PT1955389E - Módulo para geração de eletricidade compreendendo uma pluralidade de células eletroquímicas - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "MÓDULO PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE COMPREENDENDO UMA PLURALIDADE DE CÉLULAS ELETROQUÍMICAS" A presente invenção refere o domínio dos módulos para geração de eletricidade para veículo automóvel, e em particular um módulo para geração de eletricidade compreendendo uma pluralidade de células eletroquímicas e adequado a um veículo elétrico ou a um veículo híbrido.

Um veículo de propulsão ou de tração híbrida está geralmente equipado com um motor de tração de combustão interna e com um motor de tração elétrica que é alimentado por um módulo para geração de eletricidade embarcado a bordo do veículo, e isso de modo a poder utilizar várias fontes de energia.

Tais módulos para geração de eletricidade, ou baterias, para veículos híbridos ou elétricos podem estar dotados de uma pluralidade de conjuntos idênticos. Cada conjunto compreende células elementares eletroquímicas permitindo gerar energia que se produz nos elétrodos.

Tais células elementares eletroquímicas são particularmente vantajosas tanto no plano energético como no económico. Todavia, cada uma dessas células apresenta uma espessura assim como uma resistência mecânica relativamente fracas, o que pode tornar difícil a sua montagem e o seu posicionamento relativos no momento da fabricação dos módulos. 2

Diferentes soluções foram já imaginadas para facilitar a obtenção de tais módulos por exemplo tais como os apresentados nos documentos JP-A1-2005-302501 e JP-A1-2005-302698. O resumo do pedido de patente JP-A1-2004-227921 descreve por outro lado um suporte para células elementares eletroquímicas empilhadas munido de meios de apoio inferior e superior. Cada meio de apoio compreende duas barras retilíneas unidas entre elas de modo a formar uma cruz e munidas cada uma nas suas extremidades de uma ligação de fixação, as ligações de fixação de um meio de apoio cooperando com as ligações de fixação do outro meio de apoio.

As barras e as ligações de fixação formam assim suporte para as células elementares eletroquímicas que são previamente soldadas entre elas de modo a serem aplicadas uma na outra pelas suas faces principais. Para mais detalhes sobre técnicas de soldagem de células elementares, poderá por exemplo referir-se o resumo do pedido de patente JP-A1-2004-253262.

Um tal suporte para células elementares eletroquímicas apresenta o inconveniente de propor um ajustamento necessitando das operações prévias de soldagem das células elementares que são particularmente longas, difíceis, e onerosas. Além disso, a montagem dos pratos de apoio um contra o outro não permite a obtenção de um arrefecimento eficaz. A presente invenção tem pois como finalidade remediar esses inconvenientes, propondo um módulo para geração de eletricidade permitindo a montagem de células elementares 3 eletroquímicas de modo particularmente seguro, rápido, e eficaz, facilitando o arrefecimento das ditas células para aumentar os desempenhos e a duração de vida do módulo. 0 módulo para geração de eletricidade de acordo com a invenção está descrito na reivindicação 1.

Com um tal ajustamento, torna-se desde logo possível obter um módulo para geração de eletricidade no qual as células eletroquímicas estão posicionadas umas em relação às outras de modo fácil e rápido, assegurando um arrefecimento satisfatório das ditas células.

Com efeito, a previsão de tais pratos ou placas permite não só assegurar o posicionamento relativo das células mas igualmente conservar um espaçamento contínuo entre elas, com o objetivo de uma circulação de um gás de arrefecimento, por exemplo ar.

Além disso, a utilização de meios de ensaio de tração que mantêm por pressão o posicionamento relativo das células elementares e dos pratos de suporte permite libertar-se de operações de montagens das células entre elas particularmente difíceis e onerosas, tais como a soldagem, o que facilita a obtenção de um dispositivo particularmente económico.

De preferência, cada prato de suporte está associado a pelo menos duas células dispostas lado a lado. 4

Vantajosamente, o módulo está munido de elementos de fricção montados entre as células elementares e os pratos de suporte associados. Tais elementos de fricção permitem aumentar a segurança de manutenção da posição das células elementares relativamente aos pratos de suporte.

