BR112018074575B1 - Célula eletroquímica - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se a uma célula eletroquímica que inclui um sistema de eliminação de névoa que evita que névoa es-cape da câmara celular e conserva umidade no interior da célula. Um sistema de eliminação de névoa exemplificativo inclui um dispositivo de prevenção de derramamento que reduz ou evita que um eletrólito escape da câmara celular no caso de uma virada, em que a célula eletroquímica é inclinada. Um sistema de eliminação de névoa inclui uma porção de recombinação que reage com hidrogênio para produzir água, que pode ser reintroduzida na câmara celular. Um sistema de eliminação de névoa inclui uma porção neutralizadora que reage com um eletrólito para aproximar o pH ao neutro, conforme a reação ácida/base. Um sistema de eliminação de névoa inclui um filtro que captura névoa que pode ser reintroduzida na câmara celular. Um sistema de eliminação de névoa inclui um filtro hidrofóbico na superfície externa para evitar que água e outros líquidos entrem no sistema de eliminação de névoa.
Description
[0001] Este pedido de patente reivindica a prioridade do pedido de patente provisório 62/365.924 depositado em 22 de julho de 2016, incorporado no presente documento a título de referência em sua totalidade.
[0002] A presente invenção é direcionada a sistemas de eliminação de névoa e de gerenciamento de água para células eletroquímicas e, mais particularmente, a células eletroquímicas que compreendem cátodos de respiração de ar e que utilizam um meio condutivo ionicamente líquido.
[0003] Muitos tipos de células eletroquímicas utilizam um meio condutivo ionicamente líquido para sustentar reações eletroquímicas no interior da célula. As células eletroquímicas podem utilizar um eletrodo de respiração de ar acoplado a um eletrodo de combustível, que compreende qualquer combustível adequado. Por exemplo, um sistema de célula eletroquímica de metal-ar pode compreender uma pluralidade de células, em que cada uma tem um eletrodo de combustível que serve como um ânodo em cujo combustível de metal é oxidado, e um eletrodo de respiração de ar de redução de oxidante em cujo oxigênio a partir de ar ambiente é reduzido. O meio condutivo ionicamente líquido em tais células pode comunicar os íons oxidados/reduzidos entre os eletrodos.
[0004] Em vários meios ionicamente condutivos, evaporação, eletrólise (por exemplo, água que se divide na recarga ou se auto descarrega, ou outra perda de umidade a partir do meio ionicamente condutivo pode ser prejudicial à célula eletroquímica, particularmente para células que exigem água para operar. Em alguns sistemas de célula eletroquímica, vários gases podem emitir durante o carregamento e/ou descarregamento da célula. Tais gases podem ser nocivos à célula e podem danificar ou impedir o desempenho da célula. Por exemplo, uma célula eletroquímica pode ser danificada devido aos gases emitidos que aumentam a pressão no interior de um volume confinado no interior da célula. Em alguns casos, a célula, e potencialmente seus arredores, pode ser danificada devido a evolução de um gás potencialmente volátil ou combinação de gases. Como tal, algumas células eletroquímicas são configuradas para dispersar tais gases incluindo-se respiros nas mesmas, para que os gases possam escapar no ambiente local. Por exemplo, o Pedido de Patente Número de Série U.S. 13/566.948, agora Patente expedida U.S. 9.214.708, por Fluidic Inc., incorporado no presente documento em sua totalidade a título de referência, divulga um respiro de gás de membrana configurado para dispersar gases para fora de uma célula eletroquímica. Conforme outro exemplo, o Pedido de Patente Número de Série U.S. 13/666.864, agora Patente expedida U.S. 9.269.996, por Fluidic Inc., incorporado no presente documento em sua totalidade a título de referência, divulga um respiro de gás hidrofílico configurado para dispersar gases para fora de uma célula eletroquímica. Outras células eletroquímicas podem ser configuradas com válvulas de alívio de pressão, que são tipicamente fechadas sob condição de pressão normal, mas abertas quando a pressão no interior da célula excede uma quantidade limiar. Uma válvula de alívio de pressão pode simplesmente permitir um fluxo de curta duração de gás a partir da célula até a pressão ser reduzida abaixo de um limite limiar.
[0005] O meio ionicamente condutivo pode ser uma solução aquosa. Exemplos de meios adequados incluem soluções aquosas que compreendem ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido tríflico, ácido nítrico, hidróxido de potássio, hidróxido de sódio, cloreto de sódio, nitrato de potássio ou cloreto de lítio. Em algumas modalidades, o meio ionicamente condutivo é hidróxido de potássio aquoso. Em uma modalidade, o meio ionicamente condutivo pode compreender um eletrólito. Por exemplo, uma solução de eletrólito líquido convencional pode ser usada, ou um líquido iônico em temperatura ambiente pode ser usado, conforme mencionado no Pedido de Patente Número de Série U.S. 12/776.962, agora Patente expedida U.S. 8.895.197, por Arizona Board of Regents, incorporados no presente documento a título de referência.
[0006] Em alguns sistemas de célula eletroquímica que compreendem eletrólitos líquidos, vários gases emitidos podem arrastar pequenas quantidades de eletrólito líquido no mesmo que pode ser nocivo à célula e arredores devido à emissão da névoa, aerossol ou pulverização resultante. O presente pedido se esforça para fornecer um modo efetivo e aprimorado de capturar névoas ou aerossóis criados pela geração de bolhas de gás no interior de um volume de eletrólito líquido em uma célula eletroquímica e que retorna a porção líquida da névoa de volta para o volume principal do eletrólito líquido enquanto dispersa a porção de gás da névoa no ambiente local.
