ES2972531T3

ES2972531T3 - Celdas electroquímicas que tienen campos de flujo diseñados y métodos para producir las mismas

Info

Publication number: ES2972531T3
Application number: ES16898131T
Authority: ES
Inventors: Thomas H Madden; Paravastu Badrinarayanan; Curtis Warrington; Srivatsava Puranam
Original assignee: Lockheed Martin Energy LLC
Current assignee: Lockheed Martin Energy LLC
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2024-06-13
Anticipated expiration: 2036-04-27
Also published as: SA518400187B1; US10147957B2; EP3443608B1; DK3443608T3; CA3020101A1; FI3443608T3; KR102603836B1; WO2017176295A1; JP6767500B2; CN109075356B; EP3443608A4; CA3020101C; CN109075356A; EP3443608A1; AU2016401682A1; AU2016401682B2; JP2019511104A; US20170294662A1; MX2018012227A; KR20180132127A

Abstract

Las celdas electroquímicas pueden incluir canales de flujo diseñados para proporcionar una solución electrolítica de manera más eficiente a un electrodo o separador iónicamente conductor. Dichas celdas electroquímicas pueden incluir un separador iónicamente conductor dispuesto entre una primera media celda y una segunda media celda, una primera placa bipolar en la primera media celda y una segunda placa bipolar en la segunda media celda. Al menos una de la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar es un compuesto que contiene un material conductor y un material de bloqueo. El material de bloqueo define una pluralidad de canales de flujo que están espaciados entre sí y se extienden lateralmente a través del compuesto con respecto al separador iónicamente conductor. La pluralidad de canales de flujo también están en comunicación fluida entre sí en el compuesto. Dichas celdas electroquímicas pueden incorporarse en pilas electroquímicas y/o conectarse de manera fluida a un colector de entrada de fluido y un colector de salida de fluido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Celdas electroquímicas que tienen campos de flujo diseñados y métodos para producir las mismas

La presente divulgación se refiere, en general, a celdas electroquímicas y, más específicamente, a celdas electroquímicas que tienen una arquitectura de campo de flujo diseñada y métodos para fabricar tales celdas electroquímicas.

Antecedentes

Los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica, tales como baterías, supercondensadores y similares, se han propuesto ampliamente para aplicaciones de almacenamiento de energía a gran escala. Varios diseños de baterías, incluyendo baterías de flujo, se han considerado para este propósito. En comparación con otros tipos de sistemas de almacenamiento de energía electroquímica, las baterías de flujo pueden ser ventajosas, especialmente para aplicaciones a gran escala, debido a su capacidad para desacoplar los parámetros de densidad de potencia y densidad de energía entre sí.

Las baterías de flujo generalmente incluyen materiales activos negativos y positivos en las correspondientes soluciones de electrolitos, que fluyen por separado a través de lados opuestos de una membrana o separador en una celda electroquímica que contiene electrodos negativos y positivos. La batería de flujo se carga o descarga mediante reacciones electroquímicas de los materiales activos que se producen dentro de las dos semiceldas. Como se usan en el presente documento, los términos "material activo", "material electroactivo" "material activo redox" o variantes del mismo se referirá como sinónimo a materiales que sufren un cambio de estado de oxidación durante el funcionamiento de una batería de flujo o un sistema de almacenamiento de energía electroquímica similar (es decir, durante la carga o descarga). Una celda electroquímica completa contiene dos semiceldas (es decir, una semicelda positiva y una semicelda negativa) que están separadas por el material separador.

Para aumentar la cantidad de energía que puede almacenar y liberar una batería de flujo, se pueden colocar una pluralidad de celdas electroquímicas individuales en comunicación eléctrica entre sí. Colocar las celdas electroquímicas individuales en comunicación eléctrica entre sí implica normalmente colocar las celdas electroquímicas individuales en una "pila de celdas" o "pila electroquímica" con una placa bipolar o material similar que establece comunicación eléctrica entre celdas electroquímicas adyacentes. Las placas bipolares son conductoras de electricidad pero sustancialmente no conductoras para el transporte de fluidos. Por tanto, las placas bipolares permiten que se establezca comunicación eléctrica entre celdas electroquímicas adyacentes sin intercambiar soluciones de electrolitos entre ellas.

Dentro de una celda electroquímica, una placa bipolar puede servir directamente como electrodo en sí misma cuando se coloca cerca de un separador o membrana, o la placa bipolar puede ser contigua a un material de electrodo separado adyacente al separador o membrana. Independientemente de qué configuración esté presente en una celda electroquímica determinada, puede ser deseable distribuir una solución de electrolito eficientemente al separador para promover reacciones electroquímicas deseadas en estrecha proximidad al separador. Por ejemplo, la distribución ineficiente de una solución de electrolito puede disminuir la eficiencia operativa y/o aumentar la aparición de reacciones parásitas en lugares alejados del separador. Como se usa en el presente documento, la expresión "reacción parásita" se referirá a cualquier reacción secundaria electroquímica que difiera del ciclo de oxidación-reducción deseado del material activo en una solución de electrolito.

La distribución de una solución de electrolito al separador en una celda electroquímica se puede lograr usando una placa bipolar. En algunos casos, se pueden incorporar campos de flujo diseñados en la placa bipolar para controlar la dinámica del flujo de la manera deseada, como se examina con más detalle a continuación en el presente documento. Arquitecturas de campo de flujo que incorporan un campo de flujo abierto, en el que la dinámica de flujo de una solución de electrolito no está regulada en gran medida, también son posibles. Una tela o fieltro de carbono poroso no modificado representa un material ilustrativo que puede proporcionar un campo de flujo abierto en una celda electroquímica.

Los campos de flujo diseñados que permiten un cambio de dirección en al menos un eje de coordenadas a menudo pueden proporcionar un funcionamiento de la celda más eficiente que los campos de flujo abiertos. Los campos de flujo interdigitados, por ejemplo, pueden proporcionar valores de densidad de corriente altos mientras mantiene la tensión de la celda en un nivel bajo deseable. Los campos de flujo abiertos requieren poca o ninguna preocupación especial durante la fabricación de celdas electroquímicas. Los campos de flujo diseñados, a diferencia de ellos, pueden implicar moldear y/o mecanizar una pluralidad de canales de flujo en un material conductor. La definición de campos de flujo diseñados de esta manera puede aumentar significativamente los costes de fabricación y representar una etapa de fabricación limitante de la velocidad. La fabricación de campos de flujo interdigitados dentro de una placa bipolar puede ser especialmente difícil de realizar de manera oportuna y rentable, particularmente dentro de una línea de producción continua.

En vista de lo anterior, serían muy deseables en la técnica configuraciones de celdas electroquímicas que puedan tener campos de flujo diseñados fácilmente incorporados en las mismas y una fácil fabricación de las mismas. La presente divulgación satisface las necesidades anteriores y también proporciona ventajas relacionadas.

El documento WO 03/030286 A2 proporciona un separador para una pila de combustible, teniendo la pila de combustible dos separadores y un conjunto de electrodo de membrana intercalado por los dos separadores, estando provisto el conjunto de electrodo de membrana de un electrodo de ánodo, un electrodo de cátodo y una membrana electrolítica intercalada entre los dos electrodos, teniendo cada uno de los dos electrodos una capa de difusión que permite la difusión de uno de entre un agente oxidante gaseoso y un gas combustible. El separador comprende un miembro en forma de placa; y una pluralidad de proyecciones para formar una pluralidad de conductos de gas que permiten el flujo de uno del agente oxidante gaseoso y el gas combustible, estando proporcionadas las proyecciones en el miembro en forma de placa y haciendo contacto con el conjunto de electrodo de membrana. Uno de los conductos de gas está definido por dos proyecciones adyacentes, el miembro en forma de placa y el conjunto de electrodo de membrana. Además, el coeficiente de conductividad térmica de la proyección es menor que el coeficiente de conductividad térmica del miembro en forma de placa del separador. Asimismo, esta invención proporciona un método para fabricar un separador para una pila de combustible, teniendo la pila de combustible el separador provisto de un miembro en forma de placa y una pluralidad de proyecciones en el miembro en forma de placa, haciendo contacto las proyecciones con un electrodo de la pila de combustible, en donde se forma una ranura de flujo de gas entre dos proyecciones adyacentes y se extiende paralela a una superficie del separador. El método comprende formar las proyecciones a partir de un material que tenga un coeficiente de conductividad térmica menor que el coeficiente de conductividad térmica del miembro en forma de placa; formar una membrana a partir de un revestimiento hidrofílico conductor de electricidad aplicado a la superficie de las proyecciones y a la superficie del miembro en forma de placa; y eliminar la membrana de la parte superior de las proyecciones que hace contacto con el electrodo de la pila de combustible rectificando la superficie en la parte superior de las proyecciones o aplicando un proceso de granallado después de llenar la ranura de flujo de gas con un medio líquido o un medio en gel.

El documento DE 10 2010 015504 A1 se refiere a una capa de difusión de gas para una pila de combustible, en particular de un vehículo, en donde la capa de difusión de gas para aplicar un electrodo de un conjunto de membranaelectrodo de la pila de combustible está formada con un reactivo, y en donde la capa de difusión de gas es una pluralidad de bandas conductoras de la electricidad a través de las cuales se delimitan canales entre sí para el reactivo. Al menos una de las bandas conductoras de la electricidad contiene carbono. Asimismo, la invención se refiere a una pila de combustible con dicha capa de difusión de gas y a un método para fabricar una capa de difusión de gas para una pila de combustible.

El documento US 2004/241525 A1 se refiere a la fabricación de material de pila de combustible en rollo que implica laminar una primera y segunda bandas de material de unión que tienen ventanas espaciadas con la primera y segunda superficies de una banda de membrana de pila de combustible. La primera y segunda regiones activas de la banda de membrana están situadas dentro de las ventanas respectivas del material de unión. Las terceras y cuartas bandas de material de junta que tienen ventanas espaciadas están laminadas respectivamente al material de unión en las superficies de la primera y segunda membrana. Las ventanas de material de unión se alinean con las ventanas respectivas de material de junta de modo que al menos parte del material de unión se extienda dentro de las ventanas respectivas de material de junta. Las partes de material de la capa de transporte de fluidos (FTL) cortadas de la quinta y sexta bandas de material FTL se laminan en las primera y segunda regiones activas respectivas. Las partes de material FTL se colocan dentro de las ventanas respectivas de material de junta y hacen contacto con el material de unión que se extiende dentro de las ventanas respectivas de material de junta.

El documento CA 2937798 A1 se refiere a una batería de flujo redox que tiene una resistencia interna reducida. La batería de flujo redox está provista de un diafragma, una placa bipolar, un electrodo dispuesto entre el diafragma y la placa bipolar, un puerto de entrada para suministrar una solución electrolítica al electrodo, y un puerto de salida para evacuar la solución electrolítica del electrodo, y lleva a cabo reacciones de carga-descarga haciendo fluir la solución electrolítica al electrodo. El electrodo está provisto de una capa de electrodo anisotrópico que tiene diferentes permeabilidades entre una dirección A1 en el plano de este electrodo y una dirección A2 que es ortogonal a la dirección A1 en el plano del electrodo. En la capa de electrodo anisotrópico, la permeabilidad K1 en la dirección A1 es mayor que la permeabilidad K2 en la dirección A2. El electrodo está dispuesto de tal manera que la dirección A1 es sustancialmente paralela a la dirección de flujo principal de la solución electrolítica dentro del electrodo, que se determina en función de la forma de la cara de la placa bipolar hacia el electrodo y la relación posicional entre el puerto de entrada y el puerto de salida.

