MXPA05011010A - Aparato y metodo para la adicion de electrolito a celdas energeticas. - Google Patents
Aparato y metodo para la adicion de electrolito a celdas energeticas.Info
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Abstract
Se proporciona un aparato para suministrar un electrolito, que incluye un deposito del electrolito, un dispositivo de calentamiento y un generador de presion; el aparato para suministrar el electrolito esta configurado para suministrar electrolito a una celda energetica, tal como una celda energetica o una pila de celdas energeticas de carbonato fundido y en ciertos ejemplos, operar la celda energetica o la pila de celdas energeticas; se proporciona tambien un montaje de la celda energetica, que incluye el aparato para suministrar el electrolito y metodos para utilizar el aparato para suministrar el electrolito.
Description
APARATO Y METODO PARA LA ADICION DE ELECTROLITO A CELDAS ENERGETICAS
RECLAMO DE PRIORIDAD
Esta solicitud reclama el beneficio de la Solicitud Provisional de E.U.A. No. 60/462,645, presentada en Abril 14, 2003, y titulada "Método y Aparato para la Adición de Electrolito de Carbonato Fundido a una Celda Energética de Carbonato Fundido en Operación", la descripción total de la cual por lo tanto, se incorpora aquí como referencia para todos los propósitos.
CAMPO DE LA INVENCION
Esta invención se relaciona con celdas energéticas electroquímicas y con métodos para utilizarlas. Más particularmente, esta invención se relaciona con métodos y aparatos para la adición de electrolito, tal como un electrolito de carbonato fundido, a celdas energéticas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Las celdas energéticas son dispositivos electroquímicos que producen corriente eléctrica directa y energía térmica. Las pilas de celdas energéticas están comprendidas de una pluralidad de celdas energéticas
apiladas en una relación en serie, para alcanzar capacidades más altas de la salida del voltaje útil. Las celdas energéticas se identifican generalmente por el tipo de electrolito que se utiliza. Por ejemplo, las celdas energéticas de carbonato fundido (MCFC), pueden utilizar una mezcla de carbonato de litio y carbonato de potasio como el electrolito. Las celdas energéticas de ácido fosfórico (PAFC), pueden utilizar soluciones de ácido fosfórico como un electrolito. Las celdas energéticas de electrolito polimérico (PEFC), pueden utilizar un polímero tal como Nafion®, un producto de Dupont de Numers Corporation, como un electrolito. Las celdas energéticas de óxido sólido (SOFC), pueden utilizar zirconia estabilizada con ¡tria como un electrolito. Para las celdas energéticas que utilizan un electrolito en fase líquida, el consumo del inventario del electrolito por debajo de un nivel necesario para saturar parcialmente el volumen de poro de los electrodos de la celda energética, puede resultar en una catálisis disminuida y en un desempeño electroquímico reducido de la celda energética. Existe una necesidad en la técnica de un aparato para reabastecer los electrolitos de la celda energética, y en particular, existe la necesidad en la técnica de un aparato para reabastecer los electrolitos en fase líquida de la celda energética en una celda energética o pila de celdas energéticas en operación. Es un objeto de la presente invención proporcionar un aparato y métodos para reabastecer el electrolito de una celda energética y/o el electrolito de una pluralidad de celdas energéticas, tales como aquéllas en
una pila de celdas energéticas. Es un objeto particular de ciertos ejemplos o modalidades, proporcionar un aparato y métodos para reabastecer el electrolito de una celda energética o celdas energéticas en una pila de celdas energéticas durante la operación de las celdas energéticas.
BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION
De acuerdo con un primer aspecto, se describe un aparato para suministrar el electrolito. El aparato para suministrar el electrolito está configurado para proporcionar electrolito a una celda energética, por ejemplo, una celda energética en operación, o a celdas energéticas en una pila de celdas energéticas, por ejemplo. El aparato para suministrar el electrolito incluye al menos un depósito del electrolito, un conducto del fluido que recibe el electrolito desde el depósito del electrolito, un dispositivo de calentamiento y un generador de presión. El depósito del electrolito y el conducto del fluido están configurados para proporcionar electrolito a la celda energética o a la pila de celdas energéticas. El dispositivo de calentamiento está en comunicación térmica con al menos una porción del depósito del electrolito y/o el conducto del fluido y opera para incrementar la fluidez del electrolito, o licuar el electrolito en el caso de un electrolito sólido, en el depósito del electrolito y/o el conducto del fluido. El generador de presión opera para forzar el fluido fuera del depósito del electrolito y hacia el conducto del fluido para suministrarlo a la celda energética o a la pila de celdas energéticas. El
aparato para suministrar el electrolito descrito en la presente, proporciona las ventajas de incluir un suministro semicontinuo o continuo del electrolito a una celda energética individual, por ejemplo, a una celda energética o pila de celdas energéticas que no están en operación o en operación. Tal suministro semicontinuo o continuo de electrolito puede incrementar la eficiencia de la celda energética o la pila de celdas energéticas. De acuerdo con otro aspecto, se describe un montaje de la celda energética. El montaje de la celda energética comprende una celda energética, un depósito del electrolito, un conducto del fluido y un dispositivo de calentamiento. La celda energética del montaje de la celda energética incluye un electrodo del cátodo, un electrodo del ánodo y una matriz de electrolito entre el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo. El depósito del electrolito está en comunicación fluida con un conducto del fluido que proporciona comunicación fluida entre el depósito del electrolito y la celda energética para suministrar el electrolito a la celda energética. El depósito del electrolito incluye uno o más electrolitos, por ejemplo, uno o más electrolitos sólidos o líquidos, y de manera preferida, el mismo electrolito que entre el cátodo y el ánodo de la celda energética. El dispositivo de calentamiento está en comunicación térmica con el depósito del electrolito y/o el conducto del fluido, para calentar el electrolito en el conducto del fluido y/o el depósito del electrolito y opera para incrementar la fluidez del electrolito, o para proporcionar un electrolito líquido, para suministrarlo a la celda energética. El montaje de la celda energética puede incluir también un generador de presión,