[0007] Células eletroquímicas de metal-ar são utilizadas em uma ampla variedade de condições ambientais, que incluem ambientes muito quentes e secos. As células eletroquímicas de metal-ar em ambientes áridos podem ter eficácia e/ou vida limitadas como resultado da perda de umidade a partir do meio condutivo ionicamente líquido. É, portanto, particularmente importante conservar umidade no interior das células quando operam em condições áridas.
[0008] A invenção é direcionada a uma célula eletroquímica, como uma célula eletroquímica de metal-ar que tem um sistema de eliminação de névoa. As células eletroquímicas de metal-ar, como baterias de metal-ar recarregáveis, produzem uma névoa a partir doa meio ionicamente condutivo, ou eletrólito durante condições cíclicas normais. A auto descarga do eletrodo de combustível de metal pode gerar bolhas de hidrogênio enquanto o carregamento do eletrodo de combustível de metal reduzindo-se os íons de combustível de metal no eletrólito é equilibrado pela evolução de oxigênio gás no eletrodo positivo através da oxidação de água ou íons de hidróxido. Os gases emitidos coalescem para formar bolhas que vão estourar na superfície do eletrólito e criar uma névoa fina de eletrólito arrastada no efluente de gás que sai da célula através do respiro de célula. Sem um sistema de eliminação de névoa, a névoa será executada na célula através do respiro de escape e diminui pelo mesmo o volume de eletrólito.
[0009] É importante conservar o eletrólito no interior da célula, especialmente em ambientes áridos. Um sistema de eliminação de névoa exemplificativo de acordo com modalidades dessa invenção compreende um dispositivo de prevenção de derramamento, um filtro, uma porção de recombinação, uma porção neutralizadora e um filtro hidrofóbico. Um filtro exemplificativo captura a névoa e pode retornar a névoa para a célula. Um dispositivo de prevenção de derramamento, como um respiro ou uma válvula de trajetória tortuosa, é usado para evitar ou substancialmente evitar que o eletrólito líquido saia livremente da célula no caso de uma virada. Uma porção de recombinação exemplificativa compreende um catalisador de recombinação que reage com o gás hidrogênio para formar água. Uma porção neutralizadora exemplificativa reage com um eletrólito ácido ou cáustico para neutralizar. Um filtro hidrofóbico exemplificativo é configurado no exterior do sistema de eliminação de névoa e evita ou substancialmente evita que água líquida entre na célula.
[00010] A célula eletroquímica da presente invenção pode, de acordo com as modalidades, compreender adicionalmente uma umidade, isto é, água, e sistema de gerenciamento de dióxido de carbono, conforme descrito no Pedido de Patente Provisório Número U.S. 62/365.866, incorporado no presente documento em sua totalidade a título de referência. Um sistema de gerenciamento de dióxido de carbono e umidade exemplificativo pode ser utilizado em várias células eletroquímicas, que incluem células de metal ar que tem um eletrólito líquido, células de combustível, membrana de eletrólito polimérico (PEM), células de combustível e particularmente células de combustível alcalinas. Um sistema de dióxido de carbono e água exemplificativo compreende uma membrana de troca de umidade (HEM), para transferir a umidade do fluxo de ar da célula eletroquímica para o fluxo de entrada de ar para a célula. Um sistema de dióxido de carbono e água exemplificativo pode compreender um purificador que remove dióxido de carbono a partir do fluxo de entrada de ar antes de ser entregue à célula eletroquímica. Muitas reações eletroquímicas se beneficiam de um suprimento de ar rico em oxigênio ou um fluxo de ar com dióxido de carbono reduzido. Um sistema de dióxido de carbono e água exemplificativo pode compreender uma válvula de recirculação, em que pelo menos uma porção do ar que sai da célula eletroquímica é recirculada de volta para o fluxo de entrada de ar para a célula. Muitas células eletroquímicas produzem calor e um fluxo de escape que é alto em umidade e, portanto, a conservação dessa umidade através de recirculação pode efetivamente conservar a umidade no sistema.
[00011] Uma variedade de técnicas de gerenciamento de água é descrita no presente documento. O Pedido de Patente Número U.S. 15/077.341, por Fluidic Inc., depositado em 22 de março de 2016, intitulado Water Management System In Electrochemical Cells with Vapor Return Comprising Air Electrodes descreve alguns outros sistemas e técnicas de gerenciamento de água e é incorporado no presente documento em sua totalidade a título de referência.
[00012] O sumário da invenção é fornecido como uma introdução geral a algumas das modalidades da invenção e não se destina a limitar. Exemplos adicionais de modalidades que inclui variações e configurações alternativas da invenção são fornecidos no presente documento.
[00013] Os desenhos em anexo são incluídos para proporcionarem um entendimento adicional da descrição e são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo, ilustram as modalidades da descrição e junto com a descrição servem para explicar os princípios da descrição.
[00014] A Figura 1 representa uma vista esquemática de uma célula eletroquímica que tem um eletrodo de redução de oxidante imerso.
[00015] A Figura 2 representa uma vista esquemática de uma célula eletroquímica que tem um eletrodo de redução de oxidante que define uma parede de contorno para a célula eletroquímica.
[00016] A Figura 3 mostra uma vista em perspectiva de uma célula eletroquímica exemplificativa.
[00017] A Figura 4 mostra uma vista esquemática em corte transversal de uma célula eletroquímica exemplificativa que tem um sistema de eliminação de névoa.