Num modo de realização preferido, os elementos de fricção são constituídos pelos pratos de suporte apresentando uma rugosidade sensivelmente superior à das células elementares. 0 módulo compreende pelo menos um elemento deformável elasticamente montado em apoio contra uma célula elementar superior. A utilização de um tal elemento deformável elasticamente permite assim libertar-se de eventuais dilatações térmicas diferenciais entre células elementares, os pratos de suporte, e os meios de ensaio de tração. Além disso, esse elemento deformável elasticamente permite igualmente absorver os defeitos de tolerância na espessura das células elementares, assim como eventuais variações da dita espessura em função da carga ou da descarga da célula.

De preferência, o elemento deformável é realizado em matéria sintética maleável, os pratos de suporte sendo realizados em matéria sintética rígida.

Os pratos de suporte compreendem meios condutores de eletricidade ou isolantes. 5

Os ditos meios podem ser realizados em uma única peça com os pratos de suporte, de modo a simplificar a montagem do módulo.

De preferência, o módulo compreende uma base sobre a qual estão montados os meios de ensaio de tração para o posicionamento relativo das ditas células elementares e dos pratos de suporte.

Vantajosamente, os pratos de suporte são constituídos pela montagem de um quadro de suporte de células e de pelo menos uma parte de conexão para ligar eletricamente entre elas as ditas células. A presente invenção e as suas vantagens serão compreendidas melhor com o estudo da descrição detalhada de um modo de realização tomado a título de exemplo nunca limitativo e ilustrado pelos desenhos anexados, sobre os quais : -a figura 1 é uma vista de cima esquemática de um módulo para geração de eletricidade de acordo com um aspeto da invenção, e -as figuras 2 e 3 são respetivamente secções de acordo com os eixos II-II e III-III do módulo para geração de eletricidade da figura 1.

Em referência às figuras de 1 a 3, vai agora descrever-se um modo de realização do módulo para geração de eletricidade, designado pela referência numérica geral 1, e especialmente destinado a um veículo automóvel elétrico ou ainda a um veiculo automóvel híbrido. 6 0 módulo 1 apresenta, numa vista de cima, uma forma geral retangular e compreende neste ponto dois conjuntos 2 e 3 conectados entre eles e munido cada um de uma pluralidade de células 4 elementares eletroquímicas idênticas. As células 4 estão unidas de modo a formarem, para cada um dos conjuntos 2 e 3, duas filas verticais idênticas. Assim, as células 4 de uma fila estão alinhadas horizontalmente com as da outra fila de modo a formarem pares de células. Na figura 1, uma das filas de células 4 do conjunto 2 não foi representada, na zona inferior esquerda.

Para produzir energia, cada célula 4 compreende, de modo convencional, um cátodo 5 e um ânodo 6 separados por um eletrólito 7. 0 eletrólito 7 pode ser constituído por um separador polímero do tipo membrana, impregnado de um polímero eletrólito líquido do tipo solvente orgânico com sal de lítio.

Para a clareza das figuras 2 e 3, os conjuntos 2 e 3 foram representados cada um com oito células 4 elementares. Evidentemente, o número de células geralmente previsto em suma é sensivelmente diferente. Com efeito, a potência necessária para tracionar um veículo automóvel é de várias dezenas de quilowatts, o que necessita de empilhar um grande número de células 4.

