ES2261670T3 - Sistemas de tubos para pila de combustible horizontal de oxido solido y procedimientos. - Google Patents

Abstract

Un sistema de pilas de combustible para generar energía eléctrica, el sistema comprendiendo: una pila de combustible tubular de óxido sólido, con extremos abiertos; un primer tubo inyector que se extiende desde una cámara impelente del combustible a través de un extremo abierto de la pila de combustible ; y un segundo tubo inyector que se extiende desde una segunda cámara impelente del combustible a través de otro extremo abierto de la pila de combustible; en el que el primero y el segundo tubos inyectores forman un huelgo dentro de la pila de combustible, desde el cual un gas combustible que contenga hidrógeno pueda fluir hacia los extremos abiertos de la pila de combustible.

Description

Sistemas de tubos para pila de combustible horizontal de óxido sólido y procedimientos.

Campo técnico

Esta invención se refiere a sistemas de pilas de combustible y a procedimientos asociados, y en particular a diseños de apilamiento de pilas de combustible para pilas de combustible tubulares de óxido sólido.

Técnica antecedente

Las previsiones a escala mundial muestran que el consumo de electricidad aumentará de manera dramática en las próximas décadas, debido en gran parte al crecimiento económico de los países en desarrollo que carecen de redes nacionales de energía eléctrica. Este consumo creciente, junto con la desregularización de las compañías eléctricas en las naciones industrializadas crea la necesidad de una generación distribuida de electricidad a pequeña escala.

Las pilas de combustible son una tecnología prometedora para proporcionar generación distribuida de electricidad. Una pila de combustible coloca un gas oxidante, tal como el aire, y un combustible que contenga hidrógeno, tal como hidrógeno o gas natural, en lados opuestos de un electrólito de tal manera que se combinen para formar agua y electricidad. Tal reacción requiere un ánodo y un cátodo compuestos por materiales porosos y un electrólito iónicamente conductor. En las pilas de combustible de óxido sólido, el electrólito conduce iones con carga negativa.

Los sistemas de pilas de combustible se pueden hacer menos caros que otras clases de pilas de combustible y, de este modo, tienen un potencial particular para facilitar la generación de energía distribuida. En las preocupaciones importantes en el diseño de sistemas de pilas de combustible de óxido sólido se incluyen la facilidad de fabricación, la capacidad para formar conexiones eléctricas en serie y en paralelo con las pilas de combustible, y la fiabilidad de los cierres estancos de las pilas de combustible.

Sumario de la invención

En esta invención un sistema de pila de combustible para generar energía eléctrica comprende una pila de combustible tubular de óxido sólido con extremos abiertos, un primer tubo inyector de combustible que se extiende desde una primera cámara impelente del combustible a través de un extremo abierto de la pila de combustible, y un segundo inyector de combustible que se extiende desde una segunda cámara impelente del combustible a través de otro extremo de la pila de combustible; en el que el primero y el segundo tubos inyectores del combustible forman un huelgo dentro de la pila de combustible desde el cual un gas combustible que contenga hidrógeno pueda fluir hacia los extremos abiertos de la pila de combustible.

En realizaciones adicionales relacionadas, al menos una de las cámaras impelentes contiene un catalizador de preformación. Los extremos abiertos de la pila de combustible se pueden extender de parte a parte de primero y segundo colectores de la combustión que limitan una primera y una segunda zonas de combustión, mientras que el primer tubo inyector se extiende de parte a parte de la primera zona de combustión y el segundo tubo inyector se extiende de una parte a otra de la segunda zona de combustión. La pila de combustible puede ser una pila de combustible tubular con soporte en el ánodo. Se puede montar un haz de una pluralidad de pilas de combustible tubulares de óxido sólido eléctricamente paralelas entre un par opuesto de cámaras impelentes del combustible, con pares opuestos de primeros y segundos tubos inyectores de combustible dentro de cada pila de combustible del haz. Una pluralidad de haces de pilas de combustible se pueden conectar eléctricamente en serie, y una pluralidad de cámaras impelentes del combustible, adyacentes, se pueden aislar eléctricamente por medio de compartimientos. Este sistema puede comprender un tubo calefactor cerámico. Al menos una de las cámaras impelentes puede comprender al menos dos juegos opuestos enfrentados de tubos inyectores de combustible. Una entrada del combustible para la primera cámara impelente puede entrar desde un lado opuesto del sistema y desde una entrada del combustible para la segunda cámara impelente del combustible. Se puede posicionar un quemador de gas para calentar el recinto que circunda una zona catódica del sistema. La cámara energética puede comprender una pluralidad de segmentos de pila de combustible. El primero y el segundo tubos inyectores pueden estar, de manera eléctrica, conectados con una capa anódica de la pila de combustible.

En realizaciones adicionales relacionadas, el primer colector de la combustión, que se puede hacer con fibra vulcanizada cerámica, forma un cierre estanco alrededor de la pila de combustible. Este cierre estanco se puede formar comprimiendo la fibra vulcanizada cerámica. Se puede formar un apilamiento de una pluralidad de tales capas con haces de pilas de combustible, eléctricamente paralelas que estén, de manera eléctrica, aisladas entre sí. Se puede usar material cerámico cobertor para aislar las capas de manera eléctrica. El primer colector de la combustión se puede dividir en dos zonas de combustión, las cuales pueden corresponder a mitades, de manera eléctrica aisladas, de la primera cámara impelente del combustible.