[00018] A Figura 5 mostra um diagrama de blocos de um sistema de eliminação de névoa exemplificativo.
[00019] A Figura 6 mostra uma vista em corte transversal de uma válvula de segurança exemplificativa que tem uma esfera no interior de um conduto e um apoio de vedação em uma extremidade a jusante do conduto.
[00020] A Figura 7 mostra a válvula de segurança exemplificativa mostrada na Figura 6 com a esfera pressionada contra o apoio de vedação e que evita que o líquido no interior do conduto passe através do mesmo.
[00021] A Figura 8 mostra uma vista em corte transversal de um sistema de eliminação de névoa exemplificativo que compreende uma primeira pilha de eliminação de névoa e uma segunda pilha de eliminação de névoa.
[00022] A Figura 9 mostra uma vista em corte transversal de uma válvula de segurança exemplificativa que tem uma esfera no interior de um conduto e um apoio de vedação em uma extremidade a jusante do conduto.
[00023] A Figura 10 mostra uma vista de fundo, ou entrada, de uma válvula de segurança exemplificativa.
[00024] Os caracteres de referência correspondentes indicam partes correspondentes através das diversas vistas das Figuras. As Figuras representam uma ilustração de algumas das modalidades da presente invenção e não devem ser interpretadas como limitante do escopo da invenção de qualquer maneira. Além disso, as Figuras não estão necessariamente em escala, alguns recursos podem ser exagerados para mostrar detalhes de componentes particulares. Portanto, detalhes estruturais e funcionais específicos divulgados no presente documento não devem ser interpretados como limitativos, mas apenas como uma base representativa para ensinar um especialista na técnica a empregar variavelmente a presente invenção.
[00025] Conforme usado no presente documento, os termos "compreende", "que compreende", "inclui", "que inclui", "tem", "que tem" ou qualquer outra variação do mesmo, destinam-se a cobrir uma inclusão não exclusiva. Por exemplo, um processo, método, artigo ou aparelho que compreende uma lista de elementos não está necessariamente limitado a apenas esses elementos, mas pode incluir outros elementos não expressamente listados ou inerentes a tal processo, método, artigo ou aparelho. Além disso, o uso de "um" ou "uma" é empregado para descrever elementos e componentes descritos no presente documento. Isso é feito apenas por conveniência e para dar uma noção geral do escopo da invenção. Essa descrição deve ser lida para incluir um ou pelo menos um e o singular também inclui o plural, a menos que seja óbvio que se entenda do contrário.
[00026] Certas modalidades exemplificativas da presente invenção são descritas no presente documento e são ilustradas nas Figuras anexas. As modalidades descritas são apenas para fins de ilustração da presente invenção e não devem ser interpretadas como limitativas do escopo da invenção. Outras modalidades da invenção, e certas modificações, combinações e melhoramentos das modalidades descritas, irão ocorrer aos especialistas na técnica e todas essas modalidades alternativas, combinações, modificações, melhoramentos estão no escopo da presente invenção.
[00027] Um sistema de eliminação de névoa exemplificativo de acordo com modalidades dessa invenção é configurado para controlar a perda de meio condutivo ionicamente líquido, como um eletrólito, da célula eletroquímica, que pode estar na forma de uma névoa ou gás de célula ou vapor. Um sistema de eliminação de névoa pode compreender um respiro de segurança, chicana ou válvula, um filtro, um catalisador de recombinação de hidrogênio, um neutralizador e um filtro hidrofóbico ou qualquer combinação dos mesmos, por exemplo. Um sistema de eliminação de névoa exemplificativo de acordo com modalidades dessa invenção, evita ou substancialmente evita vazamentos de um meio condutivo ionicamente líquido, ou eletrólito no caso de uma virada da célula, e conserva a umidade drenando-se a umidade capturada bem como a água quimicamente formada de volta para a célula.
[00028] Em uma modalidade exemplificativa, um sistema de eliminação de névoa compreende um dispositivo de prevenção de derramamento, como um respiro de segurança, chicana ou válvula, para evitar ou substancialmente evitar que o líquido vaze da célula no caso de uma virada. Em uma modalidade exemplificativa, uma válvula de segurança inclui um batente esférico que é livre para se mover no interior de um conduto que tem um apoio de vedação em pelo menos no lado a jusante da válvula, pelo qual se a célula estiver virada, o meio líquido no mesmo fluxo no conduto e forçar a parada esférica contra o apoio esférico e, assim, tampar e parar (ou substancialmente parar) o fluxo de líquido da célula. No entanto, sob operação normal, o ar flui ao redor da parada esférica para o respiro da célula. Em outra modalidade exemplificativa, um respiro que tem um conduto de trajetória tortuosa evita ou substancialmente evita que o eletrólito líquido vaze diretamente da célula para o filtro. O respiro de segurança pode compreender um conduto que enrola ou de outro modo atravessa para evitar (ou substancialmente evitar) e reduzir qualquer cabeça hidrostática no filtro e restante do sistema de eliminação de névoa no caso de uma virada, em que a célula cai e eletrólito líquido está em contato direto com o respiro de segurança. Em uma modalidade, um sistema de eliminação de névoa exemplificativo, ou um dispositivo de prevenção de derramamento de um sistema de eliminação de névoa, pode ser fechado e vedado durante o transporte, tal como sendo tapado ou de outro modo coberto e vedado. Uma válvula de alívio de pressão pode ser configurada para liberar a pressão de dentro da célula durante o transporte, bem como durante a operação, e pode ser configurada para abrir quando a pressão no interior da célula exceder um valor limite.
