MXPA01002190A - Reactorm electroquimico bipolar de caldas multiples, separado por membranas. - Google Patents

Abstract

Un ensamble de celdas multiples es constituido apilando alternativamente dos tipos de elemento previamente ensamblado: un subensamble sujetador de electrodo bipolar y un subensamble sujetador de membrana. La pila alterna de elemento es apilada sobre un elemento del extremo del fondo, y la pila es terminada colocando sobre el ultimo elemento sujetador de membrana un elemento de electrodo del extremo superior. Cada elemento de sujecion del electrodo de placa bipolar y cada elemento sujetador separador de la membrana de intercambio de iones incluye una pieza de estructura rectangular substancialmente similar hecha de un material quimicamente resistente y no conductor electricamente, generalmente de material plastico moldeado que tiene en su cara superior (ensamble) ranuras de medios de empaque del tipo de empaque receptor de tipo de anillo "o" que tiene una porcion de brida interior (19) escalonada de una primera cara plana y una contrabrida de retencion no conductora electricamente (4), (15), y que tiene agujeros y escalones en localizaciones coordinadas colocadas a lo largo de dos lados opuestos de la formacion de la estructura rectangular a la terminacion del ensamble ductos para separar la circulacion del electrodo negativo y del electrodo positivo a traves de todas las camaras de flujo de electrodo negativo y todas las camaras de flujo de electrodo positivo respectivamente en cascada. El reactor bipolar no tiene distribuidores de entrada y salida para los dos electrolitos, el flujo de los electrolitos a traves de las camaras de flujo respectivas en una trayectoria de zigzag, que es esencialmente en una modalidad de serie o cascada hidraulica. Preferentemente se definen dos ordenes de canales de flujo paralelos en los electrodos de fieltro. Cada orden define un canal de trabajo de distribucion de flujo en forma de peine cuyos dedos paralelos se intercalan con los canales de dedo del otro orden.

Description

REACTOR ELECTROQUÍMICO BIPOLAR DE CELDAS MÚLTIPLES, SEPARADO POR MEMBRANAS Campo de la Invención. La presente invención se refiere a reactores electroquímicos para realizar reacciones de reducción y oxidación en electrolitos líquidos positivo y negativo respectivos, sin evolución de gas en los electrodos. Más específicamente la presente invención se refiere a un reactor electroquímico de celdas múltiples separado por membranas para implementar un sistema de batería de flujo redox.

Antecedentes del Invento. Los sistemas de batería de flujo redox están atrayendo un interés creciente como sistemas eficientes de conversión de energía. Entre los candidatos de los pares redox, el más preferido es el sistema redox de vanadio. Estructuralmente, los reactores electroquímicos que han sido propuestos para los sistemas de batería redox, han sido derivados de las estructuras del reactor electroquímico desarrolladas por procesos generales de electrólisis, teniendo una sola adaptación con respecto a los materiales empleados como electrodos.

Generalmente, los reactores electroquímicos usados para las baterías redox están compuestos convencionalmente de una pila de elementos de electrodo de placa bipolar separada por membranas de intercambio de iones, definiendo una cámara de flujo de electrolito positivo por un lado de cada membrana y una cámara de flujo de electrolito negativo en el lado opuesto de la misma. La pila de elementos bipolares es ensamblada junta en una distribución de filtro-paso entre dos elementos de electrodo del extremo. Generalmente, los elementos tienen una estructura provista con agujeros que la atraviesan coordinados que forman distribuidores de entrada y salida para los dos electrolitos que son circulados de una manera paralela a través de las cámaras de flujo del electrolito positivo y las cámaras de flujo del electrolito negativo respectivamente . Los elementos están montados y operados convencionalmente en una posición vertical . El ensamble de una cantidad grande de elementos bipolares en serie eléctrica tal y como lo requieren las baterías redox para alcanzar un voltaje adecuado en los dos extremos de la batería, la colocación de innumerables empaques para sellar el perímetro exterior de cada cámara de flujo del electrolito y el perímetro de los diferentes agujeros de las estructuras para definir los distribuidores de entrada y salida para los dos electrolitos y el apretado final del ensamble de prensa filtro mediante varillas de sujeción que comprende dos elementos de extremo sobre la pila, son operaciones extremadamente delicadas y que consumen tiempo por lo que requieren de técnicos particularmente capacitados. El flujo paralelo de los dos electrolitos a través de las cámaras de flujo respectivas implica un problema serio en términos de mínimización de las corrientes eléctricas llamadas de dispersión o desviación en venas de líquidos de electrolitos ininterrumpidos, debido al hecho de que el electrolito presente en los distribuidores ofrece innumeradas trayectorias para estas corrientes de derivación o dispersión, operadas por diferencias de voltaje mutuas que existen entre los diferentes elementos bipolares que funcionan en serie eléctrica entre los dos electrolitos del extremo sobre los cuales existe una diferencia de voltaje de la batería completa. Las corrientes de derivación o dispersión disminuyen la eficiencia de la energía del sistema de conversión, pero de una manera más seria ellos causan severos fenómenos de corrosión en las partes conductoras (por ejemplo: carbones) debido a los voltajes extremadamente altos de las medias celdas en la superficie del conductor.