Sumario

La presente invención se expone en las reivindicaciones adjuntas.

En algunas realizaciones, la presente divulgación proporciona celdas electroquímicas que contienen un separador iónicamente conductor dispuesto entre una primera semicelda y una segunda semicelda, una primera placa bipolar en la primera semicelda, y una segunda placa bipolar en la segunda semicelda. Al menos una de la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar son un material compuesto que incluye un material conductor y un material de bloqueo. El material de bloqueo define una pluralidad de canales de flujo que están espaciados entre sí y se extienden lateralmente a través del material compuesto con respecto al separador iónicamente conductor. La pluralidad de canales de flujo están en comunicación fluida entre sí en el material compuesto. Las pilas electroquímicas pueden contener varias celdas electroquímicas colocadas contiguas entre sí.

En otras realizaciones diversas, los métodos para formar celdas electroquímicas pueden incluir impregnar un material de bloqueo en una parte de un material conductor para formar un material compuesto, y fabricar una celda electroquímica que contiene una primera placa bipolar en una primera semicelda y una segunda placa bipolar en una segunda semicelda. La primera semicelda y la segunda semicelda están separadas por un separador conductor de iones. Al menos una de la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar contiene el material compuesto. El material de bloqueo define una pluralidad de canales de flujo que están espaciados entre sí y se extienden lateralmente a través del material compuesto con respecto al separador iónicamente conductor. La pluralidad de canales de flujo están en comunicación fluida entre sí en el material compuesto.

En otras realizaciones más, los métodos para formar celdas electroquímicas pueden incluir disponer un material de bloqueo en una capa sobre un material conductor para formar un material compuesto, eliminar una parte del material de bloqueo de la capa para definir una pluralidad de canales de flujo que están espaciados entre sí, y fabricar una celda electroquímica que contiene una primera placa bipolar en una primera semicelda y una segunda placa bipolar en una segunda semicelda. La primera semicelda y la segunda semicelda están separadas por un separador conductor de iones. Al menos una de la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar contiene el material compuesto. La pluralidad de canales de flujo se extienden lateralmente a través del material compuesto con respecto al separador iónicamente conductor. La pluralidad de canales de flujo están en comunicación fluida entre sí en el material compuesto.

Lo anterior ha esbozado de manera bastante amplia las características de la presente divulgación para que la descripción detallada que sigue pueda entenderse mejor. A continuación en el presente documento se describirán características y ventajas adicionales de la divulgación. Estas y otras ventajas y características resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción.

Breve descripción de los dibujos

Para una comprensión más completa de la presente divulgación y las ventajas adicionales de la misma, se hace referencia ahora a las siguientes descripciones que se tomarán junto con los dibujos adjuntos que describen realizaciones específicas de la divulgación, en donde:

la FIGURA 1 muestra un esquema de una batería de flujo ilustrativa que contiene una única celda electroquímica;

la FIGURA 2 muestra un esquema generalizado de una celda electroquímica ilustrativa que contiene una placa bipolar;

la FIGURA 3 muestra un esquema generalizado de una pila electroquímica ilustrativa que contiene la celda electroquímica de la FIGURA 2;

la FIGURA 4 muestra un esquema generalizado de una pila electroquímica ilustrativa que tiene placas bipolares compartidas entre celdas electroquímicas adyacentes;

la FIGURA 5 muestra una vista despiezada de una configuración de celda electroquímica ilustrativa que tiene capas estructurales y un sello compresible entre semiceldas adyacentes, en la que los diversos componentes de la celda están espaciados unos de otros para mostrar detalles;

la FIGURA 6a muestra una vista más detallada desde el lado del cátodo de la celda unitaria electroquímica de la FIGURA 5;

la FIGURA 6b muestra una vista más detallada desde el lado del ánodo de la celda unitaria electroquímica de la FIGURA 5;

la FIGURA 7 muestra una vista en sección de la celda electroquímica de la FIGURA 5 con los diversos componentes de la celda completamente contiguos entre sí;

la FIGURA 8 muestra una vista despiezada de otra configuración de celda electroquímica ilustrativa, en la que los diversos componentes de la celda están espaciados unos de otros para mostrar detalles;

la FIGURA 9 muestra una vista en sección de la celda electroquímica de la FIGURA 8 con los diversos componentes de la celda completamente contiguos entre sí;

la FIGURA 10 muestra una vista superior de un esquema de una celda electroquímica ilustrativa que contiene una placa bipolar con una pluralidad de canales de flujo definidos en la misma;

la FIGURA 11 muestra una vista lateral de un esquema de una semicelda electroquímica ilustrativa que contiene una placa bipolar con un material de bloqueo impregnado en la misma;

la FIGURA 12 muestra una vista lateral de un esquema de una semicelda electroquímica ilustrativa que contiene una placa bipolar con un material de bloqueo dispuesto como una capa sobre la misma;

la FIGURA 13 muestra una vista lateral de un esquema de una celda electroquímica completa en la que están presentes placas bipolares que contienen un material de bloqueo;

las FIGURAS 14 y 15 muestran dos vistas diferentes de un proceso ilustrativo mediante el cual se puede impregnar un polímero termoplástico en el material conductor de una placa bipolar;

la FIGURA 16 muestra un proceso de deposición de líquido ilustrativo que emplea un pulverizador;

las FIGURAS 17 y 18 muestran dos vistas diferentes de un proceso ilustrativo a través del cual se puede colocar un polímero termoplástico sobre el material conductor de una placa bipolar y luego someterse a erosión para definir canales de flujo; y

las FIGURAS 19 y 20 muestran esquemas generalizados de líneas de producción continua ilustrativas que pueden usarse para definir canales de flujo en una placa bipolar y ensamblar una celda electroquímica a partir de las mismas.

Descripción detallada

La presente divulgación está dirigida, en parte, a celdas electroquímicas que tienen campos de flujo diseñados dentro de una placa bipolar. La presente divulgación también está dirigida, en parte, a procesos de fabricación para fabricar celdas electroquímicas que tienen campos de flujo diseñados dentro de una placa bipolar. La presente divulgación también está dirigida, en parte, a sistemas de línea de producción para fabricar celdas electroquímicas que tienen campos de flujo diseñados dentro de una placa bipolar.

La presente divulgación puede entenderse más fácilmente por referencia a la siguiente descripción detallada tomada junto con las figuras y ejemplos adjuntos, todos los cuales forman parte de la presente divulgación. Debe entenderse que esta divulgación no se limita a los productos, métodos, condiciones o parámetros específicos descritos y/o mostrados en el presente documento. Además, la terminología utilizada en el presente documento tiene el propósito de describir realizaciones particulares a modo de ejemplo únicamente y no pretende ser limitante a menos que se especifique lo contrario. De manera análoga, salvo que se indique específicamente de otra forma, cualquier descripción en el presente documento dirigida a una composición pretende hacer referencia a versiones tanto sólidas como líquidas de la composición, incluyendo soluciones y electrolitos que contienen la composición, y celdas electroquímicas, baterías de flujo y otros sistemas de almacenamiento de energía que contengan tales soluciones y electrolitos. Además, debe reconocerse que cuando la divulgación en el presente documento describe una celda electroquímica, batería de flujo u otro sistema de almacenamiento de energía, debe apreciarse que también se describen implícitamente los métodos para hacer funcionar la celda electroquímica, una batería de flujo u otro sistema de almacenamiento de energía.

También debe apreciarse que ciertas características de la presente divulgación pueden describirse en el presente documento en el contexto de realizaciones separadas para fines de claridad, pero también pueden proporcionarse en combinación entre sí en una única realización. Esto es, a menos que sea obviamente incompatible o se excluya específicamente, cada realización individual se considera combinable con cualquier otra realización y se considera que la combinación representa otra realización distinta. Por el contrario, varias características de la presente divulgación que se describen en el contexto de una única realización en aras de la brevedad también se pueden proporcionar por separado o en cualquier subcombinación. Finalmente, si bien una realización particular puede describirse como parte de una serie de etapas o parte de una estructura más general, cada etapa o subestructura también puede considerarse una realización independiente en sí misma.

A menos que se indique de otro modo, debe entenderse que cada elemento individual en una lista y cada combinación de elementos individuales en esa lista debe interpretarse como una realización distinta. Por ejemplo, una lista de realizaciones presentadas como "A, B o C" debe interpretarse como que incluye las realizaciones "A", "B", "C", "A o B", "A o C", "B o C", o "A, B o C."

En la presente divulgación, las formas singulares de los artículos "un", "una", y "el/la" incluyen también las referencias en plural correspondientes, y la referencia a un valor numérico particular incluye al menos ese valor particular, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. De este modo, por ejemplo, la referencia a "un material" es una referencia a al menos uno de tales materiales y equivalentes de los mismos.

En general, el uso del término "aproximadamente" indica aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas que se buscan obtener mediante la materia objeto divulgada y debe interpretarse en función del contexto basándose en la funcionalidad. Por consiguiente, un experto en la materia podrá interpretar un grado de variación caso por caso. En algunas ocasiones, el número de cifras significativas utilizadas al expresar un valor particular puede ser una técnica representativa para determinar la varianza permitida por el término "aproximadamente". En otros casos, las gradaciones en una serie de valores pueden usarse para determinar el intervalo de variación permitido por el término "aproximadamente". Además, todos los intervalos en la presente divulgación son inclusivos y combinables, y las referencias a valores establecidos en intervalos incluyen todos los valores dentro de ese intervalo.

Como se ha examinado anteriormente, los sistemas de almacenamiento de energía que puedan funcionar a gran escala y al mismo tiempo mantengan altos valores de eficiencia pueden ser extremadamente deseables. Las baterías de flujo han generado un gran interés en este sentido, pero todavía no se han desarrollado tecnologías de baterías de flujo que sean verdaderamente viables comercialmente. Una característica deseable de las celdas electroquímicas, incluidas los utilizados en baterías de flujo, es una estructura para la distribución eficiente de una solución de electrolito. Sin una distribución adecuada de la solución de electrolito, puede ocurrir un funcionamiento ineficiente de la celda y/o puede aumentar la incidencia de reacciones parasitarias.

Aunque los campos de flujo diseñados se pueden introducir en una celda electroquímica a través de una placa bipolar alojada en ella, las técnicas actuales para hacerlo son generalmente laboriosas, costosas y requieren mucho tiempo. Más específicamente, las técnicas actuales para introducir campos de flujo diseñados en una placa bipolar implican moldear o mecanizar una pluralidad de canales de flujo en un material conductor. Las operaciones de moldeo y mecanizado son inherentemente lentas y pueden impedir la incorporación de dichos procesos dentro de una línea de producción continua. Las arquitecturas de campos de flujo interdigitados representan un tipo de campo de flujo diseñado que puede ser deseable introducir en celdas electroquímicas. Sin embargo, actualmente es difícil hacerlo utilizando las técnicas actualmente disponibles, particularmente de una manera de alto rendimiento.