[00029] Um sistema de eliminação de névoa exemplificativo de acordo com modalidades dessa invenção compreende um filtro, que pode ser configurado a jusante do respiro de segurança e pode compreender um meio filtrante não tecido ou tecido, ou membrana. Em uma modalidade exemplificativa, o filtro é um filtro côncavo conforme descrito na Patente Número U.S. 9.269.998, por Fluidic Inc., expedida em 23 de fevereiro de 2016 e intitulada Concave Gas Vent For Electrochemical Cell; cuja totalidade é incorporada no presente documento a título de referência. Um filtro exemplificativo compreende uma porção de corpo de filtro compreendida por pelo menos uma camada de modo a absorver uma porção do líquido ou névoa ionicamente condutivo. A porção de corpo é formada em um formato côncavo com um ápice posicionado em direção ao topo da célula em sua orientação vertical, e com as superfícies do corpo que se estendem para baixo a partir do ápice de modo a drenar o meio condutivo ionicamente absorvido de volta para a câmara interna. A porção de corpo contém poros de modo a permitir a permeação do gás através do mesmo. O filtro pode ser altamente eficiente na remoção de névoa e vapor que passa através do respiro de segurança, como mais de 80% de eficiência, mais de 90% de eficiência, mais de 95% de eficiência, mais de 99% de eficiência e qualquer faixa entre e que inclui os valores de eficiência fornecidos.
[00030] Em uma modalidade, a camada de filtro pode ser pelo menos parcialmente hidrofóbica, o que pode facilitar a coalescência e a drenagem de gotículas de líquido conforme discutido anteriormente. Como um exemplo não limitativo, a camada de filtro pode compreender um feltro de polipropileno. Tal material pode ser uma tela não uniforme de fibras aleatórias formadas por perfuração por agulhagem, de acordo com termos conhecidos nas artes têxteis. Em várias modalidades, o material de filtro pode estar em formato de feltro (isto é, flexível) ou pode ser sinterizado para formar uma camada porosa rígida, ou pode ser uma disposição desses materiais. A camada de filtro 85 pode compreender qualquer material adequado. Exemplos não limitativos desse material incluem, mas não estão limitados a: polipropileno, polietileno, poliésteres, fluoropolímeros, acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), e Noryl (isto é, éter polifenileno modificado), combinações e seus derivados. Em algumas modalidades, pelo menos uma porção do material pode ser modificada por tratamentos de superfície (por exemplo, que modifica a hidrofobicidade/capacidade hidrofílica). Em algumas modalidades, o filtro pode compreender espumas de metal porosas, que incluem, mas não se limitam a compreender metais como aço, aço inoxidável, bronze e cobre e pode, em algumas modalidades, ser revestido com uma camada de metal como níquel e suas ligas.
[00031] Um sistema de eliminação de névoa exemplificativo de acordo com modalidades dessa invenção compreende uma porção de recombinação de hidrogênio que compreende um catalisador de recombinação que reage com hidrogênio/oxigênio que pode ser formado a partir da autodescarga ou sobrecarga da célula. O catalisador de recombinação de hidrogênio pode ser qualquer catalisador adequado que reaja com hidrogênio para formar água na presença de oxigênio ou outro meio de sustentação. O catalisador de recombinação exemplificativo inclui, mas não limita a, perovskitas, espinelas, metal precioso à base de platina, paládio etc., MnO2, níquel ou uma combinação desses. Uma porção de recombinação exemplificativa pode ser configurada a jusante do dispositivo de prevenção de derramamento e o filtro para proteger o catalisador de recombinação a partir de exposição direta ao eletrólito líquido.
[00032] Um sistema de eliminação de névoa exemplificativo de acordo com modalidades dessa invenção compreende um neutralizador que reage com qualquer meio condutivo ionicamente líquido no gás que passa através do sistema de eliminação de névoa. Neutralizar, conforme usado no presente documento, significa reagir o meio condutivo ionicamente líquido, em fase de névoa ou de gás, com um meio de neutralização, produz produtos da reação que estão perto do pH neutro, como entre 4 e 10, e mais preferencialmente entre 5 e 9, e com mais preferência ainda entre 6 e 8, em algumas modalidades. Por exemplo, o meio de neutralização que compreende um ácido pode ser usado para reagir com qualquer eletrólito cáustico, como hidróxido de potássio, KOH. Um neutralizador pode compreender um ácido sólido ou um ácido sustentado em carbono ou outro meio de sustentação. Um ácido pode ser revestido em um carbono ou outro material de sustentação, por exemplo. Um neutralizador pode ser configurado com meio neutralizador granulado ou em pó e pode estar na forma de um leito recheado. O neutralizador pode ser configurado em um módulo neutralizador que é substituível, como o meio neutralizador será consumido na reação com o meio ionicamente condutivo e, portanto, exige reposição. Uma porção neutralizadora exemplificativa pode ser configurada a jusante do dispositivo de prevenção de derramamento, do filtro e da porção de recombinação. Um neutralizador exemplificativo pode compreender um ou mais dentre os seguintes ácidos: ácido cítrico, oxálico, carboxílico, sulfâmico, benzoico, bórico, sulfúrico, clorídrico e nítrico.