que está configurado para forzar el fluido desde el depósito del electrolito y hacia la celda energética a través del conducto del fluido. De acuerdo con un aspecto adicional, se describe un método para suministrar el electrolito a una celda energética. El método incluye reemplazar el electrolito perdido de la celda energética, proporcionando un depósito del electrolito que comprende el electrolito, calentar el depósito del electrolito para incrementar la fluidez de al menos una porción del electrolito y suministrar el fluido desde el depósito del electrolito a la celda energética. El depósito del electrolito está en comunicación fluida con la celda energética a través de un conducto del fluido, que conecta el depósito del electrolito y la celda energética. El fluido del depósito del electrolito puede suministrarse a la celda energética, por ejemplo, presurizando el depósito del electrolito, lo cual fuerza al fluido fuera del depósito del electrolito, a través del conducto del fluido y hacia la celda energética. Otros métodos adecuados ejemplares para suministrar el electrolito desde el depósito del electrolito a la celda energética, se discuten a continuación. Se reconocerá por la persona con experiencia en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, que el aparato para suministrar el electrolito, el montaje de la celda energética y los métodos para utilizarlos, proporcionan numerosas ventajas, incluyendo, de manera no exclusiva, mantener un suministro sustancialmente constante de electrolito en una celda energética o pila de celdas energéticas en operación, para proporcionar celdas energéticas y pilas de celdas energéticas más eficientes.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Ciertos aspectos ilustrativos y los ejemplos se describen a continuación con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 es una vista en perspectiva de aún otro montaje ejemplar de la celda energética, que incluye una pila de celdas energéticas y un aparato para suministrar el electrolito, que incluye gas regulado a presión, de acuerdo con ciertos ejemplos; y La Figura 2 es un diagrama de un conducto poroso en contacto físico con, y en comunicación fluida con, múltiples celdas energéticas en una pila de celdas energéticas. Se reconocerá por la persona con experiencia en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, que las figuras y los componentes de las mismas, no están necesariamente a escala, y que ciertos componentes mostrados en las figuras pueden exagerarse, distorsionarse o amplificarse con relación a otros componentes, para facilitar un mejor entendimiento de los aspectos ejemplares y los ejemplos de la invención que se discuten con detalle a continuación.
DESCRIPCION DETALLADA DE CIERTOS EJEMPLOS
El aparato para suministrar el electrolito, los montajes de las celdas energéticas que incluyen el aparato para suministrar el electrolito y los
métodos para utilizar el aparato para suministrar el electrolito, representan un avance tecnológico significativo. Los niveles de electrolito pueden mantenerse sustancialmente constantes utilizando los dispositivos descritos en la presente, incluso durante la operación de la celda energética o la pila de celdas energéticas. Tales niveles de electrolito sustancialmente constantes, proporcionan un beneficio significativo incluyendo, por ejemplo, la operación de las celdas energéticas a alta capacidad, sin la pérdida indeseable de eficiencia debido a la pérdida de electrolito. De acuerdo con ciertos ejemplos, se describe un aparato para suministrar el electrolito, que incluye un depósito del electrolito y un conducto del fluido. El depósito del electrolito contiene los fluidos que comprenden el electrolito para suministrarlo a una celda energética en comunicación fluida con el depósito del electrolito, a través del conducto del fluido. En ciertos ejemplos, el electrolito a ser suministrado tiene sustancialmente la misma composición que el electrolito que se utiliza en la celda energética en operación. De acuerdo con ciertos ejemplos, el aparato para suministrar el electrolito y los componentes del mismo, puede tomar numerosas formas, dimensiones, etc., dependiendo del ambiente de uso de la celda energética que está en comunicación fluida con el aparato para suministrar el electrolito. En ciertos ejemplos, el depósito del electrolito del aparato para suministrar el electrolito es de dimensiones adecuadas para contener aproximadamente de 1 L a aproximadamente 5 L de fluido. De acuerdo con ciertos ejemplos, el
depósito del electrolito está colocado de manera que el nivel del electrolito almacenado dentro del depósito, está físicamente por debajo del punto en donde termina el conducto del fluido dentro de un pasaje del reactivo de la pila de celdas energéticas, para crear o imponer un cabezal de fluido o sumidero, dentro del conducto del fluido, el cual evita el flujo hacia la celda energética sin la activación del generador de presión. Estará dentro de la capacidad de la persona con experiencia ordinaria en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, seleccionar las dimensiones y configuraciones adecuadas para el aparato para suministrar el electrolito y los componentes del mismo. De acuerdo con ciertos ejemplos, el conducto o conductos del fluido que proporcionan la comunicación fluida entre el depósito del electrolito y la celda energética, tienen formas y diámetros de sección transversal adecuados para suministrar de manera eficiente el electrolito a la celda energética desde el depósito del electrolito. Las formas de sección transversal adecuadas, por ejemplo, circular, para el conducto del fluido, serán seleccionadas fácilmente por la persona con experiencia ordinaria en la técnica, dado el beneficio de esta descripción. En ciertos otros ejemplos, el conducto del fluido es generalmente cilindrico, con una longitud de aproximadamente 70 cm a aproximadamente 120 cm, y de manera más preferida, de aproximadamente 80 cm a aproximadamente 110 cm. El conducto del fluido es típicamente recto y lineal, pero en ciertos ejemplos, el conducto del fluido puede estar flexionado, arqueado o tomar otra forma. En ciertos ejemplos, el conducto del fluido tiene un diámetro interno de
