MX2014005136A

MX2014005136A - Celda de conveccion interna.

Info

Publication number: MX2014005136A
Application number: MX2014005136A
Authority: MX
Inventors: Cody A Friesen; Ramkumar Krishnan; Grant Friesen; Joel Hayes
Original assignee: Fluidic Inc
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-10-06
Also published as: DK2774205T3; US20130115532A1; US20150030941A1; BR112014010221A2; EP2774205A4; JP2015507314A; CA2853245A1; CA2853245C; NO2823145T3; JP6406651B2; ZA201402810B; BR112014010221A8; WO2013066829A2; US20190051959A1; IN2014DN03307A; EP2774205B1; AU2012332825B2; AU2012332825A1; US10910686B2; JP2017199679A

Abstract

Una celda electroquímica incluye un electrodo permeable de combustible configurado para dar soporte a un combustible de metal en el mismo y un electrodo de reducción de oxidante separado del electrodo de combustible. Un medio de convección iónica es provisto para conducir iones entre los electrodos de combustible y de reducción oxidante, con el fin de dar soporte a las reacciones electroquímicas en los electrodos de combustible y de reducción de oxidante. Un electrodo de carga también está incluido, el cual se selecciona del grupo que consiste de (a) el electrodo de reducción de oxidante; (b) un electrodo de carga separado del electrodo combustible y de reducción de oxidante y (c) una porción del electrodo permeable de combustible. El electrodo de carga está configurado para generar burbujas de oxígeno gaseoso que generan un flujo del medio iónicamente conductor. Uno o más deflectores de flujo también son provistos en la celda electroquímica y están configurados para dirigir el flujo del medio iónicamente conductor por lo menos parcialmente a través del electrodo permeable de combustible.

Description

CELDA DE CONVECCIÓN INTERNA La presente solicitud reclama prioridad a la Solicitud de Patente Provisional de E.U.A. No. 61/555,982, presentada el 4 de noviembre, 2011, cuya totalidad se incorpora aquí para referencia.

CAMPO La presente invención generalmente se refiere a celdas electroquímicas, y más particularmente a celdas electroquímicas que utilizan un medio iónicamente conductor líquido.

ANTECEDENTES Muchos tipos de celdas electroquímicas utilizan un medio iónicamente conductor líquido para dar soporte a reacciones electroquímicas dentro de la celda. Por ejemplo, un sistema de celda electroquímica de metal-aire puede comprender una pluralidad de celdas, cada una tiene un electrodo de combustible que sirve como un ánodo en el cual se oxida combustible ambiental, y un electrodo de reducción de oxidante que respira aire en el cual se reduce oxígeno del aire ambiente. El medio iónicamente conductor líquido en tales celdas puede comunicar los iones oxidados/reducidos entre los electrodos.

En algunos sistemas de celda electroquímica que utilizan un medio iónicamente conductor líquido, se proporciona una bomba de flujo para hacer circular el medio iónicamente conductor ya sea dentro de una celda individual o entre una pluralidad de celdas, para permitir el movimiento de especies de combustible reducibles en el medio iónicamente conductor pasando sitios de reducción sobre el electrodo de combustible, para que puedan revestirse las especies de combustible reducibles como combustible de metal sobre el electrodo de combustible durante carga. Otros beneficios del movimiento del medio iónicamente conductor también son posibles, incluyendo pero no limitándose al movimiento de especies oxidadas durante descarga lejos del nodo, mejorando cinética de descarga; la remoción de gas de oxígeno durante carga de las denominadas celdas de metal-aire de tres electrodos; y la prevención de estratificación del medio iónicamente conductor. En algunos sistemas de celda electroquímica, que utilizan tales bombas de flujo se aumenta ampliamente la complejidad y tamaño del sistema. Por ejemplo, el uso de una bomba de flujo puede necesitar o de otra forma hacer deseable unir de manera fluida múltiples celdas en una trayectoria de flujo común. Por consiguiente, en algunos de tales sistemas de celda, que utilizan una bomba de flujo se agrega el tamaño y gasto aumentado no sólo de la misma bomba de flujo, sino también pueden requerir colectores, tuberías, y un depósito, para conectar múltiples celdas en el flujo del medio iónicamente conductor. En algunos sistemas de celda, se proporcionan desconexiones rápidas para facilitar la desconexión y reconexión rápidas de celdas individuales o grupos de celda del sistema de celda, para reparación o reemplazo, con lo cual se utilizan desconexiones rápidas para formar sellos suficientemente fuertes para prevenir pérdida de medio iónicamente conductor a través de los puntos de conexión. Adicionalmente, debido a que compartir el medio iónicamente conductor entre múltiples celdas puede resultar en una corriente de derivación a través del medio iónicamente conductor, algunos sistemas de celda, tal como aquellos descritos en la Solicitud de Patente de E.U.A. en serie No. 13/362,775, incorporados aquí en su totalidad por referencia, pueden incluir flujos que dispersan cabezales de ducha que físicamente separan el medio iónicamente conductor en el flujo entre las celdas, para prevenir conductividad eléctrica a través del medio iónicamente conductor desde una celda a otra.

Un aspecto para facilitar un flujo de medio iónicamente conductor en una celda es a través del burbujeo de un gas a través de la celda, para crear una acción de levantamiento por el gas que se eleva en el medio iónicamente conductor líquido. Un ejemplo de tal aspecto se describe en la Patente de E.U.A. 5,011,747.

Por razones tales como, pero no limitadas a, hacer redundante o pasar por alto la inclusión de las características aparentes en el sistema de celda electroquímica descrito anteriormente, se puede apreciar que sistemas de celda que utilizan una configuración de celda independiente pueden ser más pequeños, más ligeros, tener menos de menos puntos de falla potenciales, y pueden ser menos costosos que configuraciones previas. Entre otras mejoras, la presente solicitud se esfuerza por proporcionar tal celda electroquímica efectiva y mejorada que además facilite el establecimiento de un flujo mejorado del medio iónicamente conductor que utiliza la acción de levantamiento de un gas que se eleva.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION De acuerdo con una modalidad, una celda electroquímica incluye un electrodo permeable de combustible configurado para dar soporte un combustible de metal en el mismo, y un electrodo de reducción de oxidante separado del electrodo de combustible. La celda electroquímica también incluye un medio iónicamente conductor para conducir iones entre los electrodos de combustible y de reducción de oxidante para dar soporte a reacciones electroquímicas en los electrodos de combustible y de reducción de oxidante, y un electrodo de carga. El electrodo de carga se selecciona del grupo que consiste de (a) el electrodo de reducción de oxidante, (b) un electrodo de carga separado, separado del electrodo permeable de combustible y el electrodo de reducción de oxidante, y (c) una porción del electrodo permeable de combustible. La celda electroquímica adicionalmente incluye un generador de flujo de burbuja de gas seleccionado del grupo que consiste de (a) el electrodo de carga, y (b) un aspersor separado del electrodo de carga. El generador de flujo de burbuja de gas está configurado para generar burbujas de oxígeno gaseoso que generan un flujo del medio iónicamente conductor durante una operación de carga. La celda electroquímica además incluye una o más superficies de desviación de flujo c onfiguradas para establecer una trayectoria de circulación que dirige el flujo del medio iónicamente conductor al menos parcialmente a través del electrodo permeable de combustible.

De conformidad con otra modalidad, se proporciona un método para hacer fluir un medio iónicamente conductor en una celda electroquímica. La celda electroquímica incluye un electrodo permeable de combustible configurado para soportar un combustible de metal en el mismo, un electrodo de reducción de oxidante separado del electrodo de combustible, y un electrodo de carga seleccionado del grupo que consiste de (a) el electrodo de reducción de oxidante, (b) un electrodo de carga separado, separado de los electrodos de combustible y de reducción de oxidante, y (c) una porción del electrodo permeable de combustible. El electrodo de combustible, electrodo de reducción de oxidante, y electrodo de carga cada uno contactan el medio iónicamente conductor de manera que el medio iónicamente conductor puede conducir iones entre ellos. El método emite burbujas gaseosas en el medio iónicamente conductor que arrastra el medio iónicamente conductor hacia arriba debido a su flotación para generar un flujo. Una o más superficies de desviación de flujo en la celda electroquímica establecen una trayectoria de circulación para dirigir el flujo del medio iónicamente conductor al menos parcialmente a través del electrodo permeable de combustible.

Otros aspectos de la presente invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, los dibujos anexos, y las reivindicaciones adjuntas.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Se describirán ahora modalidades de la invención, a manera de ejemplo únicamente, con referencia a los dibujos esquemáticos acompañantes en los cuales símbolos de referencia correspondientes indican partes correspondientes, y en donde: La Figura 1 ilustra una vista esquemática de una celda electroquímica que tiene un electrodo de reducción de oxidante sumergido; La Figura 2 ilustra una vista esquemática de una celda electroquímica que tiene un electrodo de reducción de oxidante que define una pared límite para la celda electroquímica; La Figura 3 ilustra una vista esquemática de una celda electroquímica de la configuración de la Figura 1, configurada para flujo convectivo de medio iónicamente conductor en el mismo, de acuerdo con una modalidad; La Figura 4 ilustra una vista en perspectiva del electrodo de reducción de oxidante sumergido, que ilustra el flujo de medio iónicamente conductor alrededor de canales de aire de los mismos; La Figura 5 ilustra una vista esquemática de una celda electroquímica de la configuración de la Figura 1, configurada para el flujo convectivo de medio iónicamente conductor en el mismo, de acuerdo con otra modalidad, La Figura 6 ilustra una vista esquemática de una celda electroquímica de la configuración de la Figura 1, configurada para el flujo convectivo de medio iónicamente conductor en el mismo, de acuerdo con otra modalidad; La Figura 7 ilustra una vista esquemática de una celda electroquímica de la configuración de la Figura 1, configurada para el flujo convectivo de medio iónicamente conductor en el mismo, de acuerdo con otra modalidad; La Figura 8 ilustra una vista esquemática de una bi-celda que tiene la configuración de la Figura 1, en donde dos celdas están sumergidas en un alojamiento común; La Figura 9 ilustra una vista esquemática de una serie de celdas acopladas por un flujo convectivo común; La Figura 10 ¡lustra una vista esquemática de una celda electroquímica de la configuración de la Figura 2 , configurada para el flujo convectivo de medio iónicamente conductor en el mismo, de acuerdo con una modalidad; La Figura 11 ilustra un cuadro que ilustra la velocidad relativa entre burbujas de oxígeno gaseoso y medio iónicamente conductor contra el diámetro de las burbujas, de acuerdo con algunas modalidades; La Figura 12 ilustra esquemáticamente perfiles de velocidad generados por la emisión de burbujas por un electrodo de carga de una modalidad de la celda electroquímica; Las Figuras 13A-13B ilustran un modelo de línea base de una celda electroquímica similar a aquella ilustrada en la Figura 3; La Figura 14 ilustra un cuadro que ilustra cuanto afecta la separación de paredes límite a la velocidad de flujo de volumen en varias ubicaciones comparado con el modelo de línea base de las Figuras 13A-13B; y Las Figuras 15A-15B ilustran cuadros que ilustran como elevar una burbuja de oxígeno que genera electrodo de carga con relación a un electrodo de combustible y/o electrodo de reducción de oxidante de las celdas electroquímicas afecta la velocidad de flujo de volumen y la uniformidad de flujo.

DESCRIPCION DETALLADA La Figura 1 ¡lustra una vista transversal esquemática de una celda electroquímica 100. Como se muestra, los componentes de la celda electroquímica 100 pueden estar contenidos al menos parcialmente en un alojamiento 110 asociado. Las celda 100 utiliza un medio iónicamente conductor líquido que está contenido dentro del alojamiento 110, y está configurado para circular en el mismo para conducir iones dentro de la celda 100. Aunque a veces el medio iónicamente conductor puede ser generalmente estacionario dentro del alojamiento 110, tal como en una zona estancada u otra cantidad de medio iónicamente conductor, puede apreciarse que la celda 100 puede configurarse para crear un flujo convectivo del medio iónicamente conductor. El mecanismo para crear el flujo del medio iónicamente conductor en la celda 100 es una característica de la presente descripción, y se describe en mayor detalle a continuación.

Varias porciones de la celda electroquímica 100 pueden ser de cualquier estructura o composición adecuada, incluyendo pero no limitándose a ser formada de plástico, metal, resina, o combinaciones de los mismos. Por consiguiente la celda 100 puede ensamblarse en cualquier forma, incluyendo formarse de una pluralidad de elementos, estar integralmente moldeada o así sucesivamente. En varias modalidades, la celda 100 y/o el alojamiento 110 puede incluir elementos o disposiciones de una o más Solicitudes de Patente de E.U.A. Serie Números 12/385,217, 12/385,489, 12/549,617, 12/631,484, 12/776,962, 12/885,268, 13/028,496, 13/083,929, 13/167,930, 13/785,658, 13/230,549, 13/299,167, 61/515,749, 61/555,952, y 61/556,011, cada una de las cuales incorpora aquí en su totalidades para referencia.

Aunque Figuras subsecuentes ilustran el flujo convectivo de la celda 100, la Figura 1 esquemáticamente ilustra varios otros componentes y características de una modalidad de la misma. Por consiguiente, definida dentro del alojamiento 110 de la celda 100 está una cámara de celda 120 que está configurada para alojar el medio iónicamente c onductor, y puede definir un flujo en la misma.

Un electrodo de combustible 130 de la celda 100 puede ser soportado en la cámara de celda 120 para contactarse por el medio iónicamente conductor. En una modalidad, el electrodo de combustible 130 es un electrodo de combustible de metal que funciona como un ánodo cuando la celda 100 opera en modo de descarga, o de generación de electricidad, como se discute con más detalle a continuación. Como se muestra, en algunas modalidades el electrodo de combustible 130 puede comprender una pluralidad de cuerpos de electrodo permeable 130a-130e. Aunque en la modalidad ilustrada se utilizan cinco cuerpos de electrodo permeables 130a-130e, en otras modalidades es posible cualquier número. Cada cuerpo de electro permeable 130a-130e puede incluir una pantalla que está hecha de cualquier formación que es capaz de capturar y retener, a través de electrodeposición , o de otra forma, partículas o iones de combustible de metal del medio iónicamente conductor que fluye a través o de otra forma está presente dentro de la cámara de celda 120. En una modalidad, el cuerpo de electrodo 130a puede ser un cuerpo de electrodo de terminal, configurado de manera que cuando se carga, el combustible de metal puede crecer generalmente sobre los cuerpos de electrodo 130a-e en una dirección definida del cupo de electrodo 130a hacia el cuerpo de electrodo 130e. Aunque la modalidad ilustrada, los cuerpos de electrodo permeables 130a-130e pueden tener diferentes tamaños para que pueda utilizarse una configuración de andamio escalonada, como se describe por la Solicitud de Patente de los Estados Unidos Serie No. 13/167,930, e incorporada por referencia anteriormente, en otras modalidades los cuerpos de electrodo permeables 130a-130e pueden tener substancialmente el mismo tamaño.