Los presentes inventores descubrieron configuraciones de celdas electroquímicas en las que una placa bipolar puede modificarse fácilmente para definir una pluralidad de canales de flujo casi interdigitados. Dado que los canales de flujo interdigitados convencionales se producen mecanizando o moldeando un material conductor, los inventores descubrieron que se pueden fabricar canales de flujo casi interdigitados colocando selectivamente un material de bloqueo dentro o sobre el material conductor. Como se usa en el presente documento, la expresión "material de bloqueo" se referirá a cualquier sustancia que sea capaz de llenar una parte del espacio poroso en un material conductor y establecer una región impermeable donde una solución de electrolito no puede viajar. Colocando el material de bloqueo en ubicaciones específicas dentro y/o sobre el material conductor, el material conductor restante puede proporcionar propiedades de distribución de flujo que son similares a las proporcionadas por un campo de flujo interdigitado. A continuación se proporciona una divulgación adicional a este respecto.

La utilización de un material de bloqueo de la manera descrita en el presente documento puede producir tanto canales de flujo parcialmente cerrados como canales de flujo abiertos. En configuraciones de canales de flujo parcialmente cerrados, el material conductor llena el interior del canal de flujo y el material de bloqueo define los límites exteriores del canal de flujo. Los poros interconectados del material conductor pueden permitir que todavía tenga lugar el flujo de fluido a través de los canales de flujo. Esto es, el material conductor proporciona menos impedimento al flujo de fluido que el material de bloqueo. En configuraciones de canal de flujo abierto, el material de bloqueo define nuevamente los límites exteriores del canal de flujo, pero en este caso el interior del canal de flujo no está lleno con el material conductor de la placa bipolar. En algunas ocasiones, el interior de los canales de flujo se puede llenar con un material de electrodo. Cada configuración se examina con más detalle a continuación en el presente documento.

De manera ventajosa, se pueden incorporar materiales de bloqueo adecuados sobre o dentro de materiales conductores de diversas maneras que permitan definir fácilmente los canales de flujo. Más específicamente, los canales de flujo se pueden definir en un material conductor mediante procesos aditivos o sustractivos. Los procesos aditivos introducen el material de bloqueo selectivamente de tal manera que los canales de flujo quedan definidos directamente durante el proceso de adición. Los procesos sustractivos, a diferencia de ellos, introducen el material de bloqueo uniformemente (es decir, no selectivamente), y luego puede tener lugar la eliminación selectiva de una parte del material de bloqueo para definir los canales de flujo en o sobre el material conductor. Tanto los procesos aditivos como sustractivos para definir canales de flujo en un material conductor pueden ser compatibles con diversas técnicas de fabricación de alto rendimiento. Por ejemplo, las configuraciones de celda electroquímica de la presente divulgación se pueden fabricar total o sustancialmente con materiales suministrados a una línea de producción a partir de materiales de origen laminados. A continuación en el presente documento se proporciona una divulgación adicional a este respecto.

Antes de seguir examinando las configuraciones y los procesos de las celdas electroquímicas en los que se pueden introducir campos de flujo casi interdigitados en una placa bipolar, primero se proporcionará una breve descripción general de las baterías de flujo y sus diversos componentes. La FIGURA 1 muestra un esquema de una batería de flujo ilustrativa que contiene una única celda electroquímica. A diferencia de las tecnologías de baterías típicas (por ejemplo, Li-ion, Ni-hidruro metálico, plomo-ácido y similares), donde los materiales activos y otros componentes se alojan en un solo conjunto, las baterías de flujo transportan (por ejemplo, mediante bombeo) materiales de almacenamiento de energía redox activos desde tanques de almacenamiento a través de una pila electroquímica. Esta característica de diseño desacopla la potencia del sistema de almacenamiento de energía eléctrica de la capacidad de almacenamiento de energía, permitiendo así una considerable flexibilidad de diseño y optimización de costes.

Como se muestra en la FIGURA 1, el sistema de batería de flujo 1 incluye una celda electroquímica que presenta un separador 20 (por ejemplo, una membrana) que separa los dos electrodos 10 y 10' de la celda electroquímica. Los electrodos 10 y 10' están formados a partir de un material adecuadamente conductor, tal como un metal, carbono, grafito y similares. El tanque 50 contiene el primer material activo 30, que es capaz de experimentar un ciclo entre un estado oxidado y un estado reducido.

La bomba 60 afecta al transporte del primer material activo 30 desde el tanque 50 a la celda electroquímica. La batería de flujo también incluye adecuadamente un segundo tanque 50' que contiene un segundo material activo 40. El segundo material activo 40 puede ser el mismo material que el material activo 30, o puede ser diferente. La segunda bomba 60' puede afectar el transporte del segundo material activo 40 a la celda electroquímica. También se pueden usar bombas para afectar el transporte de los materiales activos desde la celda electroquímica de regreso a los tanques 50 y 50' (no mostrados en la FIGURA 1). Otros métodos para afectar el transporte de fluidos, tales como sifones, por ejemplo, también puede transportar adecuadamente el primer y segundo materiales activos 30 y 40 dentro y fuera de la celda electroquímica. También se muestra en la FIGURA 1 la fuente de alimentación o carga 70, que completa el circuito de la celda electroquímica y permite al usuario recoger o almacenar electricidad durante su funcionamiento.

Debe entenderse que la FIGURA 1 representa una configuración específica no limitante de una batería de flujo. Por consiguiente, las baterías de flujo y las celdas electroquímicas según la presente invención pueden diferir en varios aspectos con respecto a la configuración de la FIGURA 1. Como un ejemplo, un sistema de batería de flujo puede incluir uno o más materiales activos que sean sólidos, gases y/o gases disueltos en líquidos. Los materiales activos se pueden almacenar en un tanque, en un recipiente abierto a la atmósfera, o simplemente purgarse a la atmósfera.

Como se usan en el presente documento, los términos "separador" y "membrana" se referirán a un material iónicamente conductor y eléctricamente aislante dispuesto entre los electrodos positivo y negativo de una celda electroquímica (es decir, entre la semicelda negativa y la semicelda positiva). El separador puede ser una membrana en algunas realizaciones y/o una membrana de ionómero en otras realizaciones. En algunas realizaciones, el separador puede estar formado a partir de un polímero iónicamente conductor.

Las membranas poliméricas pueden ser electrolitos conductores de aniones o cationes. Cuando se describe como un "ionómero", el término se refiere a una membrana polimérica que contiene tanto unidades repetitivas eléctricamente neutras como unidades repetitivas ionizadas, donde las unidades repetitivas ionizadas están colgantes y unidas covalentemente al esqueleto del polímero. En general, la fracción de unidades repetitivas ionizadas puede variar desde aproximadamente 1 por ciento molar hasta aproximadamente 90 por ciento molar. Las unidades repetidas ionizadas en un ionómero pueden incluir grupos funcionales aniónicos tales como sulfonato, carboxilato y similares. Estos grupos funcionales pueden equilibrarse en carga mediante cationes mono- o divalentes o de valencia superior, tales como metales alcalinos o alcalinotérreos. Los ionómeros también pueden incluir composiciones poliméricas que contengan residuos o sales de amonio cuaternario, sulfonio, fosfazenio y guanidinio. Los ejemplos adecuados resultarán familiares para alguien con conocimientos habituales en la técnica.

En algunas realizaciones, los polímeros útiles como separadores pueden incluir cadenas principales de polímeros altamente fluorados o perfluorados. Ciertos polímeros útiles en la presente divulgación pueden incluir copolímeros de tetrafluoroetileno y uno o más co-monómeros fluorados con funcionalidad ácido, que están disponibles comercialmente como electrolitos de polímero perfluorado NAFION™ de DuPont. Otros polímeros perfluorados útiles pueden incluir copolímeros de tetrafluoroetileno y FSO<2>-CF<2>CF<2>CF<2>CF<2>-O-CF=CF<2>, FLEMION™ y SELEMION™.

Adicionalmente, también se pueden usar membranas sustancialmente no fluoradas que están modificadas con grupos ácido sulfónico (o grupos sulfonato de intercambio catiónico). Tales membranas pueden incluir aquellas con cadenas principales sustancialmente aromáticas tales como, por ejemplo, poliestireno, polifenileno, bifenilsulfona (BPSH), o termoplásticos tales como polietercetonas y polietersulfonas.

También se puede utilizar como separador membranas porosas de estilo separador de baterías. Dado que no contienen capacidades inherentes de conducción iónica, estas membranas normalmente están impregnadas con aditivos para funcionar. Estas membranas normalmente contienen una mezcla de polímero y carga inorgánica, y porosidad abierta. Los polímeros adecuados pueden incluir, por ejemplo, polietileno de alta densidad, polipropileno, difluoruro de polivinilideno (PVDF) o politetrafluoroetileno (PTFE). Las cargas inorgánicas adecuadas pueden incluir material de matriz de carburo de silicio, dióxido de titanio, dióxido de silicio, fosfuro de zinc y ceria.

Los separadores también pueden formarse a partir de poliésteres, polietercetonas, poli(cloruro de vinilo), polímeros vinílicos y polímeros vinílicos sustituidos. Estos se pueden usar solos o en combinación con cualquier polímero descrito anteriormente.

Los separadores porosos son membranas no conductoras que permiten la transferencia de carga entre dos electrodos a través de canales abiertos llenos de electrolito. La distribución del tamaño de los poros de un separador poroso puede ser suficiente para evitar sustancialmente el cruce de materiales activos entre las dos soluciones de electrolitos. Las membranas porosas adecuadas pueden tener una distribución de tamaño de poro promedio de entre aproximadamente 0,001 nm y 20 micrómetros, más normalmente entre aproximadamente 0,001 nm y 100 nm. La distribución del tamaño de los poros en la membrana porosa puede ser sustancial. En otras palabras, una membrana porosa puede contener una primera pluralidad de poros con un diámetro muy pequeño (aproximadamente menos de 1 nm) y una segunda pluralidad de poros con un diámetro muy grande (aproximadamente mayor que 10 micrómetros). Los tamaños de poro más grandes pueden conducir a una mayor cantidad de cruce de material activo. La capacidad de una membrana porosa para impedir sustancialmente el cruce de materiales activos puede depender de la diferencia relativa de tamaño entre el tamaño promedio de poro y el material activo. Por ejemplo, cuando el material activo es un centro metálico en un complejo de coordinación, el diámetro promedio del complejo de coordinación puede ser aproximadamente un 50 % mayor que el tamaño promedio de los poros de la membrana porosa. En cambio, si una membrana porosa tiene tamaños de poro sustancialmente uniformes, el diámetro promedio del complejo de coordinación puede ser aproximadamente un 20 % mayor que el tamaño promedio de los poros de la membrana porosa. Igualmente, el diámetro promedio de un complejo de coordinación aumenta cuando se coordina aún más con al menos una molécula de agua. Generalmente se considera que el diámetro de un complejo de coordinación de al menos una molécula de agua es el diámetro hidrodinámico. En tales realizaciones, el diámetro hidrodinámico es generalmente al menos aproximadamente un 35 % mayor que el tamaño promedio de los poros. Cuando el tamaño promedio de los poros es sustancialmente uniforme, el radio hidrodinámico puede ser aproximadamente un 10% mayor que el tamaño promedio de los poros.

En algunas realizaciones, el separador también puede incluir materiales de refuerzo para una mayor estabilidad. Los materiales de refuerzo adecuados pueden incluir, por ejemplo, nailon, algodón, poliésteres, sílice cristalina, titania cristalina, sílice amorfa, titania amorfa, caucho, amianto, madera o cualquier combinación de las mismas. Un experto en la materia puede imaginar otros materiales de refuerzo adecuados.