Breve descripción de los dibujos

Las características principales anteriores se comprenderán con más facilidad haciendo referencia a la siguiente descripción detallada, tomada con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 muestra una vista en corte de un sistema de pila de combustible tubular con dos inyectores según una realización de esta invención;

La figura 2 muestra una vista detallada en corte de una pila de combustible tubular de óxido sólido que rodea un par de inyectores opuestos de gas combustible, según una realización de esta invención;

La figura 3 muestra una vista de las cámaras impelentes del combustible, y colectores de la combustión de la realización 1, con otros elementos omitidos por claridad;

La figura 4 muestra un juego de cámaras impelentes que tienen inyectores de gas combustible que se extienden desde sus dos paredes laterales, según una realización de esta invención;

La figura 5 muestra dos juegos enfrentados de cámaras impelentes del combustible en las que las entradas del combustible entran desde lados opuestos, según una realización de esta invención;

La figura 6 muestra una vista exterior del sistema de la realización de la figura 1, con una capa superior desmontada;

La figura 7 muestra una vista exterior del sistema de la realización de la figura 1, que incluye una capa superior de aislamiento;

La figura 8 muestra una vista en corte de la realización de la figura 1, en un ángulo de corte transversal perpendicular al de la figura 1, con algunas características omitidas por claridad, y quemadores de gas posicionados debajo de la zona catódica;

La figura 9 muestra una vista similar a la de la figura 8, con inyectores que se extienden de parte a parte del colector de la combustión y entradas de combustible que se extienden de parte a parte del recinto;

La figura 10 muestra una vista en corte de una realización en la cual las capas anódicas y catódicas de la pila de combustible se dividen en segmentos, con un electrólito común que sostiene todos los segmentos;

La figura 11 muestra una cámara impelente de combustible, colector de la combustión y juego de inyectores para otra realización de acuerdo con esta invención, en la que el colector de la combustión se hace con fibra vulcanizada cerámica;

La figura 12 muestra dos de los conjuntos de la realización de la figura 11 dispuestos opuestos entre sí para formar una capa de dos inyectores;

La figura 13 muestra pilas de combustible posicionadas por encima de cada par de inyectores dobles opuestos de la realización de la figura 12;

La figura 14 muestra una pila de capas de la realización de la figura 13, con entre capas aislantes de manera eléctrica;

La figura 15 muestra una pila de diez capas de la realización de la figura 14, rodeadas por un recinto termoaislante;

La figura 16 muestra una sola capa de cámaras impelentes opuestas del combustible, inyectores, y colectores de la combustión, según una realización de esta invención;

La figura 17 muestra diez capas de la realización de la figura 16, apiladas una encima de la otra con entre capas eléctricamente aislantes;

La figura 18 muestra una realización según esta invención en la que un colector de la combustión en forma de E separa las zonas de combustión en cada lado del sistema en dos mitades en sentido vertical;

La figura 19 muestra diez de las capas de la realización de la figura 18, apiladas la una encima de la otra, que permiten que veinte haces de pilas de combustible eléctricamente paralelas se coloquen en serie;

La figura 20 muestra un recinto metálico que circunda las capas de la realización de la figura 19;

La figura 21 muestra una vista que tiene una placa de entrada del combustible y una placa de salida del combustible para la corriente unidireccional del combustible a través de tubos horizontales de pilas de combustible, de acuerdo con un ejemplo comparativo;

La figura 22 muestra una vista detallada del ejemplo de la figura 21, sin el alojamiento de la entrada de aire inferior;

La figura 23 muestra una vista inferior del ejemplo de la figura 21, con un alojamiento de quemador de gas adjunto;

La figura 24 muestra una vista del ejemplo de la figura 23 con un colector de entrada del combustible y un colector de salida del combustible adjunto;

La figura 25 muestra el ejemplo de la figura 24 con un módulo de pretratamiento del combustible añadido;

La figura 26 muestra una vista en corte del ejemplo de la figura 25;

La figura 27 muestra una capa de pilas de combustible entre dos cámaras del combustible de fibra vulcanizada cerámica de gran densidad, según un ejemplo comparativo;

La figura 28 muestra un conjunto de veinte capas aisladas, de manera eléctrica, del ejemplo de la figura 27;

La figura 29 muestra un conjunto de cuatro capas con dos filas de pilas de combustible presentes en cada capa, de acuerdo con un ejemplo comparativo;

La figura 30 muestra componentes de un ejemplo comparativo en el cual cámaras metálicas de combustible están cerradas con estanqueidad a placas de pilas de combustible de fibra vulcanizada cerámica de gran densidad;

La figura 31 muestra una vista despiezada de cuatro capas de cierre estanco de pilas de combustible de fibra vulcanizada cerámica;

La figura 32 muestra una vista conjuntada del cierre estanco de la figura 31;

La figura 33 muestra una vista tridimensional de una soldadura de apilamiento de pilas de combustible que tiene colectores de combustible con pestañas;

La figura 34 muestra una vista despiezada de los componentes de la soldadura del apilamiento de la realización de la figura 33;

La figura 35 muestra una representación esquemática de los componentes del sistema y de las corrientes de gas en el sistema de pilas de combustible;

La figura 36 muestra componentes para la recogida de corriente del ánodo de una pila de combustible tubular;

La figura 37 muestra componentes para la recogida de corriente del cátodo de una pila de combustible tubular;

La figura 38 muestra una sola capa de un apilamiento de pilas de combustible todas de cerámica;

La figura 39 muestra una vista de conjunto de un sistema de recogida de corriente para el ejemplo de la figura 38;

La figura 40 muestra una vista detallada del sistema de recogida de corriente del ánodo del ejemplo de la figura 39;

La figura 41 muestra el camino de la corriente para el lado de la banda izquierda de una capa del ejemplo de las figuras 38 a 40;

La figura 42 muestra una vista despiezada de una sola capa de un diseño de apilamiento de pilas de combustible en capas, según un ejemplo comparativo;

La figura 43 muestra una vista conjuntada de la capa de la figura 42, y la figura 44 muestra varias de tales capas formadas en dos apilamientos que se colocan en serie;

La figura 45 muestra dos apilamientos conjuntados, según el ejemplo de las figuras 42 a 44, colocados en serie.

Descripción detallada de realizaciones concretas

La figura 1 muestra una vista en corte de un sistema de pilas de combustible tubulares 100 con dos inyectores según una realización de esta invención. En esta realización, un gas combustible que contiene hidrógeno, tal como gas natural, fluye dentro de dos juegos de cámaras impelentes del combustible 101 a 103 y 104 a 106 localizados en lados opuestos del sistema 100. El gas combustible, después de que se ha prerreformado en las cámaras impelentes del combustible, fluye fuera de cada cámara impelente del combustible 101 a 106 a través de un inyector de gas combustible 107 y hacia el centro del sistema 100. Cada inyector de gas combustible 107 es un tubo metálico (tal como tubo de acero) fijado en su base (por ejemplo, mediante soldadura) a un orificio 110 en la pared de una cámara impelente del combustible 101.

