ES2584870T3 - Disposición de la celda de combustible - Google Patents

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ES2584870T3 ES06726361.6T ES06726361T ES2584870T3 ES 2584870 T3 ES2584870 T3 ES 2584870T3 ES 06726361 T ES06726361 T ES 06726361T ES 2584870 T3 ES2584870 T3 ES 2584870T3
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James Martin Townsend
Michele Bozzolo
Gerard Daniel Agnew
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Abstract

Una disposición (110) de la celda de combustible que comprende al menos un módulo (12) de la celda de combustible, cada módulo (12) de la celda de combustible comprende una pluralidad de celdas (14) de combustible, cada celda (14) de combustible comprende un electrodo (18) anódico, un electrodo (22) catódico y un electrolito (20), al menos un módulo (12) de la celda de combustible es hueco y define al menos una cámara (16), al menos un módulo (12) de la celda de combustible está dispuesto dentro de al menos un recipiente (24) interior y al menos un recipiente (24) interior está dispuesto dentro de un recipiente (28) exterior a presión, un medio (32) para suministro de oxidante a los electrodos (22) catódicos, un medio (34) para suministrar combustible a los electrodos (18) anódicos, el medio (32) para el suministro de materiales oxidantes que se oxidan en un espacio (30) entre al menos un recipiente (24) interior y el recipiente (28) exterior a presión, caracterizada porque el medio (32) para el suministro de oxidante está dispuesto para suministrar oxidante al espacio (26) dentro del recipiente (24) interior, el espacio (26) dentro del recipiente (24) interior está dispuesto para el suministro de oxidante a los electrodos (22) catódicos, el medio (34) para suministrar combustible está dispuesto para suministrar combustible a al menos una cámara (16) en al menos un módulo (12) de la celda de combustible, al menos una cámara (16) en al menos un módulo (12) de la celda de combustible está dispuesto para suministrar combustible a los electrodos (18) anódicos de al menos un módulo (12) de la celda de combustible, medios (84, 86, 88, 90) para recircular oxidante no utilizado desde los electrodos (22) catódicos nuevamente a los electrodos (22) catódicos y el medio (32) para el suministro de oxidante a los electrodos (22) catódicos está dispuesto de tal manera que la presión en el espacio (30) entre el recipiente (28) exterior a presión y al menos un recipiente (24) interior es mayor que la presión en al menos un recipiente (24) interior de tal manera que al menos un recipiente (24) interior se somete a una carga de compresión.

Description

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DESCRIPCION
Disposicion de la celda de combustible
La presente invencion se refiere a una disposicion de la celda de combustible y en particular a una disposicion de la celda de combustible de oxido solido.
Se sabe que una disposicion de la celda de combustible comprende uno, o mas, modulos de celdas de combustible, cada modulo de la celda de combustible comprende una pluralidad de celdas de combustible dispuestas dentro de una carcasa y cada carcasa esta dispuesta dentro de un recipiente a presion. Convencionalmente, el recipiente a presion tiene aislamiento interior y/o fluido de refrigeracion que utiliza pasajes dentro del recipiente a presion para mantener la temperatura del recipiente a presion a una temperatura suficientemente baja para garantizar la integridad del recipiente a presion. En el caso de las celdas de combustible de oxido solido que operan a temperaturas mas altas, por ejemplo 700°C a 1000°C, la disposicion termica del flujo de calor para el recipiente a presion es diflcil.
La disposicion convencional adolece de problemas. El mantenimiento de un gradiente termico uniforme en el recipiente a presion se ve comprometido por los pasajes de fluido de refrigeracion que producen gradientes termicos por el diseno y esto puede resultar en la perdida de porciones del aislamiento en servicio lo que conduce a puntos calientes locales en el recipiente a presion. Estos puntos calientes locales provocan concentraciones de esfuerzos locales en el recipiente a presion debido a una expansion termica diferencial y por lo tanto reducen la vida del recipiente a presion. El aislamiento interior da lugar a la condensacion, en alguna zona dentro del aislamiento, lo que puede promover el desprendimiento de las porciones del aislamiento interior en servicio que conduce a puntos calientes locales en el recipiente a presion. La condensacion tambien puede conducir a una corrosion acelerada en la interfaz del recipiente a presion / aislamiento interior. Por el contrario, una falla local del aislamiento externo es a prueba de fallos, ya que darla lugar a puntos frlos en lugar de puntos calientes. La corrosion acelerada del recipiente a presion se puede producir en la interfaz entre el aislamiento y el recipiente a presion, en una medida que depende del material del recipiente a presion, y la inspeccion de la corrosion del recipiente a presion esta restringida por el aislamiento. El enfriamiento del recipiente a presion aumenta la perdida de calor del sistema, lo que puede reducir la eficiencia del sistema electrico.
Existe una dificultad en proporcionar un recipiente a presion para modulos de celdas de combustible, que proporciona la integridad requerida y la asequibilidad teniendo en cuenta la combination de presion y temperatura y la necesidad de cubrir todas las condiciones de funcionamiento de la disposicion de la celda de combustible.
Los documentos US 2005/054209A1 y US 2005/054210A1 dan a conocer una disposicion de la celda de combustible en la que las carcasas del modulo, que contienen haces de celdas de combustible, estan rodeadas por un recipiente a presion. Los haces de celdas de combustible son del tipo de celdas de combustible de oxido solido tubulares y tienen electrodos de aire interiores y los electrodos de combustible exteriores. El combustible se suministra en las carcasas del modulo y alrededor de los haces de las celdas de combustible a los electrodos de combustible exteriores de los haces de celdas de combustible. El aire se suministra en un espacio de acumulacion de aire entre el recipiente a presion y las carcasas del modulo y el aire se suministra desde el espacio de acumulacion de aire en el interior de los haces de celdas de combustible a los electrodos de aire del interior de los haces de celdas de combustible.
El documento US 2004/08676S A1 da a conocer una disposicion de la celda de combustible en la cual un recinto encierra una pila de celdas de combustible y que el recinto comprende tres caparazones cillndricos concentricos que definen dos camaras concentricas cerradas en la portion superior e inferior mediante placas circulares. El aire se suministra secuencialmente a traves de las camaras concentricas a la pila de celdas de combustible en el recinto y las camaras concentricas son porciones de una via de flujo continuo.
El documento US 5366819 da a conocer una disposicion de la celda de combustible en la que un horno de la pila rodea las pilas de celdas de combustible de oxido solido y los reactores de reformado. El aire es suministrado a las pilas y el aire sale de las pilas y pasa sobre los reactores de reformado antes de salir del horno de la pila a traves de un intercambiador de calor para calentar el aire entrante. El combustible fluye a traves de los reactores de reformado y en las pilas.
Por lo tanto, la presente invencion pretende proporcionar una novedosa disposicion de la celda de combustible, que reduce, supera preferiblemente los problemas mencionados anteriormente.
Por lo tanto, la presente invencion proporciona una disposicion de la celda de combustible que comprende al menos un modulo de la celda de combustible, cada modulo de la celda de combustible comprende una pluralidad de celdas de combustible, cada celda de combustible comprende un electrodo de anodo, un electrodo de catodo y un electrolito, al menos una modulo de la celda de combustible es hueco y define una camara, el modulo de al menos una celda de combustible esta dispuesto dentro de al menos un recipiente interior y al menos un recipiente interior esta dispuesto dentro de un recipiente exterior a presion, medio para suministro de oxidante a los electrodos
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catodicos, medio para suministro de combustible a los electrodos anodicos, el medio para suministrar oxidante suministra oxidante en un espacio entre al menos un recipiente interior y el recipiente exterior a presion, el medio para suministrar oxidante esta dispuesto para suministrar oxidante al espacio dentro del recipiente interior, el espacio dentro del recipiente interior esta dispuesto para suministrar oxidante a los electrodos catodicos, el medio para suministro de combustible esta dispuesto para suministrar combustible a la camara en al menos un modulo de la celda de combustible y la camara en al menos un modulo de la celda de combustible esta dispuesta para el suministro de combustible a los electrodos anodicos de al menos un modulo de la celda de combustible, un medio para recircular oxidante no utilizado desde los electrodos catodicos hasta los electrodos catodicos y el medio para suministrar oxidante a los electrodos catodicos esta dispuesto de tal manera que la presion en el espacio entre el recipiente exterior a presion y al menos el recipiente interior es mayor que la presion en al menos un recipiente interior de tal manera que al menos un recipiente interior esta sometido a una carga de compresion.
