ES2264541T3 - Placa bipolar con anodo de dos pasos. - Google Patents
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Abstract
Placa bipolar para célula de combustible, que comprende, en combinación: una primera placa que tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta, y una serie de nervios que definen canales de flujo de ánodo sobre la primera superficie de la primera placa; una segunda placa que tiene la primera superficie, una segunda superficie en oposición, y una serie de nervios que definen canales de flujo de cátodo sobre la segunda superficie de la primera placa, estando la segunda placa acoplada con la primera placa, a efectos de definir una serie de canales de flujo central que se extienden entre la primera y segunda placas; una primera área de borde en un extremo de la primera y segunda placas y una segunda área de borde en un extremo opuesto de dichas primera y segunda placas; una serie de primeros colectores internos de combustible, formados en la primera área de borde y en comunicación de fluido con los canales de flujo central; una serie de segundos colectores de combustible internos formados en la primera área de borde y en comunicación de fluido con los canales de flujo de ánodo, y; una cámara colectora con múltiples conexiones formada en la segunda área de borde, encontrándose dicha cámara colectora con conexiones múltiples en comunicación de fluido con los canales de flujo central y los canales de flujo de ánodo.
Description
Placa bipolar con ánodo de dos pasos.
La presente invención se refiere a placas
bipolares para células de combustible.
Un apilamiento de células de combustible
consiste en múltiples células de tipo plano, apiladas una encima de
otra, para conseguir una conexión eléctrica en serie. Cada una de
las células está formada por un electrodo de ánodo, un electrodo de
cátodo y un elemento de electrólito. Un dispositivo conocido en esta
técnica, placa separadora bipolar, placa bipolar, interconectador,
separador o placa de campo de flujo, separa las células adyacentes
de un apilamiento de células en un apilamiento de células de
combustible. La placa separadora bipolar puede servir a otros varios
objetivos adicionales, tales como soporte mecánico para resistir las
fuerzas de compresión aplicadas para retener el apilamiento de
células de combustible, proporcionar comunicación de fluidos de los
reactivos y refrigerantes a las respectivas cámaras de flujo, y
proporcionar una trayectoria para el flujo de la corriente generada
por la célula de combustible. La placa puede proporcionar también un
medio para eliminar el exceso calor generado por las reacciones
exotérmicas de la célula de combustible, que tienen lugar en dichas
células de combustible.
Algunas placas separadoras bipolares incluyen
una cámara refrigerante integral o paso de un flujo refrigerante,
que se puede diseñar para un refrigerante gaseoso, refrigerante
líquido o reformado endotérmico del combustible. Un paso de flujo de
combustible puede ser situado centralmente entre dos chapas
metálicas externas, cada una de las cuales está formada por una
matriz con una serie de ranuras o nervios. La cámara de
refrigeración está formada cuando la máxima elevación de una lámina
descansa sobre la máxima depresión o rebaje de la hoja subsiguiente.
Ambas hojas o láminas son elementos estructurales de la placa
bipolar y, por lo tanto, deben tener suficiente resistencia y
robustez para resistir la fuerza de sellado de compresión aplicada
al apilamiento de células de combustible montado. La patente USA Nº
5.795.665 de Allen da a conocer un ``compartimiento de reformado
dentro de una placa separadora bipolar MCFC formada cuando la
elevación máxima de un separador bipolar en forma de pieza única,
con deformaciones entrantes y salientes ("dimpled") descansa
sobre el máximo rebaje de un subconjunto dotado también de
deformaciones entrantes y salientes de componentes activos y
colector de corriente con una barrera laminar plana dispuesta entre
los dos componentes. La cámara resultante está dotada de un
catalizador de reformado para reformado del combustible por
corriente endotérmica.
Varias alternativas para la configuración del
flujo en el separador bipolar pueden ser halladas en los diferentes
diseños de flujo de reactivo y de colector de reactivo. Las
alternativas existentes para configuración de flujo son
co-flujo, contra flujo y flujo cruzado, así como
variaciones que utilizan flujos en forma de serpentina. Los diseños
existentes para colectores de reactivo y de refrigerante son
internos, externos o una combinación de internos y externos. La
disposición de colectores para el combustible, oxidante y
refrigerante para conseguir un flujo uniforme en las superficies de
la placa separadora bipolar contribuye a la complejidad general del
diseño.
Es el objetivo de la presente invención dar a
conocer una placa bipolar que reduce o supera algunas o todas las
dificultades de los dispositivos de la técnica actualmente conocida.