En algunas modalidades, la pluralidad de separadores puede separar los cuerpos de electrodo permeables 130a-130e para crear carriles de flujo en el electrodo de combustible 130. Aunque en algunas modalidades la pluralidad de separadores puede conectarse al alojamiento 110 para que el electrodo de combustible 130 pueda retenerse en su lugar con relación al alojamiento 110, en otras modalidades pueden moldearse los separadores entre los cuerpos de electrodo permeables 130a-130e, y potencialmente entre el electrodo de combustible 130 y el electrodo de carga 140, de manera que los cuerpos de electrodo permeables 130a-e (y potencialmente el electrodo de carga 140) son parte de un módulo de electrodo combinado. Tal configuración se ilustra en la Solicitud de Patente de E.U.A. Serie No. 12/901,410, publicada como Publicación de Solicitud de Patente de E.U.A. No. 2011/0086278, incorporada por referencia en su totalidad anterior. En varias modalidades, los separadores pueden ser no conductores y eléctricamente inertes para que sean inactivos con respecto a las reacciones electroquímicas en la celda 100. En algunas modalidades, los separadores pueden estar hechos de un material de plástico adecuado, tal como polipropileno, polietileno, poliéster, noryl, ABS, fluoropolímero, epoxi, y asi sucesivamente. Los carriles de flujo en el electrodo de combustible 130 pueden ser tridimensionales, y tener una altura que es sustancialmente igual a la altura de los separadores. Aunque generalmente los separadores estarían orientados verticalmente para crear carriles de flujo que son paralelos al electrodo de carga que genera las burbujas, en otras modalidades, tal como pero no limitado a donde se bloquea la parte superior del electrodo de combustible 130, como se describe a continuación, los separadores pueden estar orientados para crear carriles de flujo orientados a través de los cuerpos de electrodo permeables 130a-e. Se debe apreciar, sin embargo, que los separadores y/o carriles de flujo son opcionales, y pueden omitirse en algunas modalidades.

En algunas modalidades de la celda 100, tal como se ilustra, un electrodo de carga 140 puede estar colocado separado del electrodo de combustible 130, lejos del cuerpo de electrodo de terminal 130a (es decir, próximo al cuerpo del electrodo 130e). En algunas modalidades, el electrodo de carga 140 puede ser una porción del electrodo de combustible 130 (incluyendo, por ejemplo, ser uno o más de los cuerpos de electrodo permeables 130b-130e). Como con el electrodo de combustible 130, el electrodo de carga 140 puede estar colocado dentro de la cámara de celda 120, para estar en contacto con el medio iónicamente conductor. En la modalidad ilustrada, el electrodo de carga 140 está en una configuración escalonada similar a los cuerpos de electrodo permeables 130a-e. En otras modalidades, sin embargo, el electrodo de carga 140 puede extenderse al menos tan lejos como el más largo de los cuerpos de electrodo permeables 130a-e, cuando esos cuerpos de electrodo 130a-e están en una configuración de andamio escalonada, o de otra forma varían en tamaño. Como se describe con mayor detalle a continuación, el electrodo de carga 140 puede estar configurado para participar en la oxidación de una especie de oxidante oxidable, que está presente en el medio iónicamente conductor líquido, para promover la reducción de una especie de combustible de metal oxidado y crecimiento del combustible de metal sobre el electrodo de combustible 130 durante la carga de la celda 100. Por consiguiente, en algunas modalidades, el electrodo de carga 140 puede caracterizarse como un electrodo que genera oxígeno, debido al burbujeo del gas de oxígeno desde el electrodo de carga 140 durante la carga de la celda electroquímica 100, como se describe con mayor detalle a continuación.

Además mostrado en la Figura 1 está un electrodo de reducción de oxidante 150, que está separado del electrodo de combustible 130 y el electrodo de carga 140, lejos del cuerpo de electrodo de terminal 130a. Como se muestra, el electrodo de reducción 150 puede estar sellado o de otra forma ensamblado dentro de un módulo de electrodo de reducción de oxidante 160 que está sumergido dentro del medio iónicamente conductor en la cámara de celda 120. Al menos un canal de aire 165 se extiende dentro del módulo de electrodo de reducción de oxidante 160, para proporcionar aire u otro oxidante a un espacio de aire 170 que está formado entre un alojamiento del módulo de electrodo de reducción de oxidante 160 y el electrodo de reducción de oxidante 150. Se puede apreciar que el aire u otro oxidante en el espacio de aire 170 suministre oxidante al electro de reducción de oxidante 150. Se describen detalles adicionales de tal configuración en la Solicitud de Patente Provisional de E.U.A. 61/555,952, titulada "Cátodo de oxidante gaseoso sumergible para sistema de celda electroquímica", presentada el 4 de noviembre, 2011, e incorporada por referencia en su totalidad anteriormente. Como se muestra, en modalidades que contienen el electrodo de carga separado 140, el electrodo de carga separado 140 puede estar colocado entre el electrodo de reducción de oxidante 150 y el electrodo de combustible 130. En modalidades de la celda 100 que carece del electrodo de carga separado 140, el electrodo de reducción de oxidante 150 puede utilizarse tanto durante carga como descarga de la celda 100 (es decir, como un ánodo durante carga y como un cátodo durante descarga).

Los componentes de la celda 100, incluyendo por ejemplo, el electro de combustible 130, los cuerpos de electrodo permeable 130a-e de los mismos, el electrodo de carga separado 140, y el electrodo de reducción de oxidante 150 pueden ser de cualquier construcción o configuración adecuada, incluyendo, por ejemplo, estar construidos de uno o más de Níquel o aleaciones de Níquel (incluyendo Níquel-Cobalto, Níquel-Hierro, Níquel-Cobre (es decir, Monel), o súper-aleaciones), Cobre o Aleaciones de Cobre, latón, bronce, carbono, platino, plata, plata-paladio, o cualquier otro metal o aleación adecuado. En algunas modalidades, uno o más componentes de la celda 100, tal como el electrodo de combustible 130, el electrodo de carga separado 140, y el electrodo de reducción de oxidante 150, pueden comprender un material altamente conductor que está revestido con un material más resistente a degradación. Por ejemplo, en algunas modalidades uno o más componentes de la celda pueden comprender cobre que está revestido con níquel. Como se observó anteriormente, en algunas modalidades el electrodo de combustible 130 puede formarse de filtros de metal permeable (es decir, cuerpos de electrodo permeables 130a-e), que pueden proporcionarse para capturar, retener, y proporcionar una plataforma de crecimiento para el combustible de metal. De forma similar, en algunas modalidades el electrodo de carga separado 140 puede ser una configuración similar a aquel de los cuerpos de electrodo permeable 130a-e. En otras palabras, el electrodo de carga 140 puede ser de otra configuración, que puede configurarse para crear una diferencia potencial con el electrodo de combustible 130 para alentar crecimiento de combustible del electrodo de combustible durante carga de la celda electroquímica 100. Como se discute con mayor detalle a continuación, el electrodo de carga 140 puede estar configurado para generar burbujas de oxígeno gaseoso durante el procedimiento de carga, que puede elevarse hacia arriba en la celda 100 debido a su flotación en el medio iónicamente conductor, que puede impulsar el flujo convectivo del medio iónicamente conductor.

Similar al electrodo de combustible 130 y el electrodo de carga 140, el electrodo de reducción de oxidante 150 también puede ser de cualquier construcción o configuración apropiada. Por ejemplo, el electrodo de reducción de oxidante 150 puede generalmente estar configurado para proporcionar reducción de oxígeno en la celda electroquímica 100, para crear una diferencia potencial con el electrodo de combustible 130 durante la descarga de la celda 100. En una modalidad, el electro de reducción de oxidante 150 puede contener una capa activa que tiene mallas o revestimientos que pueden caracterizarse como "material(es) activo", que facilitan las reacciones electroquímicas. Por consiguiente, en una modalidad, el electrodo de reducción de oxidante 150 está colocado en el alojamiento de celda 110 de manera que los materiales activos contacten el medio iónicamente conductor de manera que pueden conducirse iones a través de estos, hacia y/o desde el electrodo de combustible 130. En algunas modalidades, los materiales activos pueden formarse por una mezcla de partículas o materiales de catalizador, matriz conductora y materiales hidrófobos, sinterizados para formar un material compuesto o de otra forma colocarse en capas juntos. En varias modalidades los materiales activos pueden construirse de uno o más metales, tal como pero no limitado a aquellos enlistados anteriormente. En algunas modalidades, los materiales activos pueden incluir una película de catalizador, que en varias modalidades pueden formarse por técnicas que incluyen pero no están limitadas a aspersión térmica, aspersión de plasma, electrodeposición, o cualquier otro método o de revestimiento de partícula.

Eléctricamente acoplado a los materiales activos puede estar un recolector de corriente, que puede configurarse para recibir electrones desde una carga para consumo por la reacción de reducción de oxidante cuando la celda 100 está en un modo de descarga. De forma similar, el recolector de corriente puede estar configurado para recolectar electrones de la reacción de oxidación en los materiales activos (es decir, si el e lectrodo de reducción de oxidante 150 sirve como el electro de carga) para suministro al suministro de energía PS, para participar en las reacciones electroquímicas en los materiales activos, cuando la celda 100 está en un modo de carga. El recolector de corriente puede ser de cualquier construcción o configuración apropiada, incluyendo pero no limitada a ser un filtro de metal, que puede tener espacios en el mismo. En varias modalidades el recolector de corriente puede construirse de metales o aleaciones tal como, pero no limitado a aquellas descritas anteriormente para la capa activa.

Adicionalmente incluidos en el electrodo de reducción de oxidante 150 pueden estar uno o más materiales hidrófobos, que pueden ser cualquiera de los materiales que son generalmente permeables a gas pero impermeables a líquido, para contener el medio iónicamente conductor dentro del alojamiento de celda 110, o de dentro forma mantener un espacio de aire asociado con el electrodo de reducción de oxidante 150 (es decir, en el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160). Aunque hidrófobo en algunos contextos puede entenderse como "con fobia al agua" se debe apreciar que como se utiliza aquí, hidrófobo implica que resiste permeación de o repele el medio iónicamente conductor como un todo, y no necesariamente sólo el agua en el medio iónicamente conductor. Como tal, los materiales hidrófobos también pueden considerarse materiales hidrófobos, o "con fobia al líquido". El electrodo de reducción de oxidante 150 como un todo por lo tanto puede ser impermeable a líquido, incluso permeable a un oxidante gaseoso, de manera que el oxidante gaseoso puede contactar los materiales activos del electrodo de reducción de oxidante 150, para servir como el oxidante durante las reacciones electroquímicas que toman lugar durante la descarga de la celda 100. En varias modalidades, los materiales hidrófobos pueden ser de cualquier construcción o configuración adecuada que facilita soporte de los materiales activos sobre los mismos, que son generalmente permeables al oxidante gaseoso, y son generalmente impermeables al medio iónicamente conductor.

En algunas modalidades, el material o materiales hidrófobos sirven como un material de fondo para los materiales activos y/o el recolector de corriente. Aunque los materiales hidrófobos pueden variar a través de modalidades, en algunas modalidades los materiales hidrófobos p ueden construirse de o de otra forma incluir un fluoropolímero. Como un ejemplo, en varias modalidades, los materiales hidrófobos pueden comprender politetrafluoroetileno (también conocido como PTFE, o Teflon®), que en algunas modalidades puede expandirse termo-mecánicamente (también conocido como cPTEE, o Gore-Tex®). En otras modalidades, los materiales hidrófobos pueden comprender Etileno-Propileno Fluorado (también conocido como FEP), o cualquier otro fluoropolímero. En algunas modalidades, los materiales hidrófobos pueden también tener un tamaño de poro fino, tal como pero no limitado a uno en el orden de menos de 1 µ??, o en ejemplos más particulares, puede estar en el orden de aproximadamente 50 a 200 nanómetros. Se puede apreciar que en algunas modalidades los materiales hidrófobos pueden tener resistencia a la tensión limitada a través del grosor del electrodo de reducción de oxidante 150. Por consiguiente, en algunas modalidades los materiales hidrófobos pueden ser reforzados por una capa de refuerzo permeable a oxidante, tal como aquella descrita en la Solicitud de Patente Provisional de E.U.A. 61/556,011, titulada "Refuerzo de Capa de PTFE Externo para Electrodo de Oxidante", presentada el 4 de noviembre, 2011, e incorporada por referencia en su totalidad anteriormente.

El combustible utilizado en la celda 100 puede ser un metal, tal como hierro, zinc, aluminio, magnesio, o litio. Por metal, este terminó pretende abarcar todos los elementos considerados como metales en la tabla periódica, incluyendo pero no limitados a metales álcali, metales alcalinotérreos, lantánidos, actínidos, y metales de transición, ya sea en forma atómica, molecular (incluyendo hidruros de metal), o de aleación cuando se recolectan del cuerpo de electrodo. Sin embargo, la presente invención no pretende estar limitada a ningún combustible específico, y pueden utilizarse otros. El combustible puede ser proporcionado a la celda 100 como partículas suspendidas en el medio iónicamente conductor.