aproximadamente 0.005 cm a aproximadamente 0.10 cm, y de manera más preferida, de aproximadamente 0.01 cm a aproximadamente 0.075 cm. En ciertos ejemplos, el conducto del fluido tiene un diámetro externo de aproximadamente 0.01 cm a aproximadamente 0.15 cm, y de manera más preferida, de aproximadamente 0.03 cm a aproximadamente 0.075 cm. En algunos ejemplos, el conducto del fluido es de un diámetro externo o forma suficiente para insertarse en el pasaje del reactivo de una celda energética o pila de celdas energéticas. El tubo del conducto del fluido puede comprender además un diámetro interior y longitud suficientes para proporcionar una velocidad de flujo conocida del electrolito líquido bajo presiones y temperaturas conocidas. En ciertos otros ejemplos, el conducto del fluido penetra el alojamiento de la celda energética o la pila de celdas energéticas y/o el aislamiento térmico que encierra la celda energética o la pila de celdas energéticas. Los materiales adecuados para el conducto del fluido incluyen, de manera no exclusiva, acero inoxidable, materiales cerámicos de alta temperatura y otros materiales que pueden suministrar el electrolito y soportar altas temperaturas, por ejemplo, temperaturas de alrededor de 650°C o mayores. En ciertos ejemplos, el conducto del fluido incluye un detector de flujo para indicar si el fluido está fluyendo o no a través del conducto del fluido. De acuerdo con ciertos ejemplos, el aparato para suministrar el electrolito también incluye un dispositivo de calentamiento. El dispositivo de calentamiento está en comunicación térmica con al menos una porción del aparato para suministrar el electrolito y opera para incrementar la fluidez, o
mantener fluido el electrolito en el depósito del electrolito y/o el conducto del fluido. En ciertos ejemplos, el dispositivo de calentamiento es un calentador, por ejemplo, un calentador termoeléctrico o de resistencias, un quemador, un horno convencional, un horno de microondas, etc. En ciertos ejemplos, se proporciona un primer calentador, por ejemplo, un calentador eléctrico de resistencias, a lo largo de la superficie externa del conducto del fluido, desde el punto en donde el conducto del fluido penetra en el recinto de la celda energética o la pila de celdas energéticas, al punto en donde el conducto del fluido se acopla de manera fluida al depósito del electrolito. El conducto del fluido y/o el depósito del electrolito pueden incluir además un termopar y un controlador para medir y controlar la temperatura del conducto del fluido y/o la cámara del electrolito. En algunos ejemplos, el depósito del electrolito se proporciona con un segundo calentador, que funciona de manera independiente del primer calentador. El segundo calentador puede incluir un termopar y un controlador para medir y controlar la temperatura del depósito del electrolito. Estará dentro de la capacidad de una persona con experiencia ordinaria en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, seleccionar y configurar los dispositivos de calentamiento para utilizarse en el aparato para suministrar el electrolito descrito en la presente. De acuerdo con ciertos otros ejemplos, el aparato para suministrar el electrolito puede colocarse dentro de un compartimiento aislado térmicamente, que tiene opcionalmente un horno u otro dispositivo de calentamiento, para incrementar la fluidez de, o mantener fluido el electrolito
en el depósito del electrolito. En ciertos ejemplos, todo el aparato para suministrar el electrolito está colocado dentro del compartimiento aislado térmicamente, mientras que en otros ejemplos, sólo uno del depósito del electrolito o el conducto del fluido está colocado dentro del compartimiento aislado térmicamente. En algunos ejemplos, el compartimiento aislado térmicamente también incluye una celda energética o pila de celdas energéticas, mientras que en otros ejemplos, la celda energética o la pila de celdas energéticas está colocada de manera externa al compartimiento que contiene el aparato para suministrar el electrolito. De acuerdo con ciertos ejemplos, el aparato para suministrar el electrolito comprende además un generador de presión, que opera para forzar el fluido fuera, o en ciertos ejemplos, extraer el fluido, del depósito del electrolito y hacia la celda energética. El generador de presión puede ser cualquier dispositivo adecuado que pueda incrementar la presión en el depósito del electrolito, lo cual resulta en el movimiento del fluido fuera del depósito del electrolito, a través del conducto del fluido y hacia la celda energética. En ciertos ejemplos, el generador de presión es un gas, un pistón mecánico o un generador de un gradiente de presión. En al menos ciertos ejemplos, se utiliza un suministro de gas regulado a presión para forzar el fluido fuera del depósito del electrolito y hacia la celda energética. En los ejemplos en donde se utiliza el gas regulado a presión con una celda energética de carbonato fundido, puede utilizarse un gas tal como dióxido de