Los separadores internos pueden tener un espesor de membrana de menos de aproximadamente 500 micrómetros, o menos de aproximadamente 300 micrómetros, o menos de aproximadamente 250 micrómetros, o menos de aproximadamente 200 micrómetros, o menos de aproximadamente 100 micrómetros, o menos de aproximadamente 75 micrómetros, o menos de aproximadamente 50 micrómetros, o menos de aproximadamente 30 micrómetros, o menos de aproximadamente 25 micrómetros, o menos de aproximadamente 20 micrómetros, o menos de aproximadamente 15 micrómetros, o menos de aproximadamente 10 micrómetros. Los separadores adecuados pueden incluir aquellos en los que una batería de flujo es capaz de funcionar con una eficiencia de corriente superior a aproximadamente el 85 % con una densidad de corriente de 100 mA/cm2 cuando el separador tiene un espesor de 100 micrómetros. En realizaciones adicionales, la batería de flujo es capaz de funcionar con una eficiencia de corriente superior al 99,5 % cuando el separador tiene un espesor inferior a aproximadamente 50 micrómetros, una eficiencia de corriente superior al 99 % cuando el separador tiene un espesor de menos de aproximadamente 25 micrómetros, y una eficiencia de corriente superior al 98 % cuando el separador tiene un espesor de menos de aproximadamente 10 micrómetros. Por consiguiente, los separadores adecuados incluyen aquellos en los que una batería de flujo es capaz de funcionar con una eficiencia de tensión superior al 60 % con una densidad de corriente de 100 mA/cm2. En realizaciones adicionales, los separadores adecuados pueden incluir aquellos en los que una batería de flujo es capaz de funcionar con una eficiencia de tensión superior al 70 %, superior al 80 % o incluso superior al 90 %.

Las baterías de flujo también pueden incluir un circuito eléctrico externo en comunicación eléctrica con el primer y segundo electrodos. El circuito puede cargar y descargar la batería de flujo durante el funcionamiento. La referencia al signo de la carga iónica neta del primer, segundo o ambos materiales activos se refiere al signo de la carga iónica neta en las formas oxidada y reducida de los materiales redox-activos en las condiciones de funcionamiento de una batería de flujo. Otras realizaciones a modo de ejemplo de una batería de flujo establecen que (a) el primer material activo tiene una carga neta positiva o negativa asociada y es capaz de proporcionar una forma oxidada o reducida sobre un potencial eléctrico en un intervalo del potencial operativo negativo del sistema, de modo que la forma oxidada o reducida resultante del primer material activo tenga el mismo signo de carga (positivo o negativo) que el primer material activo y la membrana de ionómero también tenga una carga iónica neta del mismo signo; y (b) el segundo material activo tiene una carga neta positiva o negativa asociada y es capaz de proporcionar una forma oxidada o reducida sobre un potencial eléctrico en un intervalo del potencial operativo positivo del sistema, de modo que la forma oxidada o reducida resultante del segundo material activo tenga el mismo signo de carga (signo positivo o negativo) que el segundo material activo y la membrana de ionómero también tenga una carga iónica neta del mismo signo; o ambos (a) y (b). Las cargas coincidentes del primer y/o segundo materiales activos y la membrana de ionómero pueden proporcionar una alta selectividad. Más específicamente, la igualación de cargas puede proporcionar menos de aproximadamente el 3 %, menos de aproximadamente el 2 %, menos de aproximadamente el 1 %, menos de aproximadamente el 0,5 %, menos de aproximadamente el 0,2 % o menos de aproximadamente el 0,1 % del flujo molar de iones que pasan a través de la membrana de ionómero como atribuible al primer o segundo material activo. La expresión "flujo molar de iones" se referirá a la cantidad de iones que pasan a través de la membrana de ionómero, equilibrando la carga asociada con el flujo de electricidad/electrones externos.

Los materiales de los electrodos pueden incluir carbono y diversos metales, por ejemplo. Los materiales plásticos no conductores también pueden constituir una parte de un material de electrodo. En algunas realizaciones, los electrodos pueden tener un catalizador depositado sobre ellos. También pueden estar presentes otros tipos de capas sobre los materiales de los electrodos. Las funciones de las capas opcionales pueden incluir, por ejemplo, ayudar al ensamblaje de la celda, mejorar la resistencia de contacto y/o proporcionar protección al separador.

Aunque no se muestra en la FIGURA 1, las celdas electroquímicas también pueden incluir una placa bipolar dispuesta en cada semicelda. Las placas bipolares pueden permitir la conexión en serie de varias celdas electroquímicas entre sí, donde las placas bipolares se utilizan para establecer comunicación eléctrica entre celdas electroquímicas adyacentes que son contiguas entre sí. Por consiguiente, las placas bipolares pueden formarse a partir de cualquier material conductor de la electricidad adecuado que también sea sustancialmente no permeable hacia una solución de electrolito para evitar que una solución de electrolito abandone su semicelda prevista. En algunas realizaciones, los materiales conductores adecuados para formar una placa bipolar pueden incluir, por ejemplo, papeles carbón no tejidos, telas tejidas de carbono, fieltros de carbono y espumas de carbono. Los materiales anteriores pueden ser particularmente adecuados debido a su capacidad para formar canales de flujo casi interdigitados según la divulgación en el presente documento. Como se ha indicado anteriormente, estas características pueden ayudar a distribuir una solución de electrolito uniformemente sobre la superficie del separador y/o los electrodos de una celda electroquímica. En otras ocasiones, para formar una placa bipolar pueden utilizarse láminas de grafito flexible, láminas de grafito expandido o películas, láminas o chapas metálicas.

La FIGURA 2 muestra un esquema generalizado de una celda electroquímica ilustrativa que contiene una placa bipolar. Como se muestra en la FIGURA 2, la celda electroquímica 80 contiene electrodos 10 y 10' dispuestos en lados opuestos del separador 20. Las placas bipolares 82 y 82' hacen contacto con los electrodos 10 y 10', respectivamente, en cada semicelda. En configuraciones alternativas (no mostradas en la FIGURA 2), los electrodos 10 y 10' pueden ser opcionales, y las placas bipolares 82 y 82' pueden entrar en contacto directamente con el separador 20, en cuyo caso las placas bipolares 82 y 82' también funcionan como electrodos, además de promover la comunicación eléctrica entre celdas electroquímicas adyacentes en una pila electroquímica.

La FIGURA 3 muestra un esquema generalizado de una pila electroquímica ilustrativa que contiene la celda electroquímica de la FIGURA 2. Como se muestra en la FIGURA 2, las celdas electroquímicas 80a, 80b y 80c están colocadas contiguas entre sí en la pila electroquímica 84, de tal manera que la comunicación eléctrica se establece a través de sus placas bipolares contiguas. En configuraciones alternativas, también se pueden formar pilas electroquímicas de manera que compartan placas bipolares entre celdas electroquímicas adyacentes. La FIGURA 4 muestra un esquema generalizado de una pila electroquímica 90 ilustrativa que tiene placas bipolares compartidas entre celdas electroquímicas adyacentes 92a, 92b y 92c. Aunque la estructura de la celda unitaria difiere algo en la FIGURA 4, un experto en la materia puede imaginar cómo podría fabricarse dicha pila electroquímica colocando secuencialmente los diversos componentes de las celdas unos sobre otros. En algunas ocasiones, se puede colocar una barrera impermeable y conductora de la electricidad entre celdas unitarias electroquímicas adyacentes para impedir la transferencia no deseada de una solución de electrolito.

Las celdas electroquímicas también pueden incluir una o más capas estructurales además del separador y las placas bipolares y electrodos opcionales en cada semicelda. Generalmente, las capas estructurales se pueden acoplar con las placas bipolares, electrodos y separador para proporcionar un sello fluídico en cada semicelda y mantener juntos los componentes de las semiceldas. Más específicamente, el sello fluídico puede permitir que una solución de electrolito circule a través de cada semicelda, como se examina adicionalmente más adelante en el presente documento. Además, las capas estructurales pueden sujetar las placas bipolares y/o los electrodos contra el separador en cada semicelda, proporcionando así integridad estructural a la celda electroquímica. Es más, una o más de las capas estructurales pueden proporcionar un conducto a través del cual se puede suministrar y extraer una solución de electrolito de una placa bipolar a través de colectores de entrada y salida de fluido.

La FIGURA 5 muestra una vista despiezada de una configuración de celda electroquímica ilustrativa que tiene capas estructurales y un sello compresible entre semiceldas adyacentes, en la que los diversos componentes de la celda están espaciados entre sí para mostrar detalles. En la práctica, los distintos componentes de la celda están en contacto entre sí, como se muestra en la FIGURA 7, por ejemplo. La celda electroquímica 100 incluye un separador 102 dispuesto centralmente. El cátodo 104 y el ánodo 106 se apoyan en lados opuestos del separador 102. Como se ha indicado anteriormente, el cátodo 104 y el ánodo 106 pueden ser opcionales y, en su lugar, se puede proporcionar una superficie conductora de la electricidad mediante las placas bipolares 160 y 160'. Los sellos compresibles 110 y 110' están dispuestos alrededor de la periferia del separador 102 (el sello compresible 110' no se muestra en la FIGURA 5). La FIGURA 6A muestra una vista más detallada desde el lado del cátodo de la celda electroquímica 102, en la que se puede ver más claramente la disposición del sello compresible 110. La FIGURA 6B muestra una vista correspondiente desde el lado del ánodo.

Varias capas estructurales pueden contener el separador 102, el cátodo 104 y el ánodo 106. Además, las capas estructurales pueden proporcionar una cámara sellada a través de la cual se puede hacer circular una solución de electrolito a través de una semicelda determinada. Las capas estructurales 120 y 120' incluyen ventanas 122 y 122' respectivas. Las ventanas 122 y 122' tienen un tamaño tal que las capas estructurales 120 y 120' encajan alrededor del perímetro exterior de los sellos compresibles 110 y 110', como se muestra con más detalle en las FIGURAS 6A y 6B. Aunque las FIGURAS 6A y 6B han mostrado capas estructurales 120 y 120' en contacto directo con sellos compresibles 110 y 110', respectivamente, debe reconocerse que puede existir algún espacio abierto entre los dos dependiendo del tamaño de las ventanas 122 y 122'. La cantidad de espacio abierto puede dictar cuánto pueden expandirse hacia fuera los sellos compresibles 110 y 110' al experimentar compresión.

Continuando con la referencia a la FIGURA 5, las capas estructurales 130 y 130' entran en contacto con las capas estructurales 120 y 120', respectivamente, mientras también hacen contacto con los sellos compresibles 110 y 110', respectivamente. Las ventanas 132 y 132' se definen en las capas estructurales 130 y 130', respectivamente. Las ventanas 132 y 132' son de menor tamaño que las ventanas 122 y 122' para permitir que las capas estructurales 130 y 130' entren en contacto con los sellos compresibles 110 y 110'. Además de dictar el grado en que se pueden comprimir los sellos compresibles 110 y 110', las capas estructurales 120 y 120' proporcionan una estructura estable contra la cual las capas estructurales 130 y 130' pueden proporcionar una fuerza de compresión. Las capas estructurales 140 y 140' entran en contacto con las capas estructurales 130 y 130', respectivamente, y también tienen ventanas 142 y 142' definidas respectivamente en las mismas. Además, las capas estructurales 140 y 140' contienen canales de distribución de flujo 144 y 144' definidos respectivamente en las mismas, que se extienden hasta el espacio interno definido por las ventanas 142 y 142'. Los canales de distribución de flujo 144 y 144' permiten que se proporcionen soluciones de electrolitos de forma independiente (por ejemplo, desde un colector de distribución de fluido) a las dos semiceldas de la celda unitaria electroquímica 100. También se pueden definir canales de distribución de flujo similares en otras capas estructurales.