El medio iónicamente conductor puede ser una solución acuosa. Ejemplos de medios adecuados incluyen soluciones acuosas que comprenden ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido tríflico, ácido nítrico, hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, cloruro de sodio, nitrato de potasio, o cloruro de litio. En una modalidad, el medio iónicamente conductor puede comprender un solvente orgánico, tal como carbonato de etileno, carbonato de dimetilo u otros solventes orgánicos apropiados, por ejemplo. En algunas modalidades, el medio iónicamente conductor es hidróxido de potasio acuoso. En una modalidad, el medio iónicamente conductor puede comprender un electrólito. Por ejemplo, puede utilizarse una solución de electrolito líquida convencional, o puede utilizarse un líquido iónico a temperatura ambiente, como se mencionó en la Solicitud de Patente de E.U.A. No. 12/776,962, previamente incorporada por referencia anteriormente. En algunas modalidades, pueden añadirse aditivos al medio iónicamente conductor, incluyendo pero no limitados a aditivos que mejoran el procedimiento de electrodeposicion del combustible de metal sobre el electrodo de combustible 130, tal como se describe en la Solicitud de Patente de E.U.A. No. 13/028,496, previamente incorporada por referencia anteriormente. Tales aditivos pueden reducir el crecimiento dendritico suelto de partículas de combustible, y de esa forma la posibilidad de que tales partículas de combustible se separen del electrodo de combustible 130, por ejemplo.

En operación de la celda 100, el combustible puede oxidarse en el electrodo de combustible 130 cuando el electrodo de combustible 130 está operando como un ánodo, y un oxidante, tal como oxígeno gaseoso, Cl2 gaseoso, o cualquier otro oxidante apropiado, puede reducirse en el electrodo de reducción de oxidante 150 cuando el electrodo de reducción de oxidante 150 está operando como un cátodo, que es cuando la celda 100 se conecta a una carga y la celda 100 está en modo de generación de descarga y de electricidad, como se discute con detalle adicional a continuación. Las reacciones que ocurren durante modo de descarga pueden generar precipitados de producto secundario, por ejemplo, una especie de combustible reducible, en el medio iónicamente conductor. Por ejemplo, en modalidades en donde el combustible es zinc, puede generarse óxido de zinc como una especie de precipitado de subproducto/combustible reducible. El zinc oxidado u otro metal también pueden soportarse por, oxidarse con o sulfatarse en la solución de electrólito, sin formar un precipitado (por ejemplo zincato puede ser una especie de combustible reducible disuelta que permanece en el combustible). Durante un modo de recarga, que se discute en detalle adicional a continuación, la especie de combustible reducible, por ejemplo, óxido de zinc también es de zincato, pueden reducirse y depositarse de manera reversible como el combustible, por ejemplo, zinc, sobre as menos una porción del electrodo de combustible 130 que funciona como un cátodo. Al mismo tiempo, ya sea el electrodo de reducción de oxidante 150 o el electrodo de carga separado 140, y/u otra porción del electrodo de combustible 130 funciona como el ánodo, y oxida una especie de oxígeno oxidable (por ejemplo, iones OH + ) en el medio iónicamente conductor para generar oxígeno gaseoso. En una modalidad, la especie de oxígeno oxidable puede ser la especie de oxidante reducida que se creó en la celda 100 durante una descarga del mismo.

Aunque en algunas modalidades el oxidante puede ser suministrado al electrodo de reducción de oxidante 150 por un sistema pasivo, que puede ser suficiente para permitir la difusión o permeación de, por ejemplo, oxígeno en el aire, dentro del electrodo de reducción oxidante 150, en otras modalidades pueden utilizarse diferentes fuentes del oxidante o mecanismos para llevar el oxidante gaseoso al electro de reducción de oxidante. Por ejemplo, en una modalidad, una bomba tal como una bomba de aire AP puede utilizarse para suministra el oxidante al electrodo de reducción de oxidante 150 bajo presión. La bomba de aire AP puede ser de cualquier construcción o configuración adecuada, incluyendo pero no limitada a ser un ventilador u otro dispositivo de movimiento de aire configurado para producir un flujo de aire constante o pulsado u otro oxidante. La fuente de oxidante puede ser una f uente contenida d e oxidante. En una modalidad, el oxígeno puede ser reciclado desde el módulo de celda electroquímica 100, tal como se describe en la Solicitud de Patente de E.U.A. 12/549,617, previamente incorporada por referencia anteriormente. De forma similar, cuando el oxidante es oxígeno de aire ambiente, la fuente de oxidante puede considerarse ampliamente como el mecanismo de suministro, ya sea pasivo o activo (por ejemplo, bombas, sopladores, etc.), por los cuales se permite que el aire fluya al electrodo de reducción de oxidante 150. De esa forma, el término "fuente de oxidante" pretende abarcar tales oxidantes contenidos y/o disposiciones para suministrar pasiva o activamente oxígeno desde el aire ambiente al electrodo de reducción de oxidante 150.

En varias modalidades, los cuerpos de electrodo permeables 130a-e, el electrodo de carga separado 140, y el electrodo de reducción de oxidante 150 pueden estar conectados con un sistema de cambio que puede estar configurado para conectar la celda 100 a un suministro de energía PS, una carga, u otras celdas 100 en serie. Durante descarga, el electrodo de combustible 130 está conectado a la carga, y opera como un ánodo de manera que los electrones emitidos por el combustible de metal, a medida que se oxida el combustible en el electrodo de combustible 130, fluya a la carga externa. El electrodo de reducción de oxidante 150 funciona como el cátodo durante descarga, y está configurado para recibir electrones desde la carga externa y reducir un oxidante que contacta el electrodo de reducción de oxidante 150, específicamente oxígeno en el aire que rodea en la celda 100, oxígeno que es alimentado dentro de la celda 100, u oxígeno reciclado desde la celda 100.

La operación del sistema de cambio puede variar a través de modalidades, y en algunas modalidades la operación pues ser similar a aquella descrita en la Solicitud de Patente de E.U.A. Serie No. 13/299,167, incorporada anteriormente por referencia. Como otro ejemplo, en una modalidad, la carga externa puede acoplarse a algunos de los cuerpos de electrodo permeables 130a-130e en paralelo, como se describe con detalle en la Solicitud de Patente de E.U.A. Serie No. 12/385,489, incorporada anteriormente por referencia. En otras modalidades, la carga externa puede ser acoplada únicamente al cuerpo de electrodo permeable de terminal 130a, lejos del electrodo de reducción de oxidante 150, de manera que el consumo de combustible pueda ocurrir en serie entre cada uno de los cuerpos de electrodo permeable 130a-130e. En algunas modalidades, la celda 100 puede configurarse para cambio de modo de carga/descarga, como se describe en la Solicitud de Patente de E.U.A. Serie No. 12/885,268, presentada el 17 de septiembre, 2010, previamente incorporada por referencia anteriormente.

En algunas modalidades, uno o más de los cuerpos de electrodo 130a-e, el electrodo de reducción de óxido en 150 y/o el electrodo de carga 140 puede interconectarse por el sistema de cambio, o cualquier otro circuito, para facilitar selectivamente el control de la carga y descarga de la celda 100. Interruptores asociados con el sistema de cambio pueden controlarse por un controlador, que puede ser de cualquier construcción y configuración adecuada, incluyendo pero no limitado a, en algunas modalidades, conformarse generalmente a aquellos descritos en las Solicitudes de E.U.A. Serie Números 13/083,929, 13/230,594 y 13/299,167, incorporadas por referencia anteriormente. En varias modalidades, el control de los interruptores del sistema de conmutación puede determinarse basándose en una selección usuario, una lectura de sensor, o por cualquier otra entrada. En algunas modalidades, el controlador también puede funcionar para manejar conectividad entre la carga y la fuente de energía PS y una pluralidad de las celdas 100. En algunas modalidades, el controlador puede incluir lógica o sistema de circuitos apropiados para accionar interruptores de desviación asociados con cada celda 100 en respuesta a detectar un voltaje que alcanza un umbral predeterminada (tal como caída bajo un umbral predeterminado).

Aunque en la modalidad ilustrada de la Figura 1 el alojamiento de celda está configurado de manera que se sumerge el electrodo de reducción de oxidante 150 con el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160 dentro de la cámara de celda 120, se puede apreciar que en varias modalidades, otras configuraciones o disposiciones de la celda 100 también son posibles. Por ejemplo, en la Figura 2 , se presenta otra modalidad de la celda 100 (específicamente, celda 100*), por la cual un electrodo de reducción de oxidante 150* define una pared límite para la cámara de celda 120, y se sella una porción de un alojamiento 110* para prevenir la filtración del medio iónicamente conductor entre ellos. Aunque tal configuración es menos preferida, debido a asuntos de que una falla del electrodo de reducción de oxidante 150* resulte en la filtración del medio iónicamente conductor fuera de la celda 100*, en algunas modalidades el flujo convectivo del medio iónicamente conductor en la camara d e celda 120, descrito con mayor detalle a continuación, puede ser en una dirección hacia arriba y lejos del electrodo de reducción de oxidante 150*, a través de la parte superior del electrodo de combustible 130.

Como se observó anteriormente, la configuración de las modalidades de la celda 100 para facilitar un flujo convectivo de medio iónicamente conductor ahí son temas de la presente solicitud. Como se indicó anteriormente, durante la operación de la celda 100, pueden formarse burbujas de oxígeno en un electrodo que genera oxígeno durante carga. En la modalidad ilustrada el electrodo que genera oxígeno es el electrodo de carga 140, pero en algunas modalidades puede ser una porción del electrodo de combustible 130 y/o el electrodo de reducción de oxidante 150. De esa forma, cualquier referencia aquí a un electrodo que genera oxígeno aplica cualquiera de estas modalidades, y hace referencia al electrodo de carga 140 en las modalidades ilustradas que puede ser similar a aplicar a todos estos tipos de electrodos que generan oxígeno. Puede apreciarse que la flotación de las burbujas de oxígeno que se generan sobre la superficie del electrodo de carga 140 durante carga puede utilizarse para hacer circular el medio iónicamente conductor de la celda 100. Como se describe con mayor detalle a continuación, aunque las mismas burbujas crean una fuerza de levantamiento, si los tamaños de burbujas son de un tamaño suficientemente menor, pueden arrastrar una cantidad suficiente del medio iónicamente conductor con ellas para empezar a hacer fluir el medio iónicamente conductor dentro de la celda 100. Se puede apreciar que el flujo del medio iónicamente conductor también puede asistirse por otros mecanismos de generación de flujo más allá de las burbujas generadas en el electrodo de carga 140, incluyendo pero no limitado a fuente de burbujas de gas adicionales, como se describe con mayor detalle a continuación.

En algunas modalidades, el alojamiento 110 por lo tanto puede incluir ahí desviadores de flujo que proporcionan superficies de desviación de flujo, incluyendo pero no limitadas a paredes bloqueadoras, desviadores, y/o canales perforados, que pueden utilizarse para controlar la magnitud y la dirección del flujo del medio iónicamente conductor creado por la fuerza de elevación flotante de las burbujas, y crear una convención en la celda 100. En algunas modalidades, los desviadores de flujo pueden moldearse integralmente dentro del alojamiento de celda 110, o pueden definirse completamente por la forma del alojamiento de celda 110, tal como por las superficies internas de sus paredes. En otras modalidades, los desviadores de flujo pueden ser cuerpos separados que están instalados o de otra forma unidos dentro del alojamiento 110. En una modalidad, las porciones del electrodo de combustible 130, el electrodo de carga 140, y/o electrodo de reducción de oxidante 150, o cuerpos asociados con éstos, pueden estar formados o de otra forma colocados para servir como un desviador de flujo y proporcionar una o más superficies de desviación de flujo.

Esquemáticamente mostrada en la Figura 3 está una modalidad de una celda electroquímica siendo a y configurada para generar una corriente convectiva (indicada generalmente por las flechas gruesas). Como se muestra, la celda electroquímica 100a tiene el electrodo de combustible 130, el electrodo de carga 140, y el electrodo de reducción de oxidante 150. Se puede apreciar que la modalidad ilustrada, el electrodo de reducción de oxidante 150 está configurado como sumergido dentro de la cámara de celda 120 dentro de la celda electroquímica 100a, y tiene asociado con éste el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160 con el espacio de 170 (omitido en la modalidad ilustrada para enfatizar el flujo del medio iónicamente conductor).

En la modalidad ilustrada de la Figura 3, las burbujas de oxígeno generadas en el electrodo de carga que genera oxígeno 140 se elevan hacía arriba, debido a su flotación, a la parte superior 180 del alojamiento 110a. Aunque cuerpos tales como el electrodo de combustible 130, el electrodo de carga 140, y el electrodo de reducción de oxidante 150 pueden afectar la dirección y velocidad, se puede apreciar que los guiadores de flujo pueden enviar y dirigir el flujo de medio iónicamente conductor creado por el movimiento de las burbujas. Este movimiento generalmente estará restringido alrededor del electro de carga 140, entre el electro de combustible 130 y el electrodo de reducción de oxidante 150. En una modalidad, tal como aquella de la celda 100a, un área de manera directa verticalmente sobre el electrodo de carga 140 y el electrodo de combustible 130 pueden ser relativamente desbloqueados al flujo de las burbujas de oxígeno hacia arriba, hacia la parte superior 180. Como se muestra, en algunas modalidades, el movimiento de las burbujas de oxígeno puede estar unido inicialmente por el electrodo de combustible 130 y el electrodo de reducción de oxidante 150. A medida que las burbujas de oxígeno fluyen pasando el electrodo de combustible 130 y el electro de reducción de oxidante 150, sin embargo, puede permitirse subsecuentemente que fluyen hacia afuera (es decir, lateralmente) hacia un lado 190 del alojamiento 110a, sobre el electrodo de reducción de oxidante sumergido 150 (y el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160, no mostrado en la Figura 3). Como se puede apreciar de la Figura 4, los canales de aire 165 que permiten el flujo de aire dentro del espacio de aire 170 están configurados para no bloquear completamente el medio iónicamente conductor, para que el flujo del medio iónicamente conductor, y las burbujas inicialmente ahí arrastradas, puedan pasar generalmente alrededor y/o entre los canales de aire 165, y puedan fluir hacia abajo a la parte posterior del módulo de electrodo de reducción oxidante 160, como se ilustra generalmente por las flechas ilustradas (es decir, existe espacio o espacios entre estos para permitir que el flujo se desplace lateralmente sobre el módulo 160).

