ES2299584T3 - Agrupacion de pilas de combustibles de oxido solido. - Google Patents
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Abstract
Una agrupación de pilas de combustible de óxido sólido (10) que comprende una pluralidad de módulos (12), comprendiendo cada módulo (12) un miembro hueco alargado (14), teniendo cada miembro hueco (14) al menos un paso (32) que se extiende longitudinalmente a través del miembro hueco (14) para el flujo de un reactivo, teniendo cada miembro hueco (14) dos superficies planas paralelas (16, 18), incluyendo uno al menos de los módulos (12A, 12B, 12C) una pluralidad de pilas de combustible de óxido sólido (20), estando dispuestas las pilas de combustible de óxido sólido (20) sobre al menos una de las superficies planas (16, 18) del al menos un módulo (12A, 12B, 12C), estando dispuestas las superficies (15, 18) de los módulos adyacentes (12A, 12B, 12C) sustancialmente paralelas y espaciadas entre sí, caracterizado porque el menos un extremo (34) de cada módulo (12) está conectado a un extremo (36) de un módulo adyacente (12) para permitir que el reactivo fluya sucesivamente a través de los módulos (12), y de tal modo que se reduzcan los esfuerzos térmicos y mecánicos en la agrupación de pilas de combustible de óxido sólido (10).
Description
Agrupación de pilas de combustible de óxido
sólido.
El presente invento se refiere a una agrupación
de pilas de combustible de óxido sólido.
Las principales variantes de la pila de
combustible de óxido sólido son la pila de combustible de óxido
sólido tubular (T-SOFC), la pila de combustible de
óxido sólido plana (P-SOFC), y la pila de
combustible de óxido sólido monolítica
(M-SOFC).
La pila de combustible de óxido sólido tubular
comprende un miembro de electrolito de óxido sólido tubular, el
cual tiene electrodos interior y exterior.
La pila de combustible de óxido sólido
monolítica tiene dos variantes. La primera variante tiene un miembro
de electrolito de óxido sólido plano, el cual tiene electrodos en
sus dos superficies mayores. La segunda variante tiene un miembro
de electrolito de óxido sólido ondulado, el cual tiene electrodos en
sus dos superficies mayores.
En nuestra patente europea EP0668622B1 se ha
dado a conocer una nueva pila de combustible de óxido sólido, la
cual comprende una pluralidad de módulos. Algunos de esos módulos
comprenden miembros huecos, los cuales tienen dos superficies
planas paralelas sobre las cuales están dispuestas las pilas de
combustible de óxido sólido. Los extremos opuestos de cada módulo
están conectados a colectores de reactivo, mediante conexiones de
fuelle amoldables.
Sin embargo, tal disposición no proporciona
suficiente amoldamiento térmico y mecánico en la agrupación de
pilas de combustible de óxido sólido como para reducir al mínimo los
esfuerzos mecánicos y térmicos en la agrupación de pilas de
combustible de óxido sólido.
En consecuencia, el presente invento proporciona
una agrupación de pilas de combustible de óxido sólido que comprende
una pluralidad de módulos, comprendiendo cada módulo un miembro
hueco alargado, teniendo cada miembro hueco al menos un paso que se
extiende longitudinalmente a través del miembro hueco para el flujo
de un reactivo, teniendo cada miembro hueco dos superficies planas
paralelas, incluyendo uno al menos de los módulos una pluralidad de
pilas de combustible de óxido sólido, estando dispuestas las pilas
de combustible de óxido sólido en al menos una de las superficies
planas del al menos un módulo, estando dispuestas las superficies de
los módulos adyacentes sustancialmente paralelas y espaciadas entre
sí, estando al menos un extremo de cada módulo conectado a un
extremo de un módulo adyacente, para permitir que el reactivo fluya
sucesivamente a través de los módulos y se reduzcan los esfuerzos
térmicos y mecánicos en la agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido.
