ES2209912T3 - Celula de hidruros metalicos de niquel prismatica e inpermeable al gas. - Google Patents

Abstract

Célula de hidruros metálicos de níquel, cerrada de forma impermeable al gas, para la acumulación electroquímica de energía; con por lo menos un electrodo positivo de óxido de níquel y con por lo menos un electrodo negativo, que acumula el hidrógeno estando dispuesto, en este caso, entre el electrodo positivo y el electrodo negativo un separador hidrófilo; así como con un electrólito alcalino o con una mezcla electrolítica alcalina; célula ésta que está caracterizada porque En la sucesión entre si de varios electrodos positivos y negativos, cada segundo electrodo negativo está dividido en dos partes; así como Uno o bien varios electrodos negativos están provistos de un elemento de transporte - hidrófobo y permeable al gas - para el transporte del gas de la atmósfera de la célula.

Description

Célula de hidruros metálicos de níquel prismática e impermeable al gas.

La presente invención se refiere a una célula de hidruros metálicos de níquel - cerrada a prueba de gas para la acumulación electroquímica de energía, con por lo menos un electrodo positivo de óxido de níquel, que tiene un óxido metálico, y con por lo menos un electrodo negativo, que acumula el hidrógeno; en este caso, entre el electrodo positivo y el electrodo negativo está dispuesto un separador hidrófilo; así como con un electrólito alcalino o con una mezcla electrolítica alcalina.

Las baterías o los acumuladores para acumular la energía eléctrica en forma de energía química - que luego puede ser tomada en forma de energía eléctrica - ya son conocidos desde finales del siglo pasado. También hoy en día es usado todavía ampliamente el acumulador de plomo. En este acumulador, los electrodos o las placas están hechos de un material activo - que representa el acumulador de energía propiamente dicho - así como de un soporte de plomo (rejilla), en el cual está alojado el material activo. Aparte de estos acumuladores, también existen las baterías con unos electrólitos acuosos y alcalinos.

Todos estos elementos galvánicos se componen principalmente de los electrodos acumuladores de energía, con una polaridad positiva y otra negativa; del electrólito; del separador dispuestos entre los electrodos; del recipiente de célula o batería; como asimismo se compone de las partes inactivas de enlace con conductividad de corriente eléctrica como, por ejemplo, los conductores de entrada hacia y de salida desde los electrodos. De las mismas también forman parte el material de soporte; los terminales de descarga de la corriente; los polos; puentes de polos; los tornillos de polos; las arandelas y los empalmadores de polos. Dentro de una célula de hidruro metálico de níquel - la cual está cerrada a prueba de gas - los electrodos negativos y positivos están dispuestos - por ejemplo, dentro de una caja prismática o en forma de paralelepípedo - de una manera alternada entre si, y los mismos están separados por medio de un separador. A causa de un exceso de electrólito de libre movimiento - el que normalmente está ausente - los electrodos se encuentran en contacto con la atmósfera de la célula, es decir, con la cámara de gas de la célula. Los gases, que se producen durante la carga de la célula, entran en esta cámara de gas para reaccionar - en las fases de reposo de la célula - con los electrodos negativos. Para este fin, los gases han de entrar por difusión en los electrodos. Por ejemplo, el hidrógeno es incorporado otra vez en la rejilla de la aleación de acumulación de los electrodos negativos hasta que se haya producido un estado de equilibrio.

Unas células según lo indicado en el preámbulo de la reivindicación de patente 1) están descritas en las Patentes Europeas Núms. 0 460 424 B1 y 0 460 425 B1 así como en la Patente Alemana Núm. DE 39 29 306 C2.

Estas células tienen el problema de que, en las fases de reposo, no es posible ninguna compensación de carga en todos los electrodos negativos de la célula, y de que permanece una sobrepresión del hidrógeno y del oxígeno. Con el fin de conseguir una compensación de la carga, se necesitan sobre todo unos electrodos auxiliares o unos especiales electrodos de capas múltiples.

