MX2012011964A - Apilado de celdas electroquimicas. - Google Patents

Abstract

Un apilado de celda que comprende una celda electroquímica, o una pluralidad de celdas electroquímicas axialmente arregladas, con una placa de extremo en cada extremo del apilado, cada celda que comprende un área activa circundada por un área periférica, en donde el área activa comprende el ensamblaje de electrodo de membrana, y el área periférica incluye uno o más canales para reactivos, y en donde el apilado comprende medios para aplicar presión axialmente al área activa para poner en contacto la membrana y los electrodos, y medios separados para aplicar presión axialmente al área periférica. Además, un método para llevar a cabo una reacción electroquímica en una celda que comprende un área activa circundada por un área periférica, comprende aplicar presión al área activa, y variar la presión durante la operación de la celda, en donde el área activa incluye el ensamblaje de electrodo de membrana y es el área donde se presenta la reacción de celda.

Description

APILADO DE CELDAS ELECTROQUÍMICAS Campo de la Invención La presente invención se relaciona a un arreglo de apilado para celdas electroquímicas.

Antecedentes de la Invención En apilados convencionales de celdas electroquímicas, las celdas comprenden un ensamblaje de electrodo de membrana intercalado entre placas bipolares. Las placas actúan usualmente como el colector de corriente y el electrodo o "estructuras de empaquetamiento" constituyen los campos de flujo. Es necesario que los diferentes elementos de la celda se mantengan juntos en el apilado, y que se aplique presión. Esto se logra convencionalmente mediante el uso de varillas de unión alrededor de la periferia de la celda, arregladas axialmente.

Cuando la celda se sella por el uso de varillas de unión, algunas veces puede ser difícil asegurar que se aplique presión uniforme al área activa completa (es decir el ensamblaje de electrodo de membrana) de la celda. Otro problema con este arreglo es que, aunque existe un buen grado de presión alrededor de la periferia de la celda, el centro de la celda, es decir donde las varillas de unión no se colocan, algunas veces se puede doblar hacia afuera y perder presión. También, cuando es necesario darle servicio a las celdas, es laborioso el proceso de remover las varillas de unión y los numerosos componentes de carga de resorte.

Algunas veces los elementos elastoméricos se encuentran comprimidos entre la placa de extremo y las celdas en cada extremidad. La uniformidad de la presión se trata mejor por este tipo de celda pero es una presión permanente que es aplicada. Esto es inflexible e incontrolable en vez de reemplazar la parte o miembro. Esto es un problema debido a que la magnitud de contacto es central a las pérdidas ó micas entre los componentes adyacentes, y por lo tanto la eficiencia global.

Breve Descripción de la Invención Se ha encontrado que es ventajoso separar el área activa de la celda desde el área que forma el sello y que suministra reactivos. Ambas de estas áreas necesitan ser presurizadas y también se ha encontrado que es ventajoso presurizarlas separadamente. Esto da por resultado una presión de área activa uniforme, que se puede ajustar independientemente de la fuerza de sellado. Por lo tanto, de acuerdo con un primer aspecto, un apilado de celda comprende una celda electroquímica, o una pluralidad de celdas electroquímicas axialmente arregladas, con una placa de extremo en cada extremo del apilado, cada celda que comprende un área activa circundada por un área periférica, en donde el área activa comprende el ensamblaje de electrodo de membrana, y el área periférica incluye un canal para reactivos, y en donde el apilado comprende medios para aplicar presión axialmente al área activa para hacer contacto con la membrana y los electrodos, y separar los medios para aplicar presión axialmente al área periférica.

De acuerdo con un segundo aspecto, un método para llevar a cabo una reacción electroquímica en una celda que comprende un área activa circundada por un área periférica, comprende aplicar presión al área activa, y variar la presión durante la generación de la celda, en donde el área activa incluye el ensamblaje de electrodo de membrana y es el área donde se presenta la reacción de la celda.

Descripción de las Modalidades Preferidas Como se usa en la presente, el término celda electroquímica comprende tanto electrolizadores como celdas de combustible. La invención es igualmente aplicable a ambos.