Por otra parte, el sistema redox requiere índices del flujo del electrolito que son insignificantes a través de las cámaras de flujo del reactor con el objeto de mantener las condiciones de reacción óptimas de la media celda en los electrodos y este requerimiento puede implicar la necesidad de operar el reactor electroquímico bipolar en una presión positiva relativamente alta. A diferencia de los procesos electroquímicos convencionales, se tiene la intención de utilizar también los sistemas de batería de flujo redox en vehículos no contaminantes y en proporciones de energía/peso como un parámetro importante.

Sumario de la Invención. Un objetivo principal de la presente invención es proporcionar un reactor electroquímico bipolar de celdas múltiples, separado por membranas para las reacciones de reducción y oxidación de media celda en electrolitos positivos y negativos respectivos, sin evolución de gas, con una arquitectura que hace más fácil su ensamble permitiendo apilar horizontalmente elementos previamente ensamblados por completo, uno encima del otro, y adecuado para ser operado en la misma orientación horizontal que los elementos bipolares.

De acuerdo con un aspecto fundamental de la arquitectura nueva de la presente invención, el ensamble de celdas múltiples está constituido por el apilado alternativo de dos tipos de elementos previamente ensamblados siendo uno un subensamble de sujeción del electrodo bipolar y el otro un subensamble de sujeción de una membrana . Por supuesto, la pila alternativa de elementos está formada sobre el elemento del extremo del fondo y la pila es terminada colocando sobre el último elemento de sujeción de membrana un elemento superior del electrodo del extremo. Los dos elementos de electrodo del extremo entonces son comprimidos sobre la pila apretando una pluralidad de varillas de sujeción acomodadas de manera convencional alrededor del perímetro de los elementos apilados, de acuerdo con una práctica común para apretar una pila de filtro presión en una manera de sello hidráulico en virtud de los empaques instalados de manera operativa entre las caras de acoplamiento de las estructuras de los diferentes elementos. De acuerdo con un aspecto esencial de la arquitectura de la presente invención, cada uno de los elementos de placa de sujeción del electrodo bipolar y cada uno de los elementos de sujeción del separador de membrana del intercambiador de calor incluye una pieza de estructura rectangular substancialmente similar, hecho de un material químico resistente y no conductor eléctricamente, generalmente de plástico moldeado, que tiene en su cara superior (ensamble) , ranuras para recibir medios de empaque tipo anillo "O" y que tienen agujeros y escalones en lugares coordinados colocados a lo largo de los dos extremos opuestos de la formación de la estructura rectangular, al terminar el ensamble, los ductos para la circulación separada del electrolito negativo y el electrolito positivo a través de todas las cámaras de flujo del electrolito negativo y todas las cámaras de flujo del electrolito positivo respectivamente, en cascada. El electrolito negativo entra a lo largo de un primer lado de la cámara de flujo del electrolito negativo, fluye a través de la cámara hacia el lado opuesto o segundo lado del mismo, sale de la cámara, fluye a través de los agujeros coordinados a través de la estructura que sujeta el electrodo y a través de la estructura que sujeta al siguiente separador de membrana, alcanzando el nivel de la siguiente cámara de flujo del electrolito negativo y entra en ella por el mismo segundo lado a través del cual salió de la cámara de flujo del electrolito negativo anterior y sale de esta siguiente cámara de flujo del electrolito negativo del mismo lado que entro a la cámara de flujo del electrolito negativo anterior, para fluir a través de los agujeros coordinados a través del siguiente par de estructuras a los niveles de la siguiente cámara de flujo de electrolito negativo y así sucesivamente. La misma trayectoria de flujo está acomodada también para el electrolito positivo, ya sea en una modalidad "contracorriente" o "de acuerdo a la corriente" a través de la batería. En la práctica, el reactor electroquímico bipolar no tiene distribuidores de entrada y salida para los dos electrolitos, por el contrario, los electrolitos fluyen a través de las cámaras de flujo respectivas en una trayectoria de zigzag, que está en una modalidad esencialmente de serie o cascada hidráulica en vez de en una modalidad paralela hidráulica. De este modo, la corriente de derivación solamente puede ser "conducida" por una diferencia de voltaje de aproximadamente el voltaje de una celda y se convierte prácticamente insignificante y sobre todo no causa corrosión alguna en las partes de conducción. Los dos tipos de elementos previamente ensamblados están "conectados" coordinadamente para evitar cualquier error a la hora de apilarlos correctamente de manera alternativa uno sobre el otro y con una orientación correcta y una alineación mutua perfecta para componer la batería bipolar.

