BR112017026684B1

BR112017026684B1 - Célula de combustível de oxido sólido

Info

Publication number: BR112017026684B1
Application number: BR112017026684-9A
Authority: BR
Inventors: Keita Iritsuki; Takao Izumi
Original assignee: Nissan Motor Co., Ltd.
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2022-07-26
Also published as: EP3309883B1; EP3309883A4; CN107615540A; US20180175424A1; CA2988369C; BR112017026684A2; EP3309883A1; CN107615540B; CA2988369A1; WO2016199223A1; JPWO2016199223A1; JP6521064B2; US10483579B2

Abstract

CÉLULA DE COMBUSTÍVEL DE OXIDO SÓLIDO. Uma célula de combustível de óxido sólido inclui um suporte de metal (1) que é formado a partir de um substrato de metal poroso e que suporta uma célula de geração de energia (8). O suporte de metal (1) inclui uma área de geração de energia (GA) na qual a célula de geração de energia (8) está disposta e uma área de amortecimento (BA) que é formada no lado externo da área de geração de energia (GA) em um na direção do avião. Um poro no suporte de metal (1) na área de amortecimento (BA) é preenchido com um material com uma condutividade térmica inferior àquela de um material de formação do suporte metálico (1).

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção se refere a uma célula de combustível de óxido sólido.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[002] Uma célula de combustível é um dispositivo que converte energia científica em energia elétrica através de uma reação eletroquímica (vide, por exemplo, Literatura de Patentes 1). Uma célula de combustível de óxido sólido, que é uma classe dessa célula de combustível, inclui camadas de um eletrodo de combustível, um eletrólito e um eletrodo de ar empilhados para servir como uma unidade de geração de energia da célula de combustível e está configurado para fornecer o combustível eletrodo com um gás combustível, como hidrogênio ou hidrocarboneto do lado de fora e para fornecer o eletrodo de ar com um gás oxidante, como o ar, gerando assim eletricidade.

[003] Em geral, uma célula de geração de energia que é uma unidade de geração de energia de uma célula de combustível é intercalada por um par de separadores de ambos os lados. Uma passagem de fluxo de combustível ou uma passagem de fluxo de ar é definido entre a célula de geração de energia e o correspondente dos separadores. Além disso, existe uma célula de geração de energia que é suportada em um suporte de metal para garantir a resistência.

LISTA DE CITAÇÕES LITERATURA DE PATENTES

[004] Literatura de Patente 1: Publicação do Pedido de Patente Japonesa Número Hei. 10-199555

SUMÁRIO DA INVENÇÃO PROBLEMA TÉCNICO

[005] Quando um gás oxidante de alta temperatura flui de uma só vez na célula de combustível de óxido sólido, descrita anteriormente, especialmente em uma partida rápida, pode ocorrer uma diferença de temperatura entre uma porção de borda externa (porção próxima a uma estrutura de vedação) de um suporte de metal e uma área de geração de energia no lado interno da porção da borda externa. Nesse caso, é gerada uma tensão térmica excessivamente grande em uma porção final de uma célula de geração de energia, com uma temperatura relativamente baixa. Existe a possibilidade de que este estresse térmico possa romper a célula de geração de energia.

[006] Dadas as circunstâncias acima, o presente invento visa proporcionar uma célula de combustível de óxido sólido que pode suprimir a geração de um estresse térmico excessivamente grande na inicialização rápida e suprimir o rompimento da célula de geração de energia.

SOLUÇÃO DO PROBLEMA

[007] Numa célula de combustível de óxido sólido de acordo com a presente invenção, um suporte de metal inclui uma área de amortecimento que é formada num lado exterior de uma área de geração de energia numa direção no plano. Um poro no suporte de metal na área de amortecimento é preenchido com um material com uma condutividade térmica inferior à de um material de formação do suporte de metal.

EFEITOS VANTAJOSOS DA INVENÇÃO

[008] Se uma condutividade térmica de uma área de amortecimento de um suporte de metal for menor do que a condutividade térmica de uma área de geração de energia, é possível obter um pequeno gradiente de temperatura de uma porção de extremidade da área de geração de energia do suporte de metal, porque na inicialização rápida, o calor não é conduzido facilmente na área de geração de energia para um lado externo. Isso diminui uma diferença de temperatura em uma porção final de uma célula de geração de energia voltada para a área de geração de energia, reduzindo uma tensão térmica a ser gerada na porção final da célula de geração de energia. Assim, é possível suprimir a geração de um estresse térmico excessivamente grande na inicialização rápida e suprimir o rompimento da célula de geração de energia.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] A figura 1 é uma vista em planta de uma célula de combustível de acordo com uma primeira forma de realização da presente invenção.