Una pila de combustible tubular de óxido sólido 208 (omitida en la figura 1 para claridad) circunda cada par opuesto de inyectores de gas combustible 207, 209, según se muestra en la vista detallada en corte de la figura 2. Las líneas discontinuas 222 y 223 indican el paso del gas combustible; primero en sentidos opuestos lejos del huelgo 211, que está entre los extremos de los inyectores opuestos de gas combustible 207, 209; luego a lo largo del interior del tubo de pila de combustible 200; y después dentro de la zonas de combustión 212, 213 que están ubicadas en cada extremo del sistema 100. El tubo de pila de combustible 208 tiene una capa anódica interior 214 y una capa catódica exterior 215, y se usa con sus extremos abiertos 216, 217 que se extienden por medio de los orificios 218, 219 dentro de los colectores de la combustión 220. 221. En la figura 1, los números análogos (111, 107, 109, etc.) indican piezas análogas a las de las figura 2 (tales como las piezas 211, 207, 209, etc.).

El aire (u otra fuente de gas de oxígeno) entra en la parte inferior de la zona catódica 128 por la entrada de aire 124; sube alrededor de la superficie catódica exterior de los tubos de pilas de combustible 208; y sale por la salida de aire 125. También entra aire en la parte inferior de las zonas de combustión 112 y 113 a través de entradas independientes y sube hasta fuera de la parte superior de estos compartimentos. Las líneas discontinuas 226 y 227 en la figura 2 indican el paso del aire por la zona catódica 228. En una realización, los orificios 218 y 219 son ligeramente más grandes que el diámetro exterior del tubo de pila de combustible 208, y de este modo permite que algo de aire se extraiga de la zona catódica 228 y entre en las zonas de combustión 212 y 213. No obstante, de preferencia, los huelgos entre los bordes de los orificios 218, 219 y la superficie exterior del tubo de pila de combustible 208 están sellados herméticamente para evitar que los gases de la combustión fluyan fuera de las zonas de combustión y entren en la zona catódica 128. Tal cierre estanco se puede formar, por ejemplo, con el uso de fibra vulcanizada cerámica, según una realización que se describe abajo, o se puede formar usando otras técnicas de sellado estanco.

Aparte de sus entradas y salidas, el sistema 100 está encerrado por un recinto termoaislante 133, el cual se puede hacer, por ejemplo, con una capa de acero 149 en los lados, que rodea una capa más gruesa de fibra vulcanizada cerámica 143 en los lados, parte superior y parte inferior.

Al reaccionar hidrógeno procedente del gas combustible con oxígeno procedente del aire, la pila de combustible 208 produce electricidad. Según una realización de esta invención, las pilas de combustible 208 son pilas de combustible tubulares soportadas por ánodos, tal como las que se dan a conocer en la solicitud de patente, en tramitación, de los EE.UU. número de serie 09/864.070, presentada el 22 de mayo de 2001, titulada "Célula electroquímica de estado sólido soportada por electrodos", y su correspondiente solicitud provisional de patente de los EE, UU., número de serie 60/206.456, presentada el 22 de mayo de 2000, titulada "Pila de combustible tubular soportada por ánodos". De acuerdo con realizaciones alternativas las pilas de combustible son pilas de combustible tubulares soportadas por electrolitos, o pilas de combustible soportadas por cátodos, u otras formas de pilas de combustible.

Según la realización de la figura 1, las cámaras impelentes del combustible se dividen en dos juegos, tales como el juego 101-103 y el juego 104-106. Cada juego está dividido en cámaras impelentes del combustible, eléctricamente aisladas (tal como las cámaras 101, 102, 103), por paredes divisorias 129,130 y 131, 132. Entre cada uno de los pares opuestos de cámaras impelentes del combustible (tales como los pares 101/104, 102/105, y 103/106) se monta un haz de pilas de combustible tubulares en dos inyectores (tales como la pila de combustible 208 en los inyectores 207 y 209) de forma que las pilas de combustible estén eléctricamente en paralelo. Las paredes divisorias 129, 130 y 131,132 eléctricamente aíslan entre sí estas capas de haces paralelos de forma que los haces se puedan colocar eléctricamente en serie. De este modo, por ejemplo, el sistema 100 de la figura 1 permite el uso de tres haces de pilas de combustible en serie, con cada haz conteniendo diez pilas de combustible tubulares conectadas en paralelo. Las realizaciones alternativas crean diferentes números de células con el uso de más o menos cámaras impelentes. Otra realización no tiene pared divisoria alguna 129-132 y, así, solo tiene un haz de pilas de combustible montadas en paralelo entre dos cámaras del combustible sin pared divisoria.

En una realización según esta invención, al menos, una capa inferior de inyectores 134, 135 (mostrados en negro para más claridad) está rodeada por tubos cerámicos calefactores que se extienden desde un inyector opuesto al otro, de una manera similar a la del tubo de pila de combustible 208. Tales tubos cerámicos calefactores contienen un catalizador de la combustión y alcanzan una alta temperatura por combustión catalítica. El aire que entra en la zona catódica 128 y que pasa por encima de estos tubos se calienta de este modo antes de que llegue a los cátodos 215 de las pilas de combustible 208.

Las cámaras impelentes del combustible 101-103 y 104-106 contienen un catalizador preformador, por ejemplo, pueden contener bolas cerámicas porosas de poca cohesión recubiertas con rutenio. El calor se transfiere desde las zonas de combustión 112 y 113 a las cámaras impelentes del combustible 101-103 y 104.106 (contribuyendo de este modo a la reacción de preformación) y al desplazamiento del combustible dentro de los inyectores de parte a parte de las zonas de combustión.

La figura 3 muestra una vista de las cámaras impelentes del combustible, inyectores, y colectores de la combustión según una realización de esta invención, con otros elementos omitidos para más claridad. Cada cámara impelente independiente 301-306 tiene su propia entrada de combustible 336-341.

La figura 4 muestra un juego de cámaras impelentes del combustible 401 que tiene inyectores de gas combustible 407 y 442 que se extienden desde las dos de sus paredes laterales, según una realización de esta invención. La disposición de varios conjuntos 443 de una manera repetida lado a lado permite mejorar la eficiencia de obturación de las pilas de combustible en comparación con la realización de la figura 1, al replicar la disposición del sistema 100 en un sentido a lo largo de la longitud, es decir, la realización de la figura 4 permite el montaje de conjuntos repetidos (cada conjunto compuesto de cámaras impelentes/Inyector que mira a la derecha/inyector que mira a la izquierda/cámara(s) impelente(s) para crear un solo sistema que continúe a lo largo hasta donde se desee (con un conjunto inyector de un solo lado en cada uno de los dos extremos del sistema). Las pilas de combustible dispuestas en inyectores en lados opuestos de una cámara impelente del combustible (tales como los inyectores 407 y 442) están eléctricamente en paralelo, en tal conjunto a lo largo.