Aparte de estos pernos y sockets en forma de cuña adecuada y de la colocación de los agujeros y de las porciones ranuradas de comunicación con las cámaras de flujo, la estructura de plástico moldeada es substancialmente idéntica para ambos tipos de elementos. Esencialmente, cada una de las estructuras tiene una porción de brida interior, descansa desde la cara del fondo (ensamble) de la estructura, que es la cara opuesta a la que está provista con las ranuras para acomodar los empaques de anillo "O" alrededor de los agujeros de los ductos de paso del electrolito y alrededor del perímetro del sello exterior de la cámara. Durante el ensamble previo de los dos tipos de elementos, en esta porción de brida interior es acomodada una porción del extremo del perímetro con un extremo relativamente angosto ya sea del electrodo de placa bipolar, o de un separador de membrana de intercambio de iones . Los dos tipos de estructura pueden estar hechos de manera conveniente de un color diferente o tonalidad para el reconocimiento fácil el cual está destinado para acomodar el electrodo de la placa bipolar o una membrana de intercambio de iones . La cara de la porción de la brida sobre la cual es colocado el separador de membrana de intercambio de iones o el electrodo de la placa bipolar, tiene una pluralidad de pernos de retención separados ordenadamente que se proyectan desde la superficie de la brida. Los electrodos de la placa y los separadores de la membrana de intercambio de iones son diferentes uno del otro, provistos con agujeros coordinados a través de los cuales pasan los pernos de retención de la estructura respectiva . Una contrabrida de retención de un material resistente químico y no conductor eléctricamente, generalmente del mismo material y color del tipo de estructura respectiva, también tiene un número de agujeros coordinados con las posiciones de los pernos de retención y está montado de manera funcional sobre la porción del perímetro del electrodo de placa o del separador de membrana a cualquiera que pertenezca al tipo particular de estructura, colocado sobre la porción de brida escalonada de la estructura. La contrabirda de retención es fijada en su posición, aplanando las porciones que sobresalgan de los pernos de retención con una herramienta caliente, fijando de este modo el electrodo de la placa bipolar o el separador de la membrana de intercambio de iones en la ventana central de la estructura respectiva de manera permanente. La forma rectangular de las ventanas de la estructura, dentro de las cuales, las membranas y los electrodos de placa bipolar del corte y tamaño están encajados, minimiza cualquier desperdicio de material valioso de la membrana o de la placa bipolar. Un encaje hermético de la contrabrída sella de manera efectiva el contorno de la membrana o de la placa bipolar evitando que los electrolitos sean intermezclados reduciendo el número de empaques. Opcionalmente se pueden utilizar empaques separadores cuando sea necesario, por ejemplo, para montar una membrana particularmente delgada. Esta distribución permite voltear los elementos previamente ensamblados de este modo sin el riesgo de que el electrodo de placa bipolar o el separador de membrana de intercambio de iones encajados se puedan caer y por lo tanto permite disponer fácilmente de los empaques de anillo "O" en la cara opuesta (superior) de la estructura proporcionada de manera adecuada con ranuras de colocación.

Cada uno de los elementos previamente ensamblados de primer tipo, puede ser volteado, colocado en la parte superior de la pila y los empaques de anillos "O" pueden ser colocados en las ranuras respectivas antes de colocar el siguiente elemento previamente ensamblado del otro tipo en la parte superior listo para recibir los empaques de anillo "0" en el mismo y otro elemento previamente ensamblado del primer tipo y así sucesivamente hasta terminar la pila.

Las clavijas y los pernos de cuña además de obligar a un apilado alterno correcto y orientación de los elementos de electrodos bipolares y separadores de membrana previamente ensamblados, imponen también una orientación correcta en el plano de los elementos de modo que los agujeros y las porciones ranuradas coordinen unos con los otros realizando una trayectoria de flujo en serie de zigzag de los dos electrolitos. Preferentemente la pila de la batería está conformada de un número entero múltiple de bloques constituido cada uno por cuatro elementos acoplados alternativamente: dos elementos de membrana y dos elementos bipolares teniendo la batería un número igual de celdas. De este modo cada electrolito entrará y saldrá de la batería del mismo lado. Frecuentemente y más preferentemente, el electrodo consiste de un material poroso o material de fibras de carbón en continuidad eléctrica con una estructura del electrodo similar en la cara opuesta del electrodo de placa conductor bipolar para proporcionar una estructura del electrodo substancialmente tridimensional que tiene una área activa grande, que se extiende por una porción considerable dentro de la profundidad de la cámara de flujo del electrolito respectivo. Esta distribución, dictada por la necesidad de aumentar el índice permisible del proceso de reacción de media celda en el electrodo, contrasta con la necesidad de minimizar la corriente absorbida por el motor que opera las bombas de los dos electrolitos para hacerlos fluir a través de la pluralidad de cámaras de flujo respectivas en un rango de flujo adecuado. Este problema se agrava cuando pasan de un flujo paralelo del electrolito a través de todas las cámaras de flujo respectivas desde un distribuidor común de entrada para un distribuidor común de salida a un flujo de cascada de una cámara a la siguiente y así sucesivamente de un extremo al extremo opuesto de la pila. Aunque esta modalidad de flujo de cascada es extremadamente efectiva para eliminar cualesquiera problemas de corrosión debido a las corrientes de derivación, necesariamente implica una caída de presión aumentada a través de la batería de los dos electrolitos. De cuerdo con una característica opcional importante de la de arquitectura de la batería de la invención, útil en el caso de usar electrodos porosos tridimensionales que se extienden desde la placa bipolar impermeable conductora eléctricamente, esto aumenta de la caída de presión debido al uso de una trayectoria de flujo en serie o en cascada de los electrolitos a través de las pluralidades respectivas de cámaras de flujo cuando se usan electrodos de material poroso, que intervienen en las cámaras de flujo, es prácticamente eliminado mientras que reduce o elimina cualquier trayectoria residual o espacio de flujo no obstruido entre el electrodo poroso y el separador de la membrana de intercambio de iones la cual puede todavía ser colocada en contacto una con la otra para minimizar las pérdidas óhmicas en el electrolito líquido. Estas condiciones aparentemente contradictorias indudablemente se pueden realizar de acuerdo con la presente invención definiendo (cortando) , en el electrodo poroso dos ordenes de canales de flujo paralelo, extendiéndose todos los canales paralelos separados de cada orden desde un canal de base ortogonal común formado a lo largo del lado de entrada o salida respectivo de la cámara y termina antes de alcanzar el canal de base del otro orden. Cada orden define un flujo en forma de peine que distribuye el trabajo de los canales con dedos paralelos los cuales se intercalan con los dedos de los canales del otro orden. Prácticamente un trabajo de canal en forma de peine tiene su base o canal de distribución que opera a lo largo de un lado de la cámara que se comunica con el ducto de entrada del electrolito dentro de la cámara mientras que el otro trabajo de canal especular en forma de peine tiene sus canales de dedos paralelos intercalados con los canales de dedos paralelos del primer trabajo de canal y tiene su base o canal de distribución corriendo por el lado opuesto de la cámara que comunica con el ducto de salida del electrolito. Los canales de flujo de dedos intercalados o un orden, corre paralelo uno con el otro, terminando cada uno antes del canal básico de distribución del otro orden de canales de dedos paralelos intercalados. Por lo tanto, cada entrada o canal de flujo "fuente" esta separado de las dos salidas adyacentes, o canales de flujo "drenaje", por una tira de un cierto ancho del material del electrodo poroso tridimensional separando los canales paralelos que pudieran ser cortados en el mismo eventualmente. Los ordenes intercalados de los canales de flujo del electrolito de entrada y salida distribuyen de una manera uniforme el electrolito con una caída de presión reducida uniformemente por toda el área del electrodo de la cámara de flujo, proporcionando canales de distribución de flujo de toda la masa del electrodo poroso tridimensional. La caída de presión puede ser reacomodada dentro de un cierto margen, conociendo la caída de presión específica del electrolito a través del material del electrodo poroso tridimensional en un rango de flujo determinado, diseñando los dos ordenes de canales de flujo "fuente" y "drenaje" intercalados con una distancia apropiada de separación uno del otro.

