en el cuerpo central y que, con objeto de la estanqueidad, tensa los tramos de las respectivas películas dispuestas entre como mínimo un elemento sellante y el cuerpo central.

9. Batería de flujo redox según una de las reivindicaciones anteriores, que presenta elementos sellantes conductores para los tramos de las respectivas películas de retorno que están unidos en su conductividad eléctrica con los tramos de las respectivas películas de retorno conductoras.

10. Batería de flujo redox según una de las reivindicaciones anteriores, en la que los elementos sellantes de los tramos de película de membrana y de los tramos de película de retorno conductora de electricidad están sujetos al cuerpo central o bien conforman de forma alterna el cuerpo central, y en la que entre las películas hay dispuesto como mínimo un espaciador, de manera que tras el enrollado, los canales de corriente resultantes están delimitados en el devanado cada uno por una película de membrana y una película de retorno.

11. Batería de flujo redox según una de las reivindicaciones anteriores, en la que los tramos (como mínimo dos) de la película de membrana están unidos fuertemente al final de la bobina, con lo que o bien los tramos de película de retorno situados entre estos tramos de película de membrana se ven recortados antes de tal forma que los espaciadores giren los electrólitos que fluyen entre ambos tramos de película de membrana unidos a la altura de la película de retorno o bien, en caso de estructuraciones de superficie en la película de retorno como espaciador, esta película de retorno se perfore suficientemente al final de la bobina para permitir el cambio de dirección del flujo de electrólitos, de forma que, tras la unión de los tramos de película de membrana del tramo restante de película de retorno situado ahora en la parte externa de la bobina, se fije fuertemente a la superficie todavía libre de este tramo de película de retorno al final de la bobina, y los espaciadores sobresalgan en los tramos de película de membrana unidos en el extremo de la bobina, de forma que el electrólito que fluya por los tramos de película de retorno ahora unidos gire al final de la bobina alrededor de los tramos de película de membrana unidos.

12. Batería de flujo redox según una de las reivindicaciones anteriores, en la que los perfiles de entrada y salida de electrólitos están definidos de tal manera que hagan posible un funcionamiento puro de corriente inversa, y en la que uno de los dos electrólitos al final de la bobina circula en cualquier dirección en el tramo de película de retorno contenido entre los tramos de película de membrana.

13. Batería de flujo redox según una de las reivindicaciones anteriores, en la que los perfiles de entrada y salida de electrólitos están definidos de tal manera que hagan posible un funcionamiento puro de corriente continua, en el que uno de los electrólitos al final de la bobina circula en cualquier dirección en el tramo de película de retorno contenido entre los tramos de película de membrana.

14. Proceso de generación de energía con sustancias redox-activas disueltas en fluidos, en el que un primer fluido se conduce a un primer canal de corriente de un módulo batería de flujo redox devanado y un segundo fluido, a un segundo canal de corriente del módulo batería de flujo redox devanado de una batería de flujo redox según una de las reivindicaciones anteriores. El primer fluido y el segundo se conducen según un principio de corriente continua o corriente alterna a través del módulo de batería de flujo redox.

15. Proceso según la reivindicación 14, en el que el primer canal de corriente del módulo de batería de flujo redox se limita como mínimo por zonas, es decir, únicamente dentro de una zona seleccionada, a una primera cara de la película de membrana de intercambio de iones y a una segunda cara de una primera película de retorno conductora, y en la que el segundo canal de corriente se limita como mínimo por zonas a una primera cara de una segunda película de retorno conductora y a una segunda cara de la película de membrana de intercambio de iones. En el primer canal de corriente y/o en el segundo canal de corriente se dispone un espaciador.