Preferiblemente, el medio para recircular el oxidante no utilizado desde los electrodos catodicos nuevamente a los electrodos catodicos comprende al menos un eyector, una bomba, un ventilador, un compresor o una turbomaquina.
Preferiblemente, el medio para suministrar oxidante suministra el oxidante desde el espacio entre al menos un recipiente interior y el recipiente exterior a presion dentro de al menos un recipiente interior.
Preferiblemente, el medio para suministrar de oxidante suministra el oxidante desde el espacio entre al menos un recipiente interior y el recipiente exterior a presion dentro de al menos un recipiente interior a traves de al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
Alternativamente, el medio para suministrar oxidante suministra una primera porcion del oxidante a traves de al menos un restrictor al espacio entre al menos un recipiente interior y el recipiente exterior a presion, el medio para suministrar oxidante suministra una segunda porcion del oxidante dentro de al menos un recipiente interior, el medio para suministrar oxidante suministra la segunda porcion del oxidante dentro de al menos el recipiente interior a traves de al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina, el medios para suministrar de oxidante suministra la primera porcion de oxidante desde el espacio entre el recipiente exterior de presion y al menos un recipiente interior dentro de al menos un recipiente interior a traves de al menos una restrictor y al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
Preferiblemente, el medio para suministrar oxidante suministra el oxidante desde el espacio entre al menos un recipiente interior y el recipiente exterior a presion a un espacio entre el recipiente interior y al menos un modulo de la celda de combustible, existen medios para suministrar oxidante no utilizado al espacio entre al menos un recipiente interior y al menos un modulo de la celda de combustible, el medio para suministrar oxidante no utilizado al espacio entre al menos un recipiente interior y al menos un modulo de la celda de combustible comprende al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
Preferiblemente, el medio para suministro de oxidante no utilizado al espacio entre al menos un recipiente interior y al menos un modulo de la celda de combustible comprende al menos una camara de combustion, un medio para suministrar oxidante no utilizado a al menos una camara de combustion y un medio para suministrar combustible no utilizado a al menos una camara de combustion y un medio para suministrar los productos de al menos una camara de combustion a al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
Preferiblemente, el aislamiento se proporciona en la superficie interior de al menos un recipiente interior. Preferiblemente se proporciona un espacio entre el aislamiento y la superficie interior de al menos un recipiente interior. El aislamiento puede ser proporcionado en la superficie exterior de al menos un recipiente interior. Preferiblemente, se proporciona un espacio entre el aislamiento y la superficie exterior de al menos un recipiente interior. El aislamiento puede ser proporcionado en la superficie exterior del recipiente exterior a presion.
Preferiblemente, existe una pluralidad de recipientes interiores, alternativamente existe un solo recipiente interior y una pluralidad de modulos de celdas de combustible estan dispuestos dentro de cada recipiente interior.
Preferiblemente, el medio para suministrar oxidante comprende una bomba o un compresor, el compresor esta conectado a una turbina y se suministra una porcion del oxidante no utilizado a la turbina para accionar la turbina.
Preferiblemente, un primer sensor de presion esta dispuesto para medir la presion en el espacio entre al menos un recipiente interior y el recipiente exterior a presion, un segundo sensor de presion esta dispuesto para medir la presion en el espacio entre al menos un recipiente interior y al menos un modulo de la celda de combustible y se dispone un monitor para comparar la presion medida por el primer sensor de presion y la presion medida por el segundo sensor de presion para determinar si existe una sobrepresion debido al mal funcionamiento del componente o la quema de combustible en el modulo de celda combustible.
Preferiblemente, al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina esta dispuesto de tal manera que se extiende radialmente con respecto a los ejes de al menos un recipiente interior con la entrada de al menos un
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eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina dispuesta en el extremo radialmente interior y el escape de al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina dispuestos en el extremo radialmente exterior.
Al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina puede estar dispuesta de tal manera que se extiende axialmente con respecto a los ejes de al menos un recipiente interior con la entrada de al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina dispuesta en un extremo axial del recipiente interior y el escape de al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina en una region central del recipiente interior.
Al menos un recipiente interior define un espacio con un elemento de pared asegurado a al menos un recipiente interior, el medio para suministrar oxidantes suministra oxidante dentro del espacio entre al menos un recipiente interior y el elemento de pared.
El medio para suministro de oxidante puede suministrar oxidante desde el espacio entre al menos un recipiente interior y el elemento de pared a un espacio dentro de al menos un recipiente interior.
El medio para suministro de oxidante puede suministrar oxidante desde el espacio entre al menos un recipiente interior y el elemento de pared al espacio entre al menos un recipiente interior y el recipiente exterior a presion.
El medio para suministro de oxidante puede suministrar el oxidante desde el espacio entre al menos un recipiente interior y el elemento de pared al espacio dentro de al menos un recipiente interior a traves de al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina .
El medio para el suministro de oxidante a el espacio dentro de al menos un recipiente interior puede suministrar el oxidante a traves de al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina a un espacio entre al menos un recipiente interior y la al menos un modulo de la celda de combustible.
Al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina puede suministrar oxidante no utilizado desde al menos un modulo de la celda de combustible al espacio entre al menos un recipiente interior y al menos un modulo de la celda de combustible.
Puede haber un medio para el suministro de oxidante no utilizado desde al menos un modulo una celda de combustible a al menos una camara de combustion, un medio para suministrar combustible no utilizado desde al menos un modulo de la celda de combustible a al menos una camara de combustion, y un medio para suministrar los productos de al menos una camara de combustion a al menos un eyector, bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
Preferiblemente, las celdas de combustible son celdas de combustible de oxido solido.
La presente invention se describe con mas detalle a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La Figura 1 es una vista en section transversal longitudinal a traves de una disposition de la celda de combustible de acuerdo con la presente invencion.
La Figura 2 es una vista isometrica de la disposicion de la celda de combustible mostrado en la figura 1.
La Figura 3 es una vista en seccion transversal ampliada a lo largo de la llnea A-A a traves de la disposicion de la celda de combustible en la figura 1.
La Figura 4 es una vista en seccion transversal longitudinal a traves de una disposicion alternativa de la celda de combustible de acuerdo con la presente invencion.
La Figura 5 es una vista en seccion transversal longitudinal a traves de una disposicion alternativa de la celda de combustible de acuerdo con la presente invencion.
La Figura 6 es una vista en seccion transversal longitudinal a traves de una disposicion alternativa de la celda de combustible de acuerdo con la la presente invencion.
La Figura 7 es una vista en perspectiva ampliada de un modulo de la celda de combustible.
La Figura 8 es una vista en seccion transversal a traves de un recipiente interior de un recipiente interior alternativo adecuada para uso en la figura 6.
La Figura 9 es una vista longitudinal en seccion transversal esquematica a traves de una disposicion alternativa de la celda de combustible de acuerdo con la presente invencion.
La Figura 10 es una vista en seccion a lo largo de la llnea W-W en la figura 9.
En las figuras 1 a 3 se muestra una disposicion de celdas de combustible 10 A de acuerdo con la presente invencion. La disposicion de la celda 10 de combustible comprende al menos un modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido, preferiblemente hay una pluralidad de modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido. Cada modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido comprende un elemento 13 de soporte poroso hueco y una pluralidad de celdas 14 de combustible de oxido solido. Cada elemento 13 de soporte poroso hueco tiene al menos una camara 16 que se extiende a traves suyo y comprende dos superficies 15 y 17 lisas, paralelas,
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planas sobre las cuales estan dispuestas las celdas 14 de combustible de oxido solido, como se muestra mas claramente en la figura 7. Cada modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido es un montaje sellado, al tiempo que permite el flujo de combustible a traves de al menos una camara 16 en el elemento 13 de soporte poroso hueco. Cada celda 14 de combustible de oxido solido comprende un electrodo 18 anodico, un electrodo 22 catodico y un electrolito 20. Las celdas 14 de combustible de oxido solido estan dispuestas de tal manera que los electrodos 18 anodicos estan dispuestos en la superficie exterior, las dos superficies 15 y 17 lisas, paralelas, planas, del elemento 13 de soporte poroso hueco, los electrolitos 20 estan dispuestos en los electrodos 18 anodicos y los electrodos 22 catodicos estan dispuestos en los electrolitos 20. Las celdas 14 de combustible de oxido solido tambien estan dispuestas de tal manera que el electrodo 18 anodico de una celda 14 de combustible de oxido solido esta conectado electricamente en serie con el electrodo 22 catodico de una celula 14 adyacente de combustible de oxido solido.
