ES2347387T3 - Estructura de fijacion para una pila de celdas de combustible y pila de celdas de combustible de oxido solido. - Google Patents
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Abstract
Estructura de fijación para una pila de celdas de combustible de óxidos sólidos planas incluyendo una hoja flexible y un bloque de extremo rígido térmicamente aislante, siendo capaz la hoja flexible de curvarse a una forma primariamente convexa, estando conformado el bloque de extremo rígido térmicamente aislante, como una base rectangular con una superficie plana para contacto con una chapa de extremo de la pila de celdas de combustible de óxidos sólidos planas, y una superficie opuesta que es de forma primariamente convexa, colocándose la hoja flexible en la superficie opuesta del bloque de extremo rígido térmicamente aislante, curvándose por ello la hoja flexible para obtener una forma que es primariamente convexa a la compresión.
Description
Estructura de fijación para una pila de celdas
de combustible y pila de celdas de combustible de óxido sólido.
La invención se refiere a una estructura de
fijación para una pila de celdas de combustible de óxidos sólidos.
Más en concreto, la invención se refiere a una pila de celdas planas
de combustible de óxidos sólidos que se comprime usando una
estructura de fijación que incluye una hoja flexible plana de cuatro
lados.
Una pila de celdas de combustible de óxidos
sólidos (SOFC) consta de una secuencia repetida de celdas de
combustible de óxidos sólidos a través de la que se crea un voltaje
eléctrico con interconexiones.
La pila incluye típicamente de 5 a 200 celdas de
combustible y consta de una secuencia de celdas de combustible
incluyendo un ánodo, un cátodo y un electrolito de óxido sólido,
alternando cada celda de combustible con la interconexión. A las
celdas de combustible les suministra combustible y oxidante un
sistema colector mediante un sistema interno de canales. El
combustible y el oxidante son distribuidos de una capa a otra en la
pila de celdas de combustible por un sistema de canales. Durante la
operación, se crea un voltaje electroquímico a través de las celdas
de combustible individuales. La interconexión sirve para introducir
oxidante y combustible en las celdas de combustible en canales
separados y para recoger electrones de una celda de combustible y
transmitirlos y distribuirlos a una celda de combustible
adyacente.
Las paredes del sistema interno de canales deben
ser estancas a los gases con el fin de evitar fugas de gas al
entorno externo o la mezcla a destiempo de oxidante y combustible.
Esto se asegura usando un material de sellado, por ejemplo, de
vidrio, y/o proporcionando una unión íntima y directa entre la celda
de combustible e interconexión en las superficies de sellado
disponibles.
El comportamiento estanco a los gases y el
contacto eléctrico deseado entre las celdas de combustible y las
interconexiones se aseguran en una pila SOFC comprimiendo las celdas
de combustible e interconexiones conjuntamente con una fuerza de
compresión definida usando una estructura de fijación. En algunos
casos la fuerza de compresión requerida puede ser de hasta 100
N/cm^{2} a través de cada superficie de celda de combustible
durante la operación de la pila de celdas de combustible. La
magnitud de la fuerza de compresión depende del diseño real de la
interconexión y la celda de combustible y de la presión de gas
durante la operación. La fuerza de compresión tiene lugar en las
superficies de extremo de la pila.
Una pila SOFC opera típicamente a temperaturas
de 600-850ºC. Dichas altas temperaturas representan
un reto al diseño de la estructura de fijación mecánica requerida
para generar fuerzas de compresión de tal magnitud.
Es importante que la fuerza de compresión se
ejerza en un área superficial correspondiente al área superficial
de las celdas de combustible en la pila. Las secciones interiores de
las superficies de extremo de la pila deben ser comprimidas con el
fin de mantener el contacto eléctrico, y las periferias de las
superficies de extremo deben ser comprimidas con el fin de hacer la
pila estanca a los gases. Convencionalmente, las celdas de
combustible tienen áreas superficiales de 80-1000
cm^{2} y pueden ser necesarias fuerzas de compresión de hasta
100.000 N.
Se conocen varios tipos de estructuras o
conjuntos de fijación, por ejemplo, conjuntos que usan bandas para
comprimir pilas de celdas de combustible planas. La Patente de
Estados Unidos número 5993987 describe una pila de celdas de
combustible incluyendo al menos una banda que circunscribe chapas de
extremo y celdas de combustible electroquímicas interpuestas. Un
elemento elástico que coopera con la banda empuja las chapas de
extremo una hacia otra, aplicando por ello fuerza de compresión a
las celdas de combustible para promover el sellado y el contacto
eléctrico entre las capas que forman la pila de celdas de
combustible.
La Solicitud de Patente de Estados Unidos número
2006093890 describe una pila de celdas de combustible mantenida en
compresión por un conjunto de tiras que incluye una banda de
compresión que se extiende alrededor de las chapas de extremo de la
pila de celdas de combustible.