[010] A figura 2 é uma vista em corte parcial ao longo da linha A-A da figura 1.

[011] A figura 3 é um gráfico que ilustra uma distribuição de temperatura na partida rápida.

[012] A figura 4 é um gráfico que ilustra uma distribuição de temperatura na partida rápida.

[013] A figura 5 é uma vista em corte parcial de uma célula de combustível de acordo com uma segunda forma de realização da presente invenção.

DESCRIÇÃO DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO

[014] Daqui em diante, as formas de realização da presente invenção são descritas em detalhes juntamente com os desenhos.

Primeira forma de realização

[015] Uma célula de combustível de óxido sólido de acordo com uma primeira forma de realização da presente invenção é descrita com base na figura 1 à figura 4.

[016] A célula de combustível de óxido sólido é uma classe de uma célula de combustível que é um dispositivo configurado para converter a energia científica em energia elétrica através de uma reação eletroquímica. Conforme ilustrado na figura 1 e na figura 2, a célula de combustível de óxido sólido de acordo com a forma de realização inclui um suporte de metal em forma de placa 1 e um par de separadores 2, 2 que intercalam ambos os lados deste suporte de metal 1.

[017] O suporte de metal 1 e os separadores 2 empilhados em conjunto são intercalados em ambos os lados (ambos os lados de extremidade em uma direção de empilhamento) por um par de estruturas de vedação 3. Estas estruturas de vedação 3 intercalam e suportam uma porção de borda externa (área periférica externa OA) do suporte de metal 1. Além disso, os moldes de vedação 3 intercalam e suportam as porções de borda externa de suporte dos separadores 2. O suporte de metal 1 e a estrutura de vedação correspondente 3 são fixados em conjunto com uma camada de isolamento 5 feita, por exemplo, um adesivo com um material de vedação 4 previsto no meio. Por outro lado, o suporte de metal 1 e o separador correspondente 2 e o separador 2 e a armação de vedação 3 são fixados juntos por soldagem. Na figura 2, uma porção soldada 6 do suporte de metal 1 e o separador 2 e uma porção soldada 7 do separador 2 e a estrutura de vedação 3 são indicadas com um triângulo.

[018] Uma célula de geração de energia 8 está disposta em uma das superfícies do suporte de metal 1. Esta célula de geração de energia 8 é formada como um corpo empilhado de um eletrodo de combustível (eletrodo de ânodo) 9, um eletrólito de óxido sólido 10 e um eletrodo de ar (eletrodo de cátodo) 11. O eletrodo de combustível 9 e o eletrodo de ar 11 estão dispostos com o eletrólito 10 entre eles. Na forma de realização, a célula de geração de energia 8 é empilhada, de tal modo que o eletrodo de combustível 9 está em contato com o suporte de metal 1. Além disso, uma camada de assistência de coleta de corrente 12 é empilhada no eletrodo de ar 11 da célula de geração de energia 8. Desta maneira, o suporte de metal 1 suporta a célula de geração de energia 8.

[019] Cada um dos separadores 2 é formado de tal modo que uma porção dele correspondente à área ativa da célula de geração de energia 8 que contribui para a geração de energia tem a forma de uma onda e que uma porção de contato 2a em contato com o suporte de metal 1 e a porção de contato 2b em contato com a camada de assistência de coleta de corrente 12 estão dispostas alternadamente. Um gás combustível e um gás oxidante são feitos para fluir num espaço definido pela porção do separador 2 que tem a forma ondulada e pelo suporte de metal 1 e um espaço definido pela porção do separador 2 que tem a forma ondulada e pela camada de assistência de coleta atual 12, respectivamente. Para ser mais específico, o separador 2 tem uma função de definir uma passagem de fluxo de combustível 13 ou uma passagem de fluxo de ar 14, entre a célula de geração de energia 8 e o correspondente do suporte de metal 1, e a camada de assistência de coleta de corrente 12. Além disso, o separador 2 também tem uma função de coleta de eletricidade gerada pela célula de geração de energia 8.

[020] O separador 2 é fixado ao suporte de metal 1 por soldagem da porção de contacto 2a do separador 2 em contato com o suporte de metal 1 e o separador 2 é fixado à camada de assistência de coleta de corrente 12 soldando a porção de contato 2b do separador 2, em contato com a camada de assistência de coleta de corrente 12. Na figura 2, uma porção soldada 15 entre o separador 2 e o suporte de metal 1 e uma porção soldada 16 entre o separador 2 e a camada de assistência de coleta de corrente 12 são indicados com um triângulo.