carbono para crear una alta presión parcial de dióxido de carbono dentro del depósito, para evitar la descomposición del electrolito de carbonato fundido. De acuerdo con ciertos ejemplos, puede utilizarse un controlador para controlar la cantidad de tiempo que el electrolito fluye hacia la celda energética desde el aparato para suministrar el electrolito y/o para controlar la velocidad de flujo. El controlador incluye típicamente, un microprocesador y un temporizador o circuito temporizador que puede controlar la cantidad de tiempo que el generador de presión está activado para forzar el fluido fuera del depósito del electrolito. El controlador también puede incluir unidades de memoria, algoritmos de programas adecuados, sensores adecuados, tales como sensores de temperatura, y lo similar. Estará dentro de la capacidad de la persona con experiencia ordinaria en la técnica, seleccionar y diseñar controladores adecuados para utilizarse con el aparato para suministrar el electrolito descrito en la presente. De acuerdo con ciertos ejemplos, el aparato para suministrar el electrolito está configurado para utilizarse con una celda energética o celdas energéticas en una pila de celdas energéticas. Las celdas energéticas son dispositivos electroquímicos que producen una corriente eléctrica directa y energía térmica a partir de una fuente de combustible, por ejemplo, gases tales como hidrógeno y oxígeno. Las pilas de celdas energéticas están comprendidas de una pluralidad de celdas energéticas, por ejemplo, celdas energéticas planas, apiladas en una relación en serie para alcanzar capacidades más altas de la salida del voltaje útil. Las celdas energéticas
dentro de las pilas de celdas energéticas están comprendidas de un electrodo del ánodo y un electrodo del cátodo, cada uno aplicado a las superficies opuestas de una membrana del electrolito, o una matriz del electrolito, referida comúnmente como un montaje de membrana-electrodo (MEA). Los MEA pueden combinarse con un dispositivo conocido como una placa bipolar, también conocido como una placa separadora o una interconexión, que sirve como el alojamiento para las celdas individuales de una pila de celdas energéticas. La pila de celdas energéticas puede estar encerrada por colectores que dirigen los gases reactivos a los alojamientos que comprenden las placas bipolares para las celdas energéticas individuales. La pila de celdas energéticas encerrada, pueden encerrarse además mediante un aislamiento térmico para la contención de la energía térmica producida por, o suministrada a la pila de celdas energéticas. Sin desear apegarse a una teoría científica particular, se cree que el electrolito se absorbe principalmente por la matriz del electrolito y en segundo lugar se absorbe por los electrodos debido al tamaño de poro más pequeño proporcionado por la matriz del electrolito. Esto es, resulta una acción capilar en la saturación preferencial de los poros finos de la matriz del electrolito con relación a los poros más grandes de los electrodos. Generalmente, al momento del montaje, se proporciona un inventario suficiente de electrolito a la celda energética para alcanzar las saturaciones deseadas de la matriz de electrolito y los electrodos. Nuevamente, sin desear apegarse a ninguna teoría particular, se cree que durante un periodo de
tiempo, el inventario del electrolito se consume por pérdida evaporativa del electrolito, corrosión de los elementos físicos de la celda, litiación de los electrodos, ascensión capilar general de la película del electrolito sobre las superficies de los elementos físicos de la celda y/o por migración provocada por el voltaje del electrolito desde un polo de la pila de celdas energéticas al polo opuesto de la pila de celdas energéticas. Generalmente, el consumo del electrolito ocurre lentamente durante muchas miles de horas de operación de la pila de celdas energéticas. El consumo del inventario del electrolito por debajo del nivel necesario para saturar parcialmente el volumen del poro de los electrodos, puede resultar en una catálisis disminuida y en desempeño electroquímico reducido de la celda energética. El consumo del inventario del electrolito por debajo del nivel necesario para saturar completamente el volumen del poro de la matriz del electrolito, puede también resultar en una mezcla física o convergencia de los gases reactivos. La convergencia es dañina para la celda energética, puesto que generalmente puede conducir a una oxidación subsiguiente del electrodo del ánodo, la reducción del electrodo del cátodo, y puntos calientes generados por la combustión dentro de la celda energética. Tal daño generalmente se propagará a través de la celda energética y resultará en una falla prematura de la celda energética. Para que sean comercialmente viables, las pilas de celdas energéticas requieren muchos miles de horas de operación de alto rendimiento, y por lo tanto, es deseable mantener continuamente el inventario del electrolito de las celdas energéticas a aquellos niveles que resulten en unos electrodos parcialmente
saturados y matrices del electrolito completamente saturadas. Pueden proporcionarse cantidades en exceso de electrolito a la celda energética en el momento del montaje, como se describe en la Patente de E.U.A. Número 5,773,161 , de Farooque et al., en donde se proporciona un depósito que contiene un exceso de electrolito, dentro de los espacios huecos de la placa bipolar que separa las celdas adyacentes de la pila de celdas energéticas. Sin embargo, este método resulta en una complejidad y costo adicionales de la placa bipolar, así como velocidades de corrosión incrementadas dentro de los espacios huecos utilizados como el depósito dentro de la placa bipolar. Además, el depósito proporcionado en la placa bipolar es finito y con el tiempo, puede consumirse el electrolito. Los métodos para agregar electrolito a una pila de celdas energéticas de carbonato fundido, se describen en la Patente de E.U.A. Número 4,596,748, de Katz et al., en donde un electrolito evaporado se "rocía" en la corriente de entrada del gas reactivo que entra a la celda energética. Este método sufre de la naturaleza indeterminada de la deposición del electrolito. Se describen métodos adicionales para agregar electrolito a una celda energética de carbonato fundido en la Patente de E.U.A. Número 4,530,887, de Mam et al., en donde las corrientes de entrada del gas reactivos se "saturan" con electrolito. Este método también sufre de la naturaleza indeterminada de la deposición del electrolito. El reabastecimiento físico del electrolito a la celda energética, tal como una celda energética de carbonato fundido, de fuentes diferentes a los depósitos dentro de la celda energética que se crearon al momento del montaje o por saturación de las