En una modalidad, cada estructura de celda comprende un disco conductivo (placa bipolar) , que es preferiblemente bidimensional y de un espesor apropiadamente deformable. Pre eriblemente, el disco incluye una pluralidad de colectores (canales para reactivos) cortados en la periferia. El disco conductivo tiene una región exterior, que forma parte del área periférica del apilado, y una región interior que forma parte del área activa del apilado.

En una modalidad preferida, una celda de la invención comprende una junta, que es hueca, y que tiene preferiblemente el mismo arreglo de colectores cortados de la estructura. Preferiblemente, la junta es termoplástica, elastomérica, polimérica o de cerámica. Las condiciones de ensamblaje para la junta son bien conocidas por una persona experta en la técnica.

En una modalidad preferida, una celda de la invención comprende una placa periférica hueca. Puede ser de metal o no de metal. En una modalidad, es polimérica. Sin embargo, una placa periférica metálica se prefiere en una celda de alta presión. Preferiblemente, el anillo de estructura es sustancialmente bidimensional , es decir, es muy delgado y plano. Puede tener una cara texturizada o no texturizada. Preferiblemente, también comprende una pluralidad de colectores.

Como será evidente a partir de los dibujos, el apilado de celda electroquímica se forma de un arreglo axial de los componentes individuales. En una modalidad preferida, el apilado es sustancialmente tubular.

Los canales o colectores son los medios para dirigir los productos y reactivos dentro y fuera de la celda. En una modalidad, los colectores de la placa periférica se perforarán con por lo menos un agujero, lo cual dirige el flujo de los productos reactivos entre el ensamblaje de electrodo de membrana y los colectores. En otra modalidad, una porción completa de la placa periférica se removerá para una abertura mucho mayor entre el ensamblaje de electrodo de membrana y el colector. Preferiblemente, la abertura posteriormente se rellenará con una estructura porosa, permitiendo una configuración de flujo altamente adaptable. Esta modalidad se ilustra en la Figura 5.

En otra modalidad, no es necesaria la perforación y en cambio se usa un método de grabado, mediante el cual la superficie de la placa (s) periférica se propone para que el fluido pueda pasar desde los colectores hasta el área activa. Esto también se puede lograr al reemplazar una placa periférica por dos placas periféricas separadas, aplicadas, y que tienen por lo menos una muesca maquinada sobre la cara de acoplamiento, para permitir que los reactivos pasen al área activa. Una junta se debe intercalar entre las dos caras de acoplamiento, para permitir el paso de fluido donde una muesca se proporciona, y para asegurar que los otros colectores se sellen.

En una modalidad preferida, la membrana es una membrana de polímero. Preferiblemente, es una membrana de polímero hidrofílico. Mucho más preferiblemente, se forma por la copolimerización de un monómero hidrofílico, un monómero hidrofóbico, un monómero que comprende un grupo potentemente iónico y agua. Preferiblemente, el polímero se retícula.

Un apilado de celdas electroquímicas de acuerdo con la presente invención se sella entre dos placas de extremo.

En una modalidad, la presión externa se aplica directamente al área activa de las celdas solamente, es decir, el centro del arreglo axial. En esta modalidad, no se aplica presión externa al área periférica del apilado, es decir la porción exterior del arreglo axial. La presión se aplica en una forma axial .

En una modalidad preferida, el medio para aplicar presión al área activa es ajustable, tal que el grado de presión se puede controlar/variar, de acuerdo con los requisitos de la celda.

Preferiblemente, el medio para aplicar presión al área activa es un pistón preferiblemente un pistón hidrostático o una bomba hidráulica. Sin embargo, existen otros medios adecuados para aplicar presión, y esto serán conocidos por aquellas personas expertas en la técnica. Por ejemplo, se podría usar un resorte para aplicar presión al área activa.

En otra modalidad, el apilado comprende medios para aplicar presión al área activa, y medios separados para aplicar presión al área periférica. Los medios para aplicar presión al área periférica pueden ser del mismo tipo de los medios usados para aplicar presión al área activa, por ejemplo una bomba hidrostática . Alternativamente, se podrían usar varillas de unión para aplicar la presión al área periférica. La característica clave es que el medio para aplicar presión al área activa se desacopla del medio para aplicar presión al área periférica (junta) .

