ES2325451T3 - Modulo de pila de combustible con interconectores flexibles. - Google Patents
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Abstract
Módulo de pila de combustible compuesto por células elementales de geometría tubular, estando cada célula constituida por un apilamiento de base concéntrica que comprende un ánodo (21), un electrolito (22) y un cátodo (23), y rodeada por dos interconectores (10, 10E, 10I) estando el módulo constituido por un apilamiento concéntrico (20) de varias células concéntricas y completado en cada lado por un dispositivo de distribución y de escape, a saber una base (50) y una brida (40), caracterizado porque los interconectores (10, 10E, 10I) poseen un tabique central (13) en el que se fijan al menos un collarín metálico (11) flexible, escotado y que se aleja del tabique central (13) de forma inclinada.
Description
Módulo de pila de combustible con
interconectores flexibles.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención se refiere a las pilas de
combustible y, en particular, a las que funcionan a alta temperatura
y que son del tipo SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell [Pila de
Combustible de Óxido Sólido]), pero también puede aplicarse a
otras familias de pilas de combustible, así como a los
electrolizadores.
\vskip1.000000\baselineskip
Las pilas del tipo SOFC funcionan con oxígeno e
hidrógeno como combustible, o con otro gas combustible, por ejemplo
del tipo del metano y a una temperatura comprendida entre 500 y
1000ºC. Estas pilas están constituidas por un apilamiento de varias
células elementales unidas por elementos de conexión, tales como
interconectores o placas bipolares. Las células elementales están
constituidas por un apilamiento de un cátodo, un electrolito y un
ánodo. Es necesaria una temperatura elevada para obtener una
conductividad suficiente del electrolito para iones O^{2-}.
Varios tipos de arquitecturas rigen el diseño de
estas pilas de combustible; entre éstas se encuentran cuatro
principales que son las siguientes:
- arquitectura tubular;
- arquitectura monolítica;
- arquitectura en banda;
- arquitectura plana.
En referencia a las figuras 1A, 1B y 1C, la
arquitectura tubular se conoce ampliamente. Ésta se presenta en
forma de un tubo cerrado o no en un extremo (véase la figura 1B).
Como muestra la figura 1C, varias células 6 se sitúan en el
interior de una cámara 7 y están conectadas en serie y/o en
paralelo. El oxígeno se inyecta por medio de un tubo interno en el
fondo de cada célula y avanza a lo largo de un cátodo atravesando el
tubo 5 de soporte sobre el que éste está situado. El segundo
combustible se inyecta en el exterior de la célula, en la cámara
principal 7 y, por lo tanto, está en contacto con un ánodo 1 que se
encuentra en la superficie externa de un electrolito 2, él mismo de
forma tubular ya que está situado sobre el cátodo. El cátodo está
unido a un conector 4 situado también sobre la superficie externa
del electrolito 2. Los gases residuales salen y se mezclan
opcionalmente en una cámara de combustión que permite el
precalentamiento del primer gas que entra.
En dicha configuración, no se puede gestionar
ninguna estanqueidad. La resistencia mecánica de la célula es
asegurada por el tubo de soporte que es poroso para que el oxígeno
pueda atravesarlo y difundirse hacia el cátodo. A continuación se
ha previsto suprimir este tubo de soporte y que el cátodo asegure la
resistencia mecánica del conjunto.
Una vez conectadas entre sí en serie, las
células permiten obtener un voltaje deseado entre placas colectoras
de corriente. La conexión de las células en la figura 1C es en
paralelo y permite obtener la potencia deseada.
Varios inconvenientes están relacionados con
esta estructura tubular y son los siguientes:
- -
- las líneas de corriente son largas, ya que la corriente debe recorrer longitudinalmente (véase la figura 1C) los semitubos; las pérdidas óhmicas son por lo tanto elevadas;
- -
- la fabricación de los tubos es compleja y costosa;
- -
- los rendimientos volumétricos son reducidos, teniendo en cuenta el espacio perdido entre las células; y
- -
- el gradiente térmico en la longitud de los tubos, debido al agotamiento de los gases reactivos, es muy perjudicial para la resistencia mecánica de estos últimos.