Las soluciones de electrolitos se pueden proporcionar por separado a los canales de distribución de flujo 144 y 144' desde las aberturas dispuestas dentro de las capas estructurales 150 y 150', proporcionando así una ubicación para la entrada y salida de las soluciones de electrolitos hacia y desde la semicelda correspondiente. Por ejemplo, las aberturas en las capas estructurales 150 y 150' se pueden conectar a un colector de distribución de fluido para proporcionar soluciones de electrolitos por separado a las dos semiceldas. Cada una de las capas estructurales tiene una abertura correspondiente que permite que la solución de electrolito pase de una celda a otra en una pila electroquímica. Las aberturas y cualesquiera canales de distribución de flujo asociados proporcionan cada solución de electrolito sólo a una semicelda de la batería de flujo.

Aun con referencia a la FIGURA 5, la celda electroquímica 100 también incluye capas estructurales 150 y 150', que tienen las ventanas 152 y 152' definidas respectivamente en las mismas. Las placas bipolares 160 y 160' llenan las ventanas 152 y 152' de las capas estructurales 150 y 150' correspondientes para proporcionar aislamiento fluídico entre celdas electroquímicas adyacentes en una pila electroquímica. Adherir placas bipolares 160 y 160' a las capas estructurales 150 y 150' respectivas impide la fuga de solución de electrolito alrededor de las placas bipolares 160 y 160' en la celda terminada. La placa bipolar 160 se extiende además a través de las ventanas 122, 132 y 142 y hace entra en contacto con el cátodo 104. Como alternativa, la placa bipolar 160 puede entrar en contacto directamente con el separador 102. De manera análoga, la placa bipolar 160' se extiende además a través de las ventanas 122', 132' y 142' y hace contacto con el ánodo 106 o el lado opuesto del separador 102. En realizaciones ilustrativas, cada capa estructural puede formarse a partir de un material aislante, particularmente materiales termoplásticos tales como polietileno u otros materiales de poliolefina.

La FIGURA 7 muestra una vista en sección de la celda electroquímica de la FIGURA 5 con los diversos componentes de la celda completamente contiguos entre sí. Las capas estructurales 120, 130, 140, 150, 120', 130', 140' y 150' pueden definir colectivamente cámaras en lados opuestos del separador 102 a través de las cuales pueden circular soluciones de electrolitos. Esto es, las capas estructurales 120, 130 y 140 junto con el separador 102, el sello compresible 110 y la placa bipolar 160 definen colectivamente una cámara cerrada a través de la cual puede fluir una primera solución de electrolito alrededor del cátodo 104. De manera análoga, las capas estructurales 120', 130', 140', el separador 102, el sello compresible 110' y la placa bipolar 160' definen una cámara cerrada a través de la cual puede fluir una segunda solución de electrolito alrededor del ánodo 106. Se determinan los volúmenes de las cámaras respectivas, por ejemplo, por el espesor de las distintas capas estructurales y el tamaño de las ventanas correspondientes.

La FIGURA 8 muestra una vista despiezada de otra configuración de celda electroquímica ilustrativa, en la que los diversos componentes de la celda están espaciados entre sí para mostrar detalles. La celda electroquímica 200 en la FIGURA 8 difiere principalmente de la celda electroquímica 100 de las FIGURAS 5, 6A, 6B y 7 en que los sellos compresibles 110 y 110' se omiten en la celda electroquímica 200. Por otro lado, los elementos de la configuración de la celda electroquímica en la FIGURA 8 son similares a los de las FIGURAS anteriores y, como resultado, se utilizarán caracteres de referencia similares. De manera similar, los elementos comunes en la FIGURA 8 no se describirán nuevamente en detalle a menos que su disposición difiera en la configuración de celda alternativa.

En la configuración de celda de la FIGURA 8, las capas estructurales 120 y 120' hacen contacto directo con lados opuestos del separador 102 y están unidas al mismo. La unión directa de este tipo puede promover el sellado de manera similar a la proporcionada por los sellos compresibles 110 y 110' en la configuración de celda de la FIGURA 5. Por lo tanto, los sellos compresibles 110 y 110' se pueden omitir en la configuración de celda electroquímica de la FIGURA 8 al mismo tiempo que se permite que se forme un sello fluídico. Una distinción resultante entre la configuración de celda de la FIGURA 5 y la de la FIGURA 8 es que en esta última, las dos semiceldas están conectadas entre sí en el separador 102, mientras que en la primera, la celda electroquímica se puede desmontar aliviando la presión de confinamiento de las capas estructurales 120 y 120' sobre los sellos compresibles 110 y 110'. La FIGURA 9 muestra una vista en sección de la celda electroquímica de la FIGURA 8 con los diversos componentes de la celda completamente contiguos entre sí.

A continuación se describirán con mayor detalle diversas configuraciones para celdas electroquímicas y placas bipolares que tienen canales de flujo casi interdigitados. En diversas realizaciones, las celdas electroquímicas de la presente divulgación pueden incluir un separador iónicamente conductor dispuesto entre una primera semicelda y una segunda semicelda, una primera placa bipolar en la primera semicelda, y una segunda placa bipolar en la segunda semicelda. Al menos una de la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar son cada una de un material compuesto que contiene un material conductor y un material de bloqueo. El material de bloqueo define una pluralidad de canales de flujo que están espaciados entre sí y se extienden lateralmente a través del material compuesto con respecto al separador iónicamente conductor, de manera que la pluralidad de canales de flujo estén en comunicación fluida entre sí en el material compuesto. Se proporcionan detalles más específicos a continuación en el presente documento y en las FIGURAS adjuntas.

Como se ha indicado anteriormente, opcionalmente, pueden estar presentes electrodos en cada semicelda, o la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar pueden entrar en contacto con lados opuestos del separador iónicamente conductor. Por consiguiente, en algunas realizaciones, las celdas electroquímicas de la presente divulgación pueden incluir además un primer electrodo en la primera semicelda y un segundo electrodo en la segunda semicelda, donde el primer electrodo se interpone entre la primera placa bipolar y el separador iónicamente conductor, y el segundo electrodo se interpone entre la segunda placa bipolar y el separador iónicamente conductor. En realizaciones en donde están presentes un primer y un segundo electrodos, la primera placa bipolar puede entrar en contacto con el primer electrodo, y la segunda placa bipolar puede entrar en contacto con el segundo electrodo. En realizaciones en donde el primer y segundo electrodos están ausentes, la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar pueden entrar en contacto con lados opuestos del separador iónicamente conductor.

Como se ha indicado anteriormente, los materiales de bloqueo adecuados pueden incluir cualquier sustancia que sea sustancialmente impermeable a una solución de electrolito. Los materiales de bloqueo adecuados pueden incluir, por ejemplo, diversos materiales poliméricos. En realizaciones más particulares, los materiales de bloqueo adecuados pueden incluir diversos polímeros termoplásticos. Los polímeros termoplásticos pueden ser particularmente adecuados debido a la relativa facilidad con la que pueden impregnarse selectivamente en un material conductor o colocarse en capas sobre un material conductor. Ambas disposiciones del material de bloqueo se pueden usar para definir canales de flujo sobre una placa bipolar, como se examina más adelante en el presente documento.

En realizaciones adicionales, las celdas electroquímicas de la presente divulgación pueden incluir un colector de entrada de fluido configurado para proporcionar una primera solución de electrolito a la primera placa bipolar y una segunda solución de electrolito a la segunda placa bipolar, y un colector de salida de fluido configurado para extraer la primera solución de electrolito de la primera placa bipolar y la segunda solución de electrolito de la segunda placa bipolar. Más específicamente, el colector de entrada de fluido y el colector de salida de fluido pueden configurarse para proporcionar y extraer la primera solución de electrolito y la segunda solución de electrolito de canales de flujo alternos dentro del material compuesto. Por otro lado, las estructuras del colector de entrada de fluido y del colector de salida de fluido no se consideran particularmente limitadas.

En realizaciones aún más particulares, el colector de entrada de fluido y el colector de salida de fluido pueden configurarse para proporcionar y extraer la primera solución de electrolito y la segunda solución de electrolito en caras laterales opuestas de la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar. La introducción y extracción de la primera y segunda soluciones de electrolitos de esta manera puede permitir que se establezca un campo de flujo similar al proporcionado por canales de flujo interdigitados.

A continuación se describirán con más detalle placas bipolares que contienen canales de flujo casi interdigitados con referencia a las FIGURAS 10-17. Para poder comprender mejor la dinámica del flujo en los canales de flujo, la FIGURA 10 muestra la conexión de una placa bipolar a un colector de entrada de fluido y a un colector de salida de fluido de la manera descrita anteriormente.

La FIGURA 10 muestra una vista superior de un esquema de una celda electroquímica ilustrativa que contiene una placa bipolar con una pluralidad de canales de flujo definidos en la misma. Como se muestra en la FIGURA 10, la celda electroquímica 300 contiene la placa bipolar 150, que tiene material de bloqueo 310 integrado con la misma. La disposición del material de bloqueo 310 define canales de flujo 320a-f dentro de la placa bipolar 150. En las FIGURAS 11-16 se proporciona un examen adicional sobre cómo se integra el material de bloqueo 310 dentro de la placa bipolar 150, que se describen en más detalle a continuación.

La celda electroquímica 300 contiene además un colector de entrada de fluido 330, que está configurado para proporcionar una solución de electrolito a una primera pluralidad de canales de flujo 320a-f y al colector de salida de fluido 340, que está configurado para extraer la solución de electrolito de una segunda pluralidad de canales de flujo 320a-f. La entrada y salida de la solución de electrolito se produce en las caras laterales opuestas de la placa bipolar 150, como se representa en la FIGURA 10. Más específicamente, la primera pluralidad de canales de flujo 320a-f y la segunda pluralidad de canales de flujo 320a-f están dispuestos de forma alterna. Dado que los canales de flujo 320af están en comunicación fluida entre sí dentro de la placa bipolar 150, la solución de electrolito puede cruzar entre canales de flujo adyacentes. Por tanto, la solución de electrolito se puede introducir a través de un primer canal de flujo y luego extraerse a través de un segundo canal de flujo que es adyacente al primer canal de flujo.

En algunas realizaciones, se pueden configurar una o más capas estructurales de manera que la solución de electrolito se proporcione y se extraiga de canales de flujo alternos.

Antes de examinar las FIGURAS 11-17, debe reconocerse que el número y anchura de los canales de flujo 320a-f en la FIGURA 10 es meramente ilustrativo y puede variarse para satisfacer las necesidades de una aplicación particular. Por otra parte, aunque la FIGURA 10 ha representado los canales de flujo 320a-f como sustancialmente lineales y paralelos entre sí, disposiciones no paralelas o incluso aleatorias de los canales de flujo 320a-f son posibles en realizaciones alternativas, siempre que la comunicación fluida entre canales de flujo adyacentes siga siendo viable. En algunas realizaciones, los canales de flujo pueden no intersecarse.

