MXPA04005321A - Colector de corriente elastico. - Google Patents

Abstract

La invencion describe un colector de corriente para celdas electroquimicas, que consiste en una yuxtaposicion de capas compresibles y resilientes de alambres metalicos, que imparte una carga mecanica predeterminada bajo un amplio intervalo de compresion.

Description

COLECTOR DE CORRIENTE ELÁSTICO CAMPO DE LA INVENCION La invención concierne un nuevo colector de corriente para celdas electroquímicas, part cularmente útil para celdas de electrólisis, celdas de combustible y otros tipos de celdas separadas en al menos dos bompartimientos, en donde el separador es una membrana de int rcambio iónico u otro tipo de diafragma semipermeable caractjerizado por una resistencia mecánica limitada.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION El colector de corriente de| la invención es útil para asegurar la continuidad eléctrj.ca entre dos superficies conductoras separadas por un espácio, que en el caso de una celda electroquímica es típicamenxe utilizado para alimentar los reactivos, descargar los productos, circular los electrolitos o para la regulación térmica de los fluidos, o para una combinación de dos o más de estas funciones. Las ventajas que se obtieneiji con este tipo de contacto adentro de una celda electroquímj.ca, por medio de elementos elásticos deformables, están bien conocidas por los expertos de la técnica. Ejemplos típi eos de colector elástico deformable son las espumas metáliiras y los materiales porosos electroquímicas en donde uno o irás compartimientos utilicen un diafragma semipermeable, por ejemplo una membrana de intercambio iónico, dichos elementos de separación tienen una resistencia mecánica muy limitada y sólo resisten a cargas mecánicas por debajo de un cierto umbral. El problema de la resistencia mecánica sin embargo no afecta sólo a los separadores, siendo notorio que | las celdas electroquímicas pueden estar provistas de electrodos deformables, por ejemplo mallas metálicas muy delgadas, o electrodos de difusión de gas que comprenden materiales carbonosos de resiliencia muy limitada, tales como el papel de carbono o el tejido de carbono, que tienen un comportamiento no muy fiable con cargas superiores por ejemplo a 0.35-0.4 kg/cmJ . El colchón descrito en US 4,693,797 ha encontrado una considerable aplicación industri.al por el hecho que, si utilizado bajo condiciones óptimas, asegura una presión de contacto adecuada (indicativamente 0.2 - 0.35 kg/cm2) también cuando se empleen membranas de intercambio iónico o electrodos de difusión de gas o ambos dichos componentes. La carga de contacto ejercida por este tipo de colector es mantenida por la deformación causada por el apelmazamiento al cerrar la celda; en otras palabras, el colchón es insertado en un estado no comprimido, y por lo tanto en su máxima expansión, y luego apelmazado cuando se cierra la celda, con lo que su espesor es reducido hasta del 50%. Por ejemplo, un colchón con un espesor de 10 mm al estado no comprimido puede llegar, en condiciones de funcionamientco, hasta un espesor de 4 o 5 milímetros. En el caso colchón de US 4,693,797, este es un factor muy crítico, ya1 que la curva de carga bajo un tal régimen de compresión s muy empinada. En otras palabras, un error diminuto en tolerancias mecánicas es suficiente a imprimir al colchón1 una carga demasiado baja, insuficiente a garantizar un buen contacto eléctrico, o una carga demasiado pesada. En partícular, si la yuxtaposición de alambres que constituye el colción es comprimida hasta que los manojos de alambres estén totalmente colapsados, una compresión sucesiva, aunque 1igera, involucra una carga mecánica muy pesada, que en muchos casos hasta puede estar localizada en una región muy pequeña , en donde puede ocurrir una eventual deformación mecáni|ca de las superficies que deben ser puestas en contacto, En el caso de una celda con elementos no adecuados para soportar cargas mecánicas pesadas, tales como membranas o electrodos de difusión de gas, todo esto puede fácilmente ]|levar a una avería mecánica de estos componentes críticos, Aflemás del costo primario de dichos componentes, se deben comsiderar también los costos asociados a la parada de la ce Ida para la reparación y las relativas sustituciones.

A este propósito, otro incorlveniente típico del colchón de US 4,693,797 es el posicionamiiento de este último en la celda, debido al hecho de que su periferia es deformable y por lo tanto su alineación con os otros componentes de la celda así como el centraje de toda guarnición puede volverse una operación crítica, que de todas maneras debe ser efectuada manualmente. Las celdas equipadas con este tipo de colector involucran por lo tahto costos adicionales de ensamblaje y mantenimiento, dado que un ensamblaje automatizado sería indudablemente arriesgado .

OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Es un objetivo de la presentje invención proporcionar un colector de corriente para la aplicación en celdas electroquímicas capaz de superar los defectos de la técnica anterior. En particular, es un objetiyo de la presente invención proporcionar un colector de corrjLente capaz de imprimir una carga adecuada para la aplicaci Lon en celdas electroquímicas, por ejemplo en celdas provistas de separadores tales como diafragmas y membranas y/o elec(;rodos de difusión de gas, bajo un amplio intervalo de compresión. Bajo otro aspecto, es un objetivo de la presente invención proporcionar un colect<t>r de corriente para celdas averías de componentes delicados o contactos insuficientes, unos resultados que no se podían (Lograr con los colectores de la técnica anterior. Preferinlemente,, para un colector espeso 10 mm en el estado no comprimido, el espesor ideal de funcionamiento está comprendido (entre 3 y 6 milímetros. El colector de la invención está hecho preferiblemente de yuxtaposiciones de alambres metál icos que tienen un diámetro indicativamente comprendido entre: 0.1 y 0.35 milímetros; el espesor del colector resultante de dicha yuxtaposición es preferiblemente comprendido entrte 5 y 15 milímetros. Los materiales preferidos para prdducir el colector de la invención son todos los material|es metálicos, en particular los metales válvula, por ejemplo el titanio y sus aleaciones para el colector anódico, y el níquel o sus aleaciones para los colectores catódicos. Según 1as aplicaciones, el colector de la invención puede ser tambií . un colector bipolar, por ejemplo provisto de capas de níquel que enfrentan la superficie catódica y capas de t itanio u otro metal válvula que enfrentan la superficie anódiira. Según las condiciones de proceso, es posible revestir ul eriormente el colector con materiales que imparten protecci<}¾n contra la corrosión, por ejemplo los colectores catódieos con un revestimiento de plata y los colectores anódicos con un revestimiento de metales nobles o sus aleaciones b óxidos. Diferentes formas penetren la una en la otra y | esto imparte a la entera estructura características de compresión mucho más regulares y graduales en términos de carga aplicada respecto al espesor de compresión. En otra forma preferida de realización, las varias capas de los colectores están ligadas por un marco perimetral rígido que presenta lá ventaja ulterior de dotar el objeto de una geometría no deíormable en la dirección del plano. De esta manera, el cole:ctor puede ser fácilmente aplicado en los arreglos complejos hechos de varias celdas, por ejemplo en electrolizadores convencionales o baterías de pilas de combustible, hechos de arreglos filtro-prensa de celdas elementales, también en el caso en que esté previsto un sistema de ensamblaje automatizado para reducir considerablemente los costos de producción y mantenimiento. La estructura ilustrada más aifriba ofrece además la no despreciable ventaja de ser mási abierta al flujo de los fluidos respecto a los colchones tradicionales, lo que concurre a una mayor flabilidad y eficiencia operativa de los procesos electroquímicos efectuados en las celdas en donde esté aplicado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS . La figura 1 muestra una celda electroquímica que contiene el colector de la invención. subyacente; en el caso de las do-s capas internas (8) de la figura 3, las ondulaciones están desplazadas de 90°. De esta manera, se evita completamente una compenetración de las dos capas internas (8) . Se ha observado que arreglos de este tipo exhiben curvas en función de 1 i compresión extremadamente graduales con respecto a los co. ectores de corriente de la técnica anterior, así que :e obtiene un intervalo sorprendentemente amplio en términos de compresión y por lo tanto de espesor operativo por medio del cual la carga mecánica aplicada es suficiente permitir un buen contacto eléctrico sin perjudicar a los componentes delicados de la celda. La figura 4 muestra la curva de carga (12) de un colector de níquel obtenido a jpartir de dos monoestratos externos (7) hechos de un alambre de 0.27 mm de diámetro, no ondulados, y dos estratos dobles internos (8) hechos de un alambre de 0.16 mm de diámetro, ondulados con un paso de 8.6 mm, dispuestos el uno encima del otro de manera de desplazar las ondulaciones de 90° y evitar toda compenetración. Las cuatro capas fueron insertadas n un armazón perimetral en forma de marco, no mostrado en 1as figuras. El espesor total no comprimido era de cerca de 10 Milímetros. De la curva (12) se puede ver que el intervalo de espesor comprimido útil en régimen elástico, o sea cuando la carga resultante está