Reduciendo además de una manera sobresaliente la caída de presión sufrida por el electrolito que fluye a través de las cámaras de flujo respectivas en serie desde un extremo al extremo opuesto de la batería, se ha descubierto, que esta distribución de los canales de "fuente" y "drenaje" intercalados, que se corta de manera adecuada a través del espesor del electrodo poroso tridimensional, aumenta de manera importante el funcionamiento electroquímico de la batería debido a una densidad de corriente distribuida de una manera bastante más equilibrada en toda el área de la celda de la batería. La presente invención se define de una manera más clara en las Reivindicaciones adjuntas.

Breve Descripción de los Dibujos. Las diferentes características y ventajas relacionadas con la arquitectura nueva de la batería electroquímica serán más evidentes a través de la siguiente .descripción de varias modalidades preferidas, y haciendo referencia a los dibujos que la acompañan, en donde: La Figura 1, es una vista esquemática de un elemento de membrana y un elemento de electrodo bipolar de acuerdo con una modalidad preferida; La Figura 2, es una vista fragmentaria detallada de un elemento de membrana volteado detallando el modo en que la membrana es encajada dentro de la ventana rectangular de la estructura; La Figura 3, es una vista fragmentaria detallada de un elemento de electrodo bipolar volteado detallando el modo en que la membrana es encajada dentro de la ventana rectangular de la estructura; La Figura 4, es una vista de planta de un elemento de electrodo de placa bipolar que utiliza estructuras de electrodo en la forma de un fieltro o material de carbón, de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención; La figura 5, es una sección transversal fragmentaria retrasada del electrodo de placa bipolar de las Figuras 1 y 3; La Figura 6, es una vista transversal tridimensional de una pila de batería ensamblada completamente.

Descripción Detallada de la Invención. Las Figuras 1, 2, 3, 4 y 5 ilustran una batería realizada de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención. La vista esquemática de la Figura 1, que representa dos tipos de los elementos previamente ensamblados, es decir un elemento de membrana y un elemento de placa de electrodo bipolar, proporciona una vista general explicativa de la arquitectura de la presente invención, de acuerdo con una modalidad preferida. La porción de la estructura 1M del elemento de membrana y la porción de la estructura 1E del elemento de electrodo bipolar son bajo muchos aspectos substancialmente similares. Ambas pueden ser de un material plástico moldeado tal como por ejemplo polipropileno, siendo empleados moldes diferentes para los dos tipos de estructuras 1E y 1M para implementar de manera adecuada los diferentes pernos y sockets de sujeción. De acuerdo con una modalidad más preferida, las estructuras plásticas moldeadas 1M y 1E definen una ventana interior rectangular, sin embargo, el perímetro exterior de la estructura no es rectangular sino que tiene una forma peculiarmente curva, determinada por el hecho de que cada uno de los lados de la estructura tienen un extremo exterior convexo haciendo que el ancho de la sección transversal de la estructura sea bastante más grande que la porción central de cada uno de los lados cercanos a las esquinas . Esta forma particular de la estructura optimiza la resistencia de peso contra estructura, en consideración de los requisitos de resistencia a la presión del electrolito. Indudablemente, el ensamble de batería completo es probado hidráulicamente para que resista una presión máxima del electrolito de hasta 5 atmósferas . Se ha descubierto que la forma convexa de los lados del cuerpo de la estructura responde mejor al requisito de resistencia a la flexión, reduciendo las concentraciones de esfuerzo y logrando una proporción de resistencia peso/presión más eficiente. En la vista esquemática de la Figura 1, las trayectorias de flujo del electrolito positivo y del electrolito negativo a través de las cámaras de flujo del electrolito positivo y el electrolito negativo respectivas están trazadas esquemáticamente por las líneas de flujo que ilustran los signos positivo (+) y negativo (-) respectivos . Las trayectorias de flujo del electrolito son mostradas, de acuerdo con la orientación de la formación de la pila de los elementos de la batería comenzando de un elemento terminal del fondo colocado horizontalmente que consiste de un electrodo de extremo positivo. En la figura, el elemento inferior es un elemento de membrana que muestra una membrana 2 cortada rectangularmente la cual puede ser ya sea una membrana de intercambio de cationes tal como una membrana de polietileno sulfonado o una membrana de ácido sulfórico de poliestireno o una membrana similar químicamente resistente o una membrana de intercambio aniónico.