Las estructuras de fijación tradicionales se
basan en la compresión de una pestaña de chapa de extremo metálica
plana colocada en cualquier superficie de extremo de la pila SOFC y
que se extiende más allá del área superficial definida por las
celdas de combustible en la pila. Las dos pestañas de chapa de
extremo están
conectadas una a otra en su periferia externa a las celdas de combustible por una estructura de fijación de
vástagos de unión, secciones de tubo, muelles y
tuercas para crear una fuerza de compresión en la pila.
conectadas una a otra en su periferia externa a las celdas de combustible por una estructura de fijación de
vástagos de unión, secciones de tubo, muelles y
tuercas para crear una fuerza de compresión en la pila.
Las fuerzas experimentadas en los vástagos de
unión pueden ser establecidas con la ayuda de la elasticidad de los
vástagos de unión usando muelles de disco, muelles helicoidales,
muelles de gas o usando cilindros neumáticos o cilindros
hidráulicos.
Las pilas SOFC operan típicamente a temperaturas
de 600-850ºC. A esta temperatura la mayoría de los
materiales metálicos, cuando se sometan a esfuerzo mecánico, se
deformarán con el tiempo. Por lo tanto, es ventajoso mantener las
secciones metálicas que experimentan esfuerzo mecánico a una
temperatura lo más baja posible.
Los vástagos de unión se insertan típicamente a
través de las dos pestañas de chapa de extremo plana, a continuación
a través de secciones de tubo de una longitud especificada que se
extiende más allá de la pila SOFC y a través de muelles colocados
en los extremos de las secciones de tubo. Las secciones de tubo
funcionan como espaciadores para distanciar los muelles de la pila
de celdas de combustible de tal manera que los muelles se mantengan
a una temperatura operativa menos severa que la temperatura alta
experimentada durante la operación de la pila. Se usan tuercas
colocadas después de los muelles para montar estos componentes y por
ello ajustar la fuerza de compresión en la pila SOFC.
Durante la operación de la pila SOFC, los
vástagos de unión están a una temperatura aproximadamente
equivalente a la temperatura operativa de las pilas. La tensión
creada por ello en los vástagos de unión da lugar a una tendencia
de los vástagos de unión a la fluencia.
Durante la operación de la pila SOFC las
pestañas de chapa de extremo plana también se someten a tensión
mecánica durante la influencia de las fuerzas de ambos vástagos de
unión en el sistema de fijación y la pila deformando las pestañas
planas. Por lo tanto, las pestañas planas tienden a ser de forma
convexa.
En una estructura alternativa de fijación, los
vástagos de unión y las pestañas de chapa de extremo plana están,
durante la operación, a una temperatura muy inferior a la
temperatura operativa de la pila SOFC. Esto es posible aislando
térmicamente la pila SOFC en los lados de la pila usando material
aislante. Colocar material aislante adicional en ambos extremos de
la pila junto a las chapas de extremo planas permite transferir la
fuerza de compresión obtenida durante la fijación a través del
material aislante adicional. Los vástagos de unión y las pestañas
de chapa de extremo plana pueden experimentar así una tensión más
grande antes de la fluencia indeseable. La desventaja de estos
tipos de estructuras de fijación que usan vástagos de unión están
asociadas con la pestaña de chapa de extremo plana colocada en cada
superficie de extremo de la pila SOFC y que se extiende más allá
del área superficial definida por las celdas de combustible en la
pila. Cada pestaña de chapa de extremo plana experimenta una fuerza
de curvado cuando se expone a las fuerzas mecánicas que se originan
en los vástagos de unión y la pila.
Estos efectos indeseables dan lugar a una
reducción de la fuerza de compresión en toda la pila o a una
distribución no uniforme de la fuerza de compresión en la pila,
dando lugar a un contacto eléctrico más pobre y/o la pila es menos
estanca a los gases, y no se puede evitar el escape de gas al
entorno externo.
Por lo tanto, las pestañas usadas son de un
grosor considerable, típicamente 5-20 mm, con el fin
de absorber estas fuerzas y de minimizar la deformación de las
pestañas, evitando simultáneamente el escape de gas y la pérdida de
contacto eléctrico en la pila.
La Solicitud de Patente WO número 2006/012844
describe una pila de celdas de combustible para celdas de
combustible de óxidos sólidos con un dispositivo de fijación y un
dispositivo termoaislante. El dispositivo termoaislante está
situado entre las celdas de combustible y el dispositivo de
fijación, que tiene elementos de distribución de presión en forma
de chapas planas que son paralelas una a otra, una envuelta
semiesférica o son semicilíndricas. Los elementos de distribución
de presión aseguran que la presión se distribuya uniformemente en
toda la superficie de los elementos termoaislantes.
No se dan detalles relativos a la construcción
de los elementos de distribución de presión, pero es conocido en la
técnica usar chapas planas de metal. Además, la aplicación de
envueltas semiesféricas implica el uso de un material rígido o duro
conformado en forma de un hemisferio.
Los elementos de distribución de presión en
forma de chapas planas se fabrican por lo general de metal. Las
envueltas de distribución de presión o los cilindros de metal se
pueden preparar por procesos de formación de metal tal como
embutición profunda, que es un proceso más complicado que el proceso
usado al preparar chapas planas.