En esta disposicion, cada modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido esta dispuesto dentro de un unico recipiente 24 interior y el recipiente 24 interior esta dispuesto dentro de un recipiente 28 exterior a presion. En esta disposicion, el recipiente 24 interior define un espacio 26 y se define un espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion. El recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion son preferiblemente sustancialmente tubulares, por ejemplo, de seccion transversal circular, y dispuestos coaxialmente. Otras formas adecuadas pueden ser utilizadas para el recipiente interior y el recipiente a presion y no necesitan estar dispuestos coaxialmente.
Existen medios 32 para el suministro de oxidante a los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido de al menos un modulo 12 de la celda de combustible y existen medios 34 para el suministro de combustible a los electrodos 18 anodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido de al menos un modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido.
El medio 32 para suministrar oxidante comprende una bomba, no mostrada, para suministrar aire comprimido, u oxlgeno, a traves de una tuberla 36 en el espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion. El medio 32 para suministrar oxidante tambien comprende una tuberla 38 para suministrar el oxidante, aire comprimido u oxlgeno, desde el espacio 30 en el espacio 26 dentro del recipiente 24 interior. El medio 32 para suministrar oxidante puede comprender ademas elementos de gula del flujo, o conductos, (no mostrados) para dirigir el flujo de oxidante, aire comprimido u oxlgeno, en el espacio 26 de tal manera que el oxidante fluye sobre los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido de al menos un modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido y por lo tanto el medio 32 para suministrar oxidante esta dispuesto para suministrar oxidante al espacio 26 dentro del recipiente 24 interior y el espacio 26 dentro del recipiente 24 interior esta dispuesto para suministrar oxidante a los electrodos 22 catodicos.
El medio 34 para suministrar combustible comprende una bomba, no mostrada, para suministrar combustible previamente reformado, combustible reformado, combustible previamente procesado o combustible no reformado, a traves del conducto 42 directamente a traves del recipiente 28 exterior a presion, el recipiente 24 interior en una camara 16 en el elemento 13 de soporte poroso hueco de al menos un modulo 12 de la celda de combustible y a continuacion desde la camara 16 a traves del elemento 13 de soporte poroso hueco a los electrodos 18 anodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido de al menos un modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido y por lo tanto el medio 34 para suministro de combustible esta dispuesto para suministrar combustible a la camara 16 en al menos un modulo 12 de la celda de combustible y la camara 16 en al menos un modulo 12 de la celda de combustible esta dispuesta para suministrar combustible a los electrodos 18 anodicos de al menos un modulo 12 de la celda de combustible. El reformador previo de combustible y procesador previo de combustible eliminan hidrocarburos superiores y el azufre del combustible.
Una porcion 42A de la tuberla 42 de combustible, la porcion que pasa a traves del espacio 30 entre el recipiente 28 a presion y el recipiente 24 interior, comprende preferiblemente una tuberla interior y una tuberla exterior de modo que el escape de cualquier combustible desde la tuberla interior es contenido dentro de la tuberla exterior y se evita que entre en el espacio 30, de modo que no puede haber una acumulacion de combustible sin quemar.
Existen medios 44 para eliminar los gases de escape de los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido de al menos un modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido. Los medios 44 para eliminar los gases de escape comprenden una tuberla 46, que pasa directamente a traves del recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion. Los medios 44 para eliminar los gases de escape comprenden ademas los elementos de gula del flujo, o conductos, (no mostrados) para dirigir el flujo de gases de escape en el espacio 26 de tal manera que los gases de escape fluyan desde los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido de al menos un modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido a la tuberla 46.
El diseno esta dispuesto de tal manera que en funcionamiento la presion en el espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion es diferente a, mayor que, la presion en el espacio 26 dentro del recipiente 24 interior de tal manera que normalmente el recipiente 24 interior se ve sometido a una carga de compresion. La diferencia de presion entre el espacio 26 y el espacio 30 en lados opuestos del recipiente 24 interior
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esta dispuesta para ser menor que la diferencia de presion entre el espacio 30 y la atmosfera en lados opuestos del recipiente 28 exterior a presion.
En esta disposicion, el recipiente 28 exterior a presion mas frlo esta altamente cargado, altamente tensionado, y el recipiente 24 interior mas caliente esta menos cargado, ligeramente tensionado, y el recipiente 24 interior esta disenado para resistir el pandeo, en lugar de tener alta resistencia a la fluencia bajo todas las condiciones operativas.
Ademas, el diseno esta dispuesto de tal manera que haya oxidante, aire comprimido u oxlgeno, en el espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion y haya oxidante, aire comprimido u oxlgeno, en el espacio 26 dentro de el recipiente 24 interior. El diseno esta dispuesto de tal manera que el combustible este solo dentro de los elementos 13 de soporte porosos huecos de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido y la tuberla 42.
Tambien la temperatura dentro del espacio 30 puede estar por debajo de la temperatura de ignicion espontanea del combustible. El espacio entre las tuberlas interior y exterior se desfoga a la atmosfera y preferiblemente se controla el espacio entre las tuberlas interior y exterior para detectar la presencia de una fuga de combustible, de modo que la tuberla interior pueda ser reparada o sustituida.
En funcionamiento, el flujo del oxidante, aire comprimido u oxlgeno, a traves del espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion, como se indica por la flecha B, actua como un flujo de refrigerante para el recipiente 24 interior y, como una barrera termica al flujo de calor desde el recipiente 24 interior al recipiente 28 exterior a presion. Las posiciones de las tuberlas 36 y 38 se eligen para maximizar la eficacia del flujo de oxidante, aire comprimido u oxlgeno, para proporcionar refrigeracion al recipiente 24 interior y para proporcionar una barrera termica al flujo de calor. En esta disposicion, la posicion de la tuberla 38 en el recipiente 24 interior esta en el extremo opuesto del recipiente 24 interior con relacion a la posicion de la tuberla 36 en el recipiente 28 exterior a presion.
El flujo del oxidante, aire comprimido u oxlgeno, a traves del espacio 26 dentro del recipiente 24 interior se indica por la flecha C.
La Figura 3 muestra el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion con mas detalle. Se proporciona una capa 48 de aislamiento en la superficie exterior del recipiente 28 exterior a presion para reducir la perdida de calor para maximizar la eficiencia del sistema y para proteger al personal. Se prefiere el aislamiento exterior del recipiente 28 exterior a presion para el aislamiento interior del recipiente 28 exterior a presion, ya que permite la inspeccion de la superficie interior del recipiente 28 exterior a presion, que se requiere periodicamente por razones de seguridad y para satisfacer los requisitos de inspeccion obligatorios de los recipientes a presion. El aislamiento exterior del recipiente exterior a presion tambien evita una corrosion acelerada, que se sabe que se produce con aislamiento interior en la interfaz del recipiente a presion/aislamiento.
Se proporciona una capa de aislamiento 50 en la superficie interior del recipiente 24 interior y, preferentemente, se proporciona un espacio 52 entre la capa de aislamiento 50 y la superficie interior del recipiente 24 interior. Esta capa de aislamiento 50 y el espacio 52 permiten que el recipiente 24 interior funcione a una temperatura sustancialmente menor que el modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido. Las capas adicionales de aislamiento y los espacios se pueden proporcionar dentro del recipiente 24 interior para reducir aun mas la temperatura de funcionamiento del recipiente 24 interior. Se puede proporcionar una capa 54 adicional de aislamiento en la superficie exterior del recipiente 24 interior para reducir aun mas el flujo de calor transmitido desde el recipiente 24 interior al recipiente 28 exterior a presion. Se puede proporcionar un espacio entre la capa 54 de aislamiento y la superficie exterior del recipiente 24 interior.
El uso de las capas 48, 50 y 54 aislantes y los espacios 30 y 52 para un flujo de refrigeracion de oxidante permite el uso de aleaciones asequibles y facilmente disponibles para el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion. La masa de aleacion/metal utilizado para fabricar el recipiente 24 interior y el recipiente exterior a presion, en particular el recipiente 28 exterior a presion, es significativa y evitar del uso de costosas superaleaciones de alta temperatura es importante para minimizar el coste de la disposicion 10 de la celda de combustible.
Una disposicion 110 alternativa de la celda de combustible de acuerdo con la presente invencion se muestra en la figura 4, y las partes similares se designan con numeros similares.
En esta disposicion, la disposicion 110 de la celda de combustible comprende tambien un motor 60 de turbina de gas. El motor 60 de turbina de gas comprende un compresor 62 y una turbina 64, y la turbina 64 esta dispuesta para accionar el compresor 62 a traves de un eje 65.