La Patente Europea Núm. 0 614 238 A1 revela un acumulador cerrado de manera impermeable al gas y sobre la base de hidruro de níquel con ánodos de hidróxido de níquel; con un separador hidrófilo entre el ánodo y el cátodo; con un electrólito alcalino y con un cátodo de soporte de metal esponjoso, que está recubierto de un material activo para la acumulación de hidrógeno. Este electrodo negativo está dividido en dos electrodos parciales, que están separados entre si mediante una estructura gruesa, de poros abiertos e impermeable al gas. Teniendo en cuenta que la mayor parte de los elementos de transporte hechos de material plástico, los cuales son empleados en la técnica de las baterías, no deben entrar en contacto, de ningún modo, con el electrólito, estos elementos tienen que ser tratados de forma separadas, sobre todo han de ser hidrofilizados, para tener un comportamiento adecuado.

La Patente Alemana Núm. DE 289 07 262 A1 revela una célula alcalina de níquel, que está cerrada a prueba de gas. El separador de la célula es impermeable al gas y, debido a las fuerzas capilares, el mismo está llenado del electrólito. Los electrodos negativos están provistos de un cuerpo difusor de gas, que es de unos poros abiertos y gruesos, como asimismo es impermeable al gas. Estos electrodos están hechos de unos metales esponjosos, de cuerpos de metal sinterizado o bien de fieltros. Según una forma de realización especial, resulta que por cada electrodo positivo están previstos dos electrodos negativos, que están equipados con un cuerpo difusor de gas. Este cuerpo difusor de gas se encuentra situado - en los dos electrodos negativos exteriores - entre el electrodo y la pared del recipiente.

La Patente Europea Núm. 0 416 244 A1 revela una célula secundaria que está cerrada de forma impermeable al gas y en la cual el electrodo negativo está unido - con conductividad eléctrica - con un electrodo auxiliar. Al borde de la célula se produce una relación de electrodos consistente en un electrodo positivo por dos electrodos negativos. En esta célula, el consumo de gas es efectuado por un electrodo auxiliar de dos partes, el cual está unido con el electrodo principal. Para esta finalidad, el electrodo auxiliar posee un recubrimiento de tres capas. La estructura básica consiste en un vellón de fibras de material plástico altamente poroso, que está provisto de dos capas. A través de la primera capa, este vellón hidrófobo adquiere una capa hidrófila. La tercera capa se compone de una capa catalíticamente activa, que está hecha de carbón activo, de negro de humo así como del material plástico PTFE (politetraflúoretileno).

Por consiguiente, la presente invención tiene el objeto de proporcionar una célula de la clase mencionada al principio, mediante la cual sea posible efectuar - con la menor inversión posible una compensación de carga en los electrodos negativos como, asimismo sea eliminada la sobrepresión.

De acuerdo con la presente invención, este objeto se consigue por medio de las características indicadas en la reivindicación de patente 1). Por consiguiente, según la presente invención está previsto que o uno o bien varios electrodos negativos estén provistos de un elemento de transporte - hidrófobo y permeable al gas - para el transporte de los gases de la atmósfera de la célula. Además, esta división en dos de los electrodos - con la simultánea bisección del espesor de los electrodos - permite en la fabricación de los electrodos un ahorro, tanto en volumen como en materia prima; en este caso, la eficiencia permanece, cuanto menos, a un nivel comparable al estado anterior.

Los gases de la atmósfera de la célula, concretamente el hidrógeno y el oxígeno, llenan estos elementos de transporte, y los mismos alcanzan los poros en los electrodos negativos, los cuales sólo están parcialmente llenos del electrólito. En estos puntos de oxígeno es reducido rápidamente, es decir, que el mismo entra en reacción con el hidrógeno, que existe en exceso, para formar el agua. El hidrógeno en forma de gas reacciona hasta llegar a un equilibrio termodinámico con la aleación de acumulación. De esta manera, en las fases de reposo, se consigue una compensación de la carga por todos los electrodos negativos de la célula, como asimismo es reducida la presión del gas. La célula incluso puede ser cambiada de polaridad teniendo en cuenta que el hidrógeno que ahora se desarrolla por el electrodo positivo - alcanza, a través de la fase de gas, los elementos de transporte y, por lo tanto, llega a los electrodos negativos para aquí ser oxidado. A través de una corriente de descarga - que fluye sin ningún límite de tiempo y de, por ejemplo, aproximadamente - 0,2 V de tensión celular - este fenómeno queda aprobado.