La economía asociada con celdas de combustible
de óxidos sólidos es alta y hay una necesidad constante de reducir
el costo de las pilas SOFC sin pérdidas de las propiedades químicas
y/o físicas de los varios componentes de la pila.
Además, también se necesitan componentes de
celdas de combustible de óxidos sólidos que exhiban propiedades
físicas aceptables al mismo tiempo que contribuyen a una reducción
del peso y/o volumen de la pila.
Un objetivo de la invención es proporcionar una
estructura de fijación para una pila SOFC plana en la que se evita
la deformación debido a distribución no uniforme de fuerzas de
compresión durante la operación de la pila SOFC.
Otro objetivo de la invención es proporcionar
una pila SOFC plana que tiene un peso y volumen reducidos.
La invención se refiere a una estructura de
fijación para una pila de celdas de combustible de óxidos sólidos
planas incluyendo una hoja flexible plana y un bloque de extremo
rígido térmicamente aislante, siendo capaz la hoja flexible plana
de curvarse a una forma primariamente convexa, estando conformado el
bloque de extremo rígido térmicamente aislante como una base
rectangular con una superficie plana y una superficie opuesta que
es de forma primariamente convexa, colocándose la hoja flexible en
la superficie opuesta del bloque de extremo rígido térmicamente
aislante, curvándose por ello la hoja flexible para obtener una
forma que es primariamente convexa al ejercer una fuerza de
compresión a través de cada superficie de celda de combustible de
óxidos sólidos.
La invención también se refiere a una pila SOFC
incluyendo la estructura de fijación donde la pila incluye una o
más celdas planas de combustible de óxidos sólidos interpuestas
entre chapas de extremo, incluyendo al menos una chapa de extremo
adyacente a la estructura de fijación una hoja flexible y un bloque
de extremo térmicamente aislante, siendo capaz la hoja flexible de
curvarse a una forma primariamente convexa, estando conformado el
bloque de extremo térmicamente aislante como una base rectangular
con una superficie plana y una superficie opuesta que es de forma
primariamente convexa, colocándose la hoja flexible junto a la
superficie opuesta del bloque de extremo térmicamente aislante,
curvándose por ello la hoja flexible para obtener una forma que es
primariamente convexa y estando la al menos única chapa de extremo
en contacto con la superficie plana de la base rectangular del
bloque de extremo térmicamente aislante al ejercicio de una fuerza
de compresión a través de cada superficie de celda de combustible
de óxidos sólidos.
La invención también se refiere a un proceso
para la compresión de la pila de celdas de combustible de óxidos
sólidos incluyendo interponer una o más celdas planas de combustible
de óxidos sólidos entre chapas de extremo, colocar junto a al menos
una chapa de extremo una estructura de fijación incluyendo una hoja
flexible y un bloque de extremo térmicamente aislante, siendo capaz
la hoja flexible de curvarse a una forma primariamente convexa,
estando conformado el bloque de extremo térmicamente aislante como
una base rectangular con una superficie plana y una superficie
opuesta que es de forma primariamente convexa, colocar la hoja
flexible junto a la superficie opuesta del bloque de extremo
térmicamente aislante curvando la hoja flexible para obtener una
forma que es primariamente convexa y colocar la al menos única chapa
de extremo en contacto con la superficie plana de la base
rectangular del bloque de extremo térmicamente aislante y ejercer
una fuerza de compresión a través de cada superficie de celda de
combustible de óxidos sólidos.
Se define una forma primariamente convexa como
una forma que se curva y redondea hacia fuera. La forma
primariamente convexa puede estar curvada en una dirección
solamente, es decir, curvada en una sola dirección, o se puede
curvar en todas las direcciones, es decir, curvar en dos
direcciones. La curva y por ello la forma puede estar suave o
gradualmente redondeadas hacia fuera. Preferible son formas curvadas
en una dirección solamente, es decir, formas de curva única.
Por flexible se entiende la capacidad de curvar
fácilmente o flexionar, es decir, no rígido.
Al aplicar la estructura de fijación de la
invención a una pila SOFC plana se puede evitar completamente el
uso de pestañas de chapa de extremo plana. Esto es ventajoso dado
que así se obtiene un peso más bajo de la pila SOFC.
La estructura de fijación de la invención es de
naturaleza flexible y puede acomodar las fuerzas presentes en la
pila durante la operación sin crear distorsión de los varios
elementos en la pila.
Así se mantiene el contacto eléctrico entre las
varias capas en la pila, la pila permanece estanca a los gases y
entonces se evita el escape de gas al entorno externo.
Adicionalmente, la pila SOFC de la invención es
más pequeña que la pila SOFC convencional dado que se evitan las
chapas de extremo planas gruesas. Dado que las chapas de extremo
planas se hacen generalmente de metal, en su ausencia, la pila SOFC
de la invención es más ligera y requiere menos material o metal para
su fabricación.
La figura 1 representa una pila SOFC
convencional desmontada.