La figura 5 muestra dos juegos enfrentados de cámaras impelentes del combustible 501 y 504 en las que las entradas del combustible 546 y 539 entran desde lados opuestos, según una realización de esta invención. Tales sentidos de entrada se pueden usar con la realización de la figura 1, en lugar de hacer que las entradas entren desde los mismos lados, como en la figura 3; y también se pueden usar con una fila repetitiva a lo largo de cámaras de combustible, según se describe en la figura 4.

Las figuras 6 y 7 muestran una vista exterior del sistema de la figura 1, según una realización de esta invención. La figura 6 muestra un recinto termoaislante 633 que rodea los lados del sistema, con la capa superior retirada para más claridad. Las entradas del gas combustible 636-641 se extienden de parte a parte del recinto. La figura 7 muestra la capa superior de aislamiento 743 en la cual están las salidas 744 y 745 de las zonas de combustión; las salidas 746 y 747 para un par de quemadores de gas (mostrados en la figura 8); y la salida 748 de la zona catódica.

Las figuras 8 y 9 muestran una vista en corte de la realización de la figura 1 en un ángulo transversal perpendicular al de la figura 1 (con algunas características omitidas para más claridad). La figura 8 muestra los quemadores de gas 850 y 851 ubicados por debajo de la zona catódica 828. Los quemadores 850 y 851 calientan las paredes 852 y 853 de la zona catódica 828, contribuyendo de este modo al calentamiento del aire en la zona catódica hasta la temperatura de funcionamiento. El escape de los quemadores de gas se eleva a través de las salidas 846 y 847. La figura 9 muestra una vista similar a la de la figura 8, con los inyectores 907 que se extienden de parte a parte del colector de la combustión 820, y las salidas 936-938 que se extienden de parte o parte del recinto 933.

Según una realización de esta invención los inyectores (tales como los inyectores 107 y 109 de la figura 1) también hacen de colectores de corriente para las pilas de combustible 208. Un hilo o una malla conectados al ánodo de la pila de combustible hace contacto eléctrico con el inyector. Como el inyector y la cámara del combustible se hacen con material conductor, entonces las conexiones eléctricas a los ánodos de las pilas de combustible se pueden hacer conectándoles a las paredes de las cámaras impelentes del combustible. Cuando las cámaras del combustible están divididas en cámaras separadas por medio de aislamiento eléctrico los haces de pilas de combustible, eléctricamente paralelos, asociados con cada uno de los pares opuestos de cámaras impelentes del combustible, se pueden entonces colocar en serie entre sí, usando conexiones a las paredes de las cámaras impelentes de combustible en calidad de conexiones anódicas. Las conexiones a los ánodos y cátodos de las pilas de combustible se hacen usando tela metálica y barras colectoras, de una manera similar a la que se expone en una realización adicional más abajo. Como la gravedad hace que la pila de combustible 208 baje encima de los inyectores 207 y 209, una estructura de tela metálica podrá también servir para mantener el huelgo para el gas que fluye entre la superficie superior del inyector y la pila de combustible.

La figura 10 muestra una vista en corre de una realización en la cual las capas anódicas y catódicas 1014 y 1015 se dividen en segmentos 1054 y 1055, con un electrólito común que soporta todos los segmentos, Los segmentos 1054 y 1055 funcionan de este modo como pilas de combustible independientes, con cada una desarrollando la misma tensión que habría desarrollado todo el tubo sin segmentos. De este modo la tensión del sistema se podrá duplicar con el uso de tal técnica.

Los gases de escape procedentes de las zonas de combustión 112 y 113 (tales como CO_{2}, CO, CH_{4}, H_{2}O y H_{2}) se pueden eliminar sin que entren en combustión, según una realización de esta invención. En tal caso, las entradas a la parte inferior de las zonas de combustión 112 y 113 están cerradas, evitando de este modo la combustión al cortar la entrada de aire. Los gases de escape se recirculan a través de conductos de las salidas 744 y 745 bajando a las entradas de combustible 336-341, en lugar de entrar en combustión.

La figura 11 muestra una cámara impelente del combustible, colector de la combustión, y un juego de inyectores para otra realización según esta invención, descrita con referencia a las figura 11 a 15. En esta realización, el colector de combustión 1120 se hace de una pieza en forma de U de fibra vulcanizada cerámica de parte a parte de la cual se extiende una doble fila de inyectores 1107. Cuando la fibra vulcanizada se comprime forma un sello estanco alrededor de las pilas de combustible (no mostradas en la figura 11) a medida que los huelgos 1118 se cierran a presión. La zona de combustión 1112 se cierra de este modo herméticamente para la zona catódica. Las entradas del gas 1136-1138 se forman en la cámara impelente metálica del combustible 1101.

La figura 12 muestra dos de los conjuntos de la figura 11 dispuestos opuestos entre sí para formar una capa de dos inyectores 1207. En la figura 13, las pilas de combustible 1308 se muestran posicionadas por encima de cada par de inyectores opuestos (es decir, los inyectores 1207 de la figura 12) con los extremos de las pilas de combustible 1316 extendiéndose dentro de la zona de combustión 1312. El conjunto 1300 forma una sola capa de pilas de combustible eléctricamente paralelas. Según se muestra en la figura 14, la colocación de tales capas se facilita apilando las capas una encima de la otra, con capas aislantes de la electricidad 1429-1432, entremedias. Las capas aislantes 1429-1432 se forman, por ejemplo, con un cobertor de fibra cerámica de 1,59 mm de grosor. La figura 15 muestra un juego de diez capas, apiladas según se describe para la figura 14, y rodeadas por un recinto termoaislante 1533. La compresión de las paredes del recinto 1533 permite la compresión de los colectores de la combustión de fibra vulcanizada cerámica (tal como el colector 1120 de la figura 11), para formar un cierre estanco alrededor de los extremos de los tubos de pilas de combustible. Las pilas de combustible se pueden también encolar (por ejemplo, con cola cerámica) al colector de la combustión para aportar un cierre estanco mejor alrededor de las células.