[021] O suporte de metal 1 acima descrito é formado por um material condutor com a finalidade de melhorar o rendimento da célula de combustível por unidade de área. Além disso, é necessária a permeabilidade ao gás para o suporte de metal 1 para fornecer os eletrodos com um gás combustível ou um gás oxidante. O suporte de metal 1 é formado, por exemplo, por um substrato de metal poroso que é feito por sinterização de partículas metálicas. São formadas em ambos os lados da célula de geração de energia 8 neste suporte de metal 1: partes de coletor M, M para fornecer e descarregar um gás combustível ou um gás de ar; e as porções de difusor D, cada uma das quais é uma área para permitir que um gás combustível ou um gás oxidante flua das partes de coletor M, M para a célula de geração de energia 8. Além disso, as porções de difusor D são providas com um espaçador 17 e saliências 18.

[022] O suporte de metal 1 inclui uma área de geração de energia GA na qual a célula de geração de energia 8 está disposta, uma área de amortecimento não geradora de energia BA que é formada numa área no lado externo da área de geração de energia GA, em uma direção no plano e que não é fornecida com a célula de geração de energia 8 e uma área periférica externa OA que é formada em uma área adicional no lado externo da área de amortecimento BA. Este suporte de metal 1 está configurado de tal modo que as espessuras da área de geração de energia GA e a área de amortecimento BA são menores que a espessura da área periférica externa OA. Por outras palavras, o suporte de metal 1 está configurado de tal modo que a espessura da área periférica externa OA é maior que as espessuras da área geradora de energia GA e da área de amortecimento BA. Na figura 1, as áreas da área de amortecimento BA são hachuradas.

[023] A área periférica externa OA do suporte de metal 1 é uma porção intercalada pelas estruturas de vedação 3 em ambos os lados e é uma camada densa que não permite permeação de gás em uma direção de espessura. Por outro lado, a área de geração de energia GA do suporte de metal 1 é uma camada porosa que permite a permeação de gás na direção da espessura. A área periférica externa OA pode ser densificada por pressão ou pode ser densificada por sinterização de partículas metálicas com um diâmetro de partícula relativamente grande.

[024] A área de amortecimento BA do suporte de metal 1 é originalmente uma camada porosa, mas ao contrário da área de geração de energia GA, os poros no suporte de metal 1 na área de amortecimento BA são preenchidos com um material de carga que possui uma condutividade térmica inferior à do material de formação do suporte de metal 1. Em tal configuração, a condutividade térmica da área de amortecimento BA é mais baixa do que a condutividade térmica da área de geração de energia GA e a capacidade térmica da área de amortecimento BA é maior que a capacidade térmica da área de geração de energia GA. Além disso, a condutividade térmica da área de amortecimento BA é menor do que a condutividade térmica da área periférica externa OA, e a capacidade térmica da área de amortecimento BA é maior que a capacidade térmica da área periférica externa OA ajustando, por exemplo, a condutividade térmica do material de formação do suporte de metal 1 e a condutividade térmica do material de carga.

[025] Os materiais cerâmicos, tais como a zircônia estabilizada com ítrio (YSZ), o galato de magnésio estrôncio lantânio (LSGM), cera dopada com samário (SDC), cério dopado com gadolínio (GDC) e zircônia estabilizada com escândio (SSZ) podem ser usados como o material de carga descrito acima.

[026] Os poros no suporte de metal 1 na área de amortecimento BA são preenchidos, por exemplo, impregnando os poros no suporte de metal 1 com um material de carga pastoso e depois aquecendo e endurecendo o material de carga. Através de tal processo, na forma de realização, a área de amortecimento BA do suporte de metal 1 é formada numa camada densa, que não permite a permeação de gás na direção da espessura. Além disso, uma estrutura de vedação da borda é formada no eletrólito 10 da célula de geração de energia 8, estendendo uma porção de extremidade do eletrólito 10 para a área de amortecimento BA.

[027] Além disso, um espaço de passagem de fluxo 19 pode ser formado num espaço ao lado da área de amortecimento BA do suporte de metal 1. A configuração de fluxo pode ser tal que um gás possa fluir nesse espaço de passagem de fluxo 19, o gás tendo a mesma temperatura à medida que o gás é feito para fluir no espaço de trajetória de fluxo ao lado da área de geração de energia GA (para ser mais específico, a passagem de fluxo de combustível 13 ou a passagem de fluxo de ar 14).