corrientes del gas reactivo, ha probado ser difícil. Un método de reabastecimiento físico del electrolito a la celda energética de carbonato fundido es cesar temporalmente la operación de la celda energética. La celda energética se enfría a continuación a temperatura ambiente, se expone la superficie de la celda energética que contiene los pasajes de los reactivos, y las suspensiones de partículas solidificadas del electrolito, se inyectan físicamente hacia los pasajes expuestos. La celda energética se vuelve a sellar y se vuelve a calentar por encima de la temperatura de fusión de la celda energética para fundir el electrolito que se agregó, y para absorber el electrolito fundido en los electrodos porosos y las matrices de electrolito de la celda energética. El procedimiento anterior requiere que la celda energética se saque de la línea y se apague, lo cual disminuye la disponibilidad de la celda energética para el propósito de proporcionar energía eléctrica y térmica útil. En contraste, los ejemplos de aparato para suministrar el electrolito descritos en la presente, pueden utilizarse para reabastecer el electrolito durante la operación de la celda energética o la pila de celdas energéticas y sin la necesidad de sacar de la línea la celda energética o la pila de celdas energéticas. De acuerdo con ciertos otros ejemplos, el electrolito puede suministrarse dentro del pasaje del reactivo de la celda energética y puede absorberse por los poros expuestos de los electrodos asociados con el pasaje del gas reactivo. En ciertos ejemplos, la velocidad de flujo del electrolito a través del conducto del fluido coincide con la velocidad de consumo del
electrolito, de manera que el nivel del electrolito es sustancialmente constante cuando la celda energética está en operación. De acuerdo con otros ejemplos, el electrolito absorbido por el electrodo, es distribuido a través del MEA por acción capilar dentro de los poros de los componentes que comprenden el MEA. En al menos ciertos ejemplos en donde se utiliza el aparato para suministrar el electrolito con una pila de celdas energéticas, el electrolito puede distribuirse además a las celdas energéticas adyacentes en la pila de celdas energéticas por la migración provocada por el voltaje a través de la ascensión capilar de la película. En ciertos otros ejemplos, el electrolito también puede distribuirse además, a las celdas energéticas en la pila de celdas energéticas por la migración provocada por el voltaje, a través de un conducto dedicado, que comprende un miembro poroso en contacto con cada celda de la pila de celdas energéticas. Estará dentro de la capacidad de la persona con experiencia ordinaria en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, seleccionar y diseñar los dispositivos adecuados para el suministro del electrolito a diferentes celdas energéticas en una pila de celdas energéticas. De acuerdo con ciertos ejemplos, las celdas energéticas pueden tipificarse adicionalmente por el estado físico del electrolito, mientras que la celda energética está en operación. Por ejemplo, los electrolitos de las celdas energéticas de intercambio polimérico (PEFC), y las celdas energéticas de óxido sólido (SOFC), se consideran generalmente como sólidos a condiciones de operación, mientras que los electrolitos de las celdas energéticas de ácido
fosfórico (PAFC) y las celdas energéticas de carbonato fundido (MCFC), se consideran generalmente como líquidos a condiciones de operación. Las celdas energéticas de carbonato fundido se distinguen además de los otros tipos de celdas energéticas debido al cambio de fase del electrolito conforme el electrolito y la celda energética se llevan a las condiciones de operación. Las celdas energéticas de carbonato fundido operan a aproximadamente 650°C. El electrolito de las celdas energéticas de carbonato fundido, tales como el electrolito de litio/potasio, está en un estado sólido a temperatura ambiente y pasa a un estado líquido a la temperatura de operación. El electrolito de litio/potasio se proporciona generalmente en una de las mezclas eutécticas, tales como 62% en mol de litio y 38% en mol de potasio que tiene un punto de fusión de aproximadamente 493°C. Las mezclas que no son eutécticas de electrolito de litio/potasio, tendrán una temperatura de fusión diferente de 493°C. La cantidad de electrolito dentro de la celda energética de carbonato fundido se adapta para saturar completamente el volumen del poro de la matriz porosa del electrolito con el fin de alcanzar la separación de los gases reactivos del ánodo y el cátodo dentro de cualquier celda dada de una pila de celdas energéticas de carbonato fundido. Puede proporcionarse electrolito adicional para saturar completamente el volumen del poro de los electrodos del ánodo y el cátodo para mejorar la catálisis de los electrodos. De acuerdo con ciertos ejemplos, y como se discutió anteriormente, el aparato para suministrar el electrolito puede utilizarse con las celdas energéticas de carbonato fundido. En ciertos ejemplos en donde el aparato para suministrar
el electrolito se utiliza con las celdas energéticas de carbonato fundido, el electrolito está en una solución líquida de carbonatos de litio, sodio y/o potasio, empapado en una matriz y el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo incluyen cada uno, un catalizador tal como níquel, cobre, platino, paladio, etc. El aparato para suministrar el electrolito puede utilizarse para suministrar la solución líquida de carbonatos de litio, sodio y/o potasio a las celdas energéticas de carbonato fundido para reabastecer el electrolito perdido. De acuerdo con ciertos ejemplos, el aparato para suministrar el electrolito puede suministrar el electrolito a la celda energética cuando la celda energética está en operación o no está en operación. En ciertos ejemplos, el electrolito se suministra típicamente a través de un pasaje del reactivo de la celda energética, por ejemplo, un pasaje para introducir el gas reactivo en la celda energética. De acuerdo con ciertos otros ejemplos, una pila de celdas energéticas se encierra en un alojamiento y la pila de celdas energéticas incluye una pluralidad de celdas energéticas, en donde cada celda energética tiene un pasaje del reactivo. Un pasaje del reactivo de al menos una de las celdas energéticas de la pila de celdas energéticas está en comunicación fluida con un depósito del electrolito por medio de un conducto del fluido. Como se discutió anteriormente, el depósito del electrolito contiene un suministro del electrolito. En ciertos ejemplos, al menos un primer dispositivo de calentamiento se coloca de manera adecuada y opera para calentar el