Los objetivos y ventajas específicos de la invención quedarán
evidentes a los técnicos de la materia, es decir, los que conocen o
tienen experiencia en este campo de la tecnología, teniendo en
cuenta la materia que se da a conocer a continuación y la
descripción detallada de ciertas realizaciones preferentes.
Las realizaciones preferentes de la presente
invención pueden proporcionar una trayectoria principal de flujo
para un reformador indirecto interno de combustible y una segunda
trayectoria de flujo para un campo de flujo del ánodo dentro de una
placa bipolar dotada de una cámara de flujo central. La cámara de
flujo central está acoplada mediante fluido a un campo de flujo del
ánodo de manera que el combustible reactivo del ánodo pasa dos veces
a través de la placa bipolar de células de combustible. La cámara de
flujo central completa a través de la placa bipolar comprende un
primer colector interno dentro de una primera área de borde de la
placa bipolar que está acoplada mediane fluido a la cámara central
de la placa bipolar. La cámara central de la placa bipolar comprende
una serie de canales de flujo que están acoplados mediante flujo a
una cámara de acumulación ("plenum") de comunicación múltiple,
situada en un área opuesta de segundo borde de la placa bipolar.
Dicha cámara de conexión múltiple ("turnaround") está acoplada
mediante flujo a través de una serie de aberturas a un campo de
flujo de ánodo de la placa bipolar. El campo de flujo de ánodo está
formado de una serie de canales de flujo alojados con los canales de
flujo de la cámara central y está acoplado mediante fluido con un
segundo colector interno en la primera área de borde de la placa
bipolar.
De acuerdo con un primer aspecto, una placa
bipolar de celdas de combustibles comprende una primera placa que
tiene una primera superficie, una segunda superficie en oposición y
una serie de nervios que definen canales de flujo de ánodo en la
primera superficie de la primera placa. Una segunda placa tiene una
primera superficie, una segunda superficie opuesta y una serie de
nervios que definen canales de flujo de cátodo en la segunda
superficie de la primera placa. La segunda placa está alojada en la
primera placa a efectos de definir una serie de canales de flujo
centrales que se extienden entre la primera y segunda placas. Una
primera área de borde está formada en un extremo de la primera y
segunda placas, y una segunda área de borde está formada en un
extremo opuesto de la primera y segunda placas. Una serie de
primeros colectores internos de combustible está formada en la
primera área de borde y se encuentra en comunicación de fluido con
los canales de flujo centrales. Una serie de segundos colectores
internos de combustibles están formados en la primera área de borde
y se encuentran en comunicación de fluido con los canales de flujo
del ánodo. Una cámara colectora de conexiones múltiples está formada
en la segunda área de borde, y dicha cámara colectora con conexiones
múltiples se encuentra en comunicación de fluido con los canales de
flujo centrales y los canales de flujo de
ánodo.
ánodo.
De acuerdo con un segundo aspecto, una placa
bipolar de célula de combustible comprende una placa formada a base
de una primera placa y una segunda placa, y que comprende una serie
de segmentos. La primera placa tiene, en la primera superficie, una
segunda superficie opuesta y una serie de nervios que definen
canales de flujo de ánodo sobre la primera superficie de la primera
placa. La segunda placa tiene una primera superficie, una segunda
superficie opuesta y una serie de nervios que definen canales de
flujo de cátodo en la segunda superficie de la primera placa. La
segunda placa está alojada con la primera placa definiendo una serie
de canales de flujo centrales que se extienden entre la primera y la
segunda placas. Una primera área de borde está formada en un extremo
de la primera y segunda placa y una segunda área de borde está
formada en un extremo opuesto de la primera y segunda placas. Un
primer colector interno de combustible está formado en la primera
área de borde de cada segmento y se encuentra en comunicación de
fluido con los canales de flujo centrales. Un segundo colector
interno de combustible está formado en la primera área de borde de
cada segmento y se encuentra en comunicación de fluido con los
canales de flujo de ánodo. Una cámara colectora o "plenum" de
comunicaciones múltiples está formada en la segunda área de borde, y
la cámara de conexiones múltiples se encuentra en comunicación de
fluido con los canales de flujo centrales y los canales de flujo de
ánodo.
Estas características y otras características
adicionales y ventajas de la presente invención, que se dan a
conocer, se comprenderán de manera más detallada a partir de la
siguiente descripción de ciertas realizaciones preferentes.
Los aspectos de la presente invención quedarán
evidentes después de la lectura de la siguiente descripción
detallada, en relación con los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 es una vista en planta de una placa
bipolar según la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección de la placa
bipolar de la figura 1, según la línea de corte 2-2
de la figura 1.
La figura 3 es una sección transversal de la
placa bipolar de la figura 1, según la línea de corte
3-3 de la figura 1.