Varias técnicas permiten mejorar la resistencia
mecánica de esta estructura tubular y son las siguientes:
- -
- reducción del tamaño de los tubos para reducir las tensiones;
- -
- reducción del gradiente térmico mediante inyección de los gases a diferentes niveles; y
- -
- refuerzo del tubo de soporte.
Por otro lado, la reducción de la longitud de
las líneas de corriente también puede obtenerse mediante:
- -
- la reducción de la resistencia interna de la pila, lo que implica una mayor potencia;
- -
- la reducción de las pérdidas mediante polarización en los electrodos mediante el adelgazamiento del ánodo hecho posible por la presencia de puentes;
- -
- una mayor compacidad debida a la forma cilíndrica aplanada; y
- -
- la supresión del tubo de suministro de aire.
Sin embargo, todas estas arquitecturas solamente
responden parcialmente a los inconvenientes principales, que son la
mala compacidad y las pérdidas óhmicas elevadas debidas a la
longitud de las líneas de corriente.
La arquitectura plana está muy extendida. El
apilamiento, por lo tanto plano, está constituido por dos placas
bipolares que forman un apilamiento en sándwich constituido
sucesivamente por un ánodo, un electrolito y un cátodo. Las placas
bipolares hacen las veces de conectores y poseen también canales de
circulación orientados, por ejemplo, perpendicularmente para
organizar una circulación cruzada de los dos combustibles. El
suministro y la evacuación de los gases se realizan mediante cajas
colectoras dispuestas en las cuatro caras laterales del
apilamiento.
Las líneas de corriente se encuentran reducidas
por el hecho de que la corriente solamente tiene que atravesar las
capas en su grosor. Además, la compacidad de esta estructura le
otorga una indudable ventaja. Por el contrario, los problemas de
estanqueidad son mayores que en el caso de la arquitectura tubular y
deben canalizarse en las cuatro caras laterales del apilamiento de
las células, para asegurar el recorrido de cada uno de los gases
entre las fases de entrada y de salida, así como su separación. Esto
se debe al hecho de que los electrodos son porosos. Además, la
estanqueidad debe asegurarse en el perímetro de las cuatro cajas
colectoras.
Los documentos JP 02 075167, JP 08 050914 y JP
01 298647 describen módulos de pilas de combustible. Estos módulos
se forman mediante inserción de una pila de combustible cilíndrica
en el interior de otra pila de combustible cilíndrica, teniendo la
segunda pila un diámetro mayor que la primera.
El documento JP 06 150949 divulga una pila de
combustible cilíndrica en cuyo centro se inserta un tubo. Este tubo
está en contacto eléctrico con el cátodo de la pila de combustible
por medio de un contactor.
En referencia a la figura 1, un concepto más
reciente de arquitectura presenta una geometría coaxial que aúna
las ventajas de la estructura plana con las de la estructura
tubular. En efecto, ésta presenta una gran compacidad, las pérdidas
óhmicas son muy reducidas y presenta facilidades en cuanto a la
aplicación de la estanqueidad del conjunto. El módulo representado
en esta figura 1 es el apilamiento de varias células elementales de
pilas de combustible. En efecto, cada célula elemental se intercala
en sándwich entre dos interconectores 4 concéntricos y se compone
sucesivamente de un ánodo 1, un electrolito 2 y un cátodo 3. A
excepción de los interconectores 4 de extremos, los demás son
comunes a dos células elementales adyacentes. Dicho apilamiento se
completa con dos cajas colectoras de distribución de las gases
combustibles situadas en los dos extremos (no se representan en
esta figura).