Unas convenientes ampliaciones de la forma de realización de la presente invención se pueden desprender de las reivindicaciones secundarias. Al tratarse de unas células de alta cargabilidad y con unos espesores de los electrodos por debajo de 0,5 mm. es así que, de forma preferente, los electrodos negativos exteriores se encuentran flanqueados por un elemento de transporte. Por consiguiente, los procesos de la compensación, que se acaban de describir, se desarrollan de una manera relativamente lenta.

En las células con un electrodo más grueso, resulta conveniente si uno o bien varios electros negativos sean divididos en dos partes; en este caso, las dos partes están separadas entre si por medio de un elemento de transporte hidrófobo y permeable al gas. Gracias a ello, los antes descritos procesos de la compensación tienen lugar de una manera relativamente rápida.

En la sucesión entre sí de varios electrodos positivos y negativos, con preferencia es así que cada segundo electrodo negativo está dividido en dos partes. Las dos partes del dividido electrodo negativo tienen, de forma preferente, la mitad de espesor, es decir, que tienen la mitad de la capacidad de un electrodo negativo no dividido.

El elemento de transporte está constituido, por ejemplo, por una capa de vellón que es repelente del electrólito.

Los electrodos positivos son, por ejemplo, unos electrodos de óxido de níquel, preferentemente unos electrodos con un armazón de estructura de fibras, mientras que los electrodos negativos son unos electrodos que acumulan el hidrógeno. Los separadores están hechos, de forma preferente, de un vellón de fibras de poliamida o de un vellón de fibras de un polipropileno hidrófilo.

Una preferida forma para la realización de la célula según la presente invención está indicada, de una manera esquematizada, en la única Figura 1. La célula 1 posee una carcasa prismática 2 con un polo positivo 3 y con un polo negativo 4. Dentro de la carcasa 1 están dispuestos los electrodos positivos 5 de óxido de níquel y los electrodos negativos, 6a y 6b, hechos de una aleación para la acumulación de hidrógeno; electrodos éstos que están separados entre sí por medio de un respectivo separador 7. Todos estos electrodos se encuentran en comunicación con la cámara de gas 8. Cada segundo electrodo negativo 6b se compone de dos electrodos parciales, 10 y 11, que son de cada uno de la mitad de un electrodo entero y que están separados entre si a través de un elemento de transporte 12, que es permeable al gas, y tiene la forma de una capa de vellón hidrófoba.

De manera preferente, el electrodo negativo está equipado con un compensador hidrófobo/hidrófilo de un ajuste especial. A este efecto, la masa activa puede ser obtenida de una pasta, que se compone de una parte proporcional seca y de una parte proporcional líquida. La parte proporcional seca comprende - aparte del material plástico PTFE y de una aleación de acumulación de hidrógeno - también el negro de humo, mientras que la parte proporcional líquida contiene el agua y un alcohol con 3 hasta 6 átomos de carbono; en este caso, las partículas de la aleación de acumulación están recubiertas con el PTFE en forma de unas fibras microscópicas.