En la modalidad de las celdas 100a, se proporciona una pared bloqueadora 200 para prevenir que las burbujas se expandan hacia y lejos del lado 190. Una vez que las burbujas fijan el electrodo de reducción de oxidante 150, el electrodo de carga 140 y/o el electrodo de combustible 130, la pared bloqueadora 200 puede extenderse hacia la parte superior 180 para que el medio iónicamente conductor esté dirigido en un área de desgasificación 210 de la cámara de celda 120. Como se muestra, el área de desgasificación 210 puede ser un área del alojamiento de celda 110a que está unida por el lado 190 y un desviador de convección 220, que tiene una porción alargada 230 que se extiende en la cámara de celda 120 generalmente paralela al flujo de las burbujas hacia arriba desde el electrodo de carga 140, y dirige el medio iónicamente conductor desde la parte superior 180 hacia una parte inferior 240 del alojamiento de celda 110a. El área de desgasificación 210 también puede indicarse como una columna de desgasificación debido a su orientación vertical. En algunas modalidades, el desviador de convección 220 puede formarse al menos parcialmente de una porción del módulo de electrodo de reducción de oxidante 160 sumergido en el medio iónicamente conductor. En algunas modalidades, el área de desgasificación 210 puede contener ahí una o más estructuras de fusión de burbuja, tal como pero no limitado a un acoplamiento hidrófobo, que puede estar configurado para aumentar el tiempo en el que el medio iónicamente conductor permanece en el área de desgasificación 210, mientras el medio iónicamente c onductor fluye a través de ésta. El material hidrófobo puede ser elegido para ser altamente poroso con una alta tortuosidad para aumentar la eficacia de separación de gas mientras no se impide con flujo de fluido. Otros ejemplos de estructuras de fusión de burbuja incluyen materiales hidrófobos en la forma de fieltro, membrana o espuma.

Se puede apreciar que la área de desgasificación 210 generalmente está separada de los electrodos de las celdas 100, para que las burbujas arrastradas en el flujo de medio iónicamente conductor puedan fundirse juntas y/o separadas del flujo de medio iónicamente conductor a través de ésta, de manera que las burbujas en el área de desgasificación 210 se eleven hacia la parte superior 180, mientras el flujo de medio iónicamente conductor continúa fluyendo a través del área de desgasificación 210. En particular, a medida que se desvía el medio iónicamente conductor sobre el área de desgasificación 210, lejos de donde se están elevando más burbujas de oxígeno desde el electrodo de carga 140, el medio iónicamente conductor menos flotante es libre de separarse de las burbujas, y empieza a caer hacia la parte inferior 230 del alojamiento de celda 110a. Adicionalmente, como se describe con más detalle a continuación, las burbujas generan menos arrastre viscoso con mayor volumen (es decir, tamaño de burbuja). De esa forma, debido a que las burbujas son más pequeñas cuando se generan primero, arrastran más fluido con ellas que las burbujas más grandes en el área de desgasificación 210, que se forman por la fusión de las burbujas más pequeñas. Esta diferencia en tamaño de burbuja, y diferencia subsecuente en arrastre de fluido, pueden entenderse como creando la dirección del movimiento de fluido que crea el flujo convectivo del medio iónicamente conductor. Por lo tanto se puede apreciar que en algunas modalidades el medio iónicamente conductor puede contener ahí un limitante de tamaño de burbuja aditivo que puede configurarse para minimizar un tamaño de las burbujas ahí generadas. Por ejemplo, en una modalidad el limitador de tamaño de burbuja puede comprender un agente tensoactivo, tal como pero no limitado a agentes tensoactívos iónicos clasificados como tipo amónico que contiene sulfato, sulfonato, fosfato o aniones de carboxilato, o tipo catiónico, que contiene zwiteriones, aminas terciarias o iones de amonio cuaternario. Los agentes tensoactívos también pueden ser éteres o ésteres no iónicos, que contienen alcoholes.

Se puede apreciar que cualquiera de las partículas u otros materiales arrastrados en el flujo de medio iónicamente conductor también pueden separarse del flujo en el área de desgasificación 210, y dependiendo de la flotación de las partículas, puede establecerse en la parte inferior del área desgasificación 210, o pueden flotar en la parte superior del área de desgasificación 210.

Como se muestra, el desviador de convección 220 puede tener una porción inferior 250 con una superficie que desvía flujo que se tiene lateralmente y dirige el medio iónicamente conductor que fluye hacia abajo lateralmente a través de la parte inferior 240 hacia un lado opuesto del electrodo de combustible 130 desde el electrodo de carga 140 que está cerca del cuerpo de electrodo permeable 130a, y está cerca de un lado 260 del alojamiento de celda 110a que está lejos del lado 190. En algunas modalidades, esta área de la cámara de celda 120 puede caracterizarse como un área de pre-electrodo 265, como se ilustró. El ciclo convectivo por lo tanto puede completarse por el medio iónicamente conductor que pasa a través de los cuerpos de electrodo permeables 130a-e, antes de elevarse de nuevo por las burbujas de oxígeno que se elevan desde el electrodo de carga 140. Debido a que el levantamiento de burbuja de oxigeno eleva el medio iónicamente conductor líquido en la región a lo largo del electrodo de carga 140 (u otro electrodo que genera oxígeno), también crea una caída de presión o diferencial n egativo entre esa región y el área de pre-electrodo 265, que ayuda al flujo del medio iónicamente conductor a través del electrodo de combustible 130. El flujo a través del electrodo de combustible 130 de esa forma típicamente tendrá tanto un componente hacia arriba como lateral (es decir, horizontal), como se ilustró. Similarmente, el flujo en la dirección lateral desde el área de desgasificación 210 hacia el área de pre-electrodo 265 bajo porción 250 también se alienta por la presión descendente positiva aplicada desde el líquido en el área de desgasificación 210, así como la presión negativa sobre el área de pre-electrodo 265 por el flujo levantado por burbuja.

Tal flujo de medio iónicamente conductor a través de los cuerpos de electrodo permeables 130a-e puede tener un número de beneficios, incluyendo pero no limitado a descargar burbujas de oxígeno o hidrógeno que de otra forma puede adherirse a los cuerpos de electrodo permeable, que entre otras cosas podría interferir con crecimiento de combustible sobre el electrodo de combustible 130 durante carga de las celdas 100a. Evolución de hidrógeno (a través de reducción de H a H2) al electrodo de combustible 130 es problemático no sólo debido a que extrae corriente parasitaria que podría utilizarse para reducción y revestimiento de metal, sino que la presencia de burbujas puede ocupar espacio en donde podría estarse llevando a cabo crecimiento de combustible, y las mismas b urbujas pueden interferir con el crecimiento de metal y reducir su intensidad. De esa forma, impulsar de manera forzada el flujo a través del cuerpo o cuerpos del electrodo de combustible 130 puede reducir benéficamente estos problemas. También, en varías modalidades, el flujo que circula (es decir, toda su trayectoria de circulación) puede estar contenido completamente dentro del alojamiento, de manera que la trayectoria de flujo está en un bucle de circuito cerrado que incluye cuerpos de electrodo de combustible 130, evitando de esa forma la necesidad de conectar el alojamiento 110 a una bomba de fluido o alojamientos de celda adyacentes, para permitir flujo dentro y fuera del alojamiento 110.

Como se muestra además en la Figura 3, en algunas modalidades una segunda pared de bloqueo 267 puede extenderse al menos parcialmente de manera lateral (es decir, horizontalmente) entre el lado 260 y el electrodo de combustible 130, y puede proporcionar una superficie de desviación de flujo que previene que el medio iónicamente conductor se desvíe desde el ciclo convectivo, al prevenir que el medio iónicamente conductor sea superior que el electrodo de combustible 130 en la porción del ciclo de convección en el área de pre-electrodo 265. En otras modalidades, otras paredes bloqueadoras o desviadoras (u otras estructuras que proporcionan superficies de desviación de flujo) pueden utilizarse para dirigir el flujo del medio iónicamente conductor a través del electrodo de combustible 130, para mantener el circuito convectivo. De esa forma, el circuito convectivo fuerza el flujo para pasar sobre el electrodo de reducción de oxidante 150, hacia abajo a través del área de desgasificación 210, dentro del área de pre-electrodo 265, y a través del electrodo de combustible 130.

Lo que se muestra en la Figura 5 es otra modalidad de la celda electroquímica 100 (específicamente, una celda electroquímica 100b). Como se muestra, la celda electroquímica 100b tiene un alojamiento 110b asociado que está configurado para formar un ciclo convectivo del medio iónicamente conductivo ahí. Se puede apreciar que el alojamiento 110b puede ser generalmente similar al alojamiento 110b, tal como, por ejemplo, que contiene ahí el área de desgasificación 210 formada por la porción alargada 230 del desviador de convección 220, y el lado 190 del alojamiento 110b. Adicionalmente, el desviador de convección 220 de nuevo contiene la porción inferior 250 que, junto con la parte inferior 240 del alojamiento de celda 110b, proporcionan superficies de desviación de flujo que guían el flujo del medio iónicamente conductor dentro del área de pre-electrodo 265, y desde ahí dentro de un lado del electrodo de combustible 130 opuesto desde el electrodo de carga 140. Diferente a las celdas 100a, sin embargo, la celda 100b t iene una pared de ánodo 270 configurada para prevenir el flujo convectivo del medio iónicamente conductor de ser elevado con las burbujas desde el electrodo de carga 140 sin pasar al menos parcialmente a través de cada uno de los cuerpos de electrodo permeable 130a-e del electrodo de combustible 130. Se puede apreciar que en algunas de tales modalidades, pueden restringirse las burbujas a una apertura más estrecha que puede elevarse desde el electrodo de carga 140 hacia la parte superior 180 del alojamiento 110b, que puede afectar la velocidad de flujo conectivo del medio iónicamente conductor. Como se muestra, en algunas modalidades, tal como se ilustró, en donde el electrodo de combustible 130 tiene una configuración de andamio escalonada, la pared de ánodo 270 puede estar angulada o de otra forma formada para coincidir con una forma escalonada del electrodo de combustible 130. Aunque en algunas modalidades el medio iónicamente conductor puede estar bloqueado de elevación sobre la altura del electrodo de combustible 130 sobre su lado de área de pre-electrodo 265, como fue el caso en la celda 100a, en algunas modalidades, tal como la modalidad de las celdas 100b, tal restricción puede no ser implementada.

Esta pared de ánodo 270 de esa forma proporciona una superficie de desviación de flujo que fuerza el medio iónicamente conductor a través de los cuerpos de electrodo 130a-e. La superficie inferior de la pared 270 puede hacer esto directamente, y la cara vertical de la pared 270 puede hacerlo indirectamente al evitar que el flujo circule sobre la parte superior del electrodo de combustible 130. Es decir, debido a que el líquido en el espacio lateralmente adyacente a la pared 270 y sobre el área de pre-electrodo 265 está bloqueada de flujo hacia arriba o lateralmente, esto alentará a que el flujo circule a través del electrodo 130.

La Figura 6 ilustra otra modalidad de las celdas 100 (denotada como una celda 100c). La celda electroquímica 100c tiene un alojamiento asociado 110c con superficies de desviación de flujo que de nuevo forman un ciclo convectivo del medio iónicamente conductor ahí. Como anteriormente, el alojamiento 110c puede ser generalmente similar al alojamiento 110a o el alojamiento 110b. Por ejemplo con el alojamiento 110c ahí contiene ahí el área de desgasificación 210 formada por la porción alargada 230 del desviador de convección 220, y el lado 190 del alojamiento 110c. El desviador de convección 220 de nuevo contiene la porción inferior 250 que, junto con la parte inferior 240 del alojamiento de celda 110c, guía el f lujo de medio iónicamente c onductor dentro del área de pre-electrodo 265, desde donde puede extraerse al menos parcialmente a través del electrodo de combustible 130. En algunas modalidades, una o más regiones de las celda 100, tal como la porción inferior 250 y/o la parte inferior 240 del alojamiento de celda 110, pueden incluir o tener asociado con estas un electrodo de bandeja de retención configurado para oxidar partículas dendríticas de combustible que se han separado del electrodo de combustible 130, como se describe en la Solicitud de Patente de E.U.A. Serie No. 13/185,658, incorporada por referencia en su totalidad anteriormente. Como con la celda 100a, una pared bloqueadora 200 generalmente previene que las burbujas se eleven desde el electrodo de carga 140 y el medio iónicamente c onductor que fluye con ellas que se desvía hacia fuera hacia el lado 260 del alojamiento 110c. En lugar de esto, la pared de bloqueo 200, potencialmente en combinación con la pared superior 180, dirige las burbujas, y el flujo de medio iónicamente conductor, lateralmente hacia el lado 190 del área de desgasificación 210. Diferente a las celdas previas 110a y 110b, sin embargo la celda 110c incluye ahí un difusor 280 que está configurado para dirigir el flujo del medio iónicamente conductor cerca del lado 260 del alojamiento de celda 110c generalmente perpendicular dentro del electrodo de combustible 130 (es decir en un ángulo recto del mismo electrodo de combustible 130), como opuesto al flujo generalmente angulado de las modalidades anteriores. Las superficies de desviación de flujo pueden considerarse como incluyendo las superficies en el nivel de poro o abertura que dirigen el flujo en esa dirección. Se puede apreciar que el difusor 280 puede variar a través de modalidades, y que tales pueden tener cualquier número de aperturas 290 ahí que están orientadas entre el lado 260 y el electrodo de combustible 130. También se puede apreciar que en algunas modalidades el difusor 280 puede estar configurado para establecer un ángulo particular o ángulos particulares múltiples de flujo sobre el electrodo de combustible 130, tal como al variar el ángulo de una o más de las aperturas 290. Como anteriormente, aunque en algunas modalidades el medio iónicamente conductor puede estar bloqueado de elevarse desde la altura del electrodo de combustible 130, en otras modalidades, tal como la modalidad ilustrada de las celdas 100c, tal construcción puede no implementarse.