La membrana 2, cortada al tamaño, también tiene 3 agujeros perforados a lo largo de su porción del perímetro en posiciones previamente ordenadas. De un modo similar, una contrabrida de fijación 4 generalmente del mismo material de la pieza de la estructura 1M, tiene agujeros en posiciones previamente ordenadas, que coinciden geométricamente con las posiciones de los agujeros 3 de la membrana 2. Observando la Figura 2, se ilustra una vista ampliada detallada de un elemento de membrana de la Figura 1, volteado 180° en el que se ve cómo la membrana 2 y la contrabrida de fijación 4 son acomodadas sobre la porción escalonada la brida interior 6 de la estructura 1M, los agujeros 3 y 5 coordinados de la membrana, y la contrabrida de retención 4 encajándose respectivamente en la distribución de los pernos de retención 7 moldeados presentes en la cara de la porción de la brida 6. Se pueden colocar empaques de hule espaciadores en la porción de la brida 6 antes de instalar la membrana 2 y un segundo empaque de hule puede ser intercalado entre la membrana 2 y la contrabrida de fijación 4 para ajustar a la profundidad requerida de las cámaras de flujo de los lados opuestos de la membrana 2 y/o para evitar las filtraciones del electrolito negativo dentro del electrolito positivo o viceversa por posibles diferencias de presión en las dos cámaras de flujo en los lados opuestos de la membrana separadora 2. Alternativamente, un sellador adecuado tal como por ejemplo un sellador de gel de silicón puede ser usado en el ensamble previo del elemento para asegurar un ensamble a prueba de filtraciones. La contrabrida de retención 4 es finalmente prensada sobre la membrana por medio de los implementos apropiados y los extremos de los pernos de retención 7 que sobresalen de los agujeros 5 de la contrabrida 4 son ribeteados con calor mediante el uso de una herramienta caliente causando el "moldeado" de las puntas derretidas de los pernos 7 dentro de los agujeros estampados 5 de la brida de fijación 4. Al "ribeteado" de los pernos de retención 7, el elemento es previamente ensamblado completamente y puede ser apilado sobre el elemento de electrodo bipolar que se montó al final en una condición volteada sin riesgo alguno de que se llegue a caer la membrana previamente instalada.

Además, la cara superior de la pieza de la estructura moldeada 1M del elemento de membrana lo recibe fácilmente, ái es que no tiene instalado un empaque de anillo "0" de sello en el perímetro 8, y dos anillos "O" de los ductos de electrolito negativo (o positivo) , 9 y 9' . La cara superior de la pieza de la estructura 1M del elemento de membrana tiene por lo menos dos y preferentemente cuatro pernos de montaje 10, los cuales en el ejemplo, tienen una sección transversal rectangular, mientras que en la cara inferior, parcialmente visibles en la vista detallada de la Figura 2, están presentes 2 o preferentemente cuatro sockets para los pernos 11, los cuales en el ejemplo ilustrado tienen una sección transversal circular. En el ejemplo mostrado en las figuras, las varillas de sujeción que terminan en el ensamble de batería pasan a través de los agujeros 12 formados ordenadamente en la porción del perímetro de todas las estructuras y de los dos elementos del extremo externo al empaque del anillo "O" del sello del perímetro 8. El grupo superior de la vista esquemática de la Figura 1, ilustra un elemento de electrodo bipolar. De acuerdo con una modalidad más preferida de la batería de la presente invención el electrodo de placa bipolar es un compuesto conductor eléctricamente que incluye una placa conductora central 13, generalmente una placa de carbón vitreo con un espesor del orden de 1 a 3 o más milímetros, teniendo enlazada sobre sus caras opuestas una estructura de electrodo de fieltro de carbón 14 de un espesor (profundidad) que puede ser generalmente de entre el 1 y 5 o más milímetros.

Los electrodos de fieltro 14 son enlazados en continuidad eléctrica al elemento principal conductor 13 y tiene una estructura relativamente abierta que sean fácilmente permeados por el electrolito que fluye a través de la cámara del electrodo. El compuesto del electrodo de placa bipolar 13-14, está montado en una pieza de estructura respectiva 1E de un termoplástico moldeado, generalmente del mismo tipo con el cual son producidas las piezas de estructura 1E de los elementos de membrana. El ensamble previo del elemento del electrodo bipolar es totalmente similar al ensamble previo del elemento de membrana . Una colocación diferente de la pluralidad coordinada de agujeros 16 en la porción del perímetro del elemento principal de la placa de carbón conductora eléctricamente 13 y de los agujeros 17 en la contrabrida de retención 15, y también por supuesto de los pernos de retención 18 (Figura 3) en la porción de la brida interior escalonada 19 de la estructura 1E, evitará cualquier posibilidad de error en el ensamble previo de las dos piezas de los elementos apilables . La Figura 3 es una vista detallada ampliada del elemento de electrodo bipolar de la Figura 1, volteado 180°.