[028] Essa célula de combustível de óxido sólido está configurada para fornecer o eletrodo de combustível 9 (passagem de fluxo de combustível 13) com um gás combustível, tal como hidrogênio ou hidrocarboneto e, por outro lado, para fornecer o eletrodo de ar 11 (passagem de fluxo de ar 14) com um gás oxidante como ar ou oxigênio, gerando eletricidade. Um corpo empilhado em que o suporte de metal 1 e os separadores 2 descritos acima são empilhados em múltiplas camadas é a célula de combustível de óxido sólido com uma estrutura de pilha.

[029] Com referência às figuras 3 e 4, são descritos os resultados para uma simulação de distribuição de temperatura conduzida para demonstrar os efeitos da célula de combustível de óxido sólido de acordo com a forma de realização.

Método

[030] A simulação de distribuição de temperatura para o suporte de metal foi realizada por meio de um computador com base em vários tipos de dados, como a forma do suporte de metal, os valores de propriedade física do material de formação, a temperatura do gás de alta temperatura que flui na célula de combustível e a temperatura fora da célula de combustível.

Condição

[031] A distribuição de temperatura do suporte de metal 70 segundos após a inicialização rápida foi simulada sob a condição de partida rápida (condição de aquecimento) de 10,78°C / s.

[032] Na simulação do Exemplo 1, um gás de alta temperatura não foi feito para fluir no espaço do percurso de fluxo ao lado da área de amortecimento, e na simulação do Exemplo 2, o gás de alta temperatura foi feito para fluir no espaço da passagem de fluxo ao lado da área de amortecimento.

Resultado

[033] No Exemplo 1 e no Exemplo 2, a temperatura máxima Tmax do suporte de metal foi de 900°C, e a diferença de temperatura máxima MaxΔt foi de 690°C.

[034] O resultado do Exemplo 1 (Fig. 3) mostra que o gradiente de temperatura na área de geração de energia é menor em comparação com o caso em que a área de amortecimento não é fornecida e a diferença de temperatura Δt na porção final da célula de geração de energia é menor em comparação com o caso em que a área de amortecimento não é fornecida. Além disso, o resultado do Exemplo 2 (Fig. 4) mostra que o gradiente de temperatura na área de geração de energia é zero e a diferença de temperatura Δt na porção de extremidade da célula de geração de energia é zero.

[035] Daqui em diante, são descritas as operações e os efeitos da forma de realização.

[036] (1) A célula de combustível de óxido sólido de acordo com a forma de realização inclui o suporte de metal 1 que é formado a partir de um substrato de metal poroso e que suporta a célula de geração de energia 8. O suporte de metal 1 inclui a área de geração de energia GA na qual a célula de geração de energia 8 está disposta, e a área de amortecimento BA que é formada no lado externo da área de geração de energia GA na direção do plano. Os poros no suporte de metal 1 na área de amortecimento BA são preenchidos com um material com uma condutividade térmica inferior à do material de formação do suporte de metal 1.

[037] Se a condutividade térmica da área de amortecimento BA for menor do que a condutividade térmica da área de geração de energia GA, é possível tornar menor o gradiente de temperatura da porção de extremidade da área de geração de energia GA, pois, devido à partida rápida, o calor não conduz facilmente da área de geração de energia GA para o lado externo. Isto diminui a diferença de temperatura Δt na porção de extremidade da célula de geração de energia 8 voltada para a área de geração de energia GA, reduzindo a tensão térmica a ser gerada na porção de extremidade da célula de geração de energia 8. Assim, é possível suprimir a geração de uma tensão térmica excessivamente grande na partida rápida e suprimir o rompimento da célula de geração de energia 8.

[038] (2) O suporte de metal 1 na área de amortecimento BA é formado numa camada densa que não permite a permeação de gás na direção da espessura.

[039] Tal configuração permite evitar o vazamento mútuo de gás entre a passagem de fluxo de combustível 13 e a passagem de fluxo de ar 14, opostas uma a outra, com a área de amortecimento BA no meio.

[040] (3) É permitido que um gás flua no espaço da passagem de fluxo 19 próximo à área de amortecimento BA, o gás tendo a mesma temperatura que o gás produzido para fluir no espaço de passagem de fluxo ao lado da área geradora de energia GA (passagem de fluxo de combustível 13 ou passagem de fluxo de ar 14).