La Figura 7 muestra otra modalidad de las celda 100 (principalmente, celda 100d), que contiene un alojamiento asociado 110 d configurado para circulación convectiva del medio iónicamente conductor. Como se muestra, el alojamiento 110d generalmente está configurado de manera que el ciclo convectivo del medio iónicamente conductor pase hacia arriba a través de la longitud del electrodo de combustible 130. Por ejemplo, en la modalidad ilustrada, el medio iónicamente conductor está configurado para fluir verticalmente generalmente paralelo a y entre los cuerpos de electrodo permeable 130a-e, en lugar de estar orientado dentro y a través de cada uno de los cuerpos de electrodo permeables 130a-e como en las modalidades previas. Como se muestra, en una modalidad la pared bloqueadora 200 generalmente puede extenderse desde la parte superior 180 hacia ia parte inferior 240, y puede ser generalmente paralela a la orientación de los electrodos de la celda 100d. Las superficies de desviación de flujo de esa forma se proporcionan por las superficies del electrodo de reducción de oxidante 150 y la pared 200 orientada a y paralela al electrodo de combustible 130. Aunque en algunas modalidades la pared bloqueadora 200 puede extenderse tan lejos como la parte inferior 240, y puede reemplazar o de otra forma ser el lado 260, en otras modalidades la pared bloqueadora 200 puede estar separado del lado 260, de manera que un medio iónicamente conductor permanece en el espacio entre ellos. Como se muestra en la modalidad ¡lustrada, de manera que el flujo convectivo del medio iónicamente conductor pasa a lo largo de los cuerpos de electrodo permeable 130a-e, el desviador de convección 220 puede carecer de la porción inferior 250 encontrada en las modalidades previas. En otras modalidades, el desviador de convección 220 puede contener la porción inferior 250, sin embargo la porción inferior 250 puede contener una o más aperturas ahí para recibir el flujo convectivo.

Como se ¡lustra en la Figura 8, se puede apreciar que en algunas modalidades múltiples celdas pueden instalarse juntas en un alojamiento común 110'. Tal ensamble puede facilitar direcciones de flujo deseadas con base en la interacción de burbujas generadas desde cada celda, y también puede reducir costos de producción, al reducir el número de partes distintas ahí. El ensamble de la Figura 8 contiene dos celdas ahí, y de esa forma puede indicarse como bi-celda 300. Se puede apreciar que las dos celdas (individualmente celda 300a y 300b) define la bi-celda 300, también pueden incluirse celdas adicionales en otras modalidades (es decir, formando una tri-celda, una cuadricelda, y así sucesivamente). Aunque en algunas modalidades cada celda 300a y 300b puede contener su propio electrodo de combustible asociado 130 (es decir espaciado uno de otro), en otras modalidades, tal como aquellas mostradas, la bi-celda 300 contiene un electrodo de combustible común 130' para ambas celdas 300a y 300b. En particular, el electrodo de combustible común 130' es compartido por un par de electrodos de reducción de oxidante 150a y 150b, asociado con celdas 300a y 300b respectivamente. Como se muestra, el electrodo de combustible común ilustrado 130' contiene ahí una pluralidad de cuerpos de electrodo permeable 130a'-130e' en una configuración de andamio escalonada, por lo cual el cuerpo de electrodo 130c' está colocado en el centro y puede estar asociado con cualquiera de la celda 300a o celda 300b. Se puede apreciar, entonces, que los cuerpos de electrodo permeable 130a' y 130b' pueden considerarse generalmente para estar asociados con la celda 300a, mientras los cuerpos de electrodo permeable 130b' y 130e' generalmente pueden considerarse para estar asociados con la celda 300b. En algunas modalidades, sin embargo, la totalidad del electrodo de combustible común 130' puede entenderse como participando en reacciones electroquímicas tanto con el electrodo de reducción de oxidante 150a como el electrodo de reducción de oxidante 150b. Se puede apreciar que la bi-celda 300 se ilustra esquemáticamente en la Figura 8. Como tal, la separación ilustrada es exagerada entre los electrodos de reducción de oxidante 150a-b y el electrodo de combustible común 130', así como entre cada uno de los cuerpos de electrodo permeable 130a'-130e'.

Asociados con cada celda 300a y 300b en la modalidad ilustrada están electrodos de carga 140a y 140b. Aunque la modalidad ilustra los electrodos de carga 140a y 140e están separados del electrodo de combustible común 130', se puede apreciar que en algunas modalidades los electrodos de carga 140a y 140b pueden comprender una porción del electrodo de combustible común 130', como se describió anteriormente. Como se muestra, los electrodos de carga dedicados 140a y 140b generalmente pueden estar colocados entre el electrodo de combustible común 130' y los electrodos de reducción de oxidante 150a y 150b. Como se puede apreciar de las modalidades anteriores, las burbujas formadas durante elevación de carga desde donde se generaron sobre los electrodos de carga 140a y 140d a la parte superior del alojamiento 110', y desarrollan un flujo del medio iónicamente conductor. Se puede apreciar que burbujas tal como aquellas generadas por los electrodos de carga 140a y 140b generalmente se elevarán hacia arriba para generar un flujo de medio iónicamente conductor entre los electrodos de oxidante 150a-b y en los electrodos de combustible comunes 130', cada uno de los cuales contiene una o más superficies de desviación de flujo. También se puede apreciar que las superficies de los electrodos de carga 140a y 140b pueden considerarse superficies de desviación de flujo, ya que estas superficie también canalizan el flujo ascendente del medio iónicamente conductor. En otra modalidad, podría haber un electrodo de carga individual para todo el electrodo 130, tal como un electrodo de carga localizado en el centro, o una porción o porciones del mismo electrodo de combustible 130.

A menos que se describa de otra forma por superficies de desviación de flujo, las burbujas pueden dispersarse generalmente hacia afuera a medida que se elevan hacia arriba. En la modalidad ilustrada de la bi-celda 300, la disposición separada de los electrodos de carga 140a y 140b, cada uno de los cuales genera sus propias burbujas, generalmente pueden resultar en las burbujas y de esa forma el flujo, dispersando hacia arriba y entonces lateralmente sobre los módulos de electrodo de reducción de oxidante 160a y 160b que están asociados con cada electrodo de reducción de oxidante 150a y 150b, las superficies de los mismos son superficies de desviación de flujo. Específicamente, a medida que las burbujas se elevan a la parte superior 180' del alojamiento 110' de cada uno de los electrodos de carga 140a y 140b, las burbujas suficientes pueden recolectarse cerca de la parte superior 180' de manera que existe una trayectoria de menos resistencia para burbujas adicionales y flujo para desviarse a su parte superior de cada uno de los módulos de electrodo de reducción de oxidante 160a y 160b, cuyas partes superiores también son superficies de desviación de flujo.

Como se muestra, pueden ocurrir subsecuentemente dos porciones de flujo separadas, entre el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160a y un lado 190a del alojamiento 110' que está cerca del módulo de electrodo de reducción de oxidante 160a, y entre el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160b y un lado 190b del alojamiento 110' que está cerca del módulo de electrodo de reducción de oxidante 160b. Similar a modalidades anteriores, estas regiones entre los módulos de electrodo de reducción de oxidantes 160a-b y los lados 190a-b pueden caracterizarse como regiones o columnas de desgasificación asociadas 210a y 210b, por lo cual las burbujas pueden separarse del medio iónicamente conductor, elevándose de nuevo a la parte superior 180', mientras el medio iónicamente conductor más denso continúa hacia abajo dentro del flujo. Por lo tanto se puede apreciar que en algunos casos pueden considerarse grupos adicionales de burbujas de electrodos de carga separados (es decir electrodos de carga 140a y 140b), desviadores de flujo.

Como se indicó anteriormente, en algunas modalidades el desviador de convección 220 puede comprender al menos una porción del módulo de electrodo de reducción de oxidante 160. Tal implementación se ilustra en la modalidad ilustrada, en donde se forma el desviador de convección 220a con el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160a, mientras el desviador de convección 220b es formado con el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160b. Como tal, las paredes posteriores (lejos de los electrodos de reducción de oxidante 150a y 150b) de los módulos de electrodo de reducción de oxidante 160a y 160b por lo tanto forman las porciones alargadas 230 (específicamente porción alargada 230a y porción alargada 230b). Por consiguiente, en la modalidad ilustrada la región de desgasificación 210a es formada entre el lado 190a y la porción alargada 230a del módulo de electrodo de reducción de oxidante 160a, mientras la región de desgasificación 210b es formada entre lado 190b y la porción alargada 230b del módulo de electrodo de reducción de oxidante 160b, cada una de las superficies de los cuerpos define las regiones de desgasificación 210a y 210b que contienen superficies de desviación de flujo. Como se indicó anteriormente, en algunas modalidades también pueden estar presentes desviadores de flujo adicionales, que contienen superficies de desviación de flujo adicionales. Mostrados en la modalidad ilustrada, por ejemplo, están los desviadores de flujo adicionales 310a y 310b, que tienen superficies de desviación de flujo que están configuradas para angular el flujo del medio iónicamente conductor en la parte inferior de las regiones de desgasificación 210a y 210b, de manera que el flujo desde cada lado se dirija generalmente hacia el centro de la bi-celda 300. Por lo tanto se puede apreciar que el flujo puede estar generalmente dirigido hacia el centro del electrodo de combustible común 130', o a los electrodos de combustible respectivos de cada una de las celdas 300a y 300b de la bi-celda 300. De esa forma, aunque al menos puede configurarse una superficie de desviación de flujo para dirigir el flujo de medio iónicamente conductor a través del electrodo de combustible común 130', en algunas modalidades múltiples superficies de desviación de flujo pueden cooperar al hacerlo.

Aunque no se ilustra en la Figura 8, en algunas modalidades desviadores de flujo adicionales u otros cuerpos de modificación de flujo, tal como aquellos descritos en las modalidades anteriores, pueden implementarse en la bi-celda 300, y tienen superficies de desviación de flujo. Por ejemplo, en algunas modalidades una porción inferior similar a la porción inferior 250 descrita anteriormente puede implementarse como asociada con cada uno de los módulos de electrodo de reducción de oxidante 160a y 160b. Tal porción inferior puede prevenir que los flujos de convección circulen directamente alrededor de los electrodos de reducción de oxidante 160a y 160b (es decir, partiendo con las burbujas generadas por los electrodos de carga 140a y 140b, alrededor de los electrodos de reducción de oxidante 160a y 160b, y regresando de nuevo a los electrodos de carga 140a y 140b), sin al menos ser parcialmente dirigidos dentro del electrodo de combustible común 130'. Se puede apreciar que los flujos de convección extraerán el medio iónicamente conductor a través del electrodo de combustible común 130' de cualquier forma, al arrastrar el medio iónicamente conductor adyacente a la formación de burbuja en los electrodos de carga 140a y 140b, sin embargo, tales porciones inferiores en algunas modalidades pueden aumentar movimiento del medio iónicamente conductor a través del electrodo de combustible común 130'.

De forma similar, en algunas modalidades puede instalarse un difusor similar al difusor 280 en la bi-celda 300. Se puede apreciar que el difusor generalmente puede estar instalado bajo el electrodo de combustible común 130', y puede alinear los flujos del medio iónicamente conductor para fluir en cualquier dirección o direcciones deseadas con respecto al electrodo de combustible común 130'. Adicionalmente, en algunas modalidades, paredes u otros cuerpos que dirigen flujo (también denominado desviadores de flujo), similares a la pared de ánodo 270, por ejemplo, pueden instalarse generalmente sobre el electrodo de combustible común 130', para dirigir los flujos de convección d e medio iónicamente c onductor del flujo de las burbujas que generan el flujo, después que las burbujas se elevan sobre los electrodos de carga 140a y 140b. Se puede apreciar en la modalidad de la bi-celda 300, en las modalidades descritas anteriormente, y en otras de tales modalidades, que pueden acoplarse las varias paredes de bloqueo y/u otras modalidades de desviación de flujo a los alojamientos (tal como el alojamiento 110'), los módulos de electrodo de reducción de oxidante 160a-b, el electrodo de combustible común 130' (u otros electrodos de combustible 130), o así sucesivamente.

Aunque en las modalidades de las Figuras 1-8 se ilustra un flujo convectivo individual asociado con cada celda 100 (o en el caso de la bi-celda 300 de la Figura 8, un flujo convectivo individual asociado con cada una de las celdas 300a y 300b del mismo), se puede apreciar que en algunas modalidades puede utilizarse un circuito convectivo individual a través de una pluralidad de celdas. Por ejemplo, la Figura 9 ilustra un sistema de celda 312 que comprende una pluralidad de celdas 314 (de las cuales las celdas 314a-c están visibles como se ilustra) configuradas para formar un bucle convectivo común. Aunque se muestran tres celdas en el sistema de celda 312, se puede apreciar que el sistema de celda 312 contiene únicamente dos o más celdas para formar el bucle convectivo, de manera que son posibles menos o más celdas. Como se muestra, cada una de las celdas 314 incluye un electrodo permeable de combustible 130, un electrodo de carga 140, y un electrodo de oxidante 150. Como se describió, cada electrodo de reducción de oxidante 150 está acoplado a un m ódulo de electrodo de reducción de oxidante 160 asociado, y está sumergido dentro del medio iónicamente conductor, de manera que los canales de oxidante 165 proporcionan oxidante a los electrodos de reducción de oxidante 150 a través de un espacio de aire 170 asociado con éste. También como anteriormente, una región de desgasificación 210 está asociada con cada celda (específicamente regiones de desgasificación 210a-c como se ilustra).

En lugar de que se definan las regiones de desgasificación 210 entre el electrodo de oxidante sumergible 160 y una pared lateral del alojamiento para la celda, como en algunas de las modalidades anteriores, se puede apreciar que el sistema de celda 312 contiene paredes interiores 316, que separan los electrodos de cada celda, y que tienen superficies de desviación de flujo que facilitan el movimiento del flujo convectivo de una celda 314a a otra (es decir desde la celda 314a a la celda 314b a la celda 314c, y así sucesivamente). Por ejemplo, extendiéndose separadas de los módulos de electrodo de oxidante 160 están las paredes 316a que definen un lado de la región de desgasificación 210 para cada celda. Adicionalmente, otras paredes bloqueadoras, tal como las paredes 316b, pueden colocarse bajo cada módulo de electrodo de oxidante 160, para dirigir el flujo convectivo desde una celda previa 314 al menos parcialmente a través del electrodo de combustible 130 de esa celda subsecuente 314. Como se muestra, un canal de retorno 318 puede proporcionarse para facilitar el término del circuito convectivo del medio iónicamente conductor, de manera que el medio iónicamente conductor movido por una última celda 314 en el ciclo vuelva a hacerse circular a la primera celda 314a, para que pueda pasar a través del electrodo de combustible 130 del mismo. Aunque la configuración de cada celda 314 se ilustra similar a aquella de la celda 100d anterior, se puede apreciar que otras paredes bloqueadoras y desviadores de flujo pueden tener superficies de desviación de flujo que facilitan dirigir el flujo del medio iónicamente conductor a través de las celdas 314. Adicionalmente, aunque el canal de retorno 318 es desplazado pasando bajo la celdas 314, puede tomar cualquier trayectoria apropiada. Por ejemplo, las celdas 314 pueden ser dispuestas en una disposición bidimensional en lugar de linealmente, para formar un circuito de fluido más cercano. Adicionalmente, en algunas modalidades pueden proporcionarse alojamientos separados para las celdas 314 y el ciclo convectivo puede utilizar tubos u otras conexiones fluidas externas para completar el ciclo convectivo entre las celdas.