La figura 4 es una vista en perspectiva,
mostrada con una sección parcial, de la placa bipolar de la figura
1, mostrando una cámara con conexiones múltiples y una abertura.
La figura 5 es una representación esquemática de
las trayectorias de flujo de reactivo a través de la placa bipolar
de la figura 1.
Las figuras a las que se ha hecho referencia no
están dibujadas necesariamente a escala, y se debe comprender que
presentan una representación de la invención, ilustrativa de los
principios involucrados en la misma. Algunas características de la
placa bipolar con el ánodo de los pasos que se ha mostrado en los
dibujos han sido agrandadas o distorsionadas con respecto a otras,
para facilitar la explicación y comprensión. Los mismos numerales de
referencia se utilizan en los dibujos para componentes y
características similares o idénticos que se muestran en diferentes
realizaciones alternativas. Las placas bipolares con un ánodo de dos
pasos, tal como se da a conocer, tendrían configuraciones y
componentes determinados, en parte, por la aplicación y medio
ambiente previstos para su utilización.
En la figura 1 se ha mostrado, según una vista
en planta, una placa bipolar (1) con una cámara central formada por
canales de flujo, comprendiendo una serie de segmentos repetidos (2)
que son el resultado de las matrices de estampación de tipo
progresivo que forman la placa bipolar (1). La placa bipolar (1)
está dotada además de unos primeros colectores internos (3) para
combustibles y segundos colectores internos (4) asimismo para
combustible dentro de la primera área de borde opuesta (5) de la
placa bipolar (1). La placa bipolar está formada además de una
segunda área opuesta (6). Un área activa (7) dotada de nervios de la
placa bipolar se aprecia colocada entre primeras y segundas áreas de
borde en oposición (5), (6). Una cámara colectora (21) con
conexiones múltiples, que se aprecia en la figura 3 y que se
describe más adelante de forma detallada, está dispuesta dentro de
la segunda área de borde opuesta (6). Los colectores internos (3),
(4) de la primera área de borde (5) son adyacentes entre sí, en una
realización preferente, y están dispuestos de forma que los ejes de
los colectores internos (3), (4) para un segmento específico (2) de
placa bipolar (1) se encuentren en una línea que se extiende
sustancialmente paralela a la trayectoria general de flujo de la
placa bipolar (1) a través del área activa (7).
Una descripción de la placa bipolar y método de
formación de dicha placa se da a conocer en la solicitud de patente
USA nº de serie 09/714,526 con el título "Fuel Cell Bipolar
Separator Plate and Current Collector Assembly and Method of
Manufacture", presentada el 16 de noviembre de 2000.
La figura 2 es una sección de la placa bipolar
(1), según la línea de corte (2-2) de la figura 1.
La placa bipolar (1) está formada por una primera pieza laminar (10)
y una segunda pieza laminar (11), formada cada una de ellas
preferentemente en un metal. La primera hoja (10) y la segunda hoja
(11) que comprende la placa bipolar (1) están producidas con modelos
de estructura de flujo producidos por las mismas herramientas de
estirado de tipo progresivo. La estructura de la primera hoja o
pieza laminar (10) es estampada de manera que tiene nervios de mayor
profundidad (12) que nervios formados en la segunda hoja o pieza
laminar (11). Como resultado, las dos piezas laminares de material
se acoplan una vez que se unen entre sí, creando canales de flujo
centrales (13) dentro del área activa (7) dotada de nervios, entre
la primera y segunda piezas laminares (10), (11). Una primera
superficie (4) de la segunda pieza laminar (11), que está dirigida
hacia la primera pieza laminar (10), está recubierta con un
catalizador (15) con canales de flujo centrales (13) de la placa
bipolar (1). El catalizador (15) está formado por cualquiera de los
catalizadores conocidos en esta técnica, para promover el reformado
del metano mediante vapor. Los canales de flujo de ánodo (16) están
formados mediante una primera superficie dirigida hacia afuera (17)
de la segunda pieza laminar (11) y extendiéndose a lo largo del área
activa (7) dotada de nervios. Una superficie dirigida hacia dentro
de la segunda pieza laminar (11) forma una parte de los canales de
flujo centrales (13). Los canales de flujo de cátodo (18) están
formados en una segunda superficie dirigida hacia afuera (19) de la
primera pieza laminar (10) y se extienden a lo largo del área activa
(7) dotada de nervios.