Cuando un sistema de varillas de unión se usa para generar y sostener la presión en el área periférica, la presión actúa preferiblemente en la estructura no conductiva, de columna de junta (por ejemplo, polímero) y el área exterior de la membrana, para efectuar un sellado de celda cruzada dentro de la presión diferencial posible entre los lados, y asegurar la estanqueidad total. Esta modalidad se ilustra en la Figura 2.

Cuando una bomba hidrostática se usa para aplicar presión al área activa, el ariete de pistón se sujeta preferiblemente a un conducto de alimentación de corriente, que también se forma preferiblemente de material altamente conductivo.

En una modalidad preferida, el apilado no comprende la placa de extremo convencional, varillas de unión y arandelas de Belleville. En esta modalidad, la presión periférica que aplica separadamente de la presión del área activa, y no hay placas de extremo convencionales. Se puede emplear un arreglo deslizante, que comprende una estructura de acero de viga en I, alojando dos circuitos hidráulicos separados para cumplir la función de aplicar la presión periférica y la presión de área activa desacoplada. Esta modalidad es particularmente deseable para escalabilidad, y facilidad de ensamblaje puesto que separa el apilado en varias entidades y mueve el orden de punto de desacoplamiento (separación entre las técnicas de inventario conducidas previstas y conducidas por demanda) para maximizar los elementos de cadena de suministro reaccionario o conducido por demanda .

Una ventaja secundaria se encuentra en la facilidad de reemplazo de las partes de trabajo, mientras que no se requiere la remoción completa y servicio de las partes que son menos propensas a daño a través del tiempo. Una tercera ventaja es que el número de componentes se reduce drásticamente .

Existen ventajas adicionales a los medios para aplicar presión a las áreas diferentes (activa y periférica) que están separadamente controlables. Por ejemplo, durante los periodos inactivos del sistema, puede ser benéfico liberar la presión en el área activa, tal que la membrana (que puede ser hidrofílica) se le permita reabsorber agua. Esto puede mejorar la longevidad del sistema. Además, se ha mostrado (en el ejemplo) que la salida de energía de la celda se puede controlar al variar la presión. Es ventajoso y eficiente de energía hacer esto separadamente de la presión de la junta.

Cuando la presión de las áreas activas y periféricas se separa, también existe la posibilidad de incrementar conjuntamente la presión sobre el material de membrana para estirar el material, tal que su integridad estructural no se compromete.

En una modalidad, la región entre los colectores y el activo comprende un material poroso, para permitirla buena distribución de los reactivos y la remoción de los productos. En una modalidad preferida, se puede usar un sistema de porosidad diferencial entre los dos colectores referidos, el cual puede proporcionar una contrapresión pequeña que conduce a un transporte de masa más optimizado dentro de la celda. Los materiales porosos pueden comprender incrustaciones de metal de polímero o de cerámica. Estas incrustaciones se pueden adaptar para que proporcionen un beneficio adicional para controlar activamente los flujos de reactivos y la recolección de agua por todo el apilado completo.

El anillo de estructura no conductivo hueco puede ser un polímero. Preferiblemente, se hace de cualquier TOC bajo (Carbón Orgánico Total) , polímero de ingeniería resistente a la temperatura. El anillo no conductivo es únicamente rentable y se conduce por sí mismo para predictibilidad de moldeo precisa debido a los materiales usados y el hecho de que es sustancialmente bidimensional .

La placa bipolar delgada (disco conductivo) es únicamente rentable debido a la pequeña cantidad de material usado, y nuevamente debido a su forma bidimensional.

En una modalidad preferida, la placa bipolar es de un espesor deformable apropiado, para permitir el movimiento requerido de celda a celda. Esto proporciona una vía potencialmente nueva para tomar las tolerancias de ensamblaje de las estructuras de soporte de membrana, y un medio para asegurar aun la compresión de cada celda.

El área periférica constituida por las estructuras huecas no conductivas da una protección de golpe o vibración a la celda.

El sistema de presión de extremo montado deslizante comprende "vigas en I" que se enchapan típicamente con zinc. Los dos circuitos hidráulicos separados (presión periférica, y presión de área activa) y las placas de extremo accionadas por pistón se accionan preferiblemente por dispositivos de refuerzo de presión que trabajan con aire comprimido.