[041] Uma vez que a temperatura do espaço de passagem de fluxo 19 próximo à área de amortecimento BA e a temperatura do espaço da passagem próxima da área de geração de energia GA (passagem de fluxo de combustível 13 ou passagem de fluxo de ar 14) são iguais, a temperatura da extremidade da porção da área de geração de energia GA e a temperatura da sua porção central são as mesmas. Isto diminui mesmo a diferença de temperatura Δt na porção de extremidade da célula de geração de energia 8 voltada para a área de geração de energia GA, reduzindo ainda mais a tensão térmica a ser gerada na porção de extremidade da célula de geração de energia 8.

Segunda Forma de Realização

[042] Uma célula de combustível de óxido sólido de acordo com uma segunda forma de realização da presente invenção é descrita com base na figura 5. Note-se que os constituintes idênticos aos da primeira forma de realização descrita acima recebem os mesmos sinais de referência e a explicação para esses componentes não é apresentada.

[043] Conforme ilustrado na figura 5, a célula de combustível de óxido sólido de acordo com a segunda forma de realização está configurada, de tal modo que o diâmetro de poro do suporte de metal 1, numa porção de vizinhança limítrofe 20 da área de amortecimento BA adjacente à área de geração de energia GA é menor do que o diâmetro dos poros do suporte de metal 1, na área de geração de energia GA. Além disso, a estrutura de vedação de borda é formada no eletrólito 10, da célula de geração de energia 8 estendendo a porção de extremidade do eletrólito 10, para a porção de vizinhança limítrofe 20 descrita acima.

[044] Daqui em diante, são descritos as operações e os efeitos da segunda forma de realização.

[045] Na célula de combustível de óxido sólido de acordo com a segunda forma de realização, o diâmetro de poro do suporte de metal 1 na porção de vizinhança limítrofe 20 da área de amortecimento BA, adjacente à área de geração de energia GA é menor do que o diâmetro de poro do suporte de metal 1, em a área de geração de energia GA.

[046] Tal configuração permite evitar que o material de carga que enche os poros no suporte de metal 1, na área de amortecimento BA, flua para os poros no suporte de metal 1 na área de geração de energia GA, uma vez que a densidade na porção de vizinhança limítrofe 20 é alto após a sinterização.

[047] A descrição anterior das formas de realização proporcionou os pormenores da presente invenção. No entanto, a presente invenção não está limitada à descrição acima. Fica claro aos versados na técnica que várias modificações e aperfeiçoamentos podem ser feitos com relação à presente invenção. LISTA DE NÚMEROS DE REFERÊNCIA 1 - suporte de metal 2 - separador 8 - células de geração de energia 19 - espaço de passagem de fluxo próximo à área de amortecimento 20 - porção de vizinhança limítrofe OA - área periférica externa GA - área de geração de energia BA - área de amortecimento

Claims

1. Célula de combustível de óxido sólido, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: um suporte de metal (1) que é formado a partir de um substrato de metal poroso e que suporta uma célula de geração de energia (8), em que o suporte de metal (1) inclui uma área de geração de energia (GA) na qual a célula de geração de energia (8) está disposta, uma área de amortecimento (BA) que é formada em um lado externo da área de geração de energia (GA) em uma direção no plano, e uma área periférica externa (OA) que é formada no lado externo da área de amortecimento (BA) na direção no plano, o suporte de metal (1) é localizado no lado de ânodo da célula de geração de energia (8), um separador (2) é localizado no lado de ânodo da célula de geração de energia (8) de tal modo que um espaço de passagem de fluxo (19) é formado entre o separador (2) e a área de amortecimento (BA) do suporte de metal (1), a célula de geração de energia (8) é formada como um corpo empilhado de um eletrodo de ânodo (9), um eletrólito de óxido sólido (10), e um eletrodo de cátodo (11), e um poro no suporte de metal (1) na área de amortecimento (BA) é preenchido com um material de carga com uma condutividade térmica inferior àquela de um material de formação do suporte de metal (1).

2. Célula de combustível de óxido sólido, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que: o suporte de metal (1) na área de amortecimento (BA) é formado em uma camada densa que não permite permeação de gás em uma direção de espessura.

3. Célula de combustível de óxido sólido, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADA pelo fato de que, um gás é feito para fluir no espaço da passagem de fluxo (19) próximo à área de amortecimento (BA), o gás tendo a mesma temperatura que um gás feito para fluir em um espaço de passagem de fluxo (13, 14) próximo à área de geração de energia (GA).

4. Célula de combustível de óxido sólido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que um diâmetro de poro do suporte de metal (1) em uma porção de vizinhança limítrofe (20) da área de amortecimento (BA) adjacente à área de geração de energia (GA) é menor que um diâmetro de poro do suporte de metal (1) na área de geração de energia (GA).