La figura 2 representa la pila SOFC convencional
montada.
La figura 3 representa una pila SOFC
convencional montada.
La figura 4 representa una pila SOFC
convencional desmontada.
La figura 5 representa una pila SOFC desmontada
de la invención.
La figura 6 representa una pila SOFC montada de
la invención.
Las figuras 7a, 7b, 7c, 7d y 7e muestran vistas
en sección transversal de diferentes realizaciones geométricas del
bloque aislante de extremo.
Las figuras 8a y 8b muestran diferentes
realizaciones geométricas de la hoja flexible vista desde la parte
superior de la pila.
La estructura de fijación de la invención es de
estructura muy simple e incluye una hoja plana flexible capaz de
curvarse y de ser de forma primariamente convexa. También incluye un
bloque aislante de extremo que proporciona aislamiento térmico y
conformado en forma convexa en la superficie exterior. Esta forma
primariamente convexa del bloque aislante de extremo empuja la hoja
flexible a una forma convexa cuando está en contacto con el bloque
aislante de extremo y bajo compresión. La forma de la hoja flexible
plana se adapta a la forma del bloque aislante de extremo. La
superficie primariamente convexa del bloque aislante de extremo
junto a la hoja flexible encaja así en la hoja flexible
convexa.
El bloque aislante de extremo se coloca
directamente entre la hoja flexible y una superficie de extremo de
la pila SOFC. No se necesita ninguna pestaña de chapa de extremo
plana entre la pila SOFC y el bloque de extremo. La superficie del
bloque aislante de extremo adyacente a la pila SOFC es plana y tiene
un área superficial idéntica al área superficial de la pila SOFC,
es decir, las dos superficies tienen las mismas dimensiones
generales. La pila SOFC también puede estar térmicamente aislada en
sus superficies restantes.
La superficie primariamente convexa del bloque
aislante de extremo empuja la hoja flexible para cambiar la forma
de plana a convexa a la compresión. La hoja flexible convexa
resultante se curva así alejándose de la pila SOFC. Por ello, la
tensión mecánica en la hoja flexible está en el plano de la hoja
flexible. La hoja flexible no tiene que resistir fuerzas de
curvado. Esto permite dimensionar la hoja flexible con un grosor
mucho menor y por ello es de peso mucho más ligero que las pestañas
de chapa de extremo plana convencionales. Por lo tanto, las fuerzas
entre la hoja flexible y el bloque aislante de extremo se
distribuyen de una manera que asegure que el bloque aislante de
extremo esté en compresión.
La hoja flexible plana puede tener
preferiblemente una longitud y una anchura de 1-2
veces la longitud lateral de las celdas de combustible de óxidos
sólidos en la pila. Cuando la hoja flexible se curva para obtener
una forma que se curva en una dirección solamente, es decir, una
forma de curva única, entonces se hace preferiblemente por
embutición o corte con láser de una hoja metálica fina y a
continuación se curva a lo largo de la curvatura del aislamiento
térmico. La hoja puede ser tan fina que no se necesiten herramientas
para el curvado, lo que no es el caso si la hoja se ha de curvar a
una forma que se curve en todas las direcciones, es decir, una
forma de curva doble. Esta forma requiere embutición profunda.
La hoja flexible puede estar suave o
gradualmente redondeada hacia fuera. La forma primariamente convexa
que logra al curvarse, se puede curvar en todas las direcciones (es
decir, curva doble) o curvarse en una dirección solamente (es
decir, curva única). La hoja flexible se puede curvar a una forma
que se curva en todas las direcciones y forma un segmento de una
esfera por ejemplo una forma abovedada.
Preferiblemente la hoja flexible se curva para
formar una forma primariamente convexa que se curva en una
dirección solamente (es decir, una sola curva). Por ejemplo, la hoja
flexible se puede curvar a una forma que se curve en una dirección
solamente y forme un segmento de un cilindro, por ejemplo, una forma
arqueada.
Las figuras 7a, 7b, 7c, 7d y 7e muestran
secciones transversales, es decir, secciones verticales
transversales de diferentes formas geométricas del bloque aislante
de extremo. En todos los casos el bloque aislante de extremo tiene
una base rectangular que tiene una superficie plana y una superficie
opuesta que es de forma primariamente convexa y puede estar suave o
gradualmente redondeada hacia fuera, por ejemplo, puede ser
escalonada, arqueada o piramidal. Las diferentes realizaciones
geométricas del bloque aislante de extremo aseguran que la hoja
flexible sea de forma primariamente convexa y se curve en una
dirección solamente. En las figuras 7a, 7d, 7e la hoja flexible
está suavemente redondeada hacia fuera, mientras que en las figuras
7b y 7c la hoja flexible está gradualmente redondeada hacia
fuera.
Al usar la estructura de fijación de la
invención se evita la deformación que da lugar a la curvatura de los
componentes de celda de combustible. Tampoco se requieren pestañas
de chapa de extremo gruesas, dando lugar por ello a una reducción
del volumen y la cantidad de material requerido para fabricar las
pestañas, reduciendo por lo tanto el costo de la pila de celdas de
combustible. En último término, esto da lugar a una reducción del
peso de la pila SOFC, lo que es deseable.