En realizaciones más particulares, el número de canales de flujo definidos dentro de la placa bipolar puede variar entre aproximadamente 5 y aproximadamente 500, o entre aproximadamente 4 y aproximadamente 10, o entre aproximadamente 10 y aproximadamente 100. En unas u otras realizaciones, una anchura de los canales de flujo definidos dentro de la placa bipolar puede variar entre 100 micrómetros y aproximadamente 10 mm, o entre aproximadamente 100 micrómetros y aproximadamente 1 mm, o entre aproximadamente 1 mm y aproximadamente 10 mm. Los canales de flujo dentro de la placa bipolar pueden ser cualquier combinación de canales de flujo llenos o canales de flujo abiertos consistentes con las diversas realizaciones de la presente divulgación.

Como se ha indicado anteriormente, son posibles varias disposiciones del material de bloqueo con respecto a la placa bipolar para definir la pluralidad de canales de flujo en la misma. En algunas realizaciones, el material de bloqueo puede impregnarse en el material conductor que define la placa bipolar, como se muestra en la FIGURA 11. En otras realizaciones, el material de bloqueo puede constituir una capa sobre el material conductor, como se muestra en la FIGURA 12. En el caso de realizaciones por capas también puede producirse una impregnación al menos parcial del material de bloqueo. Cada una de estas configuraciones se describirá ahora con más detalle a continuación en el presente documento. Aunque las configuraciones del material de bloqueo tienen algunas similitudes entre sí en las FIGURAS 11 y 12, los métodos mediante los cuales se producen pueden variar considerablemente, como se examina con más detalle a continuación.

La FIGURA 11 muestra una vista lateral de un esquema de una semicelda electroquímica ilustrativa que contiene una placa bipolar con un material de bloqueo impregnado en su interior. Como se muestra en la FIGURA 11, el material de bloqueo 310 está completamente impregnado dentro del interior de la placa bipolar 150, definiendo así canales de flujo 320a-f en la misma. Como se representa en la FIGURA 11, los canales de flujo 320a-f constituyen la parte de la placa bipolar 150 que está por encima de la línea de puntos y están llenos con el material conductor. Por consiguiente, el flujo de fluido a lo largo de los canales de flujo 320a-f tiene lugar a través del espacio poroso existente dentro del material conductor. Los canales de flujo 320a-f están en comunicación fluida entre sí a través del resto de la placa bipolar 150 (es decir, la parte de la placa bipolar 150 que está debajo de la línea de puntos).

La dinámica del flujo de fluido dentro de la placa bipolar 150 también se muestra en la FIGURA 11. Dado que la solución de electrolito se introduce en los canales de flujo 320a, 320c y 320e (véase la FIGURA 10), cada uno de los cuales tiene una entrada (es decir, la proporcionada por el colector de entrada de fluido 330) pero sin salida a lo largo de su longitud, la dinámica del flujo de fluido desvía la solución de electrolito hacia canales de flujo adyacentes 320b, 320d y 320f a medida que la solución de electrolito se aleja de la entrada de fluido. Por el contrario, los canales de flujo 320b, 320d y 320f tienen una salida (es decir, la proporcionada por el colector de salida de fluido 340) pero no tienen entrada de fluido. Dado que el canal de flujo 320a es adyacente únicamente al canal de flujo 320b, su solución de electrolito avanza por convección principalmente a este canal de flujo. De manera análoga, el canal de flujo 320f recibe sustancialmente solución de electrolito únicamente desde el canal de flujo 320e. Los canales de flujo 320b-e, que están en el interior de la placa bipolar 150, proporcionan o reciben solución de electrolito hacia y desde dos canales de flujo adyacentes. De nuevo, cabe destacar que el número, la anchura y otros parámetros de los canales de flujo 320a-f en la FIGURA 11 son meramente ilustrativos. Por otra parte, aunque la FIGURA 11 ha mostrado el material de bloqueo 310 impregnado completamente dentro de la placa bipolar 150, debe reconocerse que la impregnación puede ser parcial en algunas realizaciones, en cuyo caso una parte de los canales de flujo 320a-f puede residir fuera del material conductor que define la placa bipolar 150. Por consiguiente, los canales de flujo 320a-f pueden estar parcialmente abiertos en algunas realizaciones. Una disposición de material de bloqueo similar a esta se muestra en la configuración alternativa de la FIGURA 12, que se examina más adelante. Aunque la FIGURA 11 ha mostrado los canales de flujo 320a y 320f definidos en los bordes de la placa bipolar 150, debe reconocerse que también pueden definirse en el interior disponiendo material de bloqueo adicional 310 a lo largo de los bordes de la placa bipolar 150.

La FIGURA 12 muestra una vista lateral de un esquema de una semicelda electroquímica ilustrativa que contiene una placa bipolar con un material de bloqueo dispuesto como una capa sobre la misma. Aunque la FIGURA 12 ha mostrado el material de bloqueo 310 dentro de la capa como no impregnado dentro del material conductor de la placa bipolar 150, debe reconocerse que se pueden realizar configuraciones similares impregnando total o parcialmente el material de bloqueo 150 en la misma, como se examinó brevemente en lo que antecede con respecto a la FIGURA 11. Como se muestra en la FIGURA 12, el material de bloqueo 310 está dispuesto como una capa parcial sobre la placa bipolar 150, definiendo así canales de flujo 320a-f entre medias. A diferencia de la configuración de la FIGURA 11, los canales de flujo 320a-f están abiertos en la FIGURA 12. Sin embargo, en algunas realizaciones, los canales de flujo 320a-f se pueden llenar con un material de electrodo en contacto con la placa bipolar 150. Al igual que la configuración de la FIGURA 11, los canales de flujo 320a-f están en comunicación fluida entre sí a través de la placa bipolar 150, y la dinámica del flujo de fluido también es similar.

La FIGURA 13 muestra una vista lateral de un esquema de una celda electroquímica completa en la que están presentes placas bipolares que contienen un material de bloqueo. Aunque la FIGURA 13 ha mostrado la configuración del material de bloqueo de la FIGURA 11, debe reconocerse que la configuración del material de bloqueo de la FIGURA 12 puede incorporarse de manera similar dentro de la celda electroquímica completa. En aras de la claridad, el colector de entrada de fluido 320 completo y el colector de salida de fluido 330 se han omitido en la FIGURA 13. En lugar de ello, las ubicaciones de entrada 340a,a', 340c,c' y 340e,e' se muestran con líneas discontinuas en la FIGURA 13 y las ubicaciones de salida 340b,b', 340d,d' y 340f,f se muestran con líneas continuas en las semiceldas correspondientes. Por consiguiente, la introducción y extracción de soluciones de electrolitos puede tener lugar de una manera similar a la descrita anteriormente para la FIGURA 10. Una capa impermeable y conductora de la electricidad puede tapar las placas bipolares 150 y 150' para promover la retención de cada solución de electrolito en su semicelda respectiva. La capa impermeable y la capa conductora de la electricidad pueden evitar además fugas de soluciones de electrolitos entre celdas electroquímicas adyacentes en una pila electroquímica.

En realizaciones adicionales, en el presente documento se divulgan pilas electroquímicas que contienen una pluralidad de celdas electroquímicas conectadas en serie. Las configuraciones ilustrativas se han descrito anteriormente en el presente documento con respecto a las FIGURAS 3 y 4 y no se describirán nuevamente en detalle. En realizaciones más particulares, las pilas electroquímicas pueden tener celdas electroquímicas adyacentes colocadas contiguas entre sí, como se muestra en la FIGURA 3.

En realizaciones adicionales, se puede disponer una capa conductora adicional entre celdas electroquímicas adyacentes en una pila electroquímica. En realizaciones ilustrativas, se puede colocar una capa conductora adicional entre celdas electroquímicas adyacentes si el material conductor que define una placa bipolar no logra mantener la celda electroquímica en aislamiento fluídico de una celda adyacente.

Además, aunque las FIGURAS han representado la primera y segunda placas bipolares como entidades separadas, debe reconocerse que se pueden compartir placas bipolares entre celdas electroquímicas adyacentes en una pila electroquímica. Esto es, en algunas realizaciones, una placa bipolar de una primera celda electroquímica se puede compartir como una segunda placa bipolar de una segunda celda electroquímica. En otras realizaciones examinadas anteriormente, las placas bipolares de celdas electroquímicas adyacentes se pueden colocar contiguas entre sí.

En unas u otras realizaciones, las celdas electroquímicas y las pilas electroquímicas divulgadas en el presente documento pueden incorporarse en baterías de flujo o sistemas electroquímicos similares. Anteriormente en el presente documento se han examinado con más detalle configuraciones de batería de flujo a modo de ejemplo. Otros sistemas electroquímicos en los que pueden ser aplicables las celdas electroquímicas y las pilas electroquímicas de la presente divulgación incluyen, por ejemplo, electrolizadores y sistemas de pilas de combustible.

Las baterías de flujo que incorporan celdas electroquímicas de la presente divulgación son, en algunas realizaciones, adecuadas para ciclos sostenidos de carga o descarga de varias horas de duración. Como tales, se pueden utilizar para suavizar los perfiles de oferta y demanda de energía y proporcionar un mecanismo para estabilizar los activos de generación de energía intermitente (por ejemplo, a partir de fuentes de energía renovables como la solar y la eólica). Se debe apreciar, entonces, que diversas realizaciones de la presente divulgación incluyen aplicaciones de almacenamiento de energía donde son deseables duraciones de carga o descarga tan largas. Por ejemplo, en ejemplos no limitativos, las baterías de flujo se pueden conectar a una red eléctrica para permitir la integración de energías renovables, cambio de carga máxima, reafirmado de red, generación y consumo de energía de carga base, arbitraje energético, aplazamiento de activos de transmisión y distribución, soporte de red débil, regulación de frecuencia, o cualquier combinación de los mismos. Cuando no están conectadas a una red eléctrica, las baterías de flujo se pueden utilizar como fuentes de energía para campamentos remotos, bases de operaciones avanzadas, telecomunicaciones fuera de la red, sensores remotos, similares, y cualquier combinación de los mismos. Además, debe apreciarse que los medios de almacenamiento de energía electroquímica distintos de las baterías de flujo también pueden incorporar las celdas electroquímicas divulgadas en el presente documento, incluidas aquellos que utilizan soluciones de electrolitos estacionarios.

En realizaciones adicionales, las celdas electroquímicas, pilas electroquímicas y baterías de flujo de la presente divulgación se pueden incorporar en sistemas de almacenamiento de energía más grandes, incluyendo adecuadamente tuberías y controles útiles para el funcionamiento de estas grandes unidades. Las tuberías, controles y otros equipos adecuados para tales sistemas son conocidos en la técnica y pueden incluir, por ejemplo, tuberías y bombas en comunicación fluida con las cámaras respectivas para mover soluciones de electrolitos dentro y fuera de las celdas y tanques de almacenamiento para contener electrolitos cargados y descargados. También puede estar presente un sistema de gestión de operaciones. El sistema de gestión de operaciones puede ser cualquier dispositivo controlador adecuado, tal como un ordenador o un microprocesador, y puede contener circuitos lógicos que configuran el funcionamiento de cualquiera de las diversas válvulas, bombas, circuitos de circulación y similares.

A continuación se describirán con más detalle métodos para fabricar celdas electroquímicas que contienen una placa bipolar con un material de bloqueo incorporado en el presente documento. En el presente documento se puede hacer referencia a tales métodos como "aditivos" o "sustractivos", dependiendo de si el material de bloqueo solo se añade a un material conductor para definir canales de flujo (aditivo) o se añade al material conductor y luego se elimina posteriormente una parte del mismo (sustractivo).