Las figuras 16 y 17 ilustran una realización según esta invención, que es similar a la de las figuras 11-15, pero tiene una sola fila de dos inyectores 1607 en cada capa, en lugar de dos filas. La figura 16 muestra una sola capa de cámaras impelentes del combustible opuestas 1601 y 1604, inyectores 1607 y 1609, y colectores de combustión 1620 y 1621. Los colectores de la combustión 1620 y 1621 se forman por medio de piezas en forma de U de fibra vulcanizada cerámica, igual que en la realización de la figura 1. La figura 17 muestra diez capas, cada capa similar a la capa de la figura 16, apiladas una encima de otra con capas aislantes de la electricidad 1729 y 1731 entremedias, de una forma similar a la de la figura 14. La disposición de la figura 17 permite así colocar en serie diez juegos de 25 pilas de combustible eléctricamente paralelas.

Las figuras 18 a 20 ilustran una realización según esta invención que también es similar a la de las figuras 11 a 15, pero que tienen un colector de la combustión 1820 en forma de E. El colector de la combustión en forma de E separa las zonas de combustión a cada lado del sistema en dos mitades, en sentido vertical (es decir, las mitades 1812, 1857, en un lado, y las mitades 1813, 1858, en el otro). Una capa de aislamiento eléctrico 1859 separa también las cámaras impelentes del combustible 1801, 1802 a cada lado del sistema, de manera que se puedan hacer conexiones eléctricas independientes a los ánodos de las pilas de combustible asociadas con cada cámara impelente del combustible. De este modo, cada capa 1860 tiene dos juegos lado a lado 1861 y 1862 de haces, eléctricamente paralelos, de pilas de combustible, en lugar de solo una, igual que en las realizaciones de la figura 11. Así, la colocación de estos haces en serie permite el aumento de la tensión de una pila de un tamaño dado. La figura 19 muestra diez de las capas de la figura 18 apiladas una encima de otra lo que permite colocar en serie veinte haces de pilas de combustible (un haz por cada mitad de diez capas) eléctricamente paralelas. La figura 20 muestra un recinto metálico 2033 que circunda a las capas de la figura 19.

La técnica de fabricación en capas de los apilamientos de pilas de combustible tubulares de las realizaciones de las figura 11 a 15, 16 y 17, y 18 a 20 facilita la producción; permite la fabricación repetida de mitades de capas (tales como el conjunto mostrado en la figura 11) por diferentes trabajadores (o procedimientos de producción automatizada) de manera simultánea, en lugar de exigir la fabricación del apilamiento entero en una sola pieza.

La figura 21 ilustra características de un ejemplo comparativo en el que se usan tubos horizontales de pilas de combustible sin los inyectores dobles arriba descritos. Los tubos de pilas de combustible (no mostrados) se extienden en sentido horizontal entre orificios en una placa de entrada del combustible 2163 y una placa de salida del combustible 2164; el gas combustible entra en los tubos de pilas de combustible en sus extremos de la placa de entrada del combustible y fluye hasta sus extremos de la placa de salida del combustible. El aire sube dentro de la zona catódica 2128 del sistema a través de la entrada de aire 2124. Tanto la pared de la entrada del combustible 2165 como la pared de la salida del combustible 2166 están formadas por una estructura de cierre estanco de tres capas (que se describen más abajo) que tienen una capa de fibra vulcanizada cerámica 2167 emparedada entre dos capas de acero 2163 y 2168.

La figura 22 muestra una vista detallada del ejemplo de la figura 21, sin el alojamiento inferior de la entrada de aire. Los orificios 2269 se extienden de parte a parte de las tres capas de las paredes 2265 y 2266 de forma que los tubos horizontales de pilas de combustible se puedan extender a través de los orificios.

La figura 23 es una vista inferior del ejemplo de la figura 21, con un alojamiento del quemador de gas 2370 unido. Los orificios 2371 y 2372 en el alojamiento del quemador de gas permiten que dos quemadores de gas (mostrados en la figura 25) se extiendan a través de los orificios 2371 y 2372 y calienten las paredes inferiores 2352 de la zona catódica del sistema. Esto permite calentar el aire que entre por la entrada de aire 2324 hasta la temperatura de funcionamiento.

La figura 24 muestra un ejemplo de la figura 23 con un colector de entrada del combustible 2473 y un colector de salida del combustible 2474 añadidos. El gas combustible entra por la entrada 2436, se distribuye hasta los extremos abiertos de los tubos de pilas de combustible (no mostrados) que se extienden de parte a parte de la pared de entrada del combustible 2465, fluye a través de los tubos hasta la pared de salida del combustible 2466 y sale por la salida 2475. Los gases de escape de la salida 2475 se pueden entonces recircular a través de conductos (no mostrados) hacia los quemadores de gas (mostrados en la figura 25) o hasta la entrada de gas combustible 2436 para aportar calor adicional.

La figura 25 muestra el ejemplo de la figura 24 con un módulo de precalentamiento del combustible 2576 añadido. En esta realización el gas combustible entra por la entrada 2577 y se pretrata en el módulo 2576. Tal pretratamiento puede incluir, por ejemplo, la eliminación de azufre o la prerreformación del combustible. Después del pretratamiento, el combustible sale entonces del módulo 2576 a través de una salida (mostrada en la figura 26) y se alimenta por medio de un conducto (no mostrado) a la entrada del combustible 2536; después de lo cual su recorrido es según se analiza en la figura 24, En esta vista también se pueden ver los quemadores de gas 2578 y 2579.

La figura 26 muestra una vista en corte del ejemplo de la figura 25, donde se muestran la entrada 2677 y la salida 2680 del módulo de pretratamiento del combustible 2676.

El ejemplo comparativo de la figura 27 muestra una capa de pilas de combustible para uso con un sistema de capas de pilas de combustible similar al de los ejemplos de las figuras 21 a 26. En la figura 27, una capa de pilas de combustible 2708 se extiende entre dos cámaras de combustible 2781 y 2782, de fibra vulcanizada cerámica de gran densidad. Las superficies exteriores de los extremos de las pilas de combustible están encoladas dentro de las cámaras de combustible (por ejemplo, con cola cerámica).