La estructura de fijación de la invención
permite la distribución de gas en los lados de la pila de celdas de
combustible. La estructura de fijación puede ser usada en cualquier
extremo de la pila de celdas de combustible. Además, el aislamiento
se puede colocar en dos lados opuestos de los cuatro lados de la
pila de celdas de combustible, dejando ventajosamente otros dos
lados opuestos disponibles para colocación de entradas y salidas
para combustible y aire a la pila de celdas de combustible.
La estructura de fijación también puede incluir
vástagos de unión, muelles y tuercas conocidos en la técnica y
útiles para proporcionar una fuerza de compresión al fijar la pila
SOFC. Por lo tanto, la hoja flexible puede estar provista de medios
de unión en sus bordes que permiten el paso, por ejemplo, de
vástagos de unión usados al montar la pila SOFC.
La presencia del bloque aislante de extremo
permite que la hoja flexible esté a una temperatura inferior a la
temperatura de la pila. El bloque aislante de extremo tiene un
grosor preferible de 5-100 mm y una conductividad
térmica de 0,01-2,0 W/(mK). El grosor del bloque
aislante de extremo, su conductividad térmica y la temperatura del
entorno determinan la temperatura de la hoja flexible durante la
operación de la pila SOFC. Es ventajoso dimensionar el bloque
aislante de extremo a valores que permitan que la hoja flexible
tenga una temperatura de 100-650ºC durante la
operación.
El tamaño de la hoja flexible es al menos el
tamaño de las celdas en la pila, pero debido a la curvatura uno de
los dos lados será algo más largo, preferiblemente
1-2 veces la longitud lateral de la celda
correspondiente.
La hoja flexible se hace preferiblemente de
acero. Sin embargo, también son útiles otros tipos de aleaciones de
metales, por ejemplo aleaciones a base de titanio, aluminio o
níquel. Una aleación adecuada es inconel, que es útil a las altas
temperaturas empleadas durante la operación de la pila debido a sus
propiedades de resistencia al calor. La hoja flexible puede tener
forma de una chapa metálica fina que tenga un grosor, por ejemplo,
de 0,05-5 mm, por lo que se mantiene la
flexibilidad.
Alternativamente, la hoja flexible se puede
hacer de malla de alambre metálico, tejido cerámico o material
compuesto. Los tejidos cerámicos adecuados se pueden basar, por
ejemplo, en fibras de vidrio o en cinta de fibras cerámicas tal
como 3M^{TM} Nexte^{TM}. El material compuesto adecuado se puede
basar en carbono, Kevlar® o fibras de vidrio incrustadas en
poliéster o resina epoxi. El uso de estos materiales es ventajoso
debido a su mayor flexibilidad.
Cuando la hoja flexible está colocada para uso
en la superficie opuesta del bloque aislante de extremo que es
primariamente convexo, obtiene una forma que se curva en una
dirección solamente, es decir, es de curva única, debido a la
curvatura de la superficie opuesta del bloque aislante de extremo.
Se prefiere que la curvatura de la superficie opuesta tenga un
radio de 0,6 a 5 veces la anchura de las celdas. Es ventajoso tener
un radio grande, puesto que esto reducirá la altura general del
conjunto.
Cuando la hoja flexible está colocada para uso
en la superficie opuesta del bloque aislante de extremo que es
primariamente convexo y escalonado con un plano superior, puede dar
lugar a la presencia de secciones huecas entre la hoja flexible y
los escalones del bloque aislante de extremo. Estas secciones huecas
se pueden llenar ventajosamente de un segundo material aislante que
tiene mejores propiedades de aislamiento que el bloque aislante de
extremo, mejorando por ello el efecto de aislamiento general.
Además, la presencia de lados escalonados con un
plano superior da lugar a una altura del bloque aislante de extremo
medida desde el centro de la base rectangular con la superficie
plana al plano superior de la superficie opuesta que es menor que
la altura obtenible con una realización que está suavemente
redondeada hacia fuera.
El bloque aislante de extremo se puede hacer
parcial o totalmente de cualquier material aislante rígido
comercialmente disponible, por ejemplo bloques a base de alúmina,
silicato de calcio o vermiculato. Los materiales aislantes
preferibles son los tipos de silicato de calcio puesto que
proporcionan buena maquinabilidad, son de poco peso y tienen
propiedades de baja transferencia de calor y buena resistencia a la
compresión.
La superficie primariamente convexa del bloque
aislante de extremo en contacto con la hoja flexible puede tener
formas geométricas diferentes que pueden asegurar que la hoja
flexible sea de forma primariamente convexa cuando las dos
superficies estén en contacto una con otra. Una sección vertical
transversal a través del bloque aislante de extremo muestra que la
superficie primariamente convexa puede ser, por ejemplo, de radio
constante y tener el aspecto de un arco romano de forma curvada y
que abarca un agujero. En esta realización la hoja flexible es de
forma convexa, se curva en una dirección solamente y está suavemente
redondeada hacia fuera. La superficie primariamente convexa no se
limita a un radio fijo. Se prefiere, sin embargo, un radio de 0,6 a
5 veces la anchura de las celdas.