Los electrodos 18 anodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido sobre el elemento 13 de soporte hueco del modulo 12 de celula de combustible de oxido solido se suministran con un combustible mediante un colector 66 de suministro de combustible desde la tuberla 42. A los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de
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oxido solido del modulo 12 de celula de combustible de oxido solido se les suministra oxidante mediante un colector 70 oxidante.
Los electrodos 18 anodicos estan provistos de un colector 68 de recoleccion de combustible en el que se descarga el combustible no usado. El colector 68 de recoleccion de combustible no utilizado esta conectado a la tuberla 42 a traves de las tuberlas 72 y 74 de tal manera que se suministra una primera porcion del combustible no utilizado, recirculado, al colector 66 de combustible. Se proporciona un eyector 76 de combustible para inducir el suministro, recirculacion, del combustible no utilizado del colector 68 de recoleccion de combustible no utilizado al colector 66 de combustible. Las tuberlas 72, 74 y el eyector 76 de combustible forman un medio para recircular el combustible no utilizado desde los electrodos 18 anodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido nuevamente a los electrodos 18 anodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido. El eyector 76 de combustible presuriza el combustible no utilizado y mezcla el combustible no utilizado con el combustible suministrado por el suministro 34 de combustible a traves de la tuberla 42 al colector 66 de combustible. El combustible no utilizado del colector 68 de combustible no utilizado se suministra a la boquilla 76B secundaria del eyector 76 de combustible, se suministra el combustible desde el suministro 34 de combustible a la boquilla 76A principal del eyector 76 de combustible y se descarga el combustible no utilizado mezclado y el combustible desde la boquilla 76C de escape al colector 66 de combustible.
El colector 68 de recoleccion de combustible no utilizado tambien esta conectado a una camara 78 de combustion a traves de la tuberla 72 y una tuberla 80 adicional de tal manera que una segunda porcion del combustible no utilizado se suministra a la camara 78 de combustion.
Los electrodos 22 catodicos estan provistos de un conducto 82 de recoleccion de oxidante no utilizado en el que se descarga el oxidante no utilizado. El conducto 82 de recoleccion de oxidante no utilizado esta conectado al espacio 26 dentro del recipiente 24 interior a traves de los conductos 84 y 86, la camara 78 de combustion y un conducto 88 de tal manera que se suministra, recirculada, una primera porcion del oxidante no utilizado, al colector 70 de oxidante. Se proporciona un eyector 90 de oxidante para inducir el suministro, la recirculacion, de oxidante no utilizado desde el conducto 82 de recoleccion de oxidante no utilizado al colector 70 de oxidante. Los conductos 84, 86, 88 y el eyector 90 de oxidante forman un medio para recircular oxidante no utilizado de los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido nuevamente a los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido. Los conductos 84, 86 y 88 estan definidos por porciones del recipiente 24 interior.
La segunda porcion de combustible no utilizado suministrado a un quemador de combustible en la camara 78 de combustion se quema en la primera porcion de oxidante no utilizado suministrado a la camara 78 de combustion para producir gases calientes. Los gases calientes producidos en la camara 78 de combustion estan dispuestos para fluir con oxidante no utilizado a traves del conducto 88 y el eyector 90 de oxidante en el espacio 26 entre el recipiente 24 interior y la carcasa 16 y de all! al colector 70 de oxidante. Los productos, los gases calientes y el oxidante no utilizado, de la camara 78 de combustion son suministrados por la camara 78 de combustion y el conducto 88 a la boquilla 90B secundaria del eyector 90. El eyector 90 de oxidante presuriza los productos de la camara 78 de combustion y mezcla los productos de la camara 78 de combustion con el oxidante suministrado por el compresor 62 a la boquilla 90A principal del eyector 90 de oxidante para precalentar el oxidante suministrado por el compresor 62. El eyector 90 de oxidante descarga los gases mezclados desde la boquilla 90C de escape del eyector 90 de oxidante en el espacio 26.
El conducto 82 de recoleccion de oxidante no utilizado tambien esta conectado a la turbina 64 a traves del conducto 84 y a un conducto 92 adicional de tal manera que se suministra una segunda porcion del oxidante no utilizado a la turbina 64. La segunda porcion del oxidante no utilizado acciona la turbina 64. La segunda porcion del oxidante no utilizado fluye a continuacion a traves de una tuberla 94 y se descarga a traves de un escape 96. La turbina 64 tambien puede accionar un generador electrico 100.
En esta disposicion, se crean tres zonas distintas X, Y y Z. La zona X, el espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion, la zona Y, el espacio 26 entre el recipiente 24 interior y los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido, y la zona Z, el espacio dentro de la tuberla 42 del combustible, el colector 66 de suministro de combustible, el elemento 13 de soporte poroso hueco, el colector 68 de recoleccion de combustible no utilizado, las tuberlas 72 y 80 a la camara 78 de combustion, la tuberla 74 y el eyector 76 de combustible. La zona X, el espacio 30, contiene oxidante comprimido, por ejemplo, aire comprimido u oxlgeno. La zona Y, el espacio 26, contiene oxidante no utilizado del conducto 82 de recoleccion de oxidante no utilizado y los gases calientes producidos por la camara 78 de combustion y el oxidante suministrado por el compresor 62. Los gases calientes de la camara 78 de combustion no tienen contenido de combustible para fines practicos y crean una zona segura y proporcionan una atmosfera oxidante. La presencia de un ambiente oxidante en la zona Y, el espacio 26, es importante porque permite el uso de aleaciones convencionales de alta temperatura para fabricar un recipiente 24 interior de alta integridad. Tales aleaciones de alta temperatura estan disenadas para funcionar con una buena resistencia a la corrosion a alta temperatura y resistencia en una atmosfera oxidante. La zona Z es el unico espacio donde esta presente el combustible e incluso entonces esta contenido dentro de las tuberlas 42, 72, 74 y 80, el eyector 76 de combustible, el quemador de combustible en la camara 78 de combustion y el elemento 13 de soporte hueco del modulo 12 de la celda de combustible de oxido solido. Tendrla que ocurrir una falla de cualquiera de las
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tuberlas 42, 72, 74 o 80, el eyector 76 de combustible, el quemador de combustible o el elemento 13 de soporte hueco de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido para liberar combustible en la zona Y. Si hubiera una liberacion de combustible en la zona de Y para conseguir una temperatura estequiometrica, el pico de presion solo serla de 30 bar, que es controlable por el sistema del recipiente a presion. Como una consideracion adicional de seguridad, la zona Z es un volumen compacto y la cantidad total de combustible presente en la zona Z es pequena, por lo que incluso si todo el combustible escapado de la zona Z y mezclado con el oxidante, aire comprimido u oxlgeno, en la zona Y antes de la ignicion, la sobrepresion resultante es modesta y es facilmente contenida por el recipiente exterior a presion.
Se dispone un primer sensor 114 de presion para medir la presion en el espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion, se dispone un segundo sensor 116 de presion para medir la presion en el espacio 26 en el recipiente 24 interior y e dispone un monitor 118 para comparar la presion medida por el primer sensor 114 de presion y la presion medida por el segundo sensor 116 de presion para determinar si hay un exceso de presion debido al mal funcionamiento de los componentes o la quema de combustible en uno o mas de los modulos 12 de las celdas de combustible de oxido solido. El monitor 118 envla una senal a un indicador 120, una alarma o una pantalla, si se detecta una sobrepresion. El monitor 118 tambien puede enviar una senal para cerrar la disposicion de celdas de combustible de oxido solido si se detecta un exceso de presion.
Una disposicion 210 adicional de la celda de combustible de acuerdo con la presente invencion se muestra en la figura 5, y es similar a la disposicion mostrada en la figura 4 y las partes similares se designan con numeros similares.
La disposicion 210 de la celda de combustible en la figura 5 se diferencia en que el flujo de oxidante suministrado por el compresor 62 se divide y una primera porcion se suministra a traves de la tuberla 36A directamente, a presion completa, a la boquilla 90A principal del eyector 90 de oxidante y se suministra una segunda porcion a traves de la tuberla 36B y un restrictor, o un dispositivo 102 alternativo de calda de presion, al espacio 30, la zona X, entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion. La segunda porcion del oxidante entra posteriormente al espacio 26, zona Y, fluyendo a traves de un restrictor, o un dispositivo 104 alternativo de calda de presion, y se mezcla con el flujo de salida de la boquilla 90C de escape del eyector 90 de oxidante. Los tamanos relativos de los restrictores 102 y 104 determinan la presion en la zona X, el espacio 30. La presion en la zona X, el espacio 30, se encuentra entre la presion del oxidante comprimido suministrado por el compresor 62 y la presion en la zona Y, el espacio 26. La presion en la zona X es menor que la presion suministrada por el compresor 62 y la presion en la zona X es mayor que la presion en la zona Y. Por lo tanto, esta disposicion controla la calda de presion a traves del recipiente 24 interior y esta dispuesta para reducir la carga/calda de presion normal en el recipiente 24 interior mediante la reduction de la presion en la zona X, el espacio 30.