La figura 28 muestra un conjunto de veinte capas, cada capa similar a las de la figura 27. Aislando eléctricamente tales capas entre sí se pueden colocar en serie las células paralelas de cada capa, de una manera similar a la indicada arriba. El conjunto del ejemplo de la figura 28 se usa en un diseño de apilamientos similar al del ejemplo de las figuras 21 a 26, con el gas combustible que entra en las pilas de combustible vía la cámara del combustible 2881 y que sale a través de la cámara del combustible 2882.

La figura 29 muestra un ejemplo en el cual hay un conjunto de cuatro capas, similar a un ejemplo comparativo de los de la realización de la figura 28, excepto en que dos filas de pilas de combustible 2908 se hallan presentes en cada capa, en lugar de una fila.

La figura 30 muestra componentes de un ejemplo comparativo, similar a los ejemplos de las figuras 21 a 26 y 27 a 29, en el que cámaras metálicas del combustible 3081 y 3082 están selladas con hermeticidad a placas de pilas de combustible 3083 7 3084, de fibra vulcanizada cerámica de gran densidad. Al igual que en la figura 27, los extremos de los tubos celulares 3008 están encolados dentro de las placas de pilas de combustible 3083 y 3084.

Las figuras 31 y 32 ilustran las técnicas mediante las cuales las cámaras metálicas del combustible de la figura 30 están hechas estancas a las placas de pilas de combustible de fibra vulcanizada, según un ejemplo comparativo. Los cierres estancos en otro ejemplo aquí descrito se pueden hacer también usando una técnica análoga. La vista despiezada de la figura 31 muestra las capas siguientes: una primera placa 3185, de pila de combustible, de acero; una primera capa de placas selladoras individuales 3186; una capa de aislamiento de fibra vulcanizada cerámica comprimida 3187; una segunda capa de placas selladores individuales 3188, y una segunda placa metálica 3189, de pila de combustible. Los tubos de las pilas de combustible se introducen por los orificios 3190. Entonces las capas se empernan unas con otras, por medio de agujeros de pernos 3191, de forma que el aislamiento 3187 se comprima alrededor de los tubos de pilas de combustible para formar un cierre estanco.

La figura 32 muestra las capas 3285-3289 montadas. Tras el apriete de los pernos insertados por los agujeros 3291, se forma un cierre estanco cerámico alrededor de los tubos de pilas de combustible insertados por los orificios 3290. Las porciones de los orificios 3290 y 3291 que se extienden de parte a parte de las capa aislante 3287 son más pequeñas que las correspondientes porciones en otras capas, de manera que el aislamiento encaje con hermeticidad alrededor de las pilas de combustible. La capa de aislamiento de fibra vulcanizada cerámica 3287 puede ser a base de óxido de aluminio (Al_{2}O_{3}) y también se puede formar partiendo de un cobertor de fibra cerámica o papel verjurado cerámico. Tales materiales adecuados se vendían, en la fecha de presentación, en Termal Ceramics and Saffil.

En un ejemplo no se forman, al principio, orificios en la capa de aislamiento 3287; en su lugar los tubos se forman empujando las pilas de combustible a través de la capa de aislamiento, empujando, de este modo, hacia fuera un tapón de aislamiento y formando un cierre estanco más hermético alrededor de las células. Los pernos que atraviesan los agujeros 3291 se pueden entonces apretar para apretar más el cierre estanco. Cuando tal cierre estanco se usa como pared de un colector de la combustión (por ejemplo, en la realización de la figura 1) se puede recubrir un catalizador de la combustión (tal como platino o paladio) encima de las superficies de fibras sobrantes de la capa de aislamiento (es decir, las superficies que están entre el diámetro de las superficies exteriores de las pilas de combustible y el diámetro del orificio 3290). Tal recubrimiento contribuye a garantizar que cualquier combustible que escapa se oxida (se quema a especies inocuas).

Las figuras 33 y 34 ilustran la soldadura de apilamientos de pilas de combustible que se pueden usar tanto con el sistema de dos inyectores de la figura 1, como con el sistema de flujo unidireccional de la figura 30, y con otras realizaciones aquí descritas. Según se muestra en la figura 33, la soldadura de apilamientos tiene dos colectores de combustible 3392 y 3393, con pestañas, unidos a las placas celulares 3385. Al sujetar las tapas de los colectores, que tienen tuberías de entrada y salida, (de una forma similar a los colectores 3081 y 3082 de la figura 30) a estas pestañas, la soldadura de los apilamientos se puede usar de una manera similar a la de la realización de la figura 30 y a la de otras realizaciones de flujo unidireccional. En alternancia, la soldadura de apilamientos se puede usar con las realizaciones de dos inyectores aquí descritas, con inyectores (dentro de tubos de pilas de combustible) que se extienden a través de orificios 3390.

La técnica de sellado de las figuras 31 y 32 también se puede usar con la soldadura de apilamientos de la figura 33, tanto en la versión de flujo unidireccional como en la de dos inyectores. Cada una de las placas celulares 3385 funciona entonces de una manera análoga a la placa celular 3185 de la figura 31. La figura 34 muestra una vista de conjunto de la soldadura de la figura 33, que incluye placas celulares 3485, colectores de combustible 3492 y 3493 con pestañas, y paneles laterales 3494. Las pestañas en cuatro lados de la realización de las figuras 33 y 34 facilitan el empernado del apilamiento de pilas de combustible a los demás componentes del sistema de pilas de combustible (tales como los componentes del ejemplo de la figura 35) y el cambio del componente del apilamiento.