Se puede apreciar que otras configuraciones de la celda 100 que crean un flujo conectivo del medio iónicamente conductor restringido para pasar el electrodo de combustible 130 también son posibles. Por ejemplo, varias modalidades de las celdas 100*, que tienen el electrodo de reducción de oxidante 150* que forman una pared límite del alojamiento 110*, también pueden configurarse para generar flujo convectivo, por ejemplo, mostrado en la Figura 10, está una celda 100a* que tiene un alojamiento 110a*. El alojamiento 110a* i ncluye la parte superior 180, la parte inferior 240, y el lado 260, similar a las modalidades de las celdas 100a-d descritas anteriormente. Como se muestra, también está presente un lado 190*, similar al lado 190, sin embargo configurado para recibir ahí el electrodo de reducción de oxidante 150*, para que el electrodo de reducción de oxidante 150* pueda absorber oxígeno desde el aire que rodea la celda 100a*. Además el área de desgasificación 210 está adicionalmente presente, sin embargo reubicada desde las variaciones anteriores de la celda 100, ya que el medio iónicamente conductor no fluiría sobre el electrodo de reducción de oxidante 150* ya que estaría en el electrodo de reducción de oxidante sumergido 150 de las modalidades anteriores.

Como se muestra en la modalidad ilustrada, la celda 100a* está configurada de manera que burbujas de oxígeno generadas en el electrodo de carga 140 se elevan hacia arriba hacia la parte superior 180, por lo cual el lado 190 sobre el electrodo de reducción de oxidante 150* desvía el flujo oxigenado hacia el lado 260. Se muestra un desviador de convección 220* para además unir el flujo convectivo. Por ejemplo, en algunas modalidades, el desviador de convección 220* incluye una pared de bloqueo 320 que generalmente se extiende desde cerca del electrodo de combustible 130, de manera que se previene que las burbujas fluyan de regreso hacia el electrodo de combustible 130. Una porción superior 330 del desviador de convección 220* puede proporcionarse para cooperar con la parte superior 180 para redirigir el medio iónicamente conductor oxigenado lejos del electrodo de combustible 130, hacia el área de desgasificación 210, que en la modalidad ilustrada está unida entre el lado 260 del alojamiento 110a*, y una porción alargada 340 del desviador de convección 220*. Como en las modalidades anteriores, se permite que el medio iónicamente conductor se separe lejos de las burbujas en el área de desgasificación 210, cayendo hacia la parte inferior 240 del alojamiento 110a*. Como se muestra además, una vez que se alcanza la parte inferior 240, el medio iónicamente conductor entonces puede dirigirse a través del electrodo de combustible 130, completando el ciclo de convección. En la modalidad ilustrada, además se proporciona una pared bloqueadora 350 para dirigir el flujo de medio iónicamente conductor a lo largo de la parte inferior 240 hacia arriba hacia el cuerpo de electrodo de terminal 130a, por lo cual puede pasar a través de los cuerpos del electrodo permeable 130a-130e para completar el ciclo de convección. En otras modalidades pueden utilizarse otras paredes bloqueadoras además o alternativamente de aquella de las celdas 100a*, para redirigir el flujo a través de cada uno de los cuerpos de electrodo permeable 130a-e, similar a la modalidad de la celda 100d. En algunas modalidades puede proporcionarse un difusor para angular el flujo del medio iónicamente conductor dentro del electrodo de combustible 130, similar a la modalidad de la celda 100c. En algunas modalidades, puede utilizarse una pared de ánodo para restringir el flujo en el electrodo de combustible 130, y estrechar el canal para las burbujas de oxigeno emitidas desde el electrodo de carga 140.

Se puede apreciar que en varias modalidades el medio iónicamente oxigenado pueden tener una tendencia a elevarse hacia arriba y expandirse o "florecer" hacia afuera basándose únicamente en la flotación de las burbujas y las restricciones colocada sobre ellas por las varias paredes, miembros bloqueadores, y desviadores de celdas 100. Por consiguiente, la parte superior 180 de los varios alojamientos 110 pueden ser de cualquier construcción o configuración adecuada, y en algunas modalidades puede omitirse completamente (es decir, de manera que se exponga el medio iónicamente conductor). Tales modalidades pueden no ser preferidas, sin embargo, ya que contienen completamente el medio iónicamente conductor dentro de la celda 100 lo que puede prevenir la filtración del medio iónicamente conductor cuando se mueve la celda 100, o prevenir la entrada de contaminantes dentro de la celda 100. En otras modalidades, puede proporcionarse una ventilación de gas en la celda 100, tal como pero no limitada a aquella descrita en la Solicitud de Patente Provisional de E.U.A. Serie No. 61/515,749, que puede recibir el oxígeno gaseoso cerca o en la parte superior 180 de la cámara de celda 120. En algunas modalidades, la ventilación de gas puede ser una membrana impermeable al líquido permeable a gas, configurada para prevenir pérdida del medio iónicamente conductor a través de ésta, pero permite que el oxígeno de las burbujas escape desde la celda. En donde la ventilación de gas es impermeable al líquido, en algunas modalidades la ventilación de gas puede estar localizado al menos parcialmente contactando el medio iónicamente c onductor. En algunas modalidades, las áreas sobre el nivel del medio iónicamente conductor cerca o en la parte superior 180 pueden perforarse o de otra forma configurarse de manera que el gas pueda salir de la celda 100.

Aunque generalmente el electrodo de carga 140, u otros electrodos que generan oxígeno en la celda 100, impulsan el ciclo convectivo al generar oxígeno gaseoso durante la carga de la celda 100, se puede apreciar que en algunas modalidades puede ser deseable que el medio iónicamente conductor fluya dentro de la celda cuando la celda está en un modo de descarga, o cuando la celda está inactiva. En algunas de tales modalidades, incluyendo pero no limitadas a la celda 100a* ilustrada en la Figura 10, la celda 100 puede contener ahí una fuente de burbujas de gas, incluyendo pero no limitada a una bomba de aire AP, configurada para hacer burbujear gas a través de la celda 100. Las fuentes de burbujas de gas también se indican como aspersores, que son dispositivos que introducen gas dentro de un líquido. Como se utiliza aquí, las fuentes de burbujas de gas o aspersores pueden ser cualquier dispositivo que logra este burbujeo de gas en el medio iónicamente conductivo. En algunas modalidades en donde la fuente de burbujas de gas es la bomba de aire AP, la misma bomba de aire AP también puede utilizarse para suministrar el oxidante al electrodo de reducción de oxidante 150. En otras modalidades, sin embargo, la bomba de aire AP puede estar separada de aquello utilizada para suministrar oxidante al electrodo de reducción de oxidante 150, si no se utiliza en absoluto tal bomba de aire. Aunque el gas introducido por la fuente de burbujas de gas puede ser aire de los alrededores de la celda, en varias modalidades pueden hacerse burbujear gases o combinaciones de gases a través de la celda, desde cualquier fuente de gas apropiada. Las burbujas generadas por la bomba de aire AP puede ser de cualquier tamaño adecuado o forma para mover el medio iónicamente conductor, incluyendo en algunas modalidades que son generalmente similares a las burbujas de aire generadas en el electrodo de carga 140 durante la carga de la celda. En algunas modalidades, la bomba de aire AP puede estar acoplada a uno o más microtubos, para crear burbujas de un tamaño suficientemente pequeño para arrastrar el medio iónicamente conductor. En otras modalidades, la bomba de aire AP puede ser de cualquier otra configuración adecuada, incluyendo pero no limitada a una bomba centrífuga, bomba de jaula de ardilla, ventilador axial, o gas comprimido almacenado. Como se muestra en algunas modalidades la bomba de aire AP puede estar orientada de manera que se permita que las burbujas generadas fluyan a través y/o entre el electrodo de reducción oxidante 150, el electrodo de carga 140, y/o el electrodo de combustible 130. Aunque la modalidad ilustrada la posición de electrodo cerca del lado 190* facilita instalación de la bomba de aire AP bajo estos, en otras modalidades la bomba de aire AP puede estar localizada en otra parte en o asociada con la celda 100, mientras uno o más tubos otros canales se proporcionan para canalizar el aire u otro gas a una ubicación apropiada sobre la celda 100, en donde puede burbujear dentro del medio iónicamente conductor. También se puede apreciar que en algunas modalidades la bomba de aire AP puede ser únicamente responsable de generar el flujo del medio iónicamente c onductor a través de la celda 100 (es decir, a través del electrodo de combustible 130). Por ejemplo, en algunas modalidades el electrodo de reducción de oxidante 150 puede ser bifuncional, para utilizarse como un electrodo de carga durante la carga de la celda 100. En tal modalidad, el oxígeno generado durante la carga de la celda 100 puede liberarse directamente dentro del aire que rodea la celda 100*, o dentro del espacio de aire 170, y de esa forma no contribuiría al flujo conectivo. En tal modalidad, el flujo conectivo en la celda puede impulsarse generalmente por las burbujas generadas por la bomba de aire AP.

El tamaño de las burbujas, ya sea creadas por el electrodo de carga 140 (u otro electrodo que genera oxígeno), o por la bomba de aire AP, puede afectar la velocidad del flujo convectivo del medio iónicamente conductor. Pueden utilizarse varias configuraciones del electrodo de carga 140 y/o la bomba de aire AP para formar burbujas de un tamaño generalmente deseable, para lograr una v elocidad de flujo convectiva generalmente deseable. La velocidad además puede ser afectada por las propiedades químicas del medio iónicamente conductor. Se puede apreciar que la transferencia de momento entre las burbujas y el medio iónicamente conductor, y de esa forma la velocidad relativa de las burbujas y el medio iónicamente conductor circundante, pueden evaluarse basándose en la fuerza de flotación de las burbujas. Por ejemplo, se entiende que la fuerza de flotación FB en una esfera tal como una burbuja que generalmente se adapta a la fórmula: en donde pL y P02 son la densidad del medio iónicamente conductor y el oxígeno gaseoso respectivamente, g es la aceleración gravitacional, y d es el diámetro de la esfera. A bajas velocidades, el arrastre viscoso FD sobre la burbuja puede ser generalmente aproximado como: en donde AU es la velocidad relativa entre la burbuja y el fluido, y Re es el número Reynolds, definido como: en donde µ es la viscosidad del medio iónicamente conductor.

Al equilibrar la fuerza de flotación FB y el arrastre viscoso FD, puede evaluarse una relación entre el diámetro de las burbujas y la velocidad relativa entre la burbuja y el medio iónicamente conductor. Por ejemplo, en una modalidad en donde la densidad del medio iónicamente conductor pL es aproximadamente 1500 kg/m3, y la viscosidad del medio iónicamente conductor es aproximadamente µ = 0.002 Pa.s, al aproximar la fuerza gravitacional como g = 9.81 mis2, los tamaños de burbuja y las velocidades relativas asociadas encontradas en la Figura 11 pueden calcularse. Como se muestra, con un diámetro de burbuja mayor, la fuerza de flotación FB domina sobre la fuerza de arrastre FD, que resulta en burbujas más grandes que se mueven a una velocidad relativa más grande a través del medio iónicamente conductor. Una velocidad federativa más grande significa que las burbujas inducen a menos flujo del líquido debido a que las burbujas se desplazan más rápido que el líquido; y de manera inversa una velocidad relativa inferior induce más flujo del líquido debido a que las burbujas y el líquido están más cerca para desplazarse juntas. De esa forma, los inventores de la presente solicitud han encontrado que los diámetros de burbuja más pequeños son deseables para inducir levantamiento y flujo del medio iónicamente conductor dentro de la celda 100.

En algunas modalidades de la celda 100, la mayoría de las burbujas generadas en el electrodo de carga 140 (u otros electrodos que generan oxígeno en la celda 100) típicamente pueden estar aproximadamente entre 1 µ?? y 50 pm de diámetro, mientras la velocidad resultante del medio iónicamente conductor puede estar generalmente entre 0.01 m/s-0.1 m/s. Por lo tanto se puede apreciar que tales tamaños de burbuja pueden resultar en que la velocidad relativa sea imperceptible comparada con la velocidad del medio iónicamente conductor, de manera que la fuerza de flotación de las burbuja se transfiere al medio iónicamente conductor a través de acoplamiento de momento fuerte. Se debe observar que las velocidades relativas y diámetros de burbuja asociados listados en la Figura 11 son únicamente aproximaciones de varias modalidades, y pueden encontrarse otros tamaños de burbuja y velocidades relativas en varias modalidades de la celda 100. Por ejemplo, en algunas modalidades, la mayoría de burbujas generadas durante carga puede ser aproximadamente menor que 1 mm de diámetro. En un ejemplo más particular, la mayoría (es decir, 50% o más) de burbujas, y más preferiblemente 75% o más, generadas durante la carga pueden ser menores a .1 mm de diámetro. En un ejemplo incluso más particular, la mayoría de burbujas generadas durante carga, y más preferiblemente 75% o más, puede ser menor que .01 mm de diámetro. Incluso otro en otro ejemplo más particular, la mayoría de burbujas generadas durante carga, y más preferiblemente 75% o más, pueden ser menores que 0.01 mm de diámetro. Incluso en un ejemplo más particular adicional, la mayoría de burbujas, y más preferiblemente 75% o más, generadas durante la carga pueden ser menores que 0.001 mm. Más preferiblemente, 90% o más de las burbujas es menor que estos tamaños máximos mencionados. Adicionalmente, se puede apreciar que en algunas modalidades, burbujas más pequeñas pueden fusionarse en burbujas más grandes que pueden elevarse hacia la parte superior 180 de la celda 100, sin embargo, aún pueden participar en arrastrar el medio iónicamente conductor dentro del flujo antes y/o después de fusión. Como tal, el tamaño de las burbujas como se describe aquí puede referirse a su tamaño en la primera formación, el tamaño promedio de las burbujas puede elevarse a la parte superior 180, y/o el tamaño promedio de las burbujas una vez que han alcanzado la parte superior 180. De nuevo, se puede apreciar que las burbujas generadas por la bomba de aire AP pueden ser similarmente mencionadas a las burbujas generadas por el electrodo de carga 140. Además, en varias modalidades, puede generarse una variedad de tamaños de burbujas por el electrodo de carga 140 y/o la bomba de aire AP durante la operación de la celda 100.