El eyector de oxidante puede ser una bomba de chorro. Alternativamente se pueden proporcionar otros medios para presurizar y mezclar los productos de la camara de combustion con el oxidante suministrado por el compresor. Por ejemplo se puede proporcionar una turbomaquina, un ventilador, una bomba o un compresor para presurizar los productos de la camara de combustion y se puede proporcionar un mezclador separado para mezclar los productos de la camara de combustion y el oxidante. La turbomaquina puede ser accionada por una turbina de energla libre. El ventilador, la bomba o el compresor pueden ser accionados por una turbina de energla libre, electricamente o por otros medios adecuados.
El eyector de combustible puede ser una bomba de chorro. Alternativamente se pueden proporcionar otros medios para presurizar y mezclar el combustible no utilizado con el combustible proporcionado por el suministro de combustible. Por ejemplo se puede proporcionar una turbomaquina, un ventilador, una bomba o un compresor para presurizar el combustible no utilizado y se puede proporcionar un mezclador separado para mezclar el combustible no utilizado y el combustible. La turbomaquina puede ser accionada por una turbina de energla libre. El ventilador, la bomba o el compresor pueden ser accionados por una turbina de energla libre, electricamente o por otros medios adecuados.
Una disposicion 310 alternativa de la celda de combustible de acuerdo con la presente invencion se muestra en la figura 6, y es similar a la mostrada en la figura 4 y las partes similares se designan con numeros similares. La disposicion 310 de la celda de combustible se diferencia en que hay una pluralidad de recipientes 24A y 24B interiores dispuestos dentro del recipiente 28 exterior a presion. En esta disposicion los recipientes 24A y 24B interiores estan dispuestos coaxialmente dentro del recipiente 28 exterior a presion con un espacio 30 entre ellos. Los recipientes 24A y 24B interiores y el recipiente 28 exterior a presion son sustancialmente tubulares, por ejemplo, de section transversal circular, pero se pueden utilizar otras formas adecuadas. Los recipientes 24A y 24b interiores pueden ser de forma toroidal.
Ademas, esta disposicion muestra una pluralidad de modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido en cada uno de los recipientes 24A y 24B interiores.
En esta disposicion, los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido estan dispuestos de tal manera que la direction longitudinal de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido se extienden sustancialmente de
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forma radial con respecto a los ejes de los recipientes 24A y 24B interiores y con las superficies planas 15 y 17 de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido dispuestas en planos perpendiculares a los ejes de los recipientes 24A y 24B interiores. Los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido se disponen en pilas de tal manera que los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido estan separadas axialmente y las pilas estan dispuestas circunferencialmente alrededor de los ejes de los recipientes 24A y 24B interiores. El flujo de oxidante a traves de las superficies 15 y 17 planas, y por lo tanto los electrodos 22 catodicos, esta dispuesto para ser radialmente hacia dentro o circunferencialmente con respecto al eje de los recipientes 24A y 24B interiores. Para ayudar al flujo radialmente hacia el interior del oxidante, se prefiere que el eyector de oxidante, o los eyectores de oxidante, 90, esten dispuestos de tal manera que se extiendan radialmente con respecto a los ejes de los recipientes 24A y 24B interiores con las boquillas 90A principales dispuestas en los extremos interiores radialmente y las boquillas 90C de escape en los extremos radialmente exteriores.
En otra disposicion, no mostrada, los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido estan dispuestos de tal manera que la direccion longitudinal de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido se extiende sustancialmente perpendicularmente con respecto a los radios de los ejes de los recipientes 24A y 24B interiores y con las superficies 15 y 17 planas de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido dispuestas en planos perpendiculares a los ejes de los recipientes 24A y 24B interiores. Los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido se disponen en pilas de tal manera que los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido estan separados axialmente y las pilas estan dispuestas circunferencialmente alrededor de los ejes de los recipientes 24A y 24B interiores. El flujo de oxidante a traves de las superficies 15 y 17 planas, y por lo tanto los electrodos 22 catodicos, esta dispuesto para ingresar radialmente hacia dentro con respecto al eje de los recipientes 24A y 24B interiores. Para ayudar al ingreso del flujo de oxidante radialmente hacia el interior, se prefiere que el eyector de oxidante, o los eyectores de oxidante, 90, esten dispuestos de tal manera que se extiendan radialmente con respecto a los ejes de los recipientes 24A y 24B interiores con las boquillas 90A principales dispuestas en los extremos interiores radialmente y las boquillas 90C de escape en los extremos radialmente exteriores.
El flujo radialmente hacia el interior del oxidante a traves de los modulos 12 de celdas de combustible produce un flujo que acelera debido a la reduccion en el area de flujo en la direccion radialmente hacia el interior y esto impide la separacion del flujo.
Se prefiere disponer los ejes del recipiente externo a presion y los recipientes interiores verticalmente, pero puede ser posible disponer los ejes del recipiente externo a presion y los recipientes interiores horizontalmente.
Un recipiente interior alternativo adecuado para uso en la disposicion de celdas de combustible de la figura 6 se muestra en la figura 8. El recipiente 24C interior es tubular y tiene un eje T. El recipiente 24C interior tiene un primer extremo 400 y un segundo extremo 402. El recipiente 24C interior esta provisto de un elemento 404 de soporte tubular interior, que es coaxial con el recipiente 24C interior y que se extiende entre y esta asegurado al primero y segundo extremos 400 y 402 para hacer mas rlgido el recipiente 24C interior. El recipiente 24C interior esta provisto de una pluralidad de dispositivos 406, que permiten la expansion y la contraccion radial del primero y segundo extremo 400 y 402 del recipiente 24C interior, debido a la expansion y contraccion termica del elemento 404 de soporte tubular. Los dispositivos 406 resisten la carga, compresion o tension axial, en el recipiente 24C interior. Los dispositivos 406 estan dispuestos preferiblemente tanto en el primero como en el segundo extremos 400 y 402 del recipiente 24C interior, pero puede ser posible proporcionarlos solo en uno de los extremos primero y segundo 400 y 402 del recipiente 24C interior.
Cada dispositivo 406 comprende un elemento 408 alargado corrugado que tiene depresiones 410 espaciadas longitudinalmente y picos 412 espaciados longitudinalmente. El elemento 408 alargado corrugado esta asegurado o unido, por ejemplo por soldadura, soldadura fuerte o pegamento, en sus depresiones 410 espaciadas longitudinalmente a un extremo 400 o 402 del recipiente 24C interior. El elemento 408 alargado corrugado esta asegurado o unido, por ejemplo mediante soldadura, soldadura fuerte o pegamento, en sus picos 412 espaciados longitudinalmente a un elemento 414 alargado. El elemento 414 alargado tiene una seccion transversal en forma de U y el elemento 408 alargado corrugado se asegura o une al elemento 414 alargado a la superficie entre las extremidades del elemento 414 alargado en forma de U.
Cada dispositivo 406 se extiende radialmente con respecto al eje T del recipiente 24C interior y por lo tanto hay una pluralidad de dispositivos 406 espaciados angularmente en cada uno de los primero y segundo extremos 400 y 402 o en uno de los primero y segundo extremos 400 y 402.
Otra disposicion 510 de la celda de combustible de acuerdo con la presente invencion se muestra en las figuras 9 y 10 y es similar a la mostrada en la figura 4, y las partes similares se designan con numeros similares.
En esta disposicion, la disposicion 510 de la celda de combustible comprende tambien un motor 60 de turbina de gas. El motor 60 de turbina de gas comprende un compresor 62 y una turbina 64, y la turbina 64 esta dispuesta para accionar el compresor 62 a traves de un eje 65.
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Los electrodos 18 anodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido sobre el elemento 13 de soporte hueco del modulo 12 de celula de combustible de oxido solido reciben combustible mediante un colector 66 de suministro de combustible desde la tuberla 42. Los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido del modulo 12 de celula de combustible de oxido solido reciben oxidante por medio de un colector 70 de oxidante.