La figura 35 muestra un diseño general del sistema que se puede usar con realizaciones de múltiples apilamientos de pilas de combustible aquí descritas. Según se observó en las figuras 33 y 34, una pestaña en cada módulo del sistema facilita el cambio de cada módulo (por ejemplo, para mantenimiento o mejoramiento). Los sentidos de flujo del aire, del gas combustible y de los gases de escape están indicados, en la figura 35, por medio de flechas. El gas combustible entra en el sistema por medio del precalentador del combustible 3501, el cual puede incluir serpentines metálicos calentados. El gas combustible calentado entra entonces en el reactor CPOX 3502, donde se prerreforma el gas combustible. El gas de salida del reactor CPOX se introduce entonces en la entrada de gas combustible del apilamiento de pilas de combustible 3503 donde atraviesa las pilas de combustible. El gas combustible restante fluye fuera del apilamiento de pilas de combustible y se dirige, por medio de conductos, tanto al quemador de gases de escape 3504 como al calentador de aire catódico 3505. La salida del calentador de aire se alimenta a la cámara de distribución del gas 3506. Una loseta cerámica 3507 del quemador de placa de ánodo está entre la cámara de distribución del gas 3505 y el apilamiento de pilas de combustible 3503; la loseta del quemador está perforada y soporta la combustión. En la puesta en marcha, al aire se le añade algo de metano, de forma que un ignitor, situado en la loseta del quemador, hace que se produzca alguna combustión. Aire frío entra en el cambiador de calor de aire catódico 3508 y el aire caliente resultante se lleva al cambiador de calentador de aire catódico 3505. Los gases de escape salen del sistema desde el calentador de aire catódico 3505 y fuera de la parte superior de cambiador de aire catódico 3508.

La figura 36 ilustra una técnica para la recogida de corriente del ánodo de una pila de combustible tubular. En la figura 36A, una malla conductora 3609 está soldada por puntos a un hilo conductor 3610, y empujada dentro de la pila de combustible tubular 3611, para hacer contacto con la superficie de la capa interior anódica de la pila de combustible. La malla se puede hacer, por ejemplo, con una aleación de plata y níquel, o con níquel o plata. El hilo está trenzado para abrirse fuera de la malla dentro de la pila de combustible. El hilo 3610 se puede hacer, por ejemplo, con hilo de níquel o plata, y se conecta a hilos de otras pilas de combustible por medio de barras colectoras 3612, según se ilustra en la figura 36B. En la figura 36B, hay dos hilos 3610 (mostrados desde la parte posterior) en contacto eléctrico por medio de barras colectoras de acero inoxidable 3612, las cuales están comprimidas por medio del perno 3613 para que hagan un buen contacto eléctrico. Se pueden colocar capas de mallas conductoras 3614 (de material similar al de la malla 3609) entre hilos 3610 y barras colectoras 3612. Según se muestra en la figura 36C, se pueden colocar más de dos capas de barras colectoras 3612 e hilos 3610 en contacto eléctrico. El espesor T de la barra colectora del medio se debe aumentar de modo que no haya tensión alguna en las capas superior e inferior de las pilas de combustible cuando las barras colectores se empernen unas con otras.

La figura 37 ilustra una técnica para la recogida de corriente desde el cátodo de una pila de combustible tubular. Según se ilustra en la figura 37A, una trenza de malla conductora 3715 esta tejida alrededor de superficies catódicas exteriores de pilas de combustible 3711 (mostradas en sección transversal). Según se muestra en la vista en planta de la figura 37B, múltiples de tales trenzas 3715 se pueden tejer de parte a parte de las pilas de combustible 3711, y se puede hacer que una trenza perpendicular o hilo perpendicular 3716 contacte cada una de las trenzas múltiples (por ejemplo en los puntos 3717 y 3718). En alternancia, se puede colocar una lámina de malla por encima de una fila completa de cátodos para aumentar el área de un extremo al otro de la cual se recoge corriente.

Al elegir los materiales para las mallas e hilos de las figuras 36 y 37 son preferibles, en general, materiales anticorrosivos altamente conductores. Las temperaturas de fusión de los materiales también son una consideración importante. Se puede usar platino o metales del grupo del platino, o aleaciones de plata de níquel, de acuerdo con realizaciones de esta invención. Los hilos (tales como el hilo 3716) también se pueden formar por medio de técnicas de encamisado, tal como el encamisado ilustrado en la figura 37C. La capa A en el hilo de la figura 37C se forma de cobre (el cual es barato y un buen conductor); la capa B se forma de níquel, lo que aporta una barrera difusora, y la capa C se forma de plata que es antioxidante.

El ejemplo comparativo de la figura 38 muestra una sola capa de un apilamiento de pilas de combustible todas cerámicas. Los tubos de pilas de combustible 3810 están encolados dentro de una mitad inferior 3811 de un colector cerámico. La mitad superior 3812 del colector cerámico está encolada en su sitio encima de la mitad inferior 3811, haciendo herméticos y emparedando los tubos entremedias. El gas combustible fluye en una sola dirección a través de los tubos de pilas de combustible 3810 con aberturas en un extremo abierto de las mitades del colector cerámico que forman un colector de entrada 3817, y aberturas en el otro extremo de las mitades del colector cerámico que forma un colector de salida 3818.

La figura 39 muestra una vista general de un sistema de recogida de corriente para el ejemplo de la figura 38. Las pilas de combustible 3910 de la capa se dividen en un haz de la mano izquierda 3913 y un haz de la mano derecha 3914, los cuales están conectados en serie. Los hilos anódicos 3915 y las barras colectoras 3916 recogen la corriente procedente de los dos extremos de cada haz de seis células.

La figura 40 muestra una vista detallada del sistema de recogida de corriente anódica del ejemplo de la figura 39 con los hilos anódicos 4015 que se extienden dentro de barras colectoras 4016.

La figura 41 muestra el camino de la corriente para la mano izquierda de una capa del ejemplo de las figuras 38 a 40. El hilo colector de corriente catódica 4119 de la mano derecha de la capa de debajo sube dentro de un tubo cerámico central inferior 4120 que se usa para aislar el hilo, y se desplaza hasta el extremo de la capa donde se conecta en 4121 a la barra colectora 4116 del ánodo de la mano izquierda. La corriente atraviesa las pilas de combustible de la mano izquierda 4110 hasta los devanados de recogida 4122 de corriente catódica de la mano izquierda, y entra en un tubo cerámico central superior 4123. Este hilo llega hasta el extremo de la capa donde se conecta en 4124 a la barra colectora anódica de la mano derecha (no mostrada). La corriente atraviesa las células de la mano derecha (no mostradas) hasta los devanados de recogida de corriente de la mano derecha y sube dentro del tubo cerámico central inferior de la siguiente capa por encima. El otro extremo de la capa es una imagen especular del extremo mostrado en la figura 41.