Preferiblemente, la agrupación de pilas de
combustible de óxido sólido comprende un colector para el suministro
de un reactivo y un colector para la retirada del reactivo, teniendo
cada módulo un primer extremo y un segundo extremo, estando
conectado el primer extremo de uno primero de los módulos al
colector para el suministro de reactivo al primero de los módulos,
estando conectado el segundo extremo de un segundo de los módulos al
colector para la retirada de reactivo del segundo de los módulos,
estando conectado el segundo extremo del primero de los módulos al
primer extremo de un módulo adyacente, estando conectado el primer
extremo del segundo de los módulos al segundo extremo de un módulo
adyacente.
El segundo extremo del primero e los módulos
puede estar conectado al primer extremo del segundo de los
módulos.
Preferiblemente, cada miembro hueco tiene una
pluralidad de pasos.
Al menos un miembro hueco puede tener una
longitud diferente a la del resto de los miembros huecos.
Preferiblemente, el al menos un módulo incluye
una pluralidad de pilas de combustible en ambas superficies planas
del módulo.
Cada módulo puede incluir una pluralidad de
pilas de combustible de óxido sólido.
Al menos uno de los módulos puede comprender un
intercambiador de calor.
Al menos uno de los módulos puede comprender un
reformador de combustible. El al menos un módulo puede tener un
catalizador dispuesto en el al menos un paso a través del miembro
hueco. El catalizador puede estar dispuesto sobre las superficies
del al menos un paso a través del miembro hueco.
Un miembro puede estar dispuesto en el al menos
un paso a través del miembro hueco. El miembro puede ser un
arrollamiento helicoidal de alambre. El miembro puede estar
dispuesto y configurado para definir un camino para el flujo
helicoidal a través del paso con el miembro hueco. En el miembro
puede estar dispuesto un catalizador.
Cada módulo puede estar conectado a un módulo
adyacente mediante una tapa extrema.
Cada módulo puede estar conectado a un módulo
adyacente mediante un espaciador. El espaciador puede comprender
una arandela de cerámica, o bien una arandela metálica.
Preferiblemente, la agrupación de pilas de
combustible de óxido sólido comprende hasta veinte módulos.
Preferiblemente, los módulos tienen una longitud de 50 mm a 2000
mm. Preferiblemente, los módulos tienen una anchura de 20 mm a 300
mm. Preferiblemente, los módulos tienen un grosor de hasta 30 mm, y
más preferiblemente los módulos tienen un grosor de hasta 10
mm.
Las líneas centrales de los módulos adyacentes
pueden estar dispuestas sustancialmente en el mismo plano, para
formar una disposición ondulada de módulos.
Como alternativa, las líneas centrales de los
módulos adyacentes pueden estar dispuestas en planos diferentes
para formar una disposición helicoidal de módulos. Las líneas
centrales de los módulos adyacentes pueden estar dispuestas
perpendicularmente. Las líneas centrales de los módulos adyacentes
pueden estar dispuestas con un ángulo de 45º, 52º o 60º.
Preferiblemente, entre módulos adyacentes hay
dispuesto al menos un miembro de amortiguación. El miembro de
amortiguación puede ser un miembro ondulado elástico, o bien el
miembro de amortiguación puede ser un miembro elástico de forma de
C.
Preferiblemente, cada pila de combustible de
óxido sólido comprende un electrodo de ánodo, un electrodo de
cátodo y un electrolito de óxido sólido.
Preferiblemente, los electrodos de ánodo están
dispuestos sobre las superficies planas del miembro hueco
alargado.
El al menos un paso de al menos uno de los
miembros huecos alargados puede tener un área de la sección
transversal variable a través de su longitud. El al menos un paso
puede ser un paso convergente o un paso divergente.
A continuación se describirá con más detalle el
presente invento, por medio de ejemplos, con referencia a los
dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Figura 1 es una vista en perspectiva
parcialmente recortada de una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido de acuerdo con el presente invento.