A diferencia de la pieza de la estructura 1M del elemento de membrana la pieza de la estructura 1E del elemento de electrodo bipolar tiene, en la cara superior pernos de sujeción 20 (Figura 1) que tiene una sección transversal circular de un diámetro apropiado para encajarse dentro de los sockets circulares 11 en el lado posterior de la pieza de la estructura 1M del elemento de membrana. Como es visible en la vista vertical de la Figura 3, el lado superior de la pieza de la estructura moldeada 1E del elemento de electrodo bipolar (Figura 1) , existen sockets 21 como una sección transversal rectangular adecuada para acomodar los pernos de sujeción 10 presentes en el lado superior de la pieza de estructura moldeada 1M del elemento de membrana. De un modo similar a la pieza de la estructura 1M de los elementos de membrana, la pieza de estructura 1E del elemento del electrodo bipolar también tiene en su cara superior ranuras para acomodar los anillos "0" del sello del perímetro 22 y dos anillos "O" 23 y 23' de los dos ductos del electrolito positivo (o negativo) . De acuerdo con una modalidad más preferida ilustrada en los dibujos, los electrodos de material poroso de carbón 14 tienen dos órdenes diferentes o trabajos de canal de los canales de distribución del electrolito paralelos e intercalados mutuamente orientados a lo largo de la misma dirección del flujo del electrolito a través de la cámara de flujo del electrolito respectivo, iniciando desde las ranuras escalonadas de la entrada 24 y 24' y 25 y 25' para los electrolitos positivos y negativo respectivamente, a las ranuras escalonadas de la salida 26 y 26' y 27 y 27' presentes funcionalmente en los lados opuestos de la cámara . Por supuesto, aunque en el ejemplo se ilustran los dos ductos y las ranuras relativas, dependiendo del lado de la celda, ellos pueden ser solamente un ducto y ranura o cualquier número de ducto y ranuras para una distribución mejor y/o para reducir las caídas de presión hidráulica. Tal y como se ilustra en las Figuras 1, 3, 4 y 5, un primer trabajo de canal "con forma de peine" tiene los canales de los dedos si, s2 , s3 , ... , sn, que se extienden paralelos uno del otro desde una base o canal de distribución S definido a lo largo de la cámara del flujo del electrolito a través del cual entra el electrolito a la cámara a través de las ranuras de entrada conectándose con los ductos del electrolito respectivos, y termina antes de alcanzar el canal o base de distribución correspondiente D definido a lo largo del lado opuesto de la cámara de flujo en donde sale el electrolito de la cámara a través de las ranuras de salida que se comunican con los ductos respectivos del electrolito.

De un modo similar, un segundo trabajo de canal en forma de peine tiene canales de dedos di, d2 , d3 , ... dn, que se extienden paralelos uno al otro desde su base o canal de distribución D y que están intercalados con los canales de los dedos si, s2 , s3, ... del primer trabajo de canal en forma de peine. Los canales de los dedos di, d2 , d3 , ... del segundo trabajo de canal en forma de peine, terminan antes de alcanzar la base o el canal de distribución S del primer trabajo del canal. Dos órdenes intercalados de canales, si, s2, s3, ..., y di, d2 , d3 , ..., constituyen un trabajo de canal (fuente) que distribuye el electrolito, y un trabajo de canal (drenaje) que drena el electrolito. Como se puede observar en la vista de planta de la Figura 4 y en las Figuras 1 y 3, la base o canales de distribución S y D respectivos para los electrolitos de entrada y para los electrolitos que salen de la cámara de flujo respectivamente, se definen por tener un electrodo de fieltro 14 que termina a una cierta distancia de la pared lateral de la cámara de flujo de modo que el electrolito que entra en la cámara de flujo a través de las ranuras de entrada 24 y 24' (Figura 3) ó 25 y 25' (Figuras 1 y 4) también es distribuido por si mismo en esta base o canal de entrada de distribución S y desde ahí se distribuye el mismo de manera uniforme al lado de los canales de dedo de la fuente si, s2, s3, ... Los canales de dedos de drenaje di, d2 , d3 , ... , intercalados con los canales de dedo fuente, proporcionan muchos canales de drenaje para el electrolito dirigido a la salida de ranuras 27 y 27' (Figura 4) . De este modo el electrolito es distribuido de una manera uniforme por toda la masa del electrodo del fieltro de fibra de carbón poroso 14 con una caída de presión baja resultante. Como se indicó esquemáticamente por las flechas de flujo idealizadas en la Figura 4, el electrolito es sometido prácticamente al flujo lateralmente a través de un segmento limitado del fieltro de carbón, refrescando efectivamente al electrolito en toda la superficie activa del electrodo en vista del hecho de que los trabajos de canal fuente y drenaje intercalados de manera cooperativa proporcionan una trayectoria de flujo con una caída de presión insignificante en toda la cámara de flujo del electrolito. Se ha descubierto que con dicha configuración del trabajo de canal del electrodo, el electrodo de fieltro de carbón puede ocupar la profundidad completa de la cámara de flujo del electrolito de la celda, permitiendo que el separador de la membrana se apoye directamente contra la superficie del electrodo de fieltro de carbón canalizado, minimizando la caída óhmica. Los dos trabajos de canal pueden ser definidos en el electrodo de fieltro de carbón cortándolos después de haber sido enlazados a la placa de electrodo bipolar 13 o antes. Indudablemente, un fieltro de carbón puede ser previamente definido cortándolo con un troquel y adhiriéndolo a una hoja de soporte para facilitar su manejo en todo el proceso de enlace. La hoja de soporte puede ser extraída finalmente de la superficie del electrodo enlazado o removida por cualquier otro medio adecuado. La Figura 5 es una vista detallada ampliada de la estructura peculiar del electrodo de placa bipolar compuesto de la batería de la presente invención. La Figura 6 es una vista transversal tridimensional de una pila de batería ensamblada. El extremo del fondo del electrodo que en el ejemplo ilustrado está constituido por un electrodo de carbón positivo, T+ y un electrodo terminal superior T- son colocados en las placas de extremo fuerte de un plástico moldeado P+ y P-, respectivamente los cuales están reforzados por una placa de esfuerzo de acero inoxidable SS, sobre la cual actúan las tuercas de compresión M al tensionar las varillas de sujeción TR.