En varias modalidades, la fuerza de levantamiento de las burbujas generadas en el electrodo de carga 140 a medida que se elevan a la parte superior 180 de la celda 100 puede diferir dependiendo de la separación h del electrodo de reducción de oxidante 150 y el electrodo de combustible 130 desde el electrodo de carga 140. En una modalidad, la separación h puede ser suficientemente pequeña para que la emisión de las burbujas de oxígeno desde el electrodo de carga generalmente pueda fluir hacia arriba hacia la parte superior 180, dominando cualquier flujo hacia fuera desde el electrodo de carga 140. En algunas de tales modalidades, el flujo hacia arriba de las burbujas y el medio iónicamente conductor generalmente puede parecerse al flujo de Poiseuille bajo la influencia de la fuerza de cuerpo espacialmente variable suministrada por la flotación. Como se muestra en la Figura 12, se puede apreciar que pueden generarse burbujas de oxígeno en ambos lados del electrodo de carga 140, y uno de tales flujos de burbuja puede estar entre el electrodo de carga 140 y el electrodo de reducción de oxidante 150 en un lado, y entre el electrodo de carga 140 y el electrodo de combustible 130 en el otro lado.

Se entiende que el perfil de velocidad del flujo de Poiseuille generalmente corresponde a la fórmula: en donde BF(y) es la fuerza de cuerpo (en N/m3), y h es el ancho del canal (es decir la separación h entre cada uno del electrodo de reducción de oxidante 150 y el electrodo de combustible 130 desde el electrodo de carga 140). La velocidad de flujo volumétrico total del líquido iónicamente conductor QL en la ubicación y (en m2/s, debido al cálculo 2D de unidad-profundidad) es: 12µ , (5) Debido a que la fuerza de flotación sobre un volumen Vd de oxígeno gaseoso sumergido en un líquido corresponde a: ?s = ÍPi (6) la fuerza de flotación sobre un volumen de control dado corresponde a: Se puede apreciar que Vd/Vc puede representarse como la velocidad de flujo volumétrica de 02 dividida por la velocidad de flujo del líquido que pasa a través de una superficie de constante y. Adicionalmente, la densidad de oxígeno gaseoso es imperceptible para aquel del medio iónicamente conductor líquido. Por consiguiente, la fuerza de cuerpo BF(y) puede calcularse como: Al sustituir este cálculo de la fuerza de cuerpo BF(y) en la comparación de flujo volumétrico en la Ecuación (5), el flujo volumétrico (cuadrado) del medio iónicamente conductor puede resolverse como correspondiente a: En algunas modalidades de la celda 100, el electrodo de carga 140 puede producir oxígeno a una velocidad de aproximadamente 3.5 cc/min/A. Cuando se carga en la celda ciento a 20A, la relación de producción de oxígeno puede ser aproximadamente 1.667 cc/s. En modalidades en donde el electrodo de carga 140 es aproximadamente de 20cm x 20cm en tamaño, entonces puede producirse aproximadamente 14.58 cc/s/m2 de oxígeno en cada lado del electrodo de carga 140, orientado al electrodo de combustible 130 o al electrodo de reducción de oxidante 150. En estado estable, la cantidad de oxígeno que pasa a través de una superficie de constante y sobre un lado del electrodo de carga 140 es la suma del oxígeno que se produce por el electrodo de reducción de oxidante 150 bajo esa superficie. Por consiguiente, la velocidad de flujo volumétrico del oxígeno gaseoso puede calcularse (de nuevo en unidades de m2/s para justificar el cálculo como unidad-profundidad) como: Q0 = 1*.5%£-* -y (10) Al sustituir la velocidad de flujo del cálculo de oxígeno gaseoso en el flujo volumétrico cuadrado del medio iónicamente conductor encontrado en la Ecuación (9), la velocidad de flujo del medio iónicamente conductor puede calcularse como Una velocidad de canal promedio de esa forma puede calcularse al dividir por el ancho de canal h, como: v.,{y) = 1.1025 -s hpLgy (12) Adícionalmente, la fuerza de levantamiento flotante puede calcularse utilizando la velocidad de flujo de volumen del medio iónicamente conductor calculado en la Ecuación (11) y el cálculo de la Ecuación (5) anterior, como: Se puede apreciar que los cálculos aquí proporcionados son representaciones generales, y no justifican varios efectos, tal como pero no limitado a efectos del límite 3D, interferencia de las burbujas con el electrodo de carga 140 (es decir, en donde el electrodo de carga 140 es una malla metálica), asimetría de formación de burbuja, influencia de flujo desde el exterior del canal, o así sucesivamente. En algunos de tales casos, la fuerza de levantamiento flotante BF(y) para la modalidad teórica de la celda 100 se carga a 20A con un electrodo de carga de 20 cm x 20 cm 140, puede expresarse con un factor de forma Ff (es decir un factor de corrección) como: por lo cual el factor de forma Ff puede calibrarse al comparar datos simulados con modelos experimentales o celdas de producción. El factor de forma Ff también puede considerarse un 'factor de corrección' que ajusta las perfecciones en el sistema. Ser debe apreciar adicionalmente que aunque la descripción anterior es para un caso ilustrativo, los mismos principios generalmente se entienden a diferentes corrientes y a diferentes tamaños de celda también. Se puede apreciar que las separaciones entre los electrodos (es decir el valor de ancho de canal h) pueden variar dependiendo del tamaño de la celda 100. Por ejemplo, en modalidades una relación de la altura de electrodo al ancho de canal h puede variar de aproximadamente entre 500:1 a 20:1. Modalidades más particulares, la relación puede variar desde aproximadamente entre 200:1 40:1.

Como se indicó anteriormente, la construcción y configuración de la celda 100 para crear el flujo convectivo puede variar a través de modalidades, y puede, por ejemplo, determinar un ángulo en el cual el flujo está configurado para atravesar el electrodo de combustible 130. Se puede apreciar que en algunas modalidades, la separación entre elementos de la celda 100 además puede afectar el flujo convectivo ahí. Por ejemplo, mostrada en la Figura 13A y 13B está una vista transversal de una modalidad de la celda 100a, ilustrada en mayor detalle que la vista esquemática de la Figura 3. Adicionalmente, las mediciones de tamaño para una modalidad no limitante de la celda 100a se presentan. Por ejemplo, en la modalidad ilustrada de las celdas 100a, el ancho del área de desgasificación 210, definida entre el lado 190 y la porción alargada 230 del desviador de convección 220, es aproximadamente 3.17 cm. Como se muestra, en algunas modalidades el medio iónicamente conductor en la celda 100a puede no alcanzar la parte superior 180 del alojamiento de celda 110a. En algunas de tales modalidades, puede existir un espacio de aire entre el medio iónicamente conductor y la parte superior 180 (es decir, desde la cual pueden ventilarse las burbujas de oxígeno al exterior de la celda 100a). En la modalidad ilustrada, la distancia entre el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160 y la parte superior del nivel de medio iónicamente conductor es aproximadamente 3.91 cm. Una vez que el flujo convectivo del medio iónicamente conductor alcanza la parte inferior de la celda 240, pasa a través de la apertura entre la porción superior 250 del desviador de convección 220 y la parte inferior 240 del alojamiento de celda 110a, que en la modalidad ilustrada es de 1.98 cm de altura, y 3.17 cm de longitud. Después que el flujo pasa más allá de la porción inferior 250 del desviador de convección 220, puede elevarse hacia arriba en el área de predicción de electrodo 265, definida entre el lado 260 y la parte posterior del electrodo de combustible 130. Como se muestra, el área de pre-electrodo 265 de la modalidad ilustrada de la celda 100a es de aproximadamente 3.27 cm de ancho. Una vez en el área de pre-electrodo 265, el medio iónicamente conductor entonces es libre de fluir a través de los cuerpos de electrodo permeable 130a-e del electrodo de combustible 130, completando el circuito conectivo, y de nuevo elevándose con las burbujas generadas en el electrodo de carga 140.

Se puede apreciar que la velocidad del medio iónicamente conductor que se mueve por las burbujas puede ser mayor adyacente al electrodo de carga 140. En la modalidad ilustrada, esta área adyacente al electrodo de carga 140 puede definirse por canales 360 formados sobre lados opuestos del electrodo de carga 140. Específicamente, un electrodo 360a puede estar caracterizado como el área entre el electrodo de carga 140 y el electrodo de reducción de oxidante 150, mientras puede caracterizarse un canal 360b como el área entre el electrodo de carga 140 y el electrodo de combustible 130. En algunas modalidades, la velocidad del medio iónicamente conductor en el canal 360a puede ser diferente de la velocidad de canal 360b, tal como cuando existe un ancho de canal diferente h asociado con cada uno de los canales 360.

Como se describió anteriormente, el factor de forma Ff puede ser derivado experimentalmente basándose en las particularidades del alojamiento de celda 110 y los desviadores y otras paredes contenidas ahí. En una modalidad, la velocidad del medio iónicamente conductor hacia abajo del área de desgasificación 210 en el circuito de convección de las celdas 100a y las Figuras 13A y 13B pueden medirse (es decir a través del uso de tinte a color) como aproximadamente 1.333 mm/s (es decir, una distancia de 24 cm en 3 minutos). Basándose en los cálculos anteriores, sin embargo, la velocidad calculada a través de la misma región de celda 100a sería generalmente 2.210 mm/s. Por consiguiente, puede calcularse que para las celdas 100a de las Figuras 13A y 13B, puede obtenerse la velocidad observada de 1.333 mm/s en donde el factor de forma Ff es aproximadamente 0.63. Aunque el factor de forma Ff puede variar dependiendo del diseño de la celda 100, se puede apreciar que en modalidades preferidas la celda 100 puede estar diseñada de manera que el factor de forma Ff está entre aproximadamente 0.5 y 0.8. Se puede apreciar que si el factor de forma Ff amortigua el flujo, una amortiguación de menos de 50% puede mantener una transferencia de momento eficiente.

En varias modalidades modificaciones de diseño a la celda 100 pueden facilitar una mayor velocidad de flujo convectivo. En algunas modalidades, puede ser preferencial maximizar velocidad de flujo conectivo total mientras se minimizan una varianza de velocidad de flujo a través del electrodo de combustible 130. Por ejemplo, en varias modalidades la velocidad de flujo de volumen a través del área de desgasificación 210 puede ser afectada por la ubicación de la pared lateral 190. La Figura 14 ilustra un cuadro que ilustra cómo la separación de las paredes que definen los canales de flujo para el flujo convectivo puede afectar la velocidad de flujo de volumen. En particular, el cuadro de la Figura 14 compara espacios de pared variables, normalizados a los espacios de pared ¡lustrados en la modalidad de la Figura 11, con las velocidades de flujo de volumen asociadas. En el cuadro, la designación "Detrás del Cátodo" indica la separación entre pared lateral 190 y porción alargada 230 del deflector de convección 220. La designación "Detrás del Anodo" indica la separación entre el electrodo de combustible 130 y el lado 260. El "Espacio Inferior" designa la separación entre la porción inferior 250 y la parte inferior 240. Finalmente, el "Espacio Superior" denotado en el cuadro de la Figura 14 representa la distancia entre cualquiera o ambos de la parte superior de la porción alargada 230 y el módulo de electrodo de reducción de oxidante 160, y la parte superior del medio iónicamente conductor en la celda 100a, por lo cual la superficie superior del medio iónicamente conductor puede tratarse como una pared de deslizamiento libre. Como se muestra en el cuadro, la mayor varianza de velocidad de flujo de volumen se encuentra con la modificación del tamaño de la separación "Detrás del Cátodo". La velocidad de flujo de volumen para cada una de las regiones, sin embargo, comienza en el nivel a aproximadamente 10 cc/s con un espacio de pared normalizado de aproximadamente 0.5. Por consciente, para mantener tanto una velocidad de flujo generalmente mayor pero uniforme, en algunas modalidades la distancia entre cuerpos de la celda 100 puede ser aproximadamente mayor que 2 cm .

Los cuadros ilustrados en las Figuras 15A-B ilustran como colocar el OEE (es decir el electrodo de carga 140) con respecto al electrodo de combustible 130 en el electrodo de reducción de oxidante 150 que también puede afectar la velocidad de flujo de volumen dentro de la celda 100. Por ejemplo, mostrado en la Figura 15A está la varianza de la velocidad de flujo de volumen tanto en la región "Detrás del Cátodo" y a través del electrodo de combustible 130, basándose en el levantamiento del electrodo de carga 140 a diferentes alturas sobre una posición de línea base (es decir, aquella ilustrada en la modalidad de la celda 100a en la Figura 13A). Como se muestra, entre más alto sea el electrodo de carga 140 con respecto al electrodo de combustible 130 y el electrodo de reducción de oxidante 150, mayor será la velocidad de flujo de volumen. Se muestra un nivel para desarrollarse, sin embargo, cuando se eleva el electrodo de carga 140 más que aproximadamente 4 cm sobre su posición en la celda de linea base 100a ilustrada en la Figura 13A.

Similarmente, la Figura 15B ilustra cómo el medio iónicamente conductor fluye a través de diferentes porciones del electrodo de combustible 130 con diferente posicionamiento del electrodo de carga 140. Como se muestra, para la celda de línea base 100a, la velocidad de flujo es mayor en la parte inferior del electrodo de combustible 130, sin embargo disminuye la parte superior del electrodo de combustible 130. Al elevar el electrodo de carga 140 hacia arriba con respecto al electrodo de combustible 130, la velocidad de flujo en la parte inferior del electrodo de combustible 130 disminuye, mientras la velocidad de flujo en la parte superior del electrodo de combustible 130 aumenta. Por arriba de una ubicación y sobre el electrodo de combustible 130 de aproximadamente 0.08 m, puede apreciarse un beneficio de elevar el electrodo de carga 140 con relación al electrodo de combustible 130, a medida que la recirculación en la parte superior del electrodo de combustible 130 aumenta la velocidad de flujo a través de esas áreas. Como también se observa en la Figura 15B, la elevación del electrodo de carga 140 con relación al electrodo de combustible 130 puede normalizar la disparidad de la velocidad de flujo entre la parte superior y la parte inferior del electrodo de combustible 130. Por consiguiente, una cantidad general de uniformidad de la velocidad de flujo a través de toda la altura del electrodo de combustible 130 (es decir, a través de las ubicaciones U del electrodo de combustible 130) puede lograrse cuando el electrodo de carga 140 se eleva aproximadamente 4 cm sobre la posición de línea base ilustrada en la Figura 13A, con relación al electrodo de combustible 130.