[00033] Um sistema de eliminação de névoa exemplificativo de acordo com modalidades dessa invenção compreende um filtro hidrofóbico que pode ser configurado na saída do sistema de eliminação de névoa, para ambos manterem qualquer líquido a partir de escapamento da célula através do filtro hidrofóbico e para evitar ou substancialmente evitar que água entre na célula a partir do ambiente. Um filtro hidrofóbico pode compreender um fluoropolímero, como uma membrana de fluoropolímero microporoso, uma membrana de fluoropolímero expandido como membrana de politetrafluoroetileno expandida (PTFE), uma membrana de polímero, espuma, meio tecido ou meio não tecido e similares. Um microporoso media ou membrana pode ter um tamanho médio de poro de fluxo, conforme medido por um porômetro de Coulter e/ou de acordo com ASTM F 316, Standard Test Methods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean Flow Pore Test, que é menor que cerca de 5 um, menor que cerca de 2 um, ou menor que 1 um. Essas membranas podem ser inerentemente hidrofóbicas ou podem compreender um revestimento hidrofóbico que reduz a energia de superfície do meio para evitar ou substancialmente evitar impregnação de água líquida.
[00034] Um sistema de eliminação de névoa de acordo com modalidades dessa invenção pode compreender múltiplas camadas de um ou mais elementos que incluem a chicana ou válvula de respiro, um filtro, um catalisador de recombinação de hidrogênio, um neutralizador e um filtro hidrofóbico, para garantir a eliminação de névoa e em alguns casos para fornecer um fator de segurança. Por exemplo, duas ou mais camadas de meio filtrante hidrofóbico pode ser incorporado no módulo de eliminação de névoa. Em outra modalidade, que toda pilha de compósito, ou porção do mesmo é replicado em uma camada separada.
[00035] Várias porções da célula eletroquímica 100 podem ser de qualquer estrutura ou composição adequada, que inclui, mas não limita a serem formadas a partir de plástico, metal, resina ou combinações do mesmo. Consequentemente, a célula 100 pode ser montada de qualquer maneira, que inclui ser formada a partir de uma pluralidade de elementos, que é integralmente moldada ou assim por diante. Em várias modalidades a célula 100 e/ou o alojamento 110 pode incluir elementos ou disposições a partir de uma ou mais das Patentes Números U.S. 8.168.337, 8.309.259, 8.491.763, 8.492.052, 8.659.268, 8.877.391, 8.895.197, 8.906.563, 8.911.910, 9.269.996, 9.269.998 e Publicações de Pedidos de Patentes Números U.S. 20100316935, 20110070506, 20110250512, 20120015264, 20120068667, 20120202127, 20120321969, 20130095393, 20130115523 e 20130115525, cada um dos quais é incorporado no presente documento a título de referência em sua totalidade.
[00036] A Figura 1 ilustra uma vista em corte transversal esquemática de uma célula eletroquímica 100. Conforme mostrado, os componentes da célula eletroquímica 100 podem ser contidos pelo menos parcialmente em um alojamento associado 110. A célula 100 utiliza um meio condutivo ionicamente líquido 124, como um eletrólito 126, que está contido no interior do alojamento 110 e é configurado para circular no mesmo para conduzir íons no interior da célula 100. Embora, por vezes, o meio ionicamente condutivo possa estar geralmente estacionário no interior do alojamento 110, como em uma zona estagnada, pode ser observado que a célula 100 possa ser configurada para criar um fluxo convectivo do meio ionicamente condutivo. Em algumas modalidades, o fluxo do meio ionicamente condutivo pode ser um fluxo convectivo gerado por bolhas de gás emitido na célula 100, como é descrito no Pedido de Patente Número de Série U.S. 13/532.374 incorporado acima em sua totalidade a título de referência. Essas bolhas podem criar uma névoa do meio condutivo ionicamente líquido que é transportado para um sistema de eliminação de névoa exemplificativo, conforme descrito no presente documento.
[00037] Embora na modalidade ilustrada da Figura 1, o alojamento de célula é configurado de modo que o eletrodo de redução de oxidante 150 seja imerso com o módulo de eletrodo de redução de oxidante 160 na câmara celular 120, pode ser observado que em várias modalidades, outras configurações ou disposições da célula 100 também são possíveis. Por exemplo, na Figura 2, outra modalidade da célula 100 (especificamente, célula 100*) é apresentada, pelo qual um eletrodo de redução de oxidante 150* define uma parede de contorno para a câmara celular 120 e é vedado para uma porção de um alojamento 110* de modo a evitar ou substancialmente evitar infiltração de meio ionicamente condutivo entre si. Tal configuração é geralmente não preferencial, no entanto, devido a se referir a uma falha do eletrodo de redução de oxidante 150* que resultaria em vazamento do meio ionicamente condutivo fora da célula 100*. Independentemente, em algumas modalidades, o fluxo convectivo do meio ionicamente condutivo na câmara celular 120, descrita em maior detalhe abaixo, pode estar em uma direção para cima e na direção oposta a partir do eletrodo de redução de oxidante 150*, sobre o topo do eletrodo de combustível 130.
[00038] Conforme mostrado da Figura 3, uma célula eletroquímica exemplificativa 100 compreende um alojamento 110 para reter um eletrólito líquido, uma entrada de ar 40 e um escape ou respiro 45. A célula eletroquímica também compreende terminais 44 para acoplar a uma carga e/ou fonte de alimentação. Uma cobertura 111 se estende sobre a célula.