conducto del fluido. En ciertos otros ejemplos, al menos un segundo dispositivo de calentamiento se coloca de manera adecuada y opera para calentar el depósito del electrolito. En ciertos ejemplos, el electrolito en el depósito del electrolito se fuerza hacia fuera por un generador de presión, tal como un suministro de gas regulado por presión, por ejemplo. En al menos ciertos ejemplos, se proporciona un detector de flujo y que opera para detectar el flujo del gas regulado por presión utilizado para forzar el electrolito fuera del depósito del electrolito en el conducto del fluido, y hacia el pasaje del reactivo de la pila de celdas energéticas. De acuerdo con ciertos ejemplos, el conducto del fluido está acoplado de manera fluida con el depósito del electrolito por debajo del nivel del electrolito contenido dentro del depósito. En algunos ejemplos, la pila de celdas energéticas incluye un miembro poroso que opera para distribuir el electrolito a otras celdas energéticas en la pila de celdas energéticas. Tales miembros porosos incluyen, de manera no exclusiva alúmina, zirconia y lo similar. Estará dentro de la capacidad de la persona con experiencia ordinaria en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, seleccionar estos y otros miembros porosos para distribuir el electrolito a múltiples celdas energéticas en una pila de celdas energéticas. De acuerdo con ciertos otros ejemplos, la celda energética puede comprender además un aislamiento térmico, el cual encierra al menos la pila de celdas energéticas, al menos una porción del conducto del fluido y el depósito del electrolito. En algunos ejemplos, el conducto del fluido y el
depósito del electrolito están aislados dieléctricamente del recinto de la pila de celdas energéticas para evitar o impedir la pérdida de corriente. De acuerdo con ciertos ejemplos, el aparato para suministrar el electrolito se utiliza para suministrar y reabastecer el electrolito en una celda energética o una pila de celdas energéticas. Por ejemplo, tras determinar que al menos una celda energética de la pila de celdas energéticas ha consumido su suministro de electrolito por debajo del punto en donde ocurre la catálisis óptima o por debajo del punto en donde ocurre la convergencia de los reactivos a través de la matriz del electrolito, o en cualquier otro punto determinado como un punto de consumo que requiera reabastecimiento, el aparato para suministrar el electrolito puede activarse para suministrar electrolito a la celda energética o la pila de celdas energéticas. En al menos ciertos ejemplos, tras la activación, el depósito del electrolito se ventila a presión ambiental y se calienta a una temperatura de operación seleccionada antes de suministrar cualquier electrolito. El depósito puede calentarse utilizando cualquiera o más de los dispositivos de calentamiento discutidos anteriormente u otros dispositivos de calentamiento adecuados que se seleccionarán fácilmente por las personas de experiencia ordinaria en la técnica, dado el beneficio de esta descripción. La temperatura de operación exacta dependerá generalmente del electrolito a ser suministrado a la celda energética. Por ejemplo, en donde el electrolito se va a suministrar a una celda energética de carbonato fundido, la temperatura de operación es de aproximadamente 650°C.
Tras alcanzar la temperatura de operación del depósito, el conducto del fluido puede calentarse a una temperatura de operación deseada, la cual típicamente es la misma temperatura de operación utilizada para el depósito del electrolito, con un dispositivo de calentamiento. Después de que se alcanza la temperatura de operación del conducto del fluido, el depósito puede presurizarse utilizando el generador de presión para forzar el fluido fuera del depósito. En ciertos ejemplos, el depósito se presuriza con gas a una presión conocida. La velocidad y cantidad del flujo de electrolito puede predeterminarse con experimentación, utilizando presiones conocidas, diámetros internos conocidos del conducto del fluido y temperaturas de operación conocidas del sistema de operación. En algunos ejemplos, el electrolito continuará fluyendo a través del conducto del fluido hasta que el depósito esté vacío. Una vez que el electrolito ha dejado de fluir, el depósito puede despresurizarse ventilando el depósito a presión ambiental abriendo un respiradero o una válvula en el depósito. En al menos ciertos ejemplos, puede activarse un temporizador, por ejemplo, un temporizador de presión del gas, para mantener la presión durante un tiempo seleccionado antes de ventilar el depósito. El electrolito continuará fluyendo hasta que el temporizador finalice su plazo y un controlador acciona una válvula que controla el flujo del gas presurizado y/o ventila el depósito abriendo un respiradero. Además, el dispositivo de calentamiento puede apagarse y el electrolito restante dentro del depósito y el conducto del fluido puede dejarse
enfriar. En ciertos ejemplos, se utiliza un solo dispositivo de calentamiento para calentar tanto el depósito del electrolito como el conducto del fluido. Se reconocerá por la persona con experiencia ordinaria en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, que el aparato y métodos descritos en la presente, representan un avance tecnológico significativo. Pueden montarse aparatos robustos para proporcionar una adición intermitente, semicontinua o continua de electrolito a las celdas energéticas en operación, para incrementar la eficiencia de las celdas energéticas. Los ejemplos siguientes ilustran sólo unas cuantas de las posibles configuraciones y usos del aparato para suministrar el electrolito descrito en la presente, y no deben interpretarse como que limitan el alcance de las reivindicaciones anexas.