En otra realización, una sección vertical
transversal a través del bloque aislante de extremo muestra la
superficie primariamente convexa del bloque aislante de extremo que
tiene uno o más lados escalonados y una parte superior plana. En
estas realizaciones la hoja flexible es de forma primariamente
convexa y está gradualmente redondeada hacia fuera. Se curva en una
dirección solamente.
En una realización de la invención la pila SOFC
tiene una hoja flexible y un bloque aislante de extremo con una
superficie primariamente convexa, es decir, tiene la estructura de
fijación de la invención en un extremo de la pila solamente. En
otra realización de la invención la pila SOFC tiene una hoja
flexible y un bloque aislante de extremo, con una superficie
primariamente convexa, es decir, tiene la estructura de fijación de
la invención en ambos extremos de la pila.
La figura 1 representa una disposición
desmontada de una pila SOFC de flujo transversal convencional con
dos celdas de combustible. La pila SOFC incluye dos celdas de
combustible de óxidos sólidos 1 alternas con interconexiones 2. La
pila SOFC tiene típicamente una chapa de extremo 3 hecha de metal o
cerámica en un extremo y en el extremo opuesto una chapa colectora
4 hecha típicamente de metal y que facilita la transferencia de
gases a celdas de combustible 1. Cuando los elementos de la pila
SOFC están montados, la fuerza de compresión se obtiene fijando la
pila entre pestañas de chapa de extremo plana 5 usando un sistema de
vástagos de unión rígidos 6, muelles 7 y tuercas 8. En este tipo de
montaje los vástagos de unión 6 se insertan a través de secciones
de tubo 9 útiles para distanciar los muelles 7 de la pila de celdas
de combustible con el fin de mantener los muelles 7 a una
temperatura más baja que la temperatura de la pila.
La figura 2 representa la pila SOFC convencional
de la figura 1 cuando está montada. Se puede ver que las secciones
de tubo 9 aseguran que los muelles 7 estén distanciados de la pila
SOFC.
La figura 3 representa otro ejemplo de una pila
SOFC convencional montada. En este tipo de estructura de fijación
los vástagos de unión 6 y las pestañas de chapa de extremo plana 5
están, durante la operación, a una temperatura muy inferior a la
temperatura operativa de la pila SOFC. Esto es posible aislando
térmicamente la pila SOFC en los lados de la pila usando material
aislante 10. La colocación de material aislante adicional 11 en
cualquier extremo de la pila junto a las pestañas de chapa de
extremo plana 5 permite una transferencia de la fuerza de
compresión obtenida durante la fijación a través del material
aislante adicional 11. Los vástagos de unión 6 y las pestañas de
chapa de extremo plana 5 pueden experimentar así una tensión más
grande antes de la deformación indeseable.
La figura 4 representa la pila SOFC convencional
desmontada de la figura 3. El material aislante 10 en los lados de
la pila y el material aislante adicional 11 en cualquier extremo de
la pila junto a las pestañas de chapa de extremo plana 5 son de
forma plana.
Como se ha mencionado anteriormente, las
pestañas de chapa de extremo plana en estas estructuras de fijación
convencionales experimentan una fuerza de curvado cuando se exponen
a las fuerzas mecánicas que se originan en los vástagos de unión 6
y la pila. Por lo tanto, puede tener lugar un contacto eléctrico más
pobre y escape de gas si estas fuerzas de curvado hacen que las
pestañas de chapa de extremo se curven.
La figura 5 representa una realización de la
invención en la que los varios componentes de la estructura de
fijación de pila SOFC están desmontados. La pila SOFC se inserta
entre dos bloques de extremo aislantes 12. Cada bloque aislante de
extremo 12 tiene una superficie plana 13 junto a la pila SOFC y una
superficie opuesta 14 que es la superficie primariamente convexa
junto a la hoja flexible 15. La sección vertical transversal del
bloque aislante de extremo 12 muestra la superficie primariamente
convexa que tiene una forma semicilíndrica y colocada en una base
rectangular que tiene las mismas dimensiones generales que la pila
SOFC. Los lados de la pila SOFC también están aislados con material
aislante 10 en esta realización.
La hoja flexible 15 es empujada a la forma
convexa cuando está en contacto con el bloque aislante de extremo
12 y los componentes de la pila SOFC están montados para fijación.
La hoja flexible 15 es de forma general rectangular con los lados
más largos 16 parcialmente en contacto con el bloque aislante de
extremo 12 y parcialmente en contacto con el material aislante 10
en los lados del bloque aislante de extremo, y los lados más cortos
17 de la hoja flexible 15 que bajan por los lados de la pila SOFC.
Los lados más cortos 17 se curvan en un ángulo y longitud
predeterminados y tienen perforaciones 18 para el paso de los
vástagos de unión 6. La hoja flexible 15 se curva en una dirección
solamente y está suavemente redondeada.