En la figura 3, la placa bipolar (1) con los
canales de flujo centrales (13) se observa, en sección, según una
vista tomada a lo largo de la línea (3-3) de la
figura 1. Tal como se ha observado en lo anterior, una cámara
colectora (21) con conexiones múltiples está formada dentro de la
segunda área de borde (6), y se encuentra en comunicación de fluido
con los canales de flujo centrales (13). Unas aberturas (22) están
formadas en la segunda área de borde (6), proporcionando
comunicación de fluido entre la cámara colectora (21) con conexiones
múltiples y los canales de flujo de ánodo (16). De este modo, existe
una trayectoria de flujo de fluido desde los primeros colectores
internos de combustibles (3) situados dentro de la primera área de
borde (5), a través de los canales de flujo centrales (13), pasando
por la cámara colectora (21) con conexiones múltiples y aberturas
(22) dentro de la segunda área de borde (6), por los canales de
flujo de ánodo (16), y saliendo por los segundos colectores internos
(4) de la primera área de borde (5). Tal como se ha observado
anteriormente, el catalizador (15) está depositado sobre la
superficie (14) de la primera pieza laminar (10) dentro de los
canales de flujo (13).
En la figura 4, se ha mostrado una vista en
perspectiva seccionada de la placa bipolar (1). Se aprecian cada una
de una serie de aberturas (22a), (22b), y (22c) en los extremos
terminales de un canal de flujo de ánodo correspondiente (16a),
(16b), (16c) de la segunda hoja (11) y dentro de una segunda área de
borde (6). Un separador (28) está dispuesto en la segunda área de
borde (6), y sirve para asegurar que la parte de la placa bipolar
(1), plegada sobre sí misma para formar la segunda área de borde
(6), tiene la alineación apropiada con la superficie superior del
resto de la placa bipolar (1). Una serie de conductores planos (24)
están dispuestos sobre la primera pieza laminar u hoja (11). Un
electrodo (26) queda dispuesto sobre los conductores planos (24),
de manera tal que los gases de la reacción que pasan a través de los
canales de flujo de ánodo (16a), (16b) y (16c) pueden reaccionar con
el electrodo (26). Se puede encontrar una descripción adicional de
la utilización de dichos conductores planos en la Patente U.S.A.,
propiedad de la solicitante actual, nº. 6.383.677, titulada "Fuel
Cell Current Collector" ("Colector de corriente para célula de
combustible"), concedida el 7 de mayo de 2002, cuya materia queda
incorporada a título de referencia a todos los efectos.
En el primer paso de reactivo por los canales de
flujo central (13) de la placa bipolar (1), la composición del
reactivo de ánodo es una mezcla de metano, vapor y efluente de ánodo
recirculado. El catalizador (15) sobre la superficie (14) de los
canales de flujo central (13) favorece el reformado del vapor de
metano. La composición del reactivo de ánodo proporciona la
posibilidad de conseguir el equilibrio de la conversión de metano de
99,9 por ciento en presencia del catalizador de reformado del
vapor. El reactivo de ánodo reformado sale de los canales de flujo
central (13) hacia la cámara colectora (21) dotada de múltiples
conexiones.
En el segundo paso, después de pasar por la
cámara colectora (21) con conexiones múltiples y la abertura (22),
el reactivo de ánodo reformado invertirá su dirección de flujo
pasando por la placa bipolar (1) y por los canales de flujo de ánodo
(16). El reactivo de ánodo entrará en el campo de flujo de ánodo y
reaccionará electroquímicamente sobre el electrodo de ánodo (26) de
la célula de combustible. De este modo, los canales de flujo central
(13) quedan acoplados mediante fluido con los canales de flujo de
ánodo (16), de manera que proporcionan el paso del combustible
reactivo en el ánodo por la placa bipolar de la célula de
combustible dos veces.
En la figura 5, se ha mostrado una realización
preferente de la trayectoria (40) de flujo de reactivo de ánodo y de
la trayectoria (41) de flujo de reactivo de cátodo, de manera
esquemática en su relación entre sí. En esta realización, la
trayectoria (41) de flujo de cátodo discurre contra la dirección de
flujo de la trayectoria de flujo de ánodo (40) al pasar el reactivo
de ánodo por los canales (16) de flujo de ánodo. La trayectoria (41)
de flujo de cátodo coincide con la trayectoria de flujo de reactivo
de ánodo (40) al pasar el reactivo de ánodo por los canales de flujo
central (13). Se observará que otras configuraciones de trayectoria
de flujo, tales como flujo contrario y flujo cruzado, se consideran
dentro del campo de la presente invención.