EJEMPLO 1
Refiriéndose a la Figura 1 , se muestra un diagrama esquemático de un montaje de la celda energética 501. Una celda energética 502, por ejemplo, una celda energética de carbonato fundido, se proporciona con un alojamiento 503 y un pasaje del reactivo 504 acoplado de manera fluida a un depósito del electrolito 505, que contiene un suministro del electrolito 506, por medio de un primer conducto del fluido 507. El primer conducto del fluido está acoplado de manera fluida al depósito por debajo del nivel del suministro del electrolito. De manera preferida, el primer conducto del fluido está acoplado
en una posición cercana a, o en la superficie inferior del depósito de! electrolito. El primer conducto del fluido puede ser cualquier estructura o dispositivo capaz de acoplarse de manera fluida, o de proporcionar comunicación fluida entre el depósito y el pasaje del reactivo, por ejemplo, un tubo, un cilindro o una manguera. El primer conducto del fluido tiene de manera preferida, por ejemplo, un diámetro interno que varía de aproximadamente 0.013 cm (0.005 pulgadas) a aproximadamente 0.05 cm (0.020 pulgadas), y un diámetro externo que varía de aproximadamente 0.038 cm (0.015 pulgadas) a aproximadamente 0.076 cm (0.030 pulgadas). El depósito del electrolito 505 está equipado con un primer calentador 508 y un termopar 509. El primer conducto del fluido 507 está equipado con un segundo calentador 510 y un termopar 51 1. El depósito del electrolito 505, y la porción del primer conducto del fluido 507 que se extiende desde el alojamiento 503 al depósito del electrolito 505, están encerrados por el aislamiento térmico 512. El primer y segundo calentadores, como se entiende en la presente, pueden ser calentadores eléctricos de resistencia, montados externamente, o cualquier otro calentador o dispositivo de calentamiento que una persona con experiencia ordinaria en la técnica, que tenga el beneficio de esta descripción, considere adecuado para su propósito particular. El depósito del electrolito 505 está equipado además con un segundo conducto del fluido 513, acoplado de manera fluida a un regulador de presión 514, un detector de flujo 515, una válvula 516 y un suministro de gas presurizado 520. Se crea un sumidero o un cabezal de presión por la elevación 519 del
depósito del electrolito 505, con relación al pasaje del reactivo 504, de una manera que evita el flujo del electrolito 506 del depósito 505 hacia el pasaje del reactivo 504, en ausencia de una fuerza motriz proporcionada por el suministro del gas presurizado 520. Un controlador 517 controla el accionamiento de la válvula 516 y el primer y segundo calentadores 508, 5 0. El controlador 517 puede programarse para activar la válvula 516, el primer y segundo calentadores 508, 510, y el temporizador 518. Durante la operación del dispositivo mostrado en la Figura 1 , el depósito del electrolito 505 se ventila a presión ambiental por el controlador 517, el cual abre la válvula 516. El depósito del electrolito 505 se calienta por encima del punto de fusión del electrolito 506, contenido dentro del depósito del electrolito, es decir, la temperatura de operación del depósito del electrolito, por el controlador 517 y el primer calentador 508. Tras alcanzar la temperatura de operación del depósito del electrolito, el primer conducto del fluido 507 se calienta por encima del punto de fusión del electrolito 506, contenido dentro del depósito del electrolito 505, es decir, la temperatura de operación del primer conducto del fluido, por el controlador 517 y el segundo calentador 510. Tras alcanzar la primera temperatura de operación del conducto del fluido, el depósito del electrolito 505 se presuriza con un gas 520, tal como dióxido de carbono, a una presión conocida mediante el controlador 517 y el regulador de la presión del gas 514. Se activa un temporizador de la presión del gas 518. Tras la presurización del depósito del electrolito 505, el electrolito líquido 506 empezará a fluir desde el depósito del
electrolito 505 a través del primer conducto del fluido 507 y hacia el pasaje del reactivo 504 de la celda energética 502. El electrolito líquido 506 continuará fluyendo a través del primer conducto del fluido 507 a una velocidad determinada por la presión del gas 520, y el diámetro interno del primer conducto del fluido 507, hasta que el primer depósito 505 esté vacío o hasta que el temporizador 518 haya finalizado su plazo por el controlador 518, punto en el cual el controlador 518 desactiva el regulador de presión del gas 514 para cesar la presurización del depósito del electrolito 505. En el caso que el electrolito 506 fluya hasta que el depósito del electrolito 505 esté vacío, el detector del flujo del gas 515 detectará una velocidad del flujo de gas elevada, y el controlador 518 desactivará el regulador de presión del gas 514, para cesar la presurización del depósito del electrolito 505. El electrolito líquido 506 depositado dentro del pasaje del gas reactivo 504, puede absorberse por los poros expuestos del electrodo. La velocidad de flujo del electrolito a través del primer conducto del fluido 507, puede coincidir con la velocidad de consumo del electrolito del electrodo, para evitar que se depositen cantidades excesivas del electrolito dentro del pasaje del reactivo. Una persona con experiencia ordinaria en la técnica, que tenga el beneficio de esta descripción, será capaz de determinar la velocidad apropiada para su propósito particular. El depósito del electrolito 505 puede proporcionarse además con un tubo de reabastecimiento 521 , a través del cual puede inyectarse una suspensión de electrolito hacia el depósito del electrolito 505, cuando el depósito del electrolito 505 requiera el reabastecimiento del electrolito 506. El tubo de
reabastecimiento puede estar tapado. Tras el reabastecimiento, el calentador 508 se energiza para elevar la temperatura del depósito del electrolito 505 y el electrolito reabastecido 506 para retirar el solvente de la suspensión. El solvente de la suspensión puede ser cualquier solvente conocido por actuar como un solvente de la suspensión del electrolito tal como alcohol o glicerina, por ejemplo. Las temperaturas adecuadas para retirar el solvente de la suspensión, se seleccionarán fácilmente por la persona con experiencia ordinaria en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, y generalmente, la temperatura utilizada depende de la naturaleza y las propiedades del solvente de la suspensión. En una configuración ejemplar, un conducto del fluido que tenga un diámetro interno de aproximadamente 0.025 cm (0.010 pulgadas) y que tenga una longitud de aproximadamente 91.4 cm (36.0 pulgadas), proporciona una velocidad de flujo del electrolito de aproximadamente 2.0 gramos por minuto a una celda energética de carbonato fundido, que opera a aproximadamente 25.4 cm (10.0 pulgadas) de columna de agua por encima de la presión atmosférica ambiental a una temperatura del aparato de aproximadamente 650°C y una presión del aparato de aproximadamente 305 cm (120.0 pulgadas) de columna de agua.