En realizaciones más específicas, los métodos aditivos para definir canales de flujo dentro de un material conductor y formar una celda electroquímica pueden incluir: impregnar un material de bloqueo en una parte de un material conductor para formar un material compuesto, y fabricar una celda electroquímica que contiene una primera placa bipolar en una primera semicelda y una segunda placa bipolar en una segunda semicelda que están separadas por un separador iónicamente conductor. Al menos una de la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar contienen el material compuesto. El material compuesto está configurado de manera que el material de bloqueo define una pluralidad de canales de flujo que están espaciados entre sí y se extienden lateralmente a través del material compuesto con respecto al separador iónicamente conductor. Como se ha examinado anteriormente, la pluralidad de canales de flujo están en comunicación fluida entre sí en el material compuesto, tal como a través de las partes de las placas bipolares que no contienen el material de bloqueo. En realizaciones adicionales, los métodos pueden incluir colocar contiguas una pluralidad de celdas electroquímicas entre sí para formar una pila electroquímica, como se ha examinado anteriormente.

En algunas realizaciones, impregnar el material de bloqueo puede incluir impregnar térmicamente un polímero termoplástico en el material conductor. Más arriba se han examinado polímeros termoplásticos ilustrativos que pueden ser adecuados a este respecto. Los polímeros termoplásticos pueden ser particularmente útiles a este respecto debido a su capacidad de realizar una transición rápida entre una forma sustancialmente solidificada y una forma fluidizada, en la que pueden penetrar al menos parcialmente en el interior de un material conductor. Las técnicas de impregnación térmica ilustrativas pueden incluir, por ejemplo, laminación en caliente, soldadura por láser, soldadura ultrasónica y similares.

En algunas realizaciones, impregnar térmicamente un polímero termoplástico en un material conductor puede incluir aplicar una pluralidad de tiras espaciadas del polímero termoplástico a una superficie del material conductor. El polímero termoplástico y/o el material conductor pueden entonces calentarse para infiltrar el polímero termoplástico al menos parcialmente en el interior del material conductor. Como se ha examinado anteriormente, la impregnación del polímero termoplástico puede ser total o parcial, lo cual puede depender de la cantidad de tiempo que se permite que se realice la impregnación térmica.

Las FIGURAS 14 y 15 muestran dos vistas diferentes de un proceso ilustrativo mediante el cual se puede impregnar un polímero termoplástico en el material conductor de una placa bipolar. Como se muestra en las FIGURAS 14 y 15, se aplican tiras termoplásticas 350 a la superficie de un material conductor que se convertirá en la placa bipolar 150. Después, las tiras termoplásticas 350 y/o la placa bipolar 150 pueden someterse a calentamiento para ablandar el material termoplástico e infiltrarlo en la placa bipolar 150. Las técnicas de calentamiento adecuadas no se consideran particularmente limitadas y pueden incluir, por ejemplo, calentamiento por radiación, calentamiento por resistencia, circulación de aire caliente, calentamiento en autoclave, calentamiento por láser, rodillos de laminación en caliente y similares. La disposición de las tiras termoplásticas 350 sobre la placa bipolar 150 puede tener lugar mediante disposición manual o de cualquier manera automatizada o semiautomatizada. Por ejemplo, en algunas realizaciones, las tiras termoplásticas 350 pueden alimentarse desde materiales de origen laminados en una línea de producción continua, como se examina más adelante en el presente documento. En otras realizaciones, las tiras termoplásticas 350 se pueden aplicar a la placa bipolar 150 en forma líquida, tal como una masa fundida o una solución de polímero termoplástico aplicada desde un cabezal de impresión, pulverizador o instrumento similar de deposición de precisión. Formas líquidas de otros materiales de bloqueo, tales como epoxis, se pueden aplicar de manera similar en realizaciones alternativas. Durante una deposición en fase líquida, la impregnación del material de bloqueo puede ocurrir simultáneamente con la deposición, en lugar de una etapa de infiltración discreta. La FIGURA 16 muestra un proceso de deposición de líquido ilustrativo que emplea un pulverizador 359, por ejemplo.

En otras realizaciones más específicas, los métodos sustractivos para definir canales de flujo dentro de un material conductor y formar una celda electroquímica pueden incluir: disponer un material de bloqueo en una capa sobre un material conductor para formar un material compuesto, eliminar una parte del material de bloqueo de la capa para definir una pluralidad de canales de flujo que están espaciados entre sí, y fabricar una celda electroquímica que contiene una primera placa bipolar en una primera semicelda y una segunda placa bipolar en una segunda semicelda, que están separadas por un separador iónicamente conductor. Al menos una de la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar contienen el material compuesto. El material compuesto está configurado de manera que la pluralidad de canales de flujo se extienden lateralmente a través del material compuesto con respecto al separador iónicamente conductor. Como se ha examinado anteriormente, la pluralidad de canales de flujo están en comunicación fluida entre sí en el material compuesto, tal como a través de las partes de las placas bipolares que no contienen el material de bloqueo. En realizaciones adicionales, los métodos pueden incluir colocar contiguas una pluralidad de celdas electroquímicas entre sí para formar una pila electroquímica, como se ha examinado anteriormente.

En los métodos sustractivos de la presente divulgación, el material de bloqueo se puede depositar como una capa sustancialmente continua sobre una superficie del material conductor, y luego se puede eliminar una parte del material de bloqueo mediante erosión selectiva para definir los canales de flujo como una capa discontinua. Las técnicas de erosión adecuadas pueden incluir, por ejemplo, erosión con láser, grabado químico y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, se pueden utilizar técnicas de enmascaramiento junto con grabado químico de manera que se pueda eliminar una parte deseada del material de bloqueo para definir los canales de flujo. La erosión con láser puede ser particularmente deseable debido a la precisión con la que se pueden definir los canales de flujo, idealmente sin utilizar técnicas de enmascaramiento junto con la eliminación. En algunas realizaciones, la erosión del material de bloqueo puede eliminar una parte del material conductor sin comprometer la operatividad de la placa bipolar resultante.

En realizaciones más específicas, el material de bloqueo que se deposita como una capa sobre el material conductor puede ser un polímero termoplástico. Los polímeros termoplásticos adecuados pueden incluir los discutidos con más detalle anteriormente. En realizaciones adicionales, los métodos sustractivos para formar canales de flujo pueden incluir impregnar al menos parcialmente el material de bloqueo en el material conductor mediante impregnación térmica. Las técnicas de calentamiento para realizar la operación de impregnación térmica pueden incluir las examinadas anteriormente. En algunas realizaciones, la impregnación térmica se puede realizar de manera que el polímero termoplástico se infiltre sólo muy ligeramente en el material conductor y permanezca como una capa superficial sustancialmente continua antes de la erosión.

Las FIGURAS 17 y 18 muestran dos vistas diferentes de un proceso ilustrativo a través del cual se puede colocar un polímero termoplástico sobre el material conductor de una placa bipolar y luego someterse a erosión para definir canales de flujo. Como se muestra en las FIGURAS 17 y 18, se aplica un polímero termoplástico como una capa sustancialmente continua 360 sobre la superficie de un material conductor que se convertirá en la placa bipolar 150. El polímero termoplástico puede entonces someterse a una impregnación térmica al menos parcial para adherir el polímero termoplástico al material conductor. Después, la capa sustancialmente continua 360 puede sufrir erosión para definir la capa discontinua 370. La capa discontinua 370 puede incluir material de bloqueo 310 en tiras que definen canales de flujo abiertos en la placa bipolar. La disposición del polímero termoplástico dentro de una capa sustancialmente continua 360 puede tener lugar manualmente o de cualquier manera automatizada o semiautomatizada. Por ejemplo, en algunas realizaciones, se puede alimentar un polímero termoplástico desde un material de origen laminado en una línea de producción continua. En otras realizaciones, se puede colocar un polímero termoplástico sobre la placa bipolar 150 en forma líquida, tal como una masa fundida o una solución de polímero termoplástico aplicada desde un cabezal de impresión, pulverizador o fuente de deposición similar. Formas líquidas de otros materiales de bloqueo, tales como epoxis, también se puede aplicar y erosionar de manera similar.

Tanto el método aditivo como el sustractivo para definir canales de flujo en una placa bipolar son compatibles con la incorporación en líneas de producción continua para producir celdas electroquímicas. En realizaciones más específicas, se puede fabricar una celda electroquímica a partir de materiales de origen laminados en la línea de producción continua. En algunas realizaciones, el material compuesto y los canales de flujo en el mismo también se pueden formar en la línea de producción continua antes de fabricar la celda electroquímica. En otras realizaciones, el material compuesto y los canales de flujo en el mismo se pueden formar en una línea de producción separada, que puede rebobinarse antes de ser introducida en la línea de producción que forma la celda electroquímica.

Las FIGURAS 19 y 20 muestran esquemas generalizados de líneas de producción continua ilustrativas que pueden usarse para definir canales de flujo en una placa bipolar y ensamblar una celda electroquímica a partir de las mismas. Como se muestra en la FIGURA 19, se proporciona un material separador desde el carrete 400 y se alimenta a la estación 411. Los carretes 420 suministran un material conductor a la estación 431, y los carretes 422 suministran un polímero termoplástico en forma de tira a la estación 431. La estación 431 contiene rodillos 432 y allí se produce la impregnación térmica del polímero termoplástico en el material conductor. El material compuesto resultante luego se alimenta a la estación 411 y pasa a través de los carretes 412, en donde tiene lugar la laminación de la placa bipolar y el separador. El laminado resultante luego sale de la estación 411 y se alimenta secuencialmente a las estaciones 441, 451 y 461, que contienen, respectivamente, los rodillos 440, 450 y 460, donde se aplican varias capas estructurales para formar la celda electroquímica. Los materiales para formar las diversas capas estructurales se suministran desde los carretes 438, 448 y 458. Debe entenderse que el esquema anterior es de naturaleza generalizada y que en él pueden realizarse varias operaciones de proceso adicionales que se han omitido en aras de la brevedad. Tales operaciones de proceso pueden incluir, por ejemplo, troquelado, corte por láser, estampado y similares.

La FIGURA 20 difiere de la FIGURA 19 principalmente en que la FIGURA 20 también incluye la estación 471, en donde se produce la erosión del material termoplástico para definir los canales de flujo. Como se muestra en la FIGURA 20, la erosión tiene lugar antes de la laminación de la placa bipolar al separador.

Cuando no se defina lo contrario anteriormente en el presente documento o no lo entienda un experto en la materia, las definiciones de los siguientes párrafos serán aplicables a la presente divulgación.

Como se usa en el presente documento, la expresión "densidad de energía" se referirá a la cantidad de energía que se puede almacenar, por unidad de volumen, en los materiales activos. La densidad de energía se refiere a la densidad de energía teórica del almacenamiento de energía y se puede calcular mediante la Ecuación 1:

Densidad de energía = (26,8 A-h/mol) x OCV x [e-] (1)

donde OCV es el potencial de circuito abierto al 50 % del estado de carga, (26,8 A-h/mol) es la constante de Faraday, y [e-] es la concentración de electrones almacenados en el material activo al 99 % del estado de carga. En el caso de que los materiales activos sean en gran medida una especie atómica o molecular tanto para el electrolito positivo como para el negativo, [e"] se puede calcular mediante la Ecuación 2 como:

[e-] = [materiales activos] xN /2 (2)

donde [materiales activos] es la concentración molar del material activo en el electrolito negativo o positivo, el que sea menor, yNes el número de electrones transferidos por molécula de material activo. La expresión relacionada "densidad de carga" se referirá a la cantidad total de carga que contiene cada electrolito. Para un electrolito dado, la densidad de carga se puede calcular mediante la Ecuación 3

Densidad de carga = (26,8 A-h/mol) x [material activo] xN(3)

donde [material activo] yNson como se han definido anteriormente.