Claims (15)
1. Placa bipolar para célula de combustible, que
comprende, en combinación:
- una primera placa que tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta, y una serie de nervios que definen canales de flujo de ánodo sobre la primera superficie de la primera placa;
- una segunda placa que tiene la primera superficie, una segunda superficie en oposición, y una serie de nervios que definen canales de flujo de cátodo sobre la segunda superficie de la primera placa, estando la segunda placa acoplada con la primera placa, a efectos de definir una serie de canales de flujo central que se extienden entre la primera y segunda placas;
- una primera área de borde en un extremo de la primera y segunda placas y una segunda área de borde en un extremo opuesto de dichas primera y segunda placas;
- una serie de primeros colectores internos de combustible, formados en la primera área de borde y en comunicación de fluido con los canales de flujo central;
- una serie de segundos colectores de combustible internos formados en la primera área de borde y en comunicación de fluido con los canales de flujo de ánodo, y;
- una cámara colectora con múltiples conexiones formada en la segunda área de borde, encontrándose dicha cámara colectora con conexiones múltiples en comunicación de fluido con los canales de flujo central y los canales de flujo de ánodo.
2. Placa bipolar, según la reivindicación 1, que
comprende además un catalizador sobre la primera superficie de la
segunda placa dentro de los canales de flujo central.
3. Placa bipolar, según la reivindicación 1, que
comprende además una abertura formada en la segunda área de
estanqueización y conectando mediante fluido la cámara colectora con
conexiones múltiples con los canales de flujo de ánodo.
4. Placa bipolar, según la reivindicación 1, en
el que una parte de la segunda área extrema está plegada sobre sí
misma, y un separador está colocado dentro de la zona plegada.
5. Placa bipolar, según la reivindicación 1, en
la que la placa bipolar está formada por una serie de segmentos,
poseyendo cada uno de los segmentos un primer colector interno de
combustible y un segundo colector interno de combustible.
6. Placa bipolar, según la reivindicación 5, en
la que los centros de dichos primero y segundo colectores de
combustible internos de cada segmento se encuentran en una línea que
se extiende sustancialmente paralela a una trayectoria de flujo de
la placa bipo-
lar.
lar.
7. Placa bipolar, según la reivindicación 1, que
comprende además una serie de conductores dispuestos sobre la
primera superficie del primer elemento laminar.
8. Placa bipolar, según la reivindicación 7, que
comprende además un electrodo dispuesto sobre los conductores
planos.
9. Placa bipolar de célula de combustible, que
comprende, en combinación:
una placa formada a base de una primera placa y
una segunda placa, y que comprende una serie de segmentos,
consiguiendo la primera placa una primera superficie, una segunda
superficie en oposición, y una serie de nervios que definen canales
de flujo de ánodo sobre la primera superficie de la primera placa,
poseyendo la segunda placa una primera superficie, una segunda
superficie opuesta, y una serie de nervios que definen canales de
flujo de cátodo sobre la segunda superficie de la primera placa,
encontrándose la segunda placa encajada con la primera placa a
efectos de definir una serie de canales de flujo central que se
extienden entre dichas primera y segunda placas;
una primera área de borde en un extremo de la
primera y segunda placas, y una segunda área de borde en un extremo
opuesto de la primera y segunda placas;
un primer colector de combustible interno,
formado en la primera área de borde de cada segmento y en
comunicación mediante fluido con los canales de flujo central;
un segundo colector de combustible interno
formado en la primera área de borde de cada segmento y en
comunicación de fluido con los canales de flujo de ánodo, y;
una cámara colectora con múltiples conexiones,
formada en la segunda área de borde, encontrándose la cámara
colectora con múltiples conexiones en comunicación mediante fluido
con los canales de flujo central y los canales de flujo de
ánodo.
10. Placa bipolar, según la reivindicación 9,
que comprende además un catalizador sobre la primera superficie de
la segunda placa dentro de los canales de flujo central.
11. Placa bipolar, según la reivindicación 9,
que comprende además una abertura formada en la segunda área de
estanqueidad y conectando mediante fluido la cámara colectora con
múltiples conexiones con los canales de flujo de ánodo.
12. Placa bipolar, según la reivindicación 9, en
la que una parte de la segunda área extrema está plegada sobre sí
misma, y un separador está dispuesto dentro de la parte plegada.
13. Placa bipolar, según la reivindicación 9, en
la que los centros del primer y segundo colectores internos de
combustible de cada segmento se encuentran en una línea que se
extiende sustancialmente paralela a una trayectoria de flujo de la
placa bipolar.
14. Placa bipolar, según la reivindicación 9,
que comprende además una serie de conductores planos dispuestos
sobre la primera superficie del primer elemento laminar.
15. Placa bipolar, según la reivindicación 14,
que comprende además un electrodo dispuesto sobre los conductores
planos.
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