Descripción Detallada de los Dibujos Figura 1 : Celda Individual Separada (Diseño Genérico) 1. Placa bipolar de lámina delgada de titanio 2. Junta de polímero 3. Soporte de electrodo 4. Estructura de celda 5. Membrana 6. Estructura de celda 7. Electrodo 8. Junta de polímero 9. Electrodo 10. Malla 11. Soporte de electrodo Figura 2 : Perforado Cruzado de celda individual 1. Placa bipolar de lámina delgada de titanio 2. Junta de polímero 3. Soporte de electrodo 4. Estructura de celda 5. Membrana 6. Estructura de celda 7. Electrodo 8. Junta de polímero 9. Electrodo 10. Malla 11 Soporte de electrodo Figura 3: Sección a través del apilado tipico 1. Varilla de unión 2. anillo tipo 0 3. Tornillo avellanado 4. Junta de polímero 5. Placa de extremo 6. Pistón de polímero 7. Placa de cobre 8. Vástago de cobre 9. Lámina delgada de placa bipolar 10 Anillo tipo O Figura 4: Desempeño usando fuerza de contacto alta y electrodos optimizados.

Figura 5: Placa periférica con incrustación porosa Figura 6: Modalidad de celda de combustible Ejemplo Se construyó una modalidad de apilado de alta presión de acuerdo con la invención y se sometió a prueba de presión y se selló arriba de 180 bar. La Figura 4 muestra el desempeño logrado usando diferentes electrodos y diferente presión de pistón. La Figura 4 muestra un incremento significativo en el desempeño entre la modalidad de alta presión (2011 01 14 HP) con fuerza de contacto de pistón muy alta y la modalidad de presión más baja y su presión de pistón más baja (Lam002) . Los electrodos también se optimizan en el caso de la alta presión (2011 01 14 HP) .

Mientras es más alta la corriente (A/cm2) en la celda, es más eficiente la celda. La ganancia de eficiencia eléctrica es de aproximadamente 200 mV o 13.5%. Esto ilustra la ventaja de tener presión aplicada al área activa de la celda .

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un apilado de celda, caracterizado porque comprende una celda electroquímica, o una pluralidad de celdas electroquímicas axialmente arregladas, con una placa de extremo en cada extremo del apilado, cada celda que comprende un área activa circundada por un área periférica, en donde el área activa comprende el ensamblaje de electrodo de membrana, y el área periférica incluye uno o más canales para reactivos, y en donde el apilado comprende medios para aplicar presión axialmente al área de contacto para hacer contacto con la membrana y los electrodos, y medios separados para aplicar presión axialmente al área periférica.

2. Un apilado de celda de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque cada celda comprende un arreglo axial de una placa bipolar, una junta hueca, una placa periférica hueca que encierra el electrodo, y una membrana de intercambio iónico, en donde una región exterior de la placa bipolar y la membrana, la junta y la placa periférica, forman el área periférica, y en donde una región interior de la membrana y el electrodo, forman el área activa .

3. Un apilado de celda de conformidad con cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque es tubular .

4. Un apilado de celda de conformidad con cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque el medio para aplicar presión al área periférica es por lo menos una varilla de unión axialmente arreglada.

5. Un apilado de celda de conformidad con cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque el medio para aplicar presión al área activa y/o el medio para aplicar presión al área periférica es ajustable tal que se puede controlar la cantidad de presión que se aplica.

6. Un apilado de celda de conformidad con cualquier reivindicación precedente, caracterizado porque el medio para aplicar presión al área activa y/o el medio para aplicar presión al área periférica es un pistón.

7. Un apilado de celda de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque la junta es termoplástica .

8. Un método para llevar a cabo una reacción electroquímica en una celda que comprende un área activa circundada por un área periférica, en donde el área activa incluye el ensamblaje de electrodo de membrana y es el área donde se presenta la reacción de celda, y el área periférica incluye uno o más canales para reactivos, el método caracterizado porque comprende aplicar presión axialmente al área activa para poner en contacto la membrana y los electrodos y aplicar separadamente presión axialmente al área periférica.

9. Un método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la presión se varia durante la operación de la celda.