Ahora bien, el material utilizado actualmente
para constituir dichos interconectores 4 es una cerámica de tipo
cromita de lantano, que es muy cara. Además, los interconectores de
este tipo se depositan a menudo mediante proyección por plasma,
durante una única serie de proyecciones de las diferentes capas
sucesivas constitutivas de cada célula elemental. Ahora bien, está
previsto poder fabricar independientemente los diferentes elementos
constitutivos de este tipo de pilas, mientras se conserva esta
arquitectura coaxial. Más exactamente, es indispensable permitir el
ensamblaje de las diferentes células elementales coaxiales, a saber
un apilamiento de un ánodo, de un electrolito y de un cátodo,
fabricados independientemente unos de otros. Además, es
indispensable poder asegurar la conexión eléctrica en serie de
estas células y permitir la circulación y la separación de los
gases combustibles. Finalmente, siempre existe la preocupación de
limitar las fuerzas mecánicas sobre las diferentes células
elementales que son más o menos de cerámica y están en contacto, en
frío y en caliente.
El objeto de la invención es por lo tanto
remediar estos inconvenientes proponiendo un diseño diferente de
los interconectores de este tipo de módulo de pilas de
combustible.
Para ello, un primer objeto principal de la
invención es un módulo de pila de combustible compuesto por células
elementales de geometría tubular, estando cada célula constituida
por un apilamiento de base concéntrica que comprende un ánodo, un
electrolito y un cátodo y rodeada por dos interconectores, estando
el módulo constituido por un apilamiento concéntrico de varias
células concéntricas y completado en cada lado por un dispositivo
de distribución y de escape de gases combustibles, a saber una brida
y una base.
Con el fin de dotarles de una elasticidad que
permita una deformación radial del conjunto, los interconectores
poseen un tabique central en el que se fijan al menos un collarín
metálico, flexible y escotado y que se aleja del tabique de forma
inclinada.
En la realización principal, se prevé que la
sección del módulo sea cilíndrica.
Además, está previsto que las cajas colectoras
de distribución posean medios de suministro de gases combustibles
de dos tipos.
En una realización principal de la base, se
prevé que los medios de suministro comprendan al menos dos canales
radiales que desembocan en el lado de la base y en una cara del
apilamiento, por medio de orificios de distribución para
suministrar a los electrodos de las células elementales.
Dicho módulo puede completarse mediante la
utilización de bandas de lana cerámica en el lado del cátodo entre
los collarines y el tabique central de los interconectares y bandas
de fieltro de níquel en el lado del ánodo.
La invención, sus diferentes características y
realizaciones se entenderán mejor con la lectura de la siguiente
descripción detallada, que está acompañada de varias figuras que
representan respectivamente:
- las figuras 1A, 1B y 1C, un primer tipo de
estructura de base de pilas de combustible de acuerdo con la técnica
anterior;
- la figura 2, en vista caballera parcial, el
tipo de estructura de apilamiento de un módulo de geometría
coaxial;
- la figura 3, en vista caballera, la mitad de
un interconector utilizado en el módulo de acuerdo con la invención;
y
- la figura 4, en vista caballera en corte, un
módulo de acuerdo con la invención.
La figura 3 representa la mitad de un
interconector utilizado entre dos células elementales en el módulo
de pilas de combustible de acuerdo con la invención. Su estructura
está compuesta principalmente por un tabique central 13 constituido
por una placa plana metálica en forma de medio cilindro, mediante
enrollado o perfilado. En cada una de sus caras, se fijan de forma
separada collarines 11 para sobresalir en una y otra parte del
tabique estanco 13, de forma inclinada, en todo caso no de forma
perpendicular a éste. Además, cada collarín 11 posee en un extremo
escotaduras 12 que forman laminillas. En cooperación con el carácter
más o menos elástico de la placa metálica que constituye cada
collarín 11, las escotaduras 12 permiten que los collarines 11
presenten una elasticidad en sentido radial que se utiliza en el
montaje del módulo. Además, esta elasticidad permite a cada
interconector asegurar el contacto eléctrico con los electrodos con
los que está en contacto. De este modo, podrán ajustarse los
juegos, durante el montaje del módulo, para permitir este montaje y
asegurar el contacto eléctrico, entre los diferentes elementos y en
particular en calor. Además, este tipo de interconector también
permite limitar las tensiones sobre las células elementales del
módulo, durante dilataciones térmicas.