La figura 42 muestra una vista despiezada de una sola capa de un diseño de apilamientos de pilas de combustible en capas, según un ejemplo comparativo. Los tubos de pilas de combustible de óxido sólido 4200 se extienden en sentido horizontal de parte a parte de una capa de cámara cerámica de gases de escape 4210. Un colector de corriente 4220, con diseño de cinta ondulada, que se puede hacer con níquel recubierto con plata o con inconel, hace un encaje de resorte con la capa exterior (cátodo) de tubos de pilas de combustible de óxido sólido 4200. Entre las capas del apilamiento de pilas de combustible se colocan aisladores cerámicos térmicos y eléctricos 4230, en calidad de cierres de juntas de estanqueidad 4240 que están comprimidas para formar un cierre estanco y se pueden hacer con mica, por ejemplo. El colector de entrada del combustible 4250 (hecho, por ejemplo, con níquel) contiene proyecciones 4251 a través de las cuales el combustible se introduce en el interior de los tubos de las pilas de combustible 4200, y también tiene proyecciones 4252 para conectarse de manera eléctrica a la siguiente capa del apilamiento por encima. De este modo, cada capa de tubos de pilas de combustible está en paralelo desde el punto de vista eléctrico, y se coloca en serie con las capas de los tubos por encima y por debajo. Los tubos de las pilas de combustible 4200 están cobresoldados al colector de entrada 4250.

La figura 43 muestra una vista de conjunto de las figura 42 y la figura 44 muestra varias de tales capas formadas en dos apilamientos que están colocados en serie. En la figura 44, el aire entrante se precalienta por medio del extremo de la cámara de gases de escape 4410 del sistema, y después se recircula para que fluya de un extremo a otro de las regiones exteriores (catódicas) de las células 4400.

El diseño de apilamiento en capas de la realización de las figuras 42 a 44 permite una fabricación fácil.

La figura 45 muestra dos apilamientos montados según las figuras 42 a 44, colocados en serie. Un intercambiador de calor grande 4560 solapa la región del aire que fluye fuera desde el sistema. El cambiador de calor 4560, que se puede hacer de cerámico, acumula calor procedente del aire saliente del sistema y calienta el aire entrante. Además, el intercambio adicional de calor se puede conseguir, por ejemplo para la calefacción doméstica, haciendo pasar tuberías de aire o de agua por la cámara de los gases de escape 4410 (véase las figura 44), por medio de las cuales el aire o el agua en las tuberías se calentará.

Aunque se han expuesto diversas realizaciones ejemplares de esta invención, debe ser evidente para los expertos en la técnica que se pueden hacer diversos cambios y modificaciones, que pueden conseguir algunas de las ventajas de esta invención sin desviarse del verdadero ámbito de esta invención. Estas y otras modificaciones evidentes están destinadas a estar protegidas por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (19)

1. Un sistema de pilas de combustible para generar energía eléctrica, el sistema comprendiendo:

una pila de combustible tubular de óxido sólido, con extremos abiertos;

un primer tubo inyector que se extiende desde una cámara impelente del combustible a través de un extremo abierto de la pila de combustible ; y

un segundo tubo inyector que se extiende desde una segunda cámara impelente del combustible a través de otro extremo abierto de la pila de combustible;

en el que el primero y el segundo tubos inyectores forman un huelgo dentro de la pila de combustible, desde el cual un gas combustible que contenga hidrógeno pueda fluir hacia los extremos abiertos de la pila de combustible.

2. Un sistema según la reivindicación 1, en el que, al menos, una de las cámaras impelentes del combustible contiene un catalizador de prerreformación.

3. Un sistema según la reivindicación 1, en el que los extremos abiertos de la pila de combustible se extienden de parte a parte de primero y segundo colectores de la combustión limitando primera y segunda zonas de combustión, y en el que el primer tubo inyector del combustible se extiende de parte a parte de la segunda zona de combustión.

4. Un sistema según la reivindicación 1, en el que la pila de combustible es una pila de combustible tubular con soporte anódico.

5. Un sistema según la reivindicación 1, en el que un haz de una pluralidad de pilas de combustible tubulares de óxido sólido, eléctricamente paralelas, está montado entre un par de cámaras impelentes opuestas, del combustible, y pares opuestos de primero y segundo tubos inyectores se extienden dentro de cada pila de combustible del haz.

6. Un sistema según la reivindicación 5, en el que una pluralidad de haces de pilas de combustible están conectados eléctricamente en serie.

7. Un sistema según la reivindicación 6, en el que una pluralidad de cámaras impelentes adyacentes del combustible están eléctricamente aisladas por paredes divisoras.

8. Un sistema según la reivindicación 1, que además comprende un tubo calefactor cerámico.

9. Un sistema según la reivindicación 1, en el que, al menos, una de las cámaras impelentes del combustible comprende al menos dos juegos de tubos inyectores de combustible que se encaran en sentido contrario.

10. Un sistema según la reivindicación 1, en el que la entrada del combustible para la primera cámara impelente del combustible entra desde un lado opuesto del sistema a una entrada del combustible para la segunda cámara impelente del combustible.

11. Un sistema según la reivindicación 1, que comprende además un calentador de gas posicionado para calentar un recinto que circunda una zona catódica del sistema.

12. Un sistema según la reivindicación 1, en el que la pila de combustible comprende una pluralidad de segmentos de pila de combustible.

13. Un sistema según la reivindicación 1, en el que el primero y el segundo tubos inyectores están eléctricamente conectados con una capa anódica de la pila de combustible.

14. Un sistema según la reivindicación 1, en el que un primer colector de la combustión forma un cierre estanco alrededor de la pila de combustible.

15. Un sistema según la reivindicación 14, en el que el primer colector de la combustión se hace de fibra vulcanizada cerámica, y en el que el cierre estanco se forma al comprimir la fibra vulcanizada cerámica.

16. Un sistema según la reivindicación 15, en el que un apilamiento de una pluralidad de capas de haces de pilas de combustible, conectados eléctricamente en paralelo, están aisladas eléctricamente unas de otras.

17. Un sistema según la reivindicación 16, en el que un material cobertor de fibra cerámica eléctricamente aisla las capas.

18. Un sistema según la reivindicación 15, en el que el primer colector de la combustión está separado en dos zonas de combustión.

19. Un sistema según la reivindicación 18, en el que las dos zonas de combustión corresponden a mitades, eléctricamente aisladas, de la primera cámara impelente del combustible.