La figura 6 representa la misma realización que
en la figura 5. Sin embargo, los varios componentes de la
estructura de fijación de pila SOFC están montados. Se puede ver
que, después de la fijación, la hoja flexible 15 es de forma
convexa. Por lo tanto la hoja flexible 15 no tiene que resistir
fuerzas de curvado y la tensión mecánica está en el plano de la
hoja flexible.
La fuerza de compresión se obtiene después de la
fijación con la asistencia de tuercas 8, muelles 7 y vástagos de
unión 6 que se extienden a través de perforaciones 18 en la hoja
flexible 15.
En otras realizaciones de la invención, las
figuras 7a, 7b, 7c, 7d y 7e muestran vistas en sección transversal,
es decir, vertical de formas geométricas diferentes del bloque
aislante de extremo. En todos los casos el bloque aislante de
extremo 12 tiene una base rectangular que tiene una superficie plana
13 y una superficie opuesta 14, que es de forma primariamente
convexa y se puede conformar geométricamente de varias maneras. Las
diferentes realizaciones geométricas del bloque aislante de extremo
12 aseguran que la hoja flexible 15 sea de forma primariamente
convexa y se curve alejándose suave o gradualmente de la pila SOFC,
curvándose en una dirección solamente.
En la figura 7a la sección transversal, es
decir, vertical a través del bloque aislante de extremo 12
representa la superficie opuesta 14 que tiene una superficie
primariamente convexa que es de radio constante y tiene el aspecto
de un arco. La hoja flexible 15 es así de forma convexa, está
suavemente redondeada hacia fuera y se curva en una dirección
solamente.
En la figura 7b, la sección transversal, es
decir, vertical a través del bloque aislante de extremo 12
representa la superficie opuesta 14 que tiene una superficie
primariamente convexa que es de radio constante y tiene dos
escalones 19 y un plano superior 20, es decir, la superficie opuesta
14 está escalonada. En esta realización, la hoja flexible 15 es de
forma primariamente convexa y está gradualmente redondeada hacia
fuera, curvándose en una dirección solamente. Esta realización
tiene secciones huecas 21 entre los escalones 19 y la hoja flexible
15. La presencia de secciones huecas 21 se puede llenar
ventajosamente con un segundo material aislante (no representado)
que tiene mejores propiedades de aislamiento que el bloque aislante
de extremo 12, mejorando por ello el efecto de aislamiento
general.
En la figura 7c, la sección transversal, es
decir, vertical a través del bloque aislante de extremo 12
representa la superficie opuesta 14 que tiene una superficie
primariamente convexa que tiene lados inclinados en diagonal 21 y
un plano superior 20. En esta realización la hoja flexible 15 es de
forma primariamente convexa, se curva en una dirección solamente y
está gradualmente redondeada hacia fuera.
Las realizaciones representadas en las figuras
7b y 7c tienen una hoja flexible que está gradualmente redondeada
hacia fuera con un plano superior y se curva en una dirección
solamente. La altura del bloque aislante de extremo medida desde el
centro de la base rectangular con la superficie plana al plano
superior de la superficie opuesta es menor que la altura obtenible
con una realización suavemente redondeada hacia fuera tal como la
realización representada en la figura 7a. La pila de celdas de
combustible de óxidos sólidos que tiene un bloque aislante de
extremo que está escalonado con un plano superior, tiene así
ventajosamente un volumen y peso menores que una pila suavemente
redondeada hacia fuera.
En la figura 7d, la sección transversal, es
decir, vertical a través del bloque aislante de extremo 12
representa la superficie opuesta 14 que tiene una superficie
primariamente convexa que tiene un radio mayor que el radio del
arco de la figura 7a. La hoja flexible es así de forma convexa, se
curva en una dirección solamente y está suavemente redondeada hacia
fuera. Se prefiere un radio de 0,6 a 5 veces la anchura de las
celdas.
En la figura 7e, la sección transversal, es
decir, vertical a través del bloque aislante de extremo 12
representa la superficie opuesta 14 que tiene una superficie
primariamente convexa que es de forma triangular o piramidal con
una punta redondeada. En esta realización, la hoja flexible 15
también es de forma primariamente convexa, se curva en una
dirección solamente y está suavemente redondeada hacia fuera.
En otra realización de la invención, las figuras
8a y 8b muestran formas geométricas diferentes de la hoja flexible
vista desde la parte superior de la pila. La figura 8a representa la
hoja flexible 15 y la figura 8b representa la hoja flexible 15
representada en la figura 8a colocada en el bloque aislante de
extremo 12. El bloque aislante de extremo 15 es convexo visto desde
un lado de la pila y al mismo tiempo es convexo visto desde un
ángulo perpendicular a la primera vista. Por lo tanto, la forma
convexa es más análoga a un hemisferio que a medio cilindro. La
convexidad puede ser establecida por una combinación de las
geometrías representadas en las figuras 7a a 7e. En estas
realizaciones, la hoja flexible 15 se curva en todas las
direcciones, es decir, es de curva doble.