Los electrodos 18 anodicos estan provistos de un colector 66 de recoleccion de combustible no utilizado en el que se descarga el combustible no usado. El colector 68 de recoleccion de combustible no utilizado esta conectado a la tuberla 42 a traves de las tuberlas 72 y 74 de tal manera que se suministra una primera porcion del combustible no utilizado, recirculado, al colector 66 de combustible. Se proporciona un eyector 76 de combustible para inducir el suministro, recirculacion, del combustible no utilizado del colector 68 de recoleccion de combustible no utilizado al colector 66 de combustible. Las tuberlas 72, 74 y el eyector 76 de combustible forman un medio para recircular el combustible no utilizado de los electrodos 18 anodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido de nuevo a los electrodos 18 anodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido. El eyector 76 de combustible presuriza el combustible no utilizado y mezcla el combustible no utilizado con el combustible suministrado por el suministro 34 de combustible a traves de la tuberla 42 al colector 66 de combustible. El combustible no utilizado del colector 68 de recoleccion de combustible no utilizado se suministra a la boquilla 76B secundaria del eyector 76 de combustible, se suministra combustible del suministro 34 de combustible a la boquilla 76A principal del eyector 76 de combustible y se descarga el combustible no utilizado mezclado y el combustible desde la boquilla 76C de escape al colector 66 de combustible.
El colector 68 de recoleccion de combustible no utilizado tambien esta conectado a una camara 78 de combustion a traves de la tuberla 72 y una tuberla adicional 80 de tal manera que se suministra una segunda porcion del combustible no utilizado a la camara 78 de combustion.
Los electrodos 22 catodicos estan provistos de un conducto 82 de recoleccion de oxidante no utilizado en el que se descarga el oxidante no utilizado. El conducto 82 de recoleccion de oxidante no utilizado se define por el espacio 26 dentro del recipiente 24 interior. El conducto 82 de recoleccion de oxidante no utilizado esta conectado al conducto 86, la camara 78 de combustion y un conducto 88 de tal manera que se suministra una primera porcion del oxidante no utilizado, recirculado, al colector 70 de oxidante. Se proporciona un eyector 90 de oxidante para inducir el suministro, la recirculacion, de oxidante no utilizado desde el conducto 82 de recoleccion oxidante no utilizado al colector 70 de oxidante. Los conductos 86, 88 y el eyector 90 forman un medio para recircular oxidante no utilizado de los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido. Los conductos 84, 86 y 88 estan definidos por las porciones del recipiente 24 interior.
Se suministra la segunda porcion de combustible no utilizado a un quemador de combustible en la camara 78 de combustion y se quema en la primera porcion del oxidante no utilizado suministrado a la camara 78 de combustion para producir gases calientes. Los gases calientes producidos en la camara 78 de combustion estan dispuestos para fluir con oxidante no utilizado a traves del conducto 88 y el eyector 90 de oxidante en el espacio 26 dentro del recipiente 24 interior y de all! al colector 70 de oxidante. Los productos, los gases calientes y el oxidante no utilizado, de la camara 78 de combustion son suministrados por la camara 78 de combustion y el conducto 88 a la boquilla 90B secundaria del eyector 90 del oxidante. El eyector 90 de oxidante presuriza los productos de la camara 78 de combustion y se mezcla los productos de la camara 78 de combustion con el oxidante suministrado por el compresor 62 en la boquilla 90A primaria del eyector 90 de oxidante para precalentar el oxidante suministrado por el compresor 62. El eyector 90 de oxidante descarga los gases mezclados de la boquilla 90C de escape del eyector 90 de oxidante en el espacio 26.
El conducto 82 de recoleccion de oxidante no utilizado tambien esta conectado a la turbina 64 a traves del conducto 92 de tal manera que se suministra una segunda porcion del oxidante no utilizado a las turbinas 64. La segunda porcion del oxidante no utilizado acciona la turbina 64. La segunda porcion del oxidante no utilizado fluye a continuacion a traves de una tuberla 94 y se descarga a traves de un escape 96. La turbina 64 tambien puede accionar un generador electrico 100.
En esta disposicion, los ejes del recipiente 28 exterior a presion y el recipiente 24 interior estan dispuestos coaxialmente con el espacio 30 entre los mismos y los ejes del recipiente 28 exterior a presion y el recipiente 24 interior se extienden horizontalmente. Una pluralidad de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido se disponen dentro del recipiente 24 interior y los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido estan dispuestos de tal manera que la direccion longitudinal de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido se extienden de forma sustancialmente horizontal y paralela al eje del recipiente 24 interior y con las superficies 15 y 17 planas de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido dispuestas en planos sustancialmente horizontales. Los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido se disponen en pilas 512 de manera que los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido en cada pila 512 estan separados verticalmente y las pilas 512 estan separadas horizontalmente en la direccion axial. Tambien, en cada posicion axial hay una pluralidad de pilas 512 de modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido espaciadas horizontalmente sustancialmente en forma transversal a la direccion axial. El flujo de oxidante a traves de las superficies 15 y 17 planas, y por lo tanto los electrodos 22 catodicos, de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido esta dispuestos para ser transversales a la direccion axial con respecto al eje del recipiente 24 interior. Para ayudar al flujo de oxidante, las
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pilas 512 de modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido en cada posicion axial se encuentran en cajas 514. Las cajas 514 tienen una base 516, una parte superior 518, dos lados 520 y 522 separados axialmente y dos extremos abiertos. Cada pila 512 de modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido se suministra con combustible de un colector 66 de suministro de combustible y los suministros de combustible sin usar a un colector 68 de combustible no utilizado, como se indico anteriormente. El oxidante fluye en las cajas 514 a traves de un extremo abierto de cada caja 514 desde el colector 70 de suministro de oxidante, sobre los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido y fuera del otro extremo abierto de cada caja 514 a un reformador 524 respectivo de combustible. Cada reformador 524 de combustible es calentado por el flujo respectivo de oxidante. El oxidante de cada caja 514 fluye entonces al conducto 82 de recoleccion de oxidante y fluye entonces o bien a traves del conducto 92 a la turbina 64 o a traves del conducto 86 a la camara 78 de combustion. Cada reformador 524 de combustible suministra combustible al colector 66 de suministro de combustible para las pilas 512 en la caja 514 asociada. El combustible no utilizado en los colectores 68 de recoleccion de combustible no utilizado se suministra a traves del conducto 80 a la camara 78 de combustion o a traves del conducto 74 al eyector 76 de combustible como se discutio anteriormente. La porcion superior 518 y los lados 520 y 522 de las cajas 514 cuentan con aislamiento. Las cajas 514 definen elementos de gula del flujo para dirigir el flujo de oxidante, aire comprimido u oxlgeno, en el espacio 26 de tal manera que el oxidante fluye sobre los electrodos 22 catodicos de las celdas 14 de combustible de oxido solido de los modulos 12 de celdas de combustible de oxido solido. Los electrodos 22 catodicos estan por lo tanto en contacto con el oxidante en el espacio 26 dentro del recipiente 24 interior.
La disposicion de la figura 9 se diferencia en que el oxidante desde el compresor 62 no se suministra directamente al espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion, en lugar de suministrar el oxidante directamente a un espacio 26B definido por una porcion 24C del recipiente 24 interior y un elemento 24B de pared asegurado al recipiente 24 interior. Se suministra luego el oxidante desde el espacio 26b a la boquilla 90A principal del eyector 90 de oxidante. El espacio 26B es presurizado hasta una presion sustancialmente igual a la presion del oxidante suministrado por el compresor 62 y es igual a la presion en el espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion. No hay gases inflamables presentes en el espacio 26B de modo que la seguridad no se ve significativamente afectada. La conexion de la tuberla 36 desde el compresor 62 al espacio 26B no esta sellada, de modo que el espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior a presion se presuriza a la presion del oxidante suministrado por el compresor 62, pero no hay flujo de oxidante alrededor, o a traves de, el espacio 30. El espacio 26B esta conectado al eyector 90 de oxidante por un conducto 526. El espacio 26B esta separado del espacio 26A en el recipiente 24 interior por la porcion 24C del recipiente 24 interior, que es una pared horizontal de modo que la presion en el espacio 30 entre el recipiente 24 interior y el recipiente 28 exterior y la presion en el espacio 26B es mayor que la presion en el espacio 26A en el recipiente 24 interior.
El espacio 26B tambien se utiliza para proporcionar cables electricos, tuberlas etc.
Las disposiciones de celdas de combustible en las figuras 1, 4, 5, 6 y 8 estan dispuestas preferiblemente de tal manera que los ejes del recipiente exterior a presion y el recipiente interior estan dispuestos verticalmente, pero los ejes del recipiente exterior a presion y el recipiente interior pueden estar dispuestos horizontalmente.