El aditivo del negro de humo es importante para la propiedad de elaboración de la mezcla. Gracias a la adición del negro de humo, la mezcla se hace pastosa y adquiere ciertas propiedades de deslizamiento. Por el interior del electrodo, el negro de humo favorece el establecimiento de un contacto eléctrico dentro de una gama micrométrica (hasta aproximadamente 500 micra), es decir, el mismo puentea las distancias y proporciona el contacto eléctrico entre las aberturas o los poros del material de soporte. Estas distancias o aberturas, con un tamaño de hasta 500 micra, no pueden ser puenteadas las partículas dentro de la pasta ni por la masa activa que es obtenida de la misma, habida cuenta de que éstas últimas tienen, por regla general, un diámetro de tan sólo 10 hasta 100 micra, aproximadamente. Además, este negro de humo ocupa - como barrera para el oxígeno - de la protección de la aleación de acumulación, que es sensible al oxígeno. El material plástico, PTFE es responsable de las propiedades hidrófobas del electrodo, y el mismo hace posible la regulación del límite trifásico. Dentro de los poros - que están humedecidos sólo en parte - tienen lugar la reducción del oxígeno así como la absorción y la desorción del hidrógeno dentro de la célula en funcionamiento. El material plástico PTFE se ocupa, además, de la deslizabilidad y de la cohesión de la pasta en los procesos de la mezcla y de la conformación. El alcohol es, a su vez, importante para una humectación temporal del polvo de PTFE dado que, de no estar previsto, no tendría lugar ninguna distribución mediante la formación de las fibras microscópicas.

El procedimiento para la fabricación del electrodo según la presente invención es muy sencillo. Los componentes son mezclados, dentro de un mezclador, hasta que se obtenga una pasta coherente. Esta pasta es moldeada y es unida con el material de soporte metálico (como, por ejemplo, un metal estirado; las mallas, rejillas, o chapas perforadas) del electrodo. Aquí se trata de una conducción de proceso que es extraordinariamente sencilla.

Gracias al electrodo según la presente invención ya no hace falta emplear para los convencionales electrodos de acumulación - que están ligados con un material plástico - una dispersión de PTFE con un elevado contenido en agentes humectantes que, debido a su descomposición a unas temperaturas más elevadas (300 grados C.), han de ser eliminados, lo cual es perjudicial para la aleación de acumulación.

En la parte proporcional seca están contenidas de 85 a 95 partes de la aleación de acumulación; de 2 a 10 partes de negro de humo; así como de 3 a 8 partes de PTFE. En la parte proporcional líquida están contenidas de 30 a 70 partes volumétricas de agua así como de 70 a 30 partes volumétricas de alcohol. En este caso, están especialmente apropiados los alcoholes con un punto de ebullición del orden de 100 grados C. como, por ejemplo, el n-butanol o el n-propanol.

Además, la parte proporcional líquida también puede comprender el polietilenglicol. A causa de la parte componente del PTFE, el electrodo - conformado de acabado - solamente puede ser humectado por la sosa con grandes dificultades. Por consiguiente, y con el objeto de conseguir una suficiente absorción del electrólito, en conjunto con el agua inicial puede ser aportado también un polietilenglicol. La parte proporcional del polietilenglicol es de un 0,05 hasta un 0,2% (en relación con la parte proporcional seca). De forma preferente es empleado un polietilenglicol con un peso molecular entre 10^{5} y 5x10^{6} grs/mol. Como alcoholes se emplean con preferencia el n-propanol o el n-butanol. La relación entre las partes proporcionales secas y las partes proporcionales líquidas es - en función del contenido en negro de humo - entre 4:1 y 6:1 sobre la base de la masa.

El electrodo según la presente invención es empleado preferentemente dentro de un acumulador alcalino con un electrodo positivo de óxido de níquel.

La fabricación del electrodo de la presente invención es llevada a efecto por laminarse una masa pastosa sobre un soporte metálico con cierta estructura como, por ejemplo, un metal estirado o una red de rejilla. En una primera fase de fabricación, la pasta es prefabricada mediante un proceso de mezcla y amasado. Las partes componentes sólidas y líquidas son mezcladas - hasta producirse una pasta coherente - dentro de un amasador como, por ejemplo, un robusto amasador de uso doméstico. En este caso, las partículas del material plástico PTFE constituyen - a causa de los granos duros de enlace - unas fibras microscópicas, que mantienen esta pasta unida. La conformación de la pasta para obtener el electrodo es efectuada mediante un laminado manual o bien en un tren de laminado. A este efecto, o se produce un paño que, al término de su secado, es unido con el soporte o bien la pasta es aplicada directamente sobre el soporte para luego ser secado.