Está previsto utilizar una aleación a base de
níquel o una superaleación para constituir los interconectores. Las
dimensiones en frío de estos se determinan para obtener una fuerza
suficiente sobre los electrodos adyacentes, para asegurar un buen
contacto eléctrico por medio de las laminillas formadas por cada
escotadura 12, sin riesgo de deformación de ésta, ni riesgo de que
se derrumben las células elementales del módulo y para equilibrar
las fuerzas en calor en cada célula elemental.
Para limitar el posible problema de corrosión de
los contactos de los interconectores, estos pueden estar
revestidos, en el lado del cátodo, por medio del material que
constituye este último o cualquier otro material que asegura esta
función. Además, para limitar las pérdidas electrónicas en el
interfaz de estos dos elementos, puede colocarse una rejilla o
realizarse un revestimiento metálico conductor sobre el cátodo.
En referencia a la figura 4, el módulo de
acuerdo con la invención comprende los siguientes elementos
principales: una base 50 sobre la que se coloca una apilamiento 20
que se detallará posteriormente, coronado por una brida 40. La
brida 40 y la base 50 constituyen dispositivos de distribución y de
escape que comprenden medios de suministro y de evacuación de los
gases.
La base 50 posee dos canales radiales 51 que
reciben respectivamente los dos gases, a saber hidrógeno y oxígeno
empujados por aire. Los orificios 52 de distribución, que desembocan
en estos dos canales radiales 51, desembocan también frente al
módulo 20. De este modo, los dos gases pueden distribuirse hacia
cada célula elemental.
Una junta, por ejemplo una junta de tipo junta
de vidrio, se deposita sobre la superficie superior de la base 50,
para asegurar la estanqueidad a este nivel. Tubos capilares 53,
metálicos, se introducen en los orificios 52 de distribución, para
evitar su obstrucción por el vidrio, durante la colocación de
éste.
La superficie inferior del apilamiento 20 está
en contacto con la junta situada sobre la superficie superior de la
base 50.
El apilamiento 20 de célula elemental de pila de
combustible tiene por lo tanto una estructura concéntrica, tal como
se describe en la figura 2. Sin embargo, los interconectares tales
como se describen en la figura 2 se utilizan entre las células
elementales. En efecto, este módulo 20 está constituido en su
periferia por un interconector externo 10E y en su centro por un
interconector interno 10I. Cada uno de estos dos interconectores
10E y 10I está en contacto con una célula elemental que comprende, a
su vez, un apilamiento de un ánodo 21, de un electrolito 22 y de un
cátodo 23. Los demás interconectores 10 se sitúan entre dos células
elementales adyacentes.
Se observa que los orificios 52 de distribución
de la base 50 desembocan en los espacios libres entre los
interconectores 10E y 10I y las células elementales.
De este modo, se constata que los
interconectores 10, 10E y 10I, aseguran las funciones de contactos
eléctricos y de separación de los dos gases combustibles.
Si no se desea multiplicar el número de los
orificios de suministro 52 y de su tubo capilar 53, es muy ventajoso
disponer entre cada cátodo 23 y el interconector 10, 10I que le
hace frente, un fieltro o una lana cerámica. Del mismo modo, entre
cada ánodo 21 y el interconector 10E, 10 que le hace frente, puede
disponerse un fieltro de níquel, para crear una pérdida de carga.
De este modo, los gases combustibles podrán distribuirse
uniformemente en la circunferencia del ánodo 21 y del cátodo 23,
sin tener que multiplicar el número de puntos de suministro de
gases combustibles.