[00039] Conforme mostrado da Figura 4, um sistema de eliminação de névoa 80 é configurado para reduzir e/ou eliminar névoa 128 que emite a partir da superfície do meio ionicamente condutivo 124, o eletrólito 126, no interior da câmara celular 120 devido a borbulhamento de gases para a superfície, e para evitar ou substancialmente evitar vazamento do eletrólito no caso de uma virada. O sistema de eliminação de névoa conserva umidade no interior da câmara interna 122 da célula eletroquímica 100 evitando-se ou substancialmente evitando-se escape da névoa 128 e através da reação de hidrogênio para produzir água. Também mostrado na Figura 4, é uma válvula de alívio de pressão 94, configurada para aliviar pressão a partir do interior da câmara celular 120 quando necessário, como quando a pressão no interior da câmara celular excede uma pressão limiar.
[00040] O sistema de eliminação de névoa compreende um dispositivo de prevenção de derramamento 82, um respiro de segurança 83, que está em comunicação com a câmara interna 122 do alojamento de célula 110 e, portanto, exposto ao meio ionicamente condutivo 124 e/ou ao espaço de gás acima. O respiro de segurança exemplificativo compreende uma conduta de trajetória tortuosa 99 que irá atrasar a transferência de qualquer eletrólito líquido para as porções a jusante do sistema de eliminação de névoa. Um conduto de trajetória tortuosa pode ser um conduto relativamente pequeno que enrola ou atravessa para frente e para trás para criar um comprimento de conduto estendido entre a abertura interior 95 e a abertura exterior 96.
[00041] Um filtro 85 é configurado a jusante do respiro de segurança e pode ser um filtro de formato côncavo que irá drenar o meio condutivo ionicamente absorvido de volta para a câmara de anôdo, conforme descrito na Patente Número U.S. 9.269.998, Concave Gas Vent For Electrochemical Cell, por Fluidic Inc, cuja totalidade é incorporada a título de referência no presente documento.
[00042] O sistema de eliminação de névoa exemplificativo compreende uma porção de recombinação de hidrogênio 86, com um catalisador de recombinação de hidrogênio 87 que reage com qualquer hidrogênio para formar água. O catalisador pode ser configurado em um material de sustentação, como partículas ou superfícies do sistema de eliminação de névoa que são expostas ao gás que sai do alojamento de célula a partir do espaço de ânodo. O ar pode entrar no sistema de eliminação de névoa através do filtro hidrofóbico para fornecer o oxigênio usado para a reação de recombinação de hidrogênio. Uma reação de corrosão parasítica no ânodo de metal, ou reação de redução de água, pode ocorrer na célula correspondente à equação Zn+2H2O- >Zn(OH)2+H2, ou reação semelhante que depende do tipo de metal usado em uma célula de metal ar. Embora esse gás de hidrogênio possa estar em uma quantidade muito menor do que o oxigênio em evolução, pode ser observado que a presença de hidrogênio dentro da célula 100 é geralmente indesejável. Além disso, é desejável reagir o gás hidrogênio a partir da corrente de escape da célula eletroquímica, tanto para evitar (ou substancialmente evitar) a saída de hidrogênio da célula quanto para regenerar a água perdida durante a reação de corrosão e retorna-la à célula.
[00043] O sistema de eliminação de névoa exemplificativo compreende uma porção neutralizadora 90 que compreende um meio neutralizador 91, como um componente ácido 92, configurado para neutralizar o meio ionicamente condutivo. Por exemplo, o meio ionicamente condutivo pode compreender uma solução de hidróxido de potássio que é cáustica, e um neutralizador pode ser um ácido ou ácido sólido combinado com um material de sustentação, como ácido incorporado e/ou carbono. O neutralizador é configurado para eliminar qualquer eletrólito reativo que possa ser exaurido da câmara de anôdo ou da câmara que contém o meio ionicamente condutivo que não é capturado pelo material do filtro de névoa 85. Um neutralizador pode compreender um absorvente que irá absorver e arrastar ou absorver e reagir com o meio ionicamente condutivo, tal como a sílica, ou uma peneira molecular. O neutralizador pode também compreender um material reativo como um ácido ou base sólidos ou um ácido ou base líquidos arrastados em um meio poroso como carbono ativado. Se o meio ionicamente condutivo é uma base, tal como o hidróxido de potássio, o neutralizador pode compreender um ou mais dentre os seguintes ácidos: ácido cítrico, oaxálico, carboxílico, sulfâmico, benzoico, bórico, sulfúrico, clorídrico e nítrico.
[00044] O sistema de eliminação de névoa 80 mostrado na Figura 4 também compreende um filtro hidrofóbico 98 que evita ou substancialmente evita que a umidade do exterior da célula entre na célula e pode evitar ou substancialmente evitar que qualquer líquido saia através do sistema de eliminação de névoa. O filtro hidrofóbico pode também ser côncavo ou em formato de redoma para facilitar a remoção do líquido da superfície exterior e para promover a remoção de qualquer condensação na superfície interior.