Como se usa en el presente documento, la expresión "densidad de corriente" se referirá a la corriente total que pasa por una celda electroquímica dividida por el área geométrica de los electrodos de la celda y comúnmente se expresa en unidades de mA/cm2.

Como se usa en el presente documento, la expresión "eficiencia de corriente" ( I f puede describirse como la relación entre la carga total producida al descargar una celda y la carga total que pasa durante la carga. La eficiencia de corriente puede ser función del estado de carga de la batería de flujo. En algunas realizaciones no limitantes, la eficiencia de corriente se puede evaluar en un intervalo de estado de carga de aproximadamente 35 % a aproximadamente 60 %.

Como se usa en el presente documento, la expresión "eficiencia de tensión" se puede describir como la relación entre el potencial del electrodo observado, a una densidad de corriente dada, al potencial de semicelda para ese electrodo (x 100 %). Las eficiencias de tensión se pueden describir para una etapa de carga de la batería, una etapa de descarga o una "eficiencia de tensión de ida y vuelta". La eficiencia de la tensión de ida y vuelta (Vef,IV) a una densidad de corriente dada se puede calcular a partir de la tensión de la celda en el momento de la descarga (Vdescarga) y la tensión en carga (Vcarga) usando la ecuación 4:

Veff,IV = dêscarga /Vcarga x 100 % (4)

Como se usan en el presente documento, los términos "electrodo negativo" y "electrodo positivo" son electrodos definidos entre sí, de manera que el electrodo negativo funcione o esté diseñado o destinado a funcionar a un potencial más negativo que el electrodo positivo (y viceversa), independientemente de los potenciales reales a los que operan, tanto en el ciclo de carga como en el de descarga. El electrodo negativo puede o no funcionar realmente o estar diseñado o destinado a funcionar a un potencial negativo con respecto a un electrodo de hidrógeno reversible. El electrodo negativo está asociado con una primera solución de electrolito y el electrodo positivo está asociado con una segunda solución de electrolito, como se describe en el presente documento. Las soluciones de electrolitos asociadas con los electrodos negativo y positivo pueden describirse como negolitos y posolitos, respectivamente.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una celda electroquímica (300) que comprende:

un separador iónicamente conductor (102) dispuesto entre una primera semicelda y una segunda semicelda; y una primera placa bipolar (150) en la primera semicelda y una segunda placa bipolar (150') en la segunda semicelda, siendo al menos una de la primera placa bipolar (150) y la segunda placa bipolar (150') un material compuesto poroso que comprende un material conductor poroso y un material de bloqueo (310);

en donde el material de bloqueo (310) comprende un polímero termoplástico; en donde el material de bloqueo (310) define una pluralidad de canales de flujo (320 a-f)

que están espaciados entre sí y se extienden lateralmente a través del material compuesto poroso con respecto al separador iónicamente conductor (102);

en donde la pluralidad de canales de flujo (320 a-f) están en comunicación fluida entre sí a través del material compuesto poroso; comprendiendo además la celda electroquímica (300):

un colector de entrada de fluido (330) configurado para proporcionar una primera solución de electrolito a la primera placa bipolar (150) y una segunda solución de electrolito a la segunda placa bipolar (150'); y

un colector de salida de fluido (340) configurado para extraer la primera solución de electrolito de la primera placa bipolar (150) y la segunda solución de electrolito de la segunda placa bipolar (150');

en donde el colector de entrada de fluido (330) y el colector de salida de fluido (340) están configurados para proporcionar y extraer la primera solución de electrolito y la segunda solución de electrolito de canales de flujo alternos dentro del material compuesto poroso, preferiblemente en donde el colector de entrada de fluido (330) y el colector de salida de fluido (340) están configurados para proporcionar y extraer la primera solución de electrolito y la segunda solución de electrolito en caras laterales opuestas de la primera placa bipolar (150) y la segunda placa bipolar (150'); y

en donde la pluralidad de canales de flujo (320 a-f) forma un primer y segundo canales de flujo interdigitados con primeros canales de flujo que tienen una entrada pero sin salida y segundos canales de flujo que tienen una salida pero sin entrada; y

en donde al menos algunos de la pluralidad de canales de flujo (320 a-f) contienen opcionalmente el material conductor poroso.

2. La celda electroquímica de la reivindicación 1, en donde el material conductor poroso comprende un papel carbón no tejido, una tela tejida de carbono, un fieltro de carbono o una espuma de carbono; o en donde la pluralidad de canales de flujo son sustancialmente paralelos entre sí en el material compuesto poroso.

3. La celda electroquímica de la reivindicación 1, que comprende además un primer electrodo en la primera semicelda y un segundo electrodo en la segunda semicelda, interponiéndose el primer electrodo entre la primera placa bipolar y el separador iónicamente conductor, e interponiéndose el segundo electrodo entre la segunda placa bipolar y el separador iónicamente conductor, opcionalmente (a) en donde la primera placa bipolar está en contacto con el primer electrodo, y la segunda placa bipolar está en contacto con el segundo electrodo, o (b) en donde la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar están en contacto con lados opuestos del separador iónicamente conductor.

4. La celda electroquímica de la reivindicación 1, en donde el material de bloqueo está impregnado en el material conductor poroso, o en donde el material de bloqueo comprende una capa sobre el material conductor poroso.

5. La celda electroquímica de la reivindicación 1, en donde el colector de entrada de fluido y el colector de salida de fluido están configurados para proporcionar y extraer la primera solución de electrolito y la segunda solución de electrolito en caras laterales opuestas de la primera placa bipolar y la segunda placa bipolar.

6. La celda electroquímica de la reivindicación 1, que además comprende:

una o más capas estructurales configuradas para sostener la primera placa bipolar en la primera semicelda y para proporcionar un sello fluídico en la misma, y una o más capas estructurales configuradas para sostener la segunda placa bipolar en la segunda semicelda y para proporcionar un sello fluídico en la misma;

en donde al menos una de las capas estructurales en la primera semicelda está configurada para proporcionar la primera solución de electrolito a la primera placa bipolar, y al menos una de las capas estructurales en la segunda semicelda está configurada para proporcionar la segunda solución de electrolito a la segunda placa bipolar.

7. La celda electroquímica de la reivindicación 1, que además comprende:

una o más capas estructurales configuradas para sostener la primera placa bipolar en la primera semicelda y para proporcionar un sello fluídico en la misma, y una o más capas estructurales configuradas para sostener la segunda placa bipolar en la segunda semicelda y para proporcionar un sello fluídico en la misma.

8. Una pila electroquímica que comprende:

una pluralidad de celdas electroquímicas (300) de la reivindicación 1 colocadas contiguas entre sí, opcionalmente (a) que comprende además una capa conductora adicional dispuesta entre celdas electroquímicas adyacentes (300), o (b) que comprende además:

en donde el colector de entrada de fluido (330) y el colector de salida de fluido (340) están configurados para proporcionar y extraer la primera solución de electrolito y la segunda solución de electrolito de canales de flujo alternos dentro del material compuesto poroso.

9. Un método que comprende:

impregnar un material de bloqueo (310) que es un polímero termoplástico en una parte de un material conductor poroso para formar un material compuesto poroso; y

fabricar una celda electroquímica (300) que comprende una primera placa bipolar (150) en una primera semicelda y una segunda placa bipolar (150') en una segunda semicelda, estando separadas la primera semicelda y la segunda semicelda por un separador iónicamente conductor (102); en donde la celda electroquímica (300) comprende además:

en donde el colector de entrada de fluido (330) y el colector de salida de fluido (340) están configurados para proporcionar y extraer la primera solución de electrolito y la segunda solución de electrolito de canales de flujo alternos dentro del material compuesto poroso, preferiblemente en donde el colector de entrada de fluido y el colector de salida de fluido están configurados para proporcionar y extraer la primera solución de electrolito y la segunda solución de electrolito en caras laterales opuestas de la primera placa bipolar (150) y la segunda placa bipolar (150');

en donde al menos una de la primera placa bipolar (150) y la segunda placa bipolar (150') comprende el material compuesto poroso; y

en donde el material de bloqueo (310) define una pluralidad de canales de flujo (320 a-f) que están espaciados entre sí y se extienden lateralmente a través del material compuesto poroso con respecto al separador iónicamente conductor (102);

en donde la pluralidad de canales de flujo (320 a-f) están en comunicación fluida entre sí en el material compuesto poroso; y

10. El método de la reivindicación 9, en donde la celda electroquímica se fabrica a partir de materiales de origen laminados en una línea de producción continua, opcionalmente, en donde el material compuesto poroso y la pluralidad de canales de flujo en el mismo también se forman en la línea de producción continua antes de fabricar la celda electroquímica.

11. El método de la reivindicación 9, en donde impregnar el material de bloqueo comprende impregnar térmicamente el polímero termoplástico en el material conductor poroso; y, opcionalmente, comprende además colocar contiguas una pluralidad de celdas electroquímicas entre sí para formar una pila electroquímica.

12. Un método que comprende:

disponer un material de bloqueo (310) en una capa sobre un material conductor poroso para formar un material compuesto poroso;

eliminar una parte del material de bloqueo (310) de la capa para definir una pluralidad de canales de flujo (320 af) que están espaciados entre sí;

y

fabricar una celda electroquímica que comprende una primera placa bipolar (150) en una primera semicelda y una segunda placa bipolar (150') en una segunda semicelda,

estando separadas la primera semicelda y la segunda semicelda por un separador iónicamente conductor (102), un colector de entrada de fluido configurado para proporcionar una primera solución de electrolito a la primera placa bipolar y una segunda solución de electrolito a la segunda placa bipolar: y un colector de salida de fluido configurado para extraer la primera solución de electrolito de la primera placa bipolar y la segunda solución de electrolito de la segunda placa bipolar; en donde el colector de entrada de fluido y el colector de salida de fluido están configurados para proporcionar y extraer la primera solución de electrolito y la segunda solución de electrolito de canales de flujo alternos dentro del material compuesto;

en donde la pluralidad de canales de flujo (320 a-f) se extienden lateralmente a través del material compuesto poroso con respecto al separador iónicamente conductor (102);

en donde el material de bloqueo (310) comprende un polímero termoplástico; en donde la pluralidad de canales de flujo (320 a-f) están en comunicación fluida entre sí a través del material compuesto poroso; y

13. El método de la reivindicación 12, en donde la celda electroquímica se fabrica a partir de materiales de origen laminados en una línea de producción continua, en donde el material compuesto poroso y la pluralidad de canales de flujo en el mismo se forman opcionalmente en la línea de producción continua antes de fabricar la celda electroquímica.

14. El método de la reivindicación 12, que además comprende:

impregnar al menos parcialmente el material de bloqueo en el material conductor poroso mediante impregnación térmica;

en donde el material de bloqueo comprende un polímero termoplástico, en donde (a) el método comprende además opcionalmente colocar una pluralidad de celdas electroquímicas contiguas entre sí para formar una pila electroquímica, o

(b) en donde eliminar una parte del material de bloqueo comprende opcionalmente la erosión con láser del material de bloqueo.