El uso de placas de extremo plástico P+ y P- facilita la constitución de una terminal perfectamente sellada a prueba de corrosión para una conexión eléctrica de la batería en el circuito externo. Tal y como se ilustra, la batería de la presente invención además de poder ser ensamblada en una posición horizontal también puede ser mantenida en dicha posición horizontal durante la operación. La orientación de todos los electrodos positivos que se encuentran abajo del separador de membrana de la celda respectiva y consecuentemente todos los electrodos negativos que se encuentran arriba del separador de membrana, es una orientación preferida. En efecto, durante la operación puede ocurrir ocasional y accidentalmente una cantidad mínima de evolución de hidrógeno de los electrodos negativos y una evolución de oxígeno de los electrodos positivos. De acuerdo con esta orientación preferida, el oxígeno emanado finalmente se elevará por flotación hacia el separador de membrana y el hidrógeno a la base del electrodo negativo siendo sacados del flujo con electrolito finalmente el oxígeno y el hidrógeno . De este modo, el contacto continuo del oxígeno de la placa de base de los electrodos de carbón que podría provocar la oxidación (corrosión) del carbón es minimizado.

Además, la membrana polimérica que es substancialmente permeable al hidrógeno podría permitir una cierta migración del hidrógeno a través de la membrana, si fuera volteada la pila de celdas. La capacidad para montar los elementos de celda y operar la batería en una orientación substancialmente horizontal en vez de una orientación vertical adicional se ha descubierto que es ventajosa no solamente por su gran facilidad con la cual la batería es ensamblada sino también en la operación de la batería, especialmente en el caso de baterías de un área de celdas particularmente grande. La orientación vertical reduce los esfuerzos mecánicos y permite una construcción más eficiente de los elementos y facilita los problemas de sellado hidráulico.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES 1.- Un reactor electroquímico bipolar de celdas múltiples separado por membrana para las reacciones de reducción y oxidación de media celda en electrolitos líquidos positivo y negativo respectivos, sin evolución de gas, que incluye una pluralidad de elementos de electrodo de placa bipolar colocados alternativamente y elementos separadores de membrana de intercambio de iones, definiendo una cámara de flujo del electrolito positivo en un lado de cada membrana y una cámara de flujo del electrolito negativo en lado opuesto de la misma, ensamblados de manera sellada juntos en una distribución de filtro prensa entre dos elementos de electrodo del extremo conectados eléctricamente en un circuito que incluye funcionalmente una fuente eléctrica que conduce una corriente a través del reactor electroquímico o que absorbe la carga eléctrica de una corriente proveniente del reactor electroquímico. dichos elementos del electrodo de placa bipolar y dichos elementos separadores de membrana de intercambio de iones incluyen una porción de estructura de un material resistente químicamente y no conductor eléctricamente que coopera con los medios de empaque selladores y que tiene agujeros y escalones en localizaciones coordinadas formando, al ensamble ductos para la circulación separada de un electrolito negativo y de un electrolito positivo en forma de cascada en todas dichas cámaras de flujo del electrolito negativo y en todas dichas cámaras de flujo del electrolito positivo respectivamente, caracterizada además porque: todas las estructuras de dichos elementos de electrodo de placa bipolar y dicho elemento separador de membrana de intercambio de iones tienen una porción de brida interior escalonada desde una primera cara plana de la estructura en el lado opuesto de la otra cara de la estructura que tiene ranuras para acomodar empaques de anillo "O" que pasan a través de los agujeros de ducto del electrolito y alrededor de un perímetro de sello exterior, acomodándose en el mismo una porción de perímetro del electrodo de placa bipolar o el separador de membrana de intercambio de iones respectivo; una pluralidad de pernos de retención que proyectan fuera de la superficie dicha porción de brida y pasan por los agujeros de dicha porción del perímetro del electrodo de placa o el separador de membrana acomodados en las mismas; una contrabrida de retención de un material resistente químicamente y no conductor eléctricamente que tiene agujeros coordinados con las posiciones de dichos pernos de retención y montada funcionalmente sobre dicha porción del perímetro del electrodo de placa o separador de membrana sobre dicha porción de brida escalonada de la estructura y fijada de manera permanente en la misma por medio de las cabezas aplanadas por calor de dichos pernos de retención que sobresalen de dichos agujeros coordinados de la contrabrida ; previamente ensamblados los elementos de electrodo de placa bipolar y los elementos de separador de membrana apilables alternativamente en posición horizontal con dicha otra cara de las estructuras, que llevan los empaques de anillo "O" orientados hacía arriba.