[00045] A Figura 5 mostra um diagrama de blocos de um sistema de eliminação de névoa. Conforme mostrado, o hidróxido de potássio, (KOH), o oxigênio gás (O2), bem como o gás hidrogênio, (H2), pode entrar no sistema de eliminação de névoa. Um dispositivo de prevenção de derramamento como uma válvula de segurança, conforme mostrado, nas Figuras 6 e 7 evita ou substancialmente evita que o meio ionicamente condutivo líquido flua livremente para fora da câmara celular. A válvula de segurança evita ou substancialmente evita que o líquido saia da câmara da célula através da válvula de segurança no caso de uma virada, como a célula eletroquímica que é derrubada. A jusante da válvula de segurança existe um filtro para capturar qualquer névoa que possa passar pela válvula de segurança. A jusante do filtro está uma porção de recombinação que compreende um catalisador de recombinação que reage com o hidrogênio para formar água. O oxigênio pode estar disponível a partir do ambiente local para essa reação e pode entrar através do filtro hidrofóbico. A jusante da porção de recombinação está uma porção neutralizadora que reage com qualquer eletrólito remanescente, como KOH, para neutralizá-lo. O KOH é uma base e o meio neutralizante pode compreender um componente ácido que reage com essa base exemplificativa para o neutralizar, em que a reação produz produtos que não são ácidos ou básicos, que tem um pH entre 4 e 10, por exemplo, e de preferência, entre 5 e 9. No caso em que o eletrólito é um ácido, o meio neutralizador pode compreender uma base. A jusante da porção neutralizadora está um filtro hidrofóbico que evita ou substancialmente evita que a água do ambiente local entre no sistema de eliminação de névoa. O filtro hidrofóbico também pode evitar ou substancialmente evitar que o líquido, como eletrólito, escape através do sistema de eliminação de névoa. É para ser entendido que a porção neutralizadora e a porção de recombinação podem ser trocadas em termos de posição. Além disso, uma porção de recombinação pode ser configurada a montante do filtro e/ou válvula de virada em algumas modalidades. É preferencial proteger a porção de recombinação da exposição direta ao eletrólito líquido, no entanto, pode reduzir a vida e a eficácia do catalisador de recombinação.
[00046] Conforme mostrado nas Figuras 6 e 7, um dispositivo de prevenção de derramamento 82 é uma válvula de segurança 300 que tem uma esfera 302 configurada com um conduto 301 que flutua ou se move dentro do conduto para permitir que o gás passe em torno da esfera da entrada 305 para a saída 306. O fluxo de gás para cima e em volta da esfera pode levantar a esfera para permitir que o gás flua em torno da esfera, conforme mostrado na Figura 6. Quando um líquido entra na válvula de segurança, no entanto, conforme mostrado na Figura 7, o líquido vai forçar a esfera 302 contra o apoio de vedação 304 para evitar ou substancialmente evitar que o fluído saia da saída 306. Essa válvula de segurança é, portanto, autorreguladora e é uma válvula de prevenção de derramamento.
[00047] Conforme mostrado da Figura 8, um sistema de eliminação de névoa exemplificativo 80 compreende uma primeira pilha de eliminação de névoa 81 e uma segunda pilha de eliminação de névoa 81’. Uma pilha de eliminação de névoa compreende dois ou mais componentes de um sistema de eliminação de névoa, que incluem um dispositivo de prevenção de derramamento, uma porção de recombinação, um filtro, uma porção de neutralização e um filtro hidrofóbico. A primeira pilha de eliminação de névoa compreende uma porção de recombinação de hidrogênio 86, um dispositivo de prevenção de derramamento que compreende uma válvula de segurança 300, um filtro 85, uma porção neutralizadora 90 e um filtro hidrofóbico 98. Existe um intervalo ou espaço entre a primeira pilha de eliminação de névoa 81 e as segundas pilhas de eliminação de névoa 81’. A segunda pilha de eliminação de névoa 81’compreende uma porção de recombinação de hidrogênio 86, um filtro 85, uma porção neutralizadora 90 e um filtro hidrofóbico 98. O sistema de eliminação de névoa de duas camadas garante melhor que o escape da câmara celular tenha umidade reduzida e seja neutralizado. Deve ser observado que um sistema de eliminação de névoa pode ser construído com menos componentes. Por exemplo, em algumas modalidades, apenas um filtro 85 pode ser usado, ou apenas um neutralizador 90 pode ser usado. O número e o tipo de componentes de eliminação de névoa usados podem ser modificados com base na aplicação, uso e ambiente pretendido em que a célula eletroquímica será usada.
[00048] Conforme mostrado da Figura 9, uma válvula de segurança exemplificativa 300 tem uma esfera 302 no interior de um conduto 301 e um apoio de vedação 304 em uma extremidade a jusante do conduto. O fluido que condensa a jusante 308 da saída 306 fluirá através da abertura de saída, em torno do perímetro da esfera e através da entrada 305 de volta para a câmara celular, por baixo da válvula de segurança. Mais uma vez, a esfera será forçada contra o apoio de vedação 304 e evitará (ou substancialmente evitará) que o líquido vaze da câmara celular, caso a célula seja inclinada.
[00049] Conforme mostrado da Figura 10, uma válvula de segurança exemplificativa 300 tem um cilindro 311 para reter a esfera, não mostrado, e uma pluralidade de ranhuras 312, 312’ ou aberturas do interior do cilindro para o exterior da barreira para permitir que o líquido flua livremente do lado a jusante de volta para a câmara celular. As ranhuras mostradas se estendem ao longo de uma porção do comprimento do cilindro. Uma, duas ou mais ranhuras ou aberturas podem ser configuradas no cilindro para permitir que o líquido flua através das mesmas. O cilindro é um membro cilíndrico para reter a esfera e permitir que a esfera se mova para cima e para baixo ou ao longo do interior do cilindro, conforme necessário para a ventilação ou para vedar a válvula quando há uma virada.
[00050] Será evidente para aqueles versados na técnica que diversas modificações, combinações e variações podem ser realizadas na presente invenção sem se afastar do espírito ou do escopo da invenção. Modalidades, características e elementos descritos no presente documento podem ser modificados e/ou combinados em qualquer maneira adequada. Dessa forma, é intencionado que a divulgação presente cubra as modificações, combinações e variações dessa invenção contanto que venham dentro do escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.