La Figura 2 es una vista en alzado lateral de un
módulo de la agrupación de pilas de combustible de óxido sólido
representada en la Figura 1.
La Figura 3 es una vista en corte transversal
parcial a través del módulo representado en la Figura 2.
La Figura 4 es una vista en corte transversal
ampliada de los extremos de dos módulos adyacentes y un
conectador.
La Figura 5 es una vista en corte transversal
ampliada de los extremos de dos módulos adyacentes y un conectador
alternativo.
La Figura 6 es una vista en corte transversal
ampliada de los extremos de dos módulos adyacentes y un conectador
alternativo.
La Figura 7 es una vista en perspectiva
parcialmente recortada de una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido alternativa de acuerdo con el presente invento.
La Figura 8 es una vista en perspectiva
parcialmente recortada de otra agrupación de pilas de combustible
de óxido sólido de acuerdo con el presente invento.
La Figura 9 es una vista en perspectiva
parcialmente recortada de otra agrupación de pilas de combustible
de óxido sólido de acuerdo con el presente invento.
En las Figuras 1 a 5 se ha representado una
agrupación de pilas de combustible de óxido sólido 10 de acuerdo con
el presente invento. La agrupación de pilas de combustible de óxido
sólido 10 comprende una pluralidad de módulos 12 dispuestos dentro
de una caja 13. Cada módulo 12 comprende un miembro hueco alargado
14. Los miembros huecos 14 están fabricados de circonia total o
parcialmente estabilizada, de carburo de silicio, de aluminato de
magnesia cargado con magnesia, o de otro material cerámico adecuado.
Cada miembro hueco 14 tiene dos superficies paralelas 16 y 18, sobre
las cuales están dispuestas las pilas de combustible de óxido
sólido 20. Los miembros huecos 14 son porosos, para permitir que el
combustible fluya a las pilas de combustible de óxido sólido 20.
Las pilas de combustible de óxido sólido 20,
como se ha ilustrado en las Figuras 2 y 3, están espaciadas entre sí
longitudinalmente a lo largo de las superficies 16 y 18, y las pilas
de combustible de óxido sólido 20 sobre cada una de las superficies
16 y 18 están conectadas eléctricamente en serie.
Cada pila de combustible de óxido sólido 20,
como se ha ilustrado en la Figura 3, comprende un electrodo de ánodo
22, un electrolito de óxido sólido 24, y un electrodo de cátodo 26.
Los electrodos de ánodo 22 de todas, excepto de una, las pilas de
combustible 20, sobre cada una de las superficies 16 y 18, están
conectados eléctricamente al electrodo de cátodo 26 de una pila de
combustible 18 adyacente, mediante uno respectivo de una pluralidad
de interconectadores 28.
Cada miembro hueco 14 tiene un paso 32 que se
extiende longitudinalmente a través del miembro hueco 14, para el
suministro de combustible a las pilas de combustible de óxido sólido
20. El combustible se difunde a través de los miembros huecos 14
hasta los electrodos de ánodo 22 de las pilas de combustible de
óxido sólido 20. El paso 32 en cada miembro hueco 14 tiene un área
de la sección transversal uniforme en toda su longitud.
Cada módulo 12 tiene un primer extremo 34 y un
segundo extremo 36, y los módulos 12 están dispuestos de tal modo
que el primer extremo 14 de uno primero 12A de los módulos, está
conectado a un colector de suministro de combustible 38. El segundo
extremo 36 de un segundo 12B de los módulos está conectado a un
colector 40 de retirada de combustible, como se ha ilustrado en la
Figura 1. El primer extremo 34 de cada uno de los módulos 12C y
módulo 12B está conectado al segundo extremo 36 de un módulo
adyacente de los módulos 12C y 12A mediante uno respectivo de una
pluralidad de conectadores 42. Los conectadores 42 están formados de
un metal o de una cerámica con un coeficiente de dilatación térmica
similar, preferiblemente el mismo, al de los miembros huecos 14,
como se ha ilustrado en la Figura 1.