La disposicion de la celda de combustible de la presente invencion tiene una serie de ventajas. Las ventajas mas importantes se relacionan con riesgos para la seguridad y la integridad para la contencion de la presion.
La presencia del recipiente interior; o recipientes interiores, y su o sus, aislamiento y enfriamiento asociados permiten que el recipiente exterior a presion opere con un mayor margen de seguridad con la temperatura durante el funcionamiento normal y el recipiente exterior a presion esta protegido de la exposicion directa a las llamas y altas temperaturas que pueden presentarse despues de un fallo de un modulo de celda de combustible de oxido solido.
El volumen completo dentro del recipiente interior, o los recipientes interiores, dentro de los cuales el modulo de la celda de combustible de oxido solido, o los modulos de celdas de combustible de oxido solido, pueden tener fugas que pueden mantenerse por encima de una temperatura predeterminada, la temperatura de ignicion espontanea, para las posibles mezclas de combustible/oxidante. Esto hace que la disposicion de la celda de combustible sea mas segura, ya que es imposible que una acumulacion de fugas de combustible fuera de los conductos de combustible cree las condiciones adecuadas para una explosion, debido a que la fuga de combustible se inflama y arde en el sitio o sitios de fuga inmediatamente. Estas condiciones aplican a todos los puntos de generacion de carga para la disposicion de la celda de combustible, dejando solamente perlodos cortos durante las fases de puesta en marcha y enfriamiento cuando esto no es as! y se toman otras precauciones contra la ignicion explosiva.
La deteccion de sobrepresion en la disposicion de celdas de combustible debido al mal funcionamiento de los componentes o la inflamacion del combustible en el modulo de la celda de combustible es facil, ya que produce una inversion de la diferencia de presion a traves del recipiente interior, por ejemplo, en condiciones normales, la presion dentro del recipiente interior es menor que la presion entre el recipiente interior y el recipiente exterior a presion y en condiciones de sobrepresion dentro del recipiente interior es mayor que la presion entre el recipiente interior y el recipiente exterior a presion.
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El uso de una disposicion de doble recipiente, por ejemplo, recipiente interior, o recipientes interiores, y recipiente exterior a presion, permite proteger el recipiente exterior a presion del ambiente de alta temperatura de la pila de celdas de combustible en el recipiente interior, o recipientes interiores. El recipiente exterior a presion forma la contention de presion principal de la disposicion y funciona a una temperatura mas baja que una disposicion de un solo recipiente a presion y funciona con un mayor margen de seguridad que una disposicion de un solo recipiente a presion.
En una disposicion, el uso de aislamiento dentro del recipiente interior y el uso de un suministro de aire a los electrodos catodicos de la pila de celdas de combustible como refrigerante entre el recipiente interior y el recipiente exterior a presion permite el uso de aleaciones de menor grado, y por lo tanto mas economicas, para los recipientes a presion.
En otra disposicion, el aire entre el recipiente interior y recipiente exterior a presion esta estancado y actua como una capa adicional de aislamiento.
El recipiente interior, o recipientes interiores, solo tienen que soportar la carga de baja presion, y por lo tanto los niveles de tension, y permiten que el volumen completo encerrado en el interior del recipiente o recipientes interiores, opere por encima de la temperatura de ignition espontanea del combustible y las mezclas de aire que puedan estar presentes en el caso de un fallo/fuga. Esto proporciona ventajas de seguridad significativas previniendo el desarrollo de condiciones adecuadas para una explosion y evita una considerable complication de la disposicion de celdas de combustible para evitar explosiones.
La presente invention permite el uso de una configuration flsica para la implementation economica de una disposicion de la celda de combustible con recirculacion del oxidante no utilizado desde los electrodos catodicos nuevamente a los electrodos catodicos junto con los productos de la combustion del oxidante no utilizado de los electrodos catodicos y el combustible no usado desde los electrodos anodicos y oxidante fresco. Esta disposicion de la celda de combustible tambien tiene la recirculation del combustible no utilizado desde los electrodos anodicos nuevamente a los electrodos catodicos junto con combustible fresco. Aunque la presente invencion se ha descrito con referencia a modulos de celdas de combustible de oxido solido con celdas de combustible de oxido solido dispuestas sobre los mismos, y apoyados por un elemento de soporte poroso hueco con dos superficies planas, lisas, paralelas, la presente invencion tambien es aplicable a modulos de celdas de combustible de oxido solido, donde las celdas de combustible de oxido solido estan soportadas por los electrodos anodicos o donde las celdas de combustible de oxido solido estan soportadas por el(los) electrolito(s).
Aunque la presente invencion ha sido descrita con referencia a modulos de celdas de combustible de oxido solido con celdas de combustible de oxido solido dispuestas sobre un elemento de soporte poroso hueco con dos superficies planas, lisas, paralelas, la presente invencion tambien es aplicable a modulos de celdas de combustible de oxido solido tubulares huecas con celdas de combustible de oxido solido dispuestas con los electrodos anodicos dentro de los electrodos catodicos y el combustible suministrado a los modulos de celdas de combustible de oxido solido tubulares huecas. Las celdas de combustible de oxido solido tubulares pueden ser soportadas por un elemento tubular poroso hueco radialmente dentro de los electrodos anodicos, las celdas de combustible de oxido solido pueden ser soportadas por los electrodos anodicos o las celdas de combustible de oxido solido puede ser soportadas por el(los) electrolito(s).
La presencia de una disposicion de celda de combustible con recirculacion del oxidante no utilizado desde los electrodos catodicos nuevamente a los electrodos catodicos junto con oxidante fresco desde el espacio entre el recipiente interior y el recipiente exterior proporciona una mayor carga de compresion en el recipiente interior. La recirculacion del oxidante no utilizado desde los electrodos catodicos nuevamente a los electrodos catodicos es proporcionada por el oxidante fresco, que esta a una presion mas alta en el espacio entre el recipiente interior y el recipiente exterior a presion, ya que se suministra desde un compresor. La recirculacion del oxidante no utilizado desde los electrodos catodicos nuevamente a los electrodos catodicos tiene lugar totalmente dentro del recipiente interior. Tambien hay una camara de combustion dentro de la trayectoria de recirculacion para que el oxidante no utilizado queme el combustible sin usar en una portion del oxidante no utilizado. El oxidante no utilizado de las celdas de combustible de oxido solido se recoge dentro del recipiente interior y se suministra una porcion del oxidante no utilizado a la turbina para accionar el compresor y se recircula de nuevo una porcion del oxidante no utilizado a los electrodos catodicos de las celdas de combustible de oxido solido. A diferencia de presion a traves del recipiente interior asegura que, en el caso de una ruta de fuga a traves del recipiente interior, haya un flujo de oxidante fresco frlo desde el espacio entre el recipiente interior y el recipiente exterior a presion al espacio dentro del recipiente interior para mejorar la seguridad inherente de la disposicion.
La recirculacion del oxidante no utilizado se puede lograr usando un compresor, u otro dispositivo adecuado como se ha mencionado anteriormente, pero habrla una diferencia de presion mas baja entre el espacio dentro del recipiente interior y el espacio entre el recipiente interior y el recipiente exterior a presion.
Aunque la presente invencion ha sido descrita con referenda a las celdas de combustible de oxido solido, la presente invencion es igualmente aplicable a celdas de combustible de carbonato fundido u otros tipos de celdas de combustible que funcionan a altas temperaturas, por ejemplo, mas de 300°C.

Claims (21)

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    Reivindicaciones
    1. Una disposicion (110) de la celda de combustible que comprende al menos un modulo (12) de la celda de combustible, cada modulo (12) de la celda de combustible comprende una pluralidad de celdas (14) de combustible, cada celda (14) de combustible comprende un electrodo (18) anodico, un electrodo (22) catodico y un electrolito (20), al menos un modulo (12) de la celda de combustible es hueco y define al menos una camara (16), al menos un modulo (12) de la celda de combustible esta dispuesto dentro de al menos un recipiente (24) interior y al menos un recipiente (24) interior esta dispuesto dentro de un recipiente (28) exterior a presion, un medio (32) para suministro de oxidante a los electrodos (22) catodicos, un medio (34) para suministrar combustible a los electrodos (18) anodicos, el medio (32) para el suministro de materiales oxidantes que se oxidan en un espacio (30) entre al menos un recipiente (24) interior y el recipiente (28) exterior a presion, caracterizada porque el medio (32) para el suministro de oxidante esta dispuesto para suministrar oxidante al espacio (26) dentro del recipiente (24) interior, el espacio (26) dentro del recipiente (24) interior esta dispuesto para el suministro de oxidante a los electrodos (22) catodicos, el medio (34) para suministrar combustible esta dispuesto para suministrar combustible a al menos una camara (16) en al menos un modulo (12) de la celda de combustible, al menos una camara (16) en al menos un modulo (12) de la celda de combustible esta dispuesto para suministrar combustible a los electrodos (18) anodicos de al menos un modulo (12) de la celda de combustible, medios (84, 86, 88, 90) para recircular oxidante no utilizado desde los electrodos (22) catodicos nuevamente a los electrodos (22) catodicos y el medio (32) para el suministro de oxidante a los electrodos (22) catodicos esta dispuesto de tal manera que la presion en el espacio (30) entre el recipiente (28) exterior a presion y al menos un recipiente (24) interior es mayor que la presion en al menos un recipiente (24) interior de tal manera que al menos un recipiente (24) interior se somete a una carga de compresion.