Para o conjunto 2 do módulo 1, a cada par de células 4 elementares está associado um prato 8 de modo a assegurar o suporte e o posicionamento relativo dessas células 4. Os pratos 8 de suporte, de forma geral retangular, podem apresentar uma espessura relativamente reduzida em relação 7 às das células 4 para obter um dispositivo 1 compacto. A dita espessura pode por exemplo ser da ordem do milímetro. 0 prato 8 é constituído por um quadro 9 de suporte e por duas peças laterais 10, 11 sensivelmente similares que se unem no dito quadro, por exemplo por encravamento, para formar um conjunto unitário. 0 quadro 9 de forma geral retangular está munido de uma primeira banda 12 central ligando as suas bordas laterais de lado grande, e de segunda e terceira bandas 13, 14 ligando as suas bordas laterais de lado pequeno e dispostas cada uma na proximidade de uma das ditas bordas de lado grande. A banda 12 delimita assim duas aberturas 9a idênticas, estando somente visível uma das aberturas na figura 1. Essas aberturas 9a permitem especialmente realizar a conexão de bornes de células 4. O quadro 9 está munido, ao nível da borda lateral de lado grande oposto ao conjunto 3, de um rebordo 15 vertical estendendo-se para cima, e de um friso 16 vertical estendendo-se de um e de outro lado de faces principais do dito quadro. O rebordo 15 e o friso 16 estendem-se a todo o comprimento do quadro 9. 0 friso 16 é conduzido sobre o lado exterior da dita borda do quadro 9. O rebordo 15 está situado no lado inferior da dita borda e munido de uma superfície troncónica superior.

Na borda lateral oposta de lado grande, o quadro 9 compreende igualmente um rebordo 19 e um friso 20 similares aos descritos precedentemente. As superfícies troncónicas dos rebordos 15, 19 estão destinadas a suportar as faces 8 inferiores de um par de células 4, os frisos 16, 20 formando apoios para as ditas faces inferiores.

A peça lateral 10 apresenta-se sob a forma de uma placa de forma geral retangular, e prolonga horizontalmente para o exterior o quadro 9 a partir do friso 16. Compreende um bordo 17 vertical conduzido sobre o contorno da borda exterior de lado grande e das bordas de lado pequeno. O bordo 17 estende-se de um e de outro lado das faces principais da peça 10. A peça lateral 10 compreende igualmente duas cavidades 18 dirigidas próximo do bordo 17 e associada cada uma a uma das filas de células. A peça lateral 11 apresenta-se igualmente sob a forma de uma placa retangular, de estrutura todavia ligeiramente diferente da peça lateral 10. Com efeito, a peça lateral 11 está destinada a ser utilizada por um par de células 4 do conjunto 2 mas igualmente pelo par correspondente de células 4 do conjunto 3. A peça lateral 11 é pois comum aos conjuntos 2 e 3 do módulo. Assim, a peça 11 compreende dois bordos verticais (não referenciados) conduzidos sobre o contorno das bordas de lado pequeno. A peça 11 compreende igualmente duas cavidades 23 dispostas de modo análogo aos da peça 10. A conceção do conjunto 3 é idêntica à do conjunto 2. Evidentemente, o número de conjuntos do módulo 1 é adaptável em função da potência ou da energia desejada.

Vai agora descrever-se o ajustamento relativo dos pratos 8 de suporte e das células 4 elementares do conjunto 2. 9 0 prato 8 de suporte inferior está montado em apoio contra uma base 24 por intermédio de ligações de 25 a 28. As ligações de 25 a 28 estão respetivamente em apoio contra faces inferiores do friso 16 e do bordo 17, da banda 13, da banda 14, e do friso 20. A face principal inferior de cada uma das duas células 4 inferiores está em apoio contra o dito prato ao nível das superfícies superiores das bandas de 12 a 14 e dos rebordos 15, 19. O prato 8 de suporte imediatamente superior vem apoiar-se contra as faces principais superiores das duas células 4 inferiores, respetivamente por intermédio das faces inferiores dos frisos 16, 20 e das bandas de 12 a 14. O dito prato 8 forma assim suporte para a célula 4 imediatamente superior à célula elementar inferior, mas igualmente separado entre as ditas células de modo a manter um espaçamento sensivelmente constante entre essas células e permitir assim uma circulação de gás para o arrefecimento. O posicionamento dos seis outros pratos 8 de suporte e de células 4 do conjunto 2 é similar ao descrito precedentemente. Além disso, o ajustamento relativo dos pratos 8 de suporte e das células 4 elementares do conjunto 3 é idêntico ao do conjunto 2.