Se puede apreciar que el desplazamiento del electrodo de carga 140 desde el electrodo de combustible 130 puede variar a través de modalidades, y los ejemplos mostrados en los cuadros de las Figuras 15A y 15B son simplemente ilustrativos con base en la modalidad de la celda 100a ilustrada en la Figura 13A. De forma similar, se puede apreciar que la cantidad de desplazamiento, si hay alguna, también puede afectar el campo eléctrico de la celda 100, que puede afectar crecimiento de combustible y consumo durante la carga y descarga de la celda 100. Por consiguiente, en algunas modalidades, puede colocarse un desplazamiento del electrodo de carga 140 sobre el electrodo de combustible 130 para justificar tanto velocidad de flujo como consideraciones de campo eléctrico.

Se puede apreciar que otras modificaciones a la celda 100 pueden afectar la velocidad de flujo del ciclo de convección (es decir, cuando se compara con la modalidad de línea base ilustrada en la Figura 13A). Por ejemplo, en una modalidad, remover la porción inferior 250 (es decir similar a la modalidad de la celda 100d en la Figura 6) puede reducir tanto la velocidad de flujo de volumen a través del electrodo de combustible 130, como la uniformidad del flujo a través del electrodo de combustible 130, por aproximadamente la mitad. En una modalidad, agregar una pared para bloquear la parte superior de los canales del electrodo de combustible 130 (tal como la pared de ánodo 270) en combinación con una pared para prevenir que el medio iónicamente conductor se eleve sobre el electrodo de combustible 130 en la región de pre- electrodo 265 (es decir, la segunda pared de bloqueo 267), puede reducir ligeramente la velocidad de flujo de volumen en el área de desgasificación 210 al reducir o prevenir recirculación del medio iónicamente conductor en la región de pre-electrodo 265. En otra modalidad, se puede apreciar que utilizar el difusor 280 como se muestra en la modalidad de la Figura 6 puede aumentar ligeramente la velocidad de flujo de volumen en el área de desgasificación 210 y a través del electrodo de combustible 130, mientras reduce sólo ligeramente la varianza de las velocidades de flujo a través de porciones diferentes del electrodo de combustible 130. Incluso en otra modalidad, el bloqueo de la parte superior del electrodo de combustible 130 (es decir, con la pared de ánodo 270) mientras remueve la pared que previene recirculación (tal como la segunda pared bloqueadora 267), tal como se ilustra en la modalidad de la celda 100b en la Figura 5, puede reducir generalmente la velocidad de flujo de volumen en el área de desgasificación 210 y a través del electrodo de combustible 130, y la varianza de velocidad de fluido, por aproximadamente la mitad. Incluso en una modalidad adicional, el bloqueo de la parte superior del electrodo de combustible 130 (es decir con la pared de ánodo 270), que bloquea el medio iónicamente conductor para dirigir el flujo (es decir, con la pared bloqueadora 200), pero que no bloquea la parte inferior del electrodo de combustible 130 (es decir, la mitad y la porción inferior 250), puede duplicar generalmente la velocidad de flujo de volumen a través del área de desgasificación 210, y aumentar por aproximadamente la mitad de la velocidad de flujo de volumen a través del electrodo de combustible 130, pero puede reducir la varianza de flujo a través de los filtros del electrodo de combustible 130 por más de aproximadamente un orden de magnitud.

Las modalidades ilustradas anteriores han sido proporcionadas únicamente para ilustrar los principios estructurales y funcionales de la presente invención y no pretenden ser limitantes. Por ejemplo, la presente invención puede practicarse utilizando diferentes combustibles, diferentes oxidantes, diferentes electrolitos, y/o diferente configuración estructural general o materiales. De esa forma, la presente invención pretende abarcar todas las modificaciones, sustituciones, alteraciones y equivalentes dentro del espíritu y alcance de las siguientes reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Una celda electroquímica que comprende: un electrodo permeable de combustible configurado para dar soporte a un combustible de metal en el mismo; un electrodo de reducción de oxidante separado del electrodo de combustible; un medio iónicamente conductor para conducir iones entre los electrodos de combustible y de reducción de oxidante para dar soporte a reacciones electroquímicas en los electrodos de combustible y de reducción de oxidante; un electrodo de carga seleccionado del grupo que consiste de (a) el electrodo de reducción oxidante, (b) un electrodo de carga separado, separado del electrodo permeable de combustible y el electrodo de reducción de oxidante, y (c) una porción del electrodo permeable de combustible; un generador de flujo de burbuja de gas seleccionado del grupo que consiste de (a) el electrodo de carga, y (b) un aspersor separado del electrodo de carga, el generador de flujo de burbuja de gas está configurado para generar burbujas de oxígeno gaseoso que generan un flujo del medio iónicamente conductor durante una operación de carga; y una o más superficies de desviación de flujo configuradas para establecer una trayectoria de circulación que dirige el flujo del medio iónicamente conductor al menos parcialmente a través del electrodo permeable de combustible.

2. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende un área de desgasificación configurada para permitir que las burbujas de oxígeno gaseoso se separen del medio iónicamente conductor en el flujo del medio iónicamente conductor.

3. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el área de desgasificación comprende una columna.

4. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el electrodo de reducción de oxidante es sumergido en el medio iónicamente conductor con un espacio de aire aislado con éste para proporcionar un oxidante gaseoso a éste, en donde la una o más superficies de desviación de flujo incluyen una superficie de desviación de flujo configurada para dirigir el flujo del medio iónicamente conductor sobre el electrodo de reducción de oxidante y el espacio de aire, a un lado del mismo opuesto al electrodo de combustible.

5. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el electrodo de reducción de oxidante es ensamblado en un módulo de electrodo de reducción de oxidante configurado para mantener el espacio de aire ahí, y en donde el módulo de electrodo de reducción de oxidante se une al menos a una porción del área de desgasificación en el lado del mismo opuesto al electrodo de combustible.

6.- La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la una o más superficies de desviación de flujo comprenden una superficie de desviación de flujo configurada para dirigir el flujo del medio iónicamente conductor desde el área de desgasificación hacia una región del electrodo de combustible lejos del electrodo de reducción de oxidante y el electrodo de carga.

7. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 6, en donde la una o más superficies de desviación de flujo comprenden un difusor para dirigir el flujo del medio iónicamente conductor generalmente perpendicular dentro de una cara del electrodo de combustible.

8. - El sistema de celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el área de desgasificación comprende una o más estructuras de fusión de burbuja.

9. - El sistema de celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 8, en donde la una o más estructuras de fusión de burbuja comprenden acoplamiento hidrófobo.

10. - El sistema de celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el electrodo de combustible comprende una serie de cuerpos permeables de electrodo dispuestos en una relación separada.

11. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la una o más superficies de desviación de flujo comprenden una superficie de desviación de flujo configurada para prevenir que al menos una porción del flujo pasa a través de al menos toda la serie de cuerpos permeables de electrodo del electrodo de combustible.

12. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 11, en donde la una o más superficies de desviación de flujo comprende una superficie desviación de flujo configurada para prevenir que al menos una porción del flujo pase a través de menos de toda la serie de cuerpos permeables de electrodo comprende una pared que se extiende a través de una parte superior del electrodo de combustible.

13. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la una o más superficies de desviación de flujo comprende una superficie de desviación de flujo configurada para dirigir el flujo del medio iónicamente conductor al menos parcialmente a través de los electrodos de flujo permeable están configuradas para dirigir el flujo generalmente paralelo y entre la serie de cuerpos permeables de electrodo.

14. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la una o más superficies de desviación de flujo comprende una superficie de desviación de flujo configurada para prevenir que el flujo se eleve sobre una parte superior del electrodo de combustible en un lado del electrodo de combustible lejos del electrodo de carga.

15 - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el generador de flujo de burbuja de gas comprende tanto el electrodo de carga como el aspersor.

16.- La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el aspersor c omprende una bomba de aire configurada para emitir burbujas de gas dentro del medio iónicamente conductor.

17. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 16, en donde el aspersor además comprende uno o más mícrotubos configurados para generar las burbujas del gas en la celda electroquímica.

18. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde al menos algunas de las burbujas emitidas por el aspersor son de aproximadamente menos de 1 mm de diámetro.

19.- La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 18, en donde la mayoría de las burbujas generadas por el aspersor son de aproximadamente menos de 100 de diámetro.

20. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 19, en donde la mayoría de burbujas generadas por el aspersor son de aproximadamente entre 1 m y 100 µ?? de diámetro.

21. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el electrodo de combustible y el electrodo de reducción de oxidante están configurados para, durante la descarga, oxidar el combustible de metal en el electrodo de combustible y reducir un oxidante en el electrodo de reducción de oxidante para generar una diferencia potencial de descarga entre ellos para aplicación a una carga.

22. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el electrodo de combustible y el electrodo de carga están configurados para, durante la recarga, reducir una especie reducible del combustible de metal para electrodepositar el combustible de metal sobre el electrodo de combustible y oxidar una especie oxidable del oxidante por aplicación de una diferencia potencial de recarga entre ellos desde una fuente de energía.

23.- La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el medio iónicamente conductor comprende una solución de electrólito acuosa.

24. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 23, en donde la solución de electrólito acuosa comprende ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido tríflico, ácido nítrico, hidróxido de potasio, hidróxido de sodio, cloruro de sodio, nitrato de potasio, cloruro de litio, un solvente orgánico, o un líquido iónico.

25. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende un limitador d e tamaño de burbuja en el medio iónicamente conductor, configurado para minimizar un tamaño de las burbujas generadas por el generador de burbuja.

26. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 25, en donde el limitador de tamaño de burbuja comprende un agente tensoactivo.

27.- La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende un segundo electrodo de reducción de oxidante separado de y opuesto al electrodo de reducción de oxidante, en donde el electrodo permeable de combustible está colocado entre el electrodo de reducción de oxidante y el segundo electrodo de reducción de oxidante.

28 - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 27, en donde el electrodo permeable de combustible es un electrodo de combustible común asociado tanto con el electrodo de reducción de oxidante y el segundo electrodo de reducción de oxidante, de manera que durante la descarga, el combustible de metal sobre el electrodo de combustible común se oxida mientras un oxidante en cada uno del electrodo de reducción de oxidante y el segundo electrodo de reducción de oxidante se reduce.

29.- La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 27, en donde el electrodo permeable de combustible comprende un primer electrodo permeable de combustible asociado con el primer electrodo de reducción de oxidante, y un segundo electrodo permeable de combustible asociado con el segundo electrodo de reducción de oxidante.

30.- La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 27, en donde la una o más superficies de desviación de flujo están configuradas para establecer un par de trayectorias de circulación que dirigen flujos del medio iónicamente conductor alrededor de cada uno del electrodo de reducción de oxidante y el segundo electrodo de reducción de oxidante, antes de fluir al menos parcialmente a través del electrodo permeable de combustible.

31.- La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 30, en donde la una o más superficies de desviación de flujo establecen el par de trayectorias de circulación como circuitos cerrados dentro de la celda.

32. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 30, en donde el generador de flujo de burbuja de gas es únicamente el electrodo de carga.

33. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el generador de flujo de burbuja de gas es únicamente el electrodo de carga.

34. - La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la una o más superficies de desviación de flujo establecen la trayectoria de circulación como un circuito cerrado dentro de la celda.

35. - Un método para hacer fluir un medio iónicamente conductor en una celda electroquímica, la celda electroquímica comprende un electrodo permeable de combustible configurado para dar soporte a un combustible de metal en el mismo, un electrodo de reducción de oxidante separado del electrodo de combustible, y un electrodo de carga seleccionado del grupo que consiste de (a) el electrodo de reducción de oxidante, (b) un electrodo de carga separado, separado de los electrodos de combustible y de reducción de oxidante, y (c) una porción del electrodo permeable de combustible, el electrodo de combustible, electrodo de reducción de oxidante, y electrodo de carga cada uno poniendo en contacto el medio iónicamente conductor de manera que el medio iónicamente conductor pueda conducir iones entre ellos, el método comprende: emitir burbujas gaseosas en el medio iónicamente conductor que arrastran el medio iónicamente conductor hacia arriba debido a su flotación para generar un flujo; en donde una o más de las superficies de desviación de flujo en la celda electroquímica establecen una trayectoria de circulación para dirigir el flujo del medio iónicamente conductor al menos parcialmente a través del electrodo permeable de combustible.

36.- El método de acuerdo con la reivindicación 35, en donde dicha emisión de burbujas de gas comprende cargar la celda electroquímica de manera que el electrodo de carga genera burbujas de oxígeno gaseoso.

37.- El método de acuerdo con la reivindicación 35, en donde dicha emisión de burbujas gaseosas comprende utilizar un aspersor para producir burbujas de gas dentro de la celda electroquímica.

38. - El método de acuerdo con la reivindicación 35, en donde la una o más superficies de desviación de flujo establece la trayectoria de circulación como un circuito cerrado dentro de la celda.

39. - El método de acuerdo con la reivindicación 35, en donde la celda electroquímica además comprende un segundo electrodo de reducción de oxidante separado de y opuesto al electrodo de reducción de oxidante, el electrodo permeable de combustible estando colocado entre el electrodo de reducción de oxidante y el segundo electrodo de reducción de oxidante, en donde la una o más superficies de desviación de flujo establecen un par de trayectorias de circulación para dirigir el flujo alrededor de cada uno del electrodo de reducción de oxidante y el segundo electrodo de reducción de oxidante, antes de fluir al menos parcialmente a través del electrodo permeable de combustible.

40.- El método de acuerdo con la reivindicación 39, en donde la una o más superficies de desviación de flujo establecen el par de trayectorias de circulación como circuitos cerrados dentro de la celda.