EJEMPLO 2
En otro ejemplo, como se muestra en la Figura 2, el electrolito puede distribuirse además a las celdas energéticas adyacentes 522a, 522b y 522c en la pila de celdas energéticas 502, por una migración provocada por el voltaje a través de la cesión capilar de la película o a través de un conducto dedicado 523 que comprende un miembro poroso en contacto con cada celda energética 522a, 522b, 522c de la pila de celdas energéticas. El tamaño del conducto dedicado 523 puede seleccionarse para proporcionar una velocidad de flujo particular del electrolito 506 que coincida con la velocidad de pérdida del electrolito de todas las celdas de la pila de celdas energéticas 502, de manera que todas las celdas de la pila de celdas energéticas 502 se reabastezcan con electrolito a una velocidad equivalente a la velocidad de consumo del electrolito. El conducto dedicado 523 puede comprender poros dedicados dentro de partículas o fibras que comprenden zirconia, alúmina no conductora, de alta pureza, u otros materiales cerámicos conocidos por ser no conductores y por ser inertes en la presencia de electrolitos, tales como por ejemplo, electrolitos de carbonato fundido. Alguien con experiencia en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, será capaz de seleccionar los miembros porosos adecuados para incluirlos en las pilas de celdas energéticas. Aunque se describen anteriormente numerosos aspectos y ejemplos ilustrativos, se reconocerá por la persona con experiencia ordinaria
en la técnica, dado el beneficio de esta descripción, que son posibles alteraciones, sustituciones y modificaciones de los aspectos ejemplares y los ejemplos anteriores. La persona con experiencia ordinaria en la técnica también reconocerá, dado el beneficio de esta descripción, que ciertos componentes de un ejemplo pueden agregarse o intercambiarse con ciertos componentes de otros ejemplos. Tales alteraciones, sustituciones, modificaciones y adiciones pretenden caer dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas.
Claims (9)
1.- Un aparato para suministrar el electrolito, que comprende: un depósito del electrolito que comprende un electrolito; un conducto del fluido en comunicación fluida con el depósito del electrolito, el conducto del fluido está configurado para recibir el electrolito desde el depósito del electrolito; un dispositivo de calentamiento en comunicación térmica con el depósito del electrolito y el conducto del fluido, el dispositivo de calentamiento opera para incrementar la fluidez de al menos una porción del electrolito en el depósito del electrolito; y un generador de presión que opera para forzar el electrolito fuera del depósito del electrolito y hacia el conducto del fluido.
2. - El aparato para suministrar el electrolito de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el dispositivo de calentamiento es un calentador de resistencias.
3. - El aparato para suministrar el electrolito de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el generador de presión es un gas regulado por presión.
4.- El aparato para suministrar el electrolito de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el conducto del fluido comprende un tubo de acero inoxidable. 5 - El aparato para suministrar el electrolito de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende un respiradero para ventilar el depósito del electrolito. 6. - Un montaje de la celda energética, que comprende: una celda energética que comprende un electrodo del cátodo, un electrodo del ánodo y una matriz del electrolito entre el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo; un depósito del electrolito que comprende el electrolito; un conducto del fluido configurado para proporcionar comunicación fluida entre la celda energética y el depósito del electrolito; y un dispositivo de calentamiento en comunicación térmica con el depósito del electrolito y que opera para incrementar la fluidez del electrolito para suministrarlo a la celda energética. 7. - El montaje de la celda energética de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque comprende un generador de presión configurado para forzar el electrolito líquido desde el depósito del electrolito y hacia la celda energética a través del conducto del fluido. 8. - El montaje de la celda energética de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la celda energética es una celda energética de carbonato fundido. 9. - El montaje de la celda energética de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el cátodo y el ánodo comprenden cada uno un catalizador de níquel. 10. - El montaje de la celda energética de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el dispositivo de calentamiento está en comunicación térmica con el depósito del electrolito y el conducto del fluido. 11. - El montaje de la celda energética de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque la celda energética es una pila de celdas energéticas. 12. - El montaje de la celda energética de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque comprende un segundo conducto del fluido configurado para reabastecer el electrolito en el depósito del electrolito. 13.- Un montaje de una celda energética de carbonato fundido, que comprende: una celda energética de carbonato fundido que comprende un electrodo del cátodo, un electrodo del ánodo y una matriz de electrolito de carbonato fundido entre el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo; un depósito del electrolito que comprende un electrolito de carbonato fundido; un conducto del fluido configurado para proporcionar comunicación fluida entre la celda energética de carbonato fundido y el depósito del electrolito; un dispositivo de calentamiento que opera para calentar el electrolito de carbonato fundido en el depósito del electrolito; y un generador de presión que comprende un gas presurizado que opera para forzar el electrolito de carbonato fundido caliente fuera del depósito del electrolito. 14.- El montaje de la celda energética de carbonato fundido de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende un termopar en comunicación térmica con ei depósito del electrolito. 1
5. - El montaje de la celda energética de carbonato fundido de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende un detector de flujo que opera para detectar el flujo del gas presurizado. 1
6. - El montaje de la celda energética de carbonato fundido de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende un tubo de reabastecimiento para agregar electrolito adicional al depósito del electrolito. 1
7. - El montaje de la celda energética de carbonato fundido de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende un controlador configurado para activar el generador de presión. 1
8. - El montaje de la celda energética de carbonato fundido de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque comprende un temporizador configurado para desactivar el generador de presión después de un cierto periodo. 1
9. - Un método para suministrar electrolito a una celda energética, el método comprende: proporcionar un depósito del electrolito que comprende el electrolito, el depósito del electrolito está en comunicación fluida con una celda energética a través de un conducto del fluido; calentar el depósito del electrolito para incrementar la fluidez de al menos una porción del electrolito en el depósito del electrolito; y suministrar el electrolito desde el depósito del electrolito a la celda energética a través del conducto del fluido. 20. - El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el electrolito se suministra a una celda energética en operación. 21. - El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque la celda energética es una celda energética de carbonato fundido.
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