  2. 2. Una disposicion de la celda de combustible de acuerdo con la reivindicacion 1 en donde los medios (84, 86, 88, 90) para recircular oxidante no utilizado de los electrodos (22) catodicos nuevamente a los electrodos (22) catodicos comprende al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
  3. 3. Una disposicion de la celda de combustible como la reivindicada en la reivindicacion 2 en donde el medio (32) para el suministro de oxidante suministra el oxidante desde el espacio (30) entre al menos un recipiente (24) interior y el recipiente (28) exterior a presion en al menos un recipiente (24) interior.
  4. 4. Una disposicion de la celda de combustible como la reivindicada en la reivindicacion 3 en donde el medio (32) para el suministro de oxidante suministra el oxidante desde el espacio (30) entre al menos un recipiente (24) interior y el recipiente (28) exterior a presion en al menos un recipiente (24) interior a traves de al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
  5. 5. Una disposicion de la celda de combustible como la reivindicada en la reivindicacion 3 en donde el medio (32) para el suministro de oxidante suministra una primera porcion (36B) del oxidante a traves de al menos un restrictor (102) al espacio (30) entre al menos un recipiente (24) interior y el recipiente (28) exterior a presion, el medio (32) para suministro de oxidante suministra una segunda porcion (36A) del oxidante en al menos un recipiente (24) interior, el medio (32) para suministro de oxidante suministra la segunda porcion (36A) del oxidante en al menos el recipiente (24) interior a traves de al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina, el medio (32) para suministro de oxidante suministra la primera porcion ( 36B) de oxidante desde el espacio (30) entre el recipiente (28) exterior a presion y al menos un recipiente (24) interior en al menos un recipiente (24) interior a traves de al menos un restrictor (104) y al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
  6. 6. Una disposicion de la celda de combustible como la reivindicada en la reivindicacion 3 en donde el medio (32) para el suministro de oxidante suministra el oxidante desde el espacio (30) entre al menos un recipiente (24) interior y el recipiente (28) exterior a presion a un espacio (26) entre el recipiente (24) interior y al menos un modulo (12) de una celda de combustible, existen medios para el suministro de oxidante no utilizado a un espacio (26) entre al menos un recipiente (24) interior y al menos un modulo (12) de la celda de combustible, el medio para suministro de oxidante no utilizado al espacio (26) entre al menos un recipiente (24) interior y al menos un modulo (12) de una celda de combustible comprende al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
  7. 7. Una disposicion de la celda de combustible como la reivindicada en la reivindicacion 6, en donde el medio para suministro de oxidante no utilizado al espacio entre al menos un recipiente (24) interior y al menos un modulo (12) de una celda de combustible comprende al menos una camara (78) de combustion, medios para suministrar oxidante no utilizado a al menos una camara (78) de combustion y medios para suministrar combustible no utilizado a al menos una camara (78) de combustion y medios para suministrar los productos de al menos una camara (78) de combustion a al menos una eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
  8. 8. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde se proporciona un aislamiento (50) en la superficie interior de al menos un recipiente (24) interior, se proporciona un espacio (52) entre el aislamiento (50) y la superficie interior de al menos un recipiente (24) interior, se proporciona aislamiento (54) en la superficie exterior de al menos un recipiente (24) interior, se proporciona un espacio entre el aislamiento (54) y la superficie exterior de al menos un recipiente (24) interior, se proporciona aislamiento (48) en la superficie exterior del recipiente (28) exterior a presion.
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  9. 9. Una disposicion de la celda de combustible como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde hay una pluralidad de recipientes (24) interiores o un unico recipiente (24) interior y una pluralidad de modulos (12) de celdas de combustible (l2) estan dispuestos dentro de cada recipiente (24) interior.
  10. 10. Una disposicion de la celda de combustible como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 en donde el medio (32) para el suministro de oxidante comprende una bomba o un compresor (62), el compresor (62) esta conectado a una turbina (64) y se suministra una porcion del oxidante no utilizado a la turbina (64) para accionar la turbina (64)
  11. 11. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en donde se dispone un primer sensor (114) de presion para medir la presion en el espacio (30) entre al menos un recipiente (24) interior y el recipiente (28) exterior a presion, se dispone un segundo sensor (116) de presion para medir la presion en el espacio (26) entre al menos un recipiente (24) interior y al menos un modulo (12) de una celda de combustible y se dispone un monitor (118) para comparar la presion medida por el primer sensor (114) de presion y la presion medida por el segundo sensor (116) de presion para determinar si hay una sobrepresion debido al mal funcionamiento del componente o la quema de combustible en el modulo (12) de la celda de combustible.
  12. 12. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en la reivindicacion 4, reivindicacion 5, reivindicacion 6 o la reivindicacion 7 en donde se dispone al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina de tal forma que se extiende radialmente con respecto a los ejes de al menos un recipiente (24) interior con la entrada (90A) de al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina dispuesto en el extremo radialmente interior y el escape (90C) de al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina dispuesto en el extremo radialmente exterior.
  13. 13. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2 en donde al menos un recipiente (24) interior define un espacio (30) con un elemento (24C) de pared fijado a al menos un recipiente (24) interior, el medio (32) para el suministro de oxidante suministra oxidante en el espacio (26B) entre al menos un recipiente (24) interior y el elemento (24C) de pared.
  14. 14. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en la reivindicacion 13 en donde el medio (32) para el suministro de oxidante suministra oxidante desde el espacio entre al menos un recipiente (24) interior y el elemento de pared al espacio (26) dentro de al menos un recipiente (24) interior.
  15. 15. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en la reivindicacion 14 en donde el medio (32) para el suministro de oxidante suministra el oxidante desde el espacio entre al menos un recipiente (24) interior y el elemento de pared al espacio dentro de al menos un recipiente (24) interior a traves de al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
  16. 16. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en la reivindicacion 13, la reivindicacion 14 o la reivindicacion 15 en donde el medio (32) para el suministro de oxidante suministra oxidante desde el espacio entre al menos un recipiente (24) interior y el elemento de pared al espacio entre al menos un recipiente (24) interior y el recipiente (28) exterior a presion.
  17. 17. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en la reivindicacion 4, la reivindicacion 5, la reivindicacion 6, la reivindicacion 7 o la reivindicacion 15 en donde al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina esta dispuesto de tal forma que se extiende axialmente con respecto a los ejes de al menos un recipiente (24) interior con la entrada (90A) de al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina dispuesto en un extremo axial del recipiente (24) interior y el escape (90C) de al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina dispuesto en una region central del recipiente (24) interior.
  18. 18. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en la reivindicacion 2 en donde el medio (32) para el suministro de oxidante al espacio (26) dentro de al menos un recipiente (24) interior suministra el oxidante a traves de al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina a un espacio entre al menos un recipiente (24) interior y al menos un modulo (12) de la celda de combustible.
  19. 19. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en la reivindicacion 18 en donde al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina suministra oxidante no utilizado desde al menos un modulo (12) de la celda de combustible al espacio entre al menos un recipiente (24) interior y al menos un modulo (12) de la celda de combustible.
  20. 20. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en la reivindicacion 19 en donde hay medios para el suministro de oxidante no utilizado desde al menos un modulo (12) de una celda de combustible a al menos una camara (78) de combustion, medios para suministrar combustible no utilizado desde al menos un modulo (12) de una celda d combustible a al menos una camara (78) de combustion, y medios para suministrar los productos de al menos una camara (78) de combustion a al menos un eyector (90), bomba, ventilador, compresor o turbomaquina.
  21. 21. Una disposicion de una celda de combustible como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20 en donde las celdas (14) de combustible son celdas de combustible de oxido solido.
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