Entre la superficie superior del apilamiento 20
y la superficie inferior de la brida 40, se inserta un disco de
lana cerámica 30 que, una vez comprimido, absorbe las diferencias de
dilataciones, crea una pérdida de carga suficiente, para asegurar
una estanqueidad relativa entre los espacios entre los
interconectores 10, 10E y 10I y las células elementales.
Finalmente, permite evitar el retorno de los gases residuales al
interior del apilamiento 20.
La brida 40 se diseña en circona. Ésta comprende
cámaras anulares 45 mecanizadas en su superficie inferior, con el
fin de recoger de forma independiente los gases residuales, para
canalizarlos al exterior o hacia otro módulo de pila de
combustible. Una segunda opción consiste en quemar estos gases
residuales a la salida del módulo, para recalentar los circuitos de
los gases combustibles que entran. De este modo, una materia
fibrosa, por ejemplo lana de cerámica, puede disponerse en las
salidas de gases residuales de la brida 40 para evacuar estos sin
retrodifusión de la llama al interior del módulo. La otra solución
consiste en dejar escapar estos gases por orificios de salida 46,
que unen los canales anulares 45 a la superficie superior 44 de la
brida 40.
El conjunto del módulo se mantiene gracias a
anclajes 41 que acercan la brida 40 hacia la base 50, estando el
apilamiento 20 en forma de "sándwich".
La recogida de la corriente eléctrica se realiza
en los bornes del módulo, es decir en los interconectores interno
10I y externo 10E.
Claims (10)
1. Módulo de pila de combustible compuesto por
células elementales de geometría tubular, estando cada célula
constituida por un apilamiento de base concéntrica que comprende un
ánodo (21), un electrolito (22) y un cátodo (23), y rodeada por dos
interconectores (10, 10E, 10I) estando el módulo constituido por un
apilamiento concéntrico (20) de varias células concéntricas y
completado en cada lado por un dispositivo de distribución y de
escape, a saber una base (50) y una brida (40),
caracterizado porque los interconectores
(10, 10E, 10I) poseen un tabique central (13) en el que se fijan al
menos un collarín metálico (11) flexible, escotado y que se aleja
del tabique central (13) de forma inclinada.
2. Módulo de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque su sección es cilíndrica.
3. Módulo de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque las cajas colectoras de distribución y
de escape, a saber la brida (40) y la base (50) poseen medios de
suministro de gases combustibles.
4. Módulo de acuerdo con la reivindicación 3,
caracterizado porque los medios de suministro de la base (50)
están constituidos por al menos dos canales radiales (52) que
desembocan en una cara del apilamiento (20) por medio de orificios
de distribución (52) para suministrar a los electrodos, a saber los
ánodos (21) y los cátodos (23) de las células elementales.
5. Módulo de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende bandas de lana de cerámica en
el lado de los cátodos (23) entre los collarines (11) y el tabique
central (13) de los interconectores (10, 10I) y bandas de fieltro
de níquel en el lado de los ánodos (21) entre los collarines (11) y
el tabique central (13) de los interconectores (10, 10E).
6. Módulo de acuerdo con la reivindicación 3,
caracterizado porque los medios de suministro de la brida
(40) están constituidos por canales anulares (45) en la superficie
frente al apilamiento (20) y orificios de salida (46) en una
superficie externa (44) y que desembocan en los canales anulares
(45) para la salida de los gases residuales.
7. Módulo de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende un disco de lana cerámica (30)
comprimido entre el apilamiento (20) y la brida (40).
8. Módulo de acuerdo con la reivindicación 4,
caracterizado porque comprende tubos capilares (53)
introducidos en orificios de entrada (52) de la base (50).
9. Módulo de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende una junta en la superficie
superior de la base (50) y situada frente al apilamiento (20).
10. Módulo de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque los collarines (11) están revestidos,
en el lado de los cátodos (23), del material del que están
constituidos los cátodos (23).
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