Claims (16)
1. Estructura de fijación para una pila de
celdas de combustible de óxidos sólidos planas incluyendo una hoja
flexible y un bloque de extremo rígido térmicamente aislante, siendo
capaz la hoja flexible de curvarse a una forma primariamente
convexa, estando conformado el bloque de extremo rígido térmicamente
aislante, como una base rectangular con una superficie plana para
contacto con una chapa de extremo de la pila de celdas de
combustible de óxidos sólidos planas, y una superficie opuesta que
es de forma primariamente convexa, colocándose la hoja flexible en
la superficie opuesta del bloque de extremo rígido térmicamente
aislante, curvándose por ello la hoja flexible para obtener una
forma que es primariamente convexa a la compresión.
2. Estructura de fijación según la
reivindicación 1, donde la hoja flexible se curva para obtener una
forma que se curva en una dirección solamente.
3. Estructura de fijación según la
reivindicación 1, donde la hoja flexible se curva para obtener una
forma que se curva en todas las direcciones.
4. Estructura de fijación según las
reivindicaciones 2 o 3, donde la superficie opuesta del bloque de
extremo rígido, térmicamente aislante, se redondea suave o
gradualmente hacia fuera a la forma primariamente convexa.
5. Estructura de fijación según la
reivindicación 1, donde la hoja flexible se hace de metal.
6. Estructura de fijación según la
reivindicación 5, donde el metal es acero o una aleación de titanio,
aluminio o níquel.
7. Estructura de fijación según las
reivindicaciones 1 o 5, donde la hoja flexible se hace de un tejido
de fibras cerámicas, malla de alambre metálico o un material
compuesto a base de vidrio, Kevlar® o fibras de carbono incrustado
en poliéster o resina epoxi.
8. Estructura de fijación según la
reivindicación 1, donde el bloque de extremo rígido, térmicamente
aislante, tiene una conductividad térmica de 0,01-
2,0 W/mK.
2,0 W/mK.
9. Estructura de fijación según la
reivindicación 1, donde el bloque de extremo rígido, térmicamente
aislante, se hace de material a base de alúmina, silicato de calcio
o vermiculita.
10. Estructura de fijación según la
reivindicación 4, donde la superficie opuesta del bloque de extremo
rígido, térmicamente aislante, es de forma escalonada o
piramidal.
11. Estructura de fijación según la
reivindicación 1, donde la hoja flexible tiene una longitud y una
anchura de 1-2 veces la longitud y anchura
correspondientes de las celdas de combustible de óxidos sólidos en
la pila.
12. Estructura de fijación según la
reivindicación 1, donde la hoja flexible curvada tiene un radio de
0,6 a 5 veces la anchura de las celdas de combustible de óxidos
sólidos.
13. Pila de celdas de combustible de óxidos
sólidos incluyendo la estructura de fijación de la reivindicación
1, donde la pila incluye una o más celdas planas de combustible de
óxidos sólidos interpuestas entre chapas de extremo, incluyendo al
menos una chapa de extremo que está adyacente a la estructura de
fijación una hoja flexible y un bloque de extremo térmicamente
aislante, siendo capaz la hoja flexible de curvarse a una forma
primariamente convexa, estando conformado el bloque de extremo
térmicamente aislante como una base rectangular con una superficie
plana y una superficie opuesta que es de forma primariamente
convexa, colocándose la hoja flexible adyacente a la superficie
opuesta del bloque de extremo térmicamente aislante, curvándose por
ello la hoja flexible para obtener una forma que es primariamente
convexa y estando la al menos única chapa de extremo en contacto
con la superficie plana de la base rectangular del bloque de extremo
térmicamente aislante.
14. Pila de celdas de combustible de óxidos
sólidos de la reivindicación 13, donde la estructura de fijación se
coloca en cada chapa de extremo.
15. Proceso para la compresión de la pila de
celdas de combustible de óxidos sólidos de la reivindicación 13,
incluyendo interponer una o más celdas planas de combustible de
óxidos sólidos entre chapas de extremo, colocar junto a al menos
una chapa de extremo una estructura de fijación incluyendo una hoja
flexible y un bloque de extremo térmicamente aislante, siendo capaz
la hoja flexible de curvarse a una forma primariamente convexa,
estando conformado el bloque de extremo térmicamente aislante como
una base rectangular con una superficie plana y una superficie
opuesta que es de forma primariamente convexa, colocar la hoja
flexible junto a la superficie opuesta del bloque de extremo
térmicamente aislante, curvar la hoja flexible para obtener una
forma que es primariamente convexa y colocar la al menos única
chapa de extremo en contacto con la superficie plana de la base
rectangular del bloque de extremo térmicamente aislante y ejerciendo
una fuerza de compresión a través de cada superficie de celda de
combustible de óxidos sólidos.
16. Proceso según la reivindicación 15, donde la
fuerza de compresión se obtiene usando tuercas, muelles y vástagos
de unión.
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