Claims (18)
1. Célula eletroquímica caracterizada pelo fato de que compreende: um alojamento de célula que compreende: i) uma câmara de ar; ii) uma entrada de ar de câmara de ar; iii) uma saída de ar de câmara de ar; iv) uma câmara de eletrólito, um eletrólito líquido ionicamente condutivo na câmara de eletrólito, em que um espaço de gás é definido na câmara de eletrólito acima do eletrólito e tem um gás de célula; um eletrodo de redução de oxidante para reduzir um oxidante gasoso entre a câmara de ar e a câmara de eletrólito, um eletrodo de combustível que compreende um combustível de metal pelo menos parcialmente no interior da câmara de eletrólito; um sistema de eliminação de névoa configurado entre a câmara de eletrólito e um respiro de escape para separar o gás de célula a partir de uma névoa que compreende o eletrólito líquido ionicamente condutivo; em que o sistema de eliminação de névoa está configurado acima do volume de eletrólito líquido ionicamente condutivo; o sistema de eliminação de névoa compreendendo: um dispositivo de prevenção de derramamento; uma porção de recombinação de hidrogênio, que compreende um catalisador de recombinação de hidrogênio configurado para reagir com gás hidrogênio no interior do gás de célula e formar água; uma porção de corpo de filtro compreendida de pelo menos uma camada de meio filtrante para capturar a dita névoa; uma porção neutralizadora que compreende um meio neutralizador configurado para reagir com e neutralizar o eletrólito líquido ionicamente condutivo contido no interior da névoa; e em que a porção de corpo de filtro contém poros para permitir permeação do dito gás de célula através do mesmo, em que a porção neutralizadora é configurada a jusante da porção de recombinação de hidrogênio, da porção de corpo de filtro e do dispositivo de prevenção de derramamento.
2. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de prevenção de derramamento compreende um conduto de trajetória tortuosa, a partir de uma entrada para uma saída, para transferir gás de célula através do mesmo; em que a entrada de conduto de trajetória tortuosa está voltada para a câmara de eletrólito para receber gás de célula.
3. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de prevenção de derramamento compreende uma válvula de segurança.
4. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a válvula de segurança compreende uma esfera retida no interior de um conduto que tem um apoio de vedação em um lado a jusante, em que a esfera é pressionada contra o apoio de vedação para evitar passagem de líquido através da válvula de segurança quando líquido entra no conduto.
5. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a porção de corpo de filtro é formada em um formato côncavo com um ápice direcionado para cima na orientação vertical da célula e superfície de corpo que se estende para baixo a partir do dito ápice de modo a drenar o meio condutivo ionicamente absorvido de volta para a câmara de eletrólito.
6. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a água a partir da reação de hidrogênio com o catalisador de recombinação é introduzida de volta na célula através do dispositivo de prevenção de derramamento.
7. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o catalisador de recombinação de hidrogênio é selecionado a partir do grupo que consiste em: perovskitas, espinelas, metal precioso à base de platina, paládio, MnO2, níquel e uma combinação dos mesmos.
8. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a porção de recombinação de hidrogênio é configurada a jusante do dispositivo de prevenção de derramamento.
9. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o meio neutralizador compreende um componente ácido.
10. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o meio neutralizador compreende um componente ácido selecionado a partir do grupo que consiste em: ácido cítrico, oxálico, carboxílico, sulfâmico, benzoico, bórico, sulfúrico, clorídrico e nítrico.
11. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o meio neutralizador compreende um ácido sólido.
12. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sistema de eliminação de névoa compreende ainda um filtro hidrofóbico configurado a jusante da porção neutralizadora em uma extremidade de escape do sistema de eliminação de névoa.
13. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o filtro hidrofóbico compreende um meio filtrante de fluoropolímero.
14. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que o filtro hidrofóbico compreende um meio filtrante de fluoropolímero microporoso expandido.
15. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sistema de eliminação de névoa compreende uma primeira pilha de eliminação de névoa e uma segunda pilha de eliminação de névoa, em que cada uma dentre a primeira pilha de eliminação de névoa e a segunda pilha de eliminação de névoa compreende: a porção de recombinação de hidrogênio, a porção de corpo de filtro e a porção neutralizadora, em que cada porção de corpo de filtro contém poros para permitir permeação do dito gás de célula através do mesmo, em que cada porção neutralizadora é configurada a jusante da porção de recombinação de hidrogênio e a porção de corpo de filtro em sua respectiva pilha, e em que a segunda pilha de eliminação de névoa está empilhada sobre a primeira pilha de eliminação de névoa.
16. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de prevenção de derramamento compreende uma válvula de segurança que compreende: uma esfera retida no interior de um conduto; um apoio de vedação em um lado a jusante do dito conduto, em que a esfera é pressionada contra o apoio de vedação para evitar passagem de líquido através da válvula de segurança quando líquido entra no conduto; e em que o sistema de eliminação de névoa compreende ainda: um filtro hidrofóbico, em que o filtro hidrofóbico é configurado em uma extremidade de escape do sistema de eliminação de névoa; e em que o filtro hidrofóbico é configurado a jusante da porção neutralizadora e está em um exterior de um sistema de eliminação de névoa.
17. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sistema de eliminação de névoa compreende uma pilha que compreende a porção de recombinação de hidrogênio, a porção de corpo de filtro e a porção neutralizadora.
18. Célula eletroquímica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o eletrodo de combustível é posicionado afastado do eletrodo de redução de oxidante, definindo, assim, um intervalo, e em que o dito eletrólito líquido ionicamente condutivo está no intervalo.
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