Por consiguiente, cada módulo 12 está dispuesto
de tal modo que las superficies 16 y 18 del miembro hueco 14 están
sustancialmente paralelas y espaciadas entre sí. Los módulos 12
están dispuestos de tal modo que las superficies 16 y 18 de los
módulos adyacentes 12 están sustancialmente paralelas y espaciadas
entre sí. Además, es de hacer notar que los módulos 12 están
dispuestos para formar una disposición ondulada de módulos 12. Está
por lo tanto claro que el combustible fluye sucesivamente a través
de los módulos 12A, 12C y 12B desde el colector de suministro de
combustible 38 al colector de retirada de combustible 40, a través
de un camino de flujo serpenteante, como se ha ilustrado en la
Figura 1.
Además, fluye aire u oxígeno a través del
espacio entre los módulos 12 en una dirección perpendicular a la
dirección longitudinal de los módulos 12. Preferiblemente, hay uno o
más miembros de amortiguación 37A, 37B o 37C situados en posiciones
adecuadas entre los módulos 12 adyacentes.
Cada miembro de amortiguación 37A se fabrica de
un material elástico para resortes, por ejemplo, de un metal, y se
conforma con una forma ondulada. Cada miembro de amortiguación 37A
está dispuesto para apoyar a tope en las superficies de los módulos
12 adyacentes. El miembro de amortiguación 37A está provisto de un
recubrimiento aislante eléctrico si está dispuesto para apoyar a
tope con las pilas de combustible 20. Los miembros de amortiguación
37A tienen también una ventaja adicional, debido a que los mismos
actúan como directores del flujo para dirigir el flujo de aire, o
de oxígeno, en la dirección requerida, a través de los cátodos 26 de
las pilas de combustible 20.
Cada miembro de amortiguación 37B está fabricado
de un material elástico, para resortes, por ejemplo de un metal, y
está conformado con una forma de C. Cada miembro de amortiguación
37B está dispuesto para apoyar a tope en las superficies de los
módulos 12 adyacentes. El miembro de amortiguación 37B está provisto
de un recubrimiento aislante eléctrico, si está dispuesto para
apoyar a tope en las pilas de combustible 20.
Cada miembro de amortiguación 37C está fabricado
de un material elástico, para resortes, por ejemplo de un cordón de
cerámica tejido en telar. Cada miembro de amortiguación 37C está
dispuesto para apoyar a tope en las superficies de los módulos 12
adyacentes. El miembro de amortiguación 37C no requiere un
recubrimiento aislante eléctrico, ni siquiera aunque esté dispuesto
para apoyar a tope en las pilas de combustible 20.
Se ha previsto una conexión eléctrica entre las
pilas de combustible de óxido sólido 20 sobre las superficies 16 y
18 de cada módulo 12, proporcionando para ello una conexión
eléctrica entre los interconectadores 30. En la Figura 3, las pilas
de combustible 20 están dispuestas simétricamente sobre cada módulo
12, y un electrodo de cátodo 26 de una de las pilas de combustible
20 sobre la superficie 16 del primer extremo 34 de cada módulo 12
está conectado eléctricamente a un electrodo de cátodo 26 de una de
las pilas de combustible 20 sobre la superficie 18 del primer
extremo 34 del respectivo módulo 12 a través de los
interconectadores 30. La interconexión eléctrica comprende una
banda conductora eléctrica 33 enrollada alrededor del módulo 12 y,
preferiblemente, la banda 33 comprende platino. Análogamente, un
electrodo de ánodo 22 de una de las pilas de combustible 20 sobre
la superficie 16 del segundo extremo 36 de cada módulo 12 está
conectada eléctricamente a un electrodo de ánodo 22 de una de las
pilas de combustible 20 sobre la superficie 18 del segundo extremo
36 del respectivo módulo 12, a través de los interconectadores 30.