2. 2. - El reactor electroquímico tal y como se describe en la Reivindicación 1, caracterizado además porque dicha otra cara y dicha primera cara plana de dicha porción de estructura están provistas con una pluralidad de pernos de sujeción y alineación y sockets respectivamente, de forma diferentes uno del otro evitando que dichos elementos de electrodo de placa bipolar y dichos elementos separadores de membrana de intercambios de iones se apilen en un orden alterno incorrecto y/o en una orientación incorrecta.
3. 3. - El reactor electroquímico tal y como se describe en la Reivindicación 1, caracterizado además porque dichas porciones de brida interior, dichos electrodos de placa bipolar y dichos separadores de membrana de intercambio de iones son rectangulares y dichas porciones de estructura tienen lados exteriores convexos .
4. 4.- El reactor electroquímico tal y como se describe en la Reivindicación 1, caracterizado además porque las direcciones del flujo de dicho electrolito negativo y de dicho electrolito positivo en las cámaras de flujo respectivas a lo largo de los lados opuestos de cada uno de los separadores de membrana de intercambio de iones, son opuestos unos a los otros.
5. 5.- El reactor electroquímico tal y como se describe en la Reivindicación 1, caracterizado además porque cada uno de dichos electrodos de placa bipolar de una placa conductora eléctricamente impermeable a los líquidos que tiene en las caras opuestas de las mismas estructuras porosas de electrodo tridimensionales permeables de los líquidos en la forma de un fieltro o un material de fibras de carbón enlazadas en continuidad eléctrica a dicha placa conductora eléctricamente, entrando el electrolito en la cámara del electrodo a lo largo de un lado y saliendo de la cámara por el lado opuesto; y caracterizado además porque dicha estructura porosa del electrodo tiene dos canales de trabajo diferentes en forma de peine, los canales de los dedos de un canal de trabajo siendo substancialmente paralelos a los otros e intercalados con canales de los dedos substancialmente paralelos del otro canal de trabajo; un primer canal de trabajo fuente en forma de peine que tiene una base o canal de distribución que corre a lo largo del lado de la cámara a través de la cual es alimentado el electrolito dentro de la cámara y un segundo canal de trabajo o de drenaje que tiene su base o canal de distribución que corre a lo largo del lado opuesto del cual sale el electrolito de la cámara: todos los canales de dedos de un canal de trabajo que se extienden desde una base o canal de distribución respectivo y terminan antes de alcanzar el canal de distribución del otro de canal de trabajo.
6. 6.- El reactor electroquímico tal y como se describe en la Reivindicación 1, caracterizado además porque los ductos para la circulación separan cada uno de los electrolitos negativo y positivo definidos por dichos agujeros en todo el espesor de dicha porción de estructura de dichos elementos de electrodo de placa bipolar y de dichos elementos separadores de membrana de intercambio de iones están definidos por dos o más agujeros separados en un lado de una porción de la estructura substancialmente i rectangular . RESUMEN Un ensamble de celdas múltiples es constituido apilando alternativamente dos tipos de elemento previamente ensamblado: un subensamble sujetador de electrodo bipolar y un subensamble sujetador de membrana. La pila alterna de elemento es apilada sobre un elemento del extremo del fondo, y la pila es terminada colocando sobre el último elemento sujetador de membrana un elemento de electrodo del extremo superior. Cada elemento de sujeción del electrodo de placa bipolar y cada elemento sujetador separador de la membrana de intercambio de iones incluye una pieza de estructura rectangular substancialmente similar hecha de un material químicamente resistente y no conductor eléctricamente, generalmente de material plástico moldeado que tiene en su cara superior (ensamble) ranuras de medios de empaque del tipo de empaque receptor de tipo de anillo "O" que tiene una porción de brida interior (19) escalonada de una primera cara plana y una contrabrida de retención no conductora eléctricamente (4) , (15) , y que tiene agujeros y escalones en localizaciones coordinadas colocadas a lo largo de dos lados opuestos de la formación de la estructura rectangular a la terminación del ensamble ductos para separar la circulación del electrodo negativo y del electrodo positivo a través de todas las cámaras de flujo de electrodo negativo y todas las cámaras de flujo de electrodo positivo respectivamente en cascada. El reactor bipolar no tiene distribuidores de entrada y salida para los dos electrolitos, el flujo de los electrolitos a través de las cámaras de flujo respectivas en una trayectoria de zigzag, que es esencialmente en una modalidad de serie o cascada hidráulica. Preferentemente se definen dos órdenes de canales de flujo paralelos en los electrodos de fieltro. Cada orden define un canal de trabajo de distribución de flujo en forma de peine cuyos dedos paralelos se intercalan con los canales de dedo del otro orden. Pj/a/ W //*'