Claims (12)

1. Célula de hidruros metálicos de níquel, cerrada de forma impermeable al gas, para la acumulación electroquímica de energía; con por lo menos un electrodo positivo de óxido de níquel y con por lo menos un electrodo negativo, que acumula el hidrógeno estando dispuesto, en este caso, entre el electrodo positivo y el electrodo negativo un separador hidrófilo; así como con un electrólito alcalino o con una mezcla electrolítica alcalina; célula ésta que está caracterizada porque

* En la sucesión entre si de varios electrodos positivos y negativos, cada segundo electrodo negativo está dividido en dos partes; así como

* Uno o bien varios electrodos negativos están provistos de un elemento de transporte - hidrófobo y permeable al gas - para el transporte del gas de la atmósfera de la célula.

2. Célula conforme a la reivindicación 1) y caracterizada porque los electrodos negativos exteriores de un paquete de electrodos - consistente en los electrodos n positivos y en los electrodos n+1 negativos - se encuentran flanqueados por un respectivo elemento de transporte.

3. Célula conforme a la reivindicación 1) y caracterizada porque uno o bien varios electrodos negativos están divididos en dos partes; en este caso, las dos partes están separadas entre si por medio de un elemento de transporte, que es hidrófobo y permeable al gas.

4. Célula conforme a la reivindicación 1) y caracterizada porque las partes del dividido electrodo negativo tienen la mitad del espesor o la mitad de la capacidad de los electrodos negativos no divididos.

5. Célula conforme a una de las reivindicaciones anteriormente indicadas y caracterizada porque el elemento de transporte está constituido por una capa de vellón hidrófoba hecha, de forma preferente, de unas fibras de polipropileno que repelen el electrólito.

6. Célula conforme a una las reivindicaciones anteriormente indicadas y caracterizada porque los electrodos positivos son unos electrodos con un armazón de estructura de fibras.

7. Célula conforme a una de las reivindicaciones anteriormente indicadas y caracterizada porque los separadores se componen de un vellón de fibras de poliamida o de un vellón de fibras de polipropileno hidrófilas.

8. Célula conforme a una de las reivindicaciones anteriormente indicadas y caracterizada porque la misma posee un electrodo con capacidad de acumulación para el hidrógeno; con un material de soporte metálico, sobre el cual es aplicada la masa activa; a este efecto, la masa activa puede ser obtenida de una pasta, que se compone de una parte proporcional seca y de una parte proporcional líquida; en este caso, la parte proporcional seca se compone de la mezcla de una aleación de acumulación - en forma de polvo - para el hidrógeno, y se compone de negro de humo y de politetraflúoretileno (PTFE), estando las partículas de la aleación de acumulación recubiertas de unas fibras microscópicas del material plástico PTFE, mientras que esta parte proporcional líquida se compone de una mezcla de agua y de un alcohol con 3 hasta 6 átomos de carbono.

9. Célula conforme a la reivindicación 8) y caracterizada porque en la parte proporcional seca están contenidas de 85 hasta 95 partes de la aleación de acumulación para el hidrógeno; de 2 hasta 10 partes del negro de humo; así como de 3 hasta 8 partes del material plástico PTFE.

10. Célula conforme a la reivindicación 9) y caracterizada porque en la parte proporcional líquida están contenidas de 30 hasta 70 partes volumétricas de agua y de 70 hasta 30 partes volumétricas de alcohol así como de un 0,05 hasta un 0,2% (en relación con la parte proporcional seca) de polietilenglicol (PEG).

11. Célula conforme a una de las reivindicaciones 9) hasta 10) y caracterizada porque en la parte proporcional líquida está contenido, además, el polietilenglicol (PEG).

12. Célula conforme a una de las reivindicaciones 9) hasta 11) y caracterizada porque la relación de masas entre la parte proporcional seca y la parte proporcional líquida es desde 4:1 hasta 6:1.