De modo a realizar a conexão elétrica das diferentes células 4 entre elas, meios 29, 30 condutores ou isolantes são fixados respetivamente no interior das cavidades 18 e 23 de cada uma das peças 10, 11. A utilização de meios 29, 30 condutores ou isolantes é determinada em função da 10 conexão elétrica em série ou em paralelo desejada das células 4.

Para esse efeito, cada célula 4 compreende duas linguetas de conexão 31 e 32 ligadas a cada uma das suas extremidades, e apresentando-se sob a forma de finas folhas metálicas com largura ligeiramente inferior à largura da célula correspondente. Para a clareza das imagens, as linguetas 31 e 32 são neste ponto ligadas ao eletrólito 7. Evidentemente, concebe-se facilmente que cada célula 4 compreende na realidade um invólucro exterior (não representado) ao qual são conectadas as linguetas 31 e 32 representadas.

Os meios 30 permitem ligar eletricamente as células 4 do conjunto 3 com as células do conjunto 2. 0 quadro 9 permite assim realizar o suporte das células 4, as partes 10 e 11 estando previstas para a conexão elétrica das ditas células entre elas. A fim de manter o posicionamento relativo das células elementares 4 e dos pratos 8 empilhados do conjunto 2, o módulo 1 compreende igualmente meios de ensaio de tração por pressão dos ditos pratos e células. Os meios de ensaio de tração estão munidos de flanges 33, 34 de contacto contra as células 4 superiores, de placas 35, 36 de pressão associadas às flanges, e de hastes de fixação 37, 38.

As flanges 33, 34 apresentam dimensões adaptadas para cobrir respetivamente as peças 10, 11 laterais superiores. Apoiam-se contra as células 4 superiores e cada uma compreende cavidades (não referenciadas) para a passagem 11 dos meios 29, 30 superiores de modo a que as faces superiores das ditas flanges sejam deslocadas verticalmente para baixo em relação às dos ditos meios 29, 30. A cada flange 33, 34 estão associadas duas placas 35, 36 com dimensões ligeiramente superiores às dos meios 29, 30 e dispostas de modo a virem apoiar-se respetivamente contra as superfícies superiores dos meios 29, 30 superiores. Entre as placas 35, 36 e os meios de apoio 29, 30 superiores estão montadas barras metálicas (não representadas) para assegurar um contacto elétrico entre duas filas de células 4 adjacentes.

As hastes 37 de fixação roscadas, aqui em número de quatro, para cada placa 35 passam através das ditas placas assim como através dos pratos 8, por intermédio de perfurações previstas para esse efeito, e permitem fixar os pratos 8 de suporte e as células relativamente à base 24, respetivamente ao nível da ligação 25. Para esse efeito, porcas de parafuso 39 são montadas nas ditas hastes em apoio contra as superfícies superiores das placas 35.

De modo análogo, as hastes 38 e as porcas de parafuso 40 permitem realizar, por intermédio da flange 34, a fixação dos pratos 8 e das células relativamente à base 24, ao nivel da ligação 28. A flange 34 permite assim em parte a fixação das células do conjunto 2 e a do conjunto 3. Do lado oposto à flange 34, o conjunto 3 compreende igualmente uma outra flange (não referenciada) para a fixação da outra extremidade das células 4. 12

Para cada conjunto do módulo 1, os meios de ensaio de tração estão munidos igualmente de duas barras de apoio 41 transversais vindo apoiar-se contra as superfícies superiores das células superiores, por intermédio de elementos 42 deformáveis elasticamente. As barras de apoio 42 são idênticas entre elas e apresentam um comprimento sensivelmente igual às dos lados grandes do quadro 9. Estão alinhadas verticalmente em relação às ligações 26 e 27.

Os elementos 42 deformáveis apresentam-se sob a forma de bandas retangulares com comprimentos iguais aos das barras de apoio 41. Vantajosamente, os ditos elementos são realizados em matéria sintética maleável, por exemplo de etileno/propileno/monómero diénico (EPDM). Hastes 43 roscadas e porcas de parafuso 44, neste ponto em número de três sobre cada uma das barras 41, estão igualmente previstas para manter a fixação dos pratos 8 e das células 4 sobre a base 24. As extremidades inferiores das hastes 43 estão montadas aqui ao nível das ligações 26 e 27. A previsão de tais elementos 42 de apoio contra as células 4 superiores permite assim aplicar uma pressão sobre as células 4 com o objetivo de limitar sensivelmente o risco de um eventual deslocamento relativo dos pratos 8 e das ditas células, libertando-se de eventuais dilatações térmicas diferenciais entre as células 4 elementares, os pratos 8 de suporte, e as hastes 43. Tais elementos 42 permitem igualmente absorver eventuais variações de espessuras das células em função das suas cargas ou descargas. 13

De modo a aumentar a segurança da manutenção de posição dos pratos 8 em relação às células 4 conservando um módulo 1 compacto, os pratos 8 podem ser realizados em matéria sintética rígida, por exemplo de polipropileno (PP) para obter um coeficiente de atrito entre os ditos pratos e as células 4 adaptado para conservar por fricção o posicionamento horizontal das células 4 relativamente aos pratos.

Evidentemente, poderia ser igualmente possível prever elementos específicos para esse efeito dispostos entre as células 4 e os pratos 8. 0 módulo para geração de eletricidade permite assim obter uma montagem particularmente fácil e fiável das diferentes células elementares no qual as células estão especialmente espaçadas umas em relação às outras, o que permite prever uma circulação de gás de arrefecimento com o objetivo de um funcionamento ótimo do módulo. Além disso, o número de conjuntos do módulo assim como o número de células de cada um dos ditos conjuntos podem ser facilmente adaptados em função da potência e da energia desejadas.

Lisboa, 18 de Novembro de 2011

Claims (7)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Módulo para geração de eletricidade munido de uma pluralidade de células elementares (4) eletroquimicas, de pratos de suporte (8) das células elementares, os ditos pratos compreendendo meios (29, 30) condutores de eletricidade ou isolantes para ligar eletricamente linguetas de conexão das células elementares, e de meios de ensaio de tração configurados para manter por pressão o posicionamento relativo das ditas células elementares e dos pratos de suporte e compreendendo placas (35, 36) vindo apoiar-se contra as superfícies superiores dos meios (29, 30) condutores de eletricidade ou isolantes superiores, caracterizado por os pratos de suporte formarem espaçadores para duas células elementares consecutivas, por compreender elementos (42) deformáveis montados em apoio contra as faces principais superiores das células elementares superiores, e por os meios de ensaio de tração compreenderem além disso flanges (33, 34) de contacto contra as células elementares superiores e barras (41) de apoio transversais, as ditas barras (41) vindo apoiar-se contra as faces principais superiores das células elementares superiores por intermédio dos elementos (42) deformáveis.

2. Módulo de acordo com a reivindicação 1, no qual cada prato (8) de suporte suporta pelo menos duas células (4) elementares dispostas lado a lado. 2

3. Módulo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, munido de elementos de fricção montados entre as células elementares e os pratos de suporte associados.

4. Módulo de acordo com a reivindicação 3, no qual os elementos de fricção são constituídos pelos pratos de suporte, os ditos pratos de suporte apresentando uma rugosidade superior à das células elementares.

5. Módulo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, no qual os elementos deformáveis são realizados em matéria sintética maleável, os pratos de suporte sendo realizados em matéria sintética rígida.

6. Módulo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, compreendendo uma base (24) sobre a qual estão montados os meios de ensaio de tração para o posicionamento relativo das ditas células elementares e dos pratos de suporte.

7. Módulo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, no qual os pratos de suporte são constituídos por montagem de um quadro (9) de suporte das células e de pelo menos uma parte (10, 11) de conexão para ligar eletricamente entre elas as ditas células. Lisboa, 18 de Novembro de 2011