La interconexión eléctrica comprende aquí también una banda
conductora eléctrica enrollada alrededor del módulo 12. En esta
disposición, las pilas de combustible de óxido sólido 20 sobre las
superficies 16 y 18 de cada módulo 12 están conectadas
eléctricamente en paralelo, usando los interconectadores 30 en el
primer extremo 34 y en el segundo extremo 36 del módulo 12. Los
módulos adyacentes 12 están además conectados en serie mediante la
conexión eléctrica de los interconectadores 30.
En una disposición alternativa, no representada,
el electrodo de ánodo 22 de una de las pilas de combustible sobre
cada una de las superficies 16 y 18 de cada módulo 12, está
conectado eléctricamente a un electrodo de cátodo 26 de una de las
pilas de combustible 20 sobre una de las superficies 18 y 16 de un
módulo 12 adyacente mediante uno respectivo de los
interconectadores 30. En esa disposición, las pilas de combustible
de óxido sólido 20 sobre las superficies 16 y 18 de los módulos
adyacentes 12 están conectadas eléctricamente en serie, usando los
interconectadores 30 en el primer extremo 34 y en el segundo extremo
38 del módulo 12.
El primer extremo 34 de uno de los módulos 12,
el segundo extremo 36 de uno de los miembro de amortiguación 12, y
un conectador 42, se han representado en la Figura 4. El primer
extremo 34 de uno de los módulos 12 está provisto de una o más
aberturas 44, las cuales se extienden a través del miembro hueco 14
hacia el módulo 12 adyacente. El segundo extremo 36 de uno de los
módulos 12 está provisto de una o más aberturas 46. El número de
aberturas 46 previstas en el segundo extremo 36 de uno de los
módulos 12 puede ser el mismo número, o uno diferente, que el
número de las aberturas 44 que están previstas en el primer extremo
34 del otro módulo 12. Las aberturas 46 se extienden a través del
miembro hueco 14 hacia el módulo 12 adyacente. Las aberturas 44 y
46 en los módulos 12 están alineadas.
El conectador 42 es el miembro 48 de forma
sustancialmente de T, el cual comprende un vástago 50 y pestañas 52
y 54 en un extremo del vástago 50. El miembro de forma de T 48 puede
comprender una, dos o tres piezas. Por ejemplo, el vástago 50 y las
pestañas 52 y 54 pueden ser tres piezas separadas. El miembro 48
está dispuesto de tal modo que el vástago 50 del miembro 48 está
situado entre los extremos 34 y 36 de los módulos 12. El miembro 48
tiene una serie de aberturas 56 que se extienden a través del
vástago 50. El número de aberturas 56 previstas en el miembro 58
puede ser el mismo número, o uno diferente, que el número de las
aberturas 44 y 46 que se han previsto en el primer extremo 34 y en
el segundo extremo 36 del otro módulo 12.
El miembro 48 separa los extremos 34 y 36 de los
módulos adyacentes 12 y une y sella juntos los extremos 34 y 36 de
los módulos 12 adyacentes. Las aberturas 44, 46 y 56 permiten que
fluya combustible desde el paso 32 en un módulo 12, sucesivamente a
través de las aberturas 44, 56 y 46, al paso 32 en un módulo 12
adyacente. Las pestañas 52 y 54 en el extremo del vástago 50
proporcionan soporte adicional para los módulos 12, y pueden sellar
los extremos 34 y 36 de los módulos 12. Las aberturas 44, 46 y 56
son de cualquier forma o tamaño adecuados, por ejemplo, pueden ser
aberturas o ranuras circulares.
Las pestañas 52 y 54 en el extremo del vástago
50 del conectador 42 pueden no ser colineales, de modo que los
extremos de los módulos 12 no estén por completo en alineación.
Conductores eléctricos 31 se extienden a través
del vástago 50 para interconectar el interconectador 30 asociado con
las pilas de combustible de óxido sólido 20 en un módulo 12, con el
interconectador 30 asociado con las pilas de combustible de óxido
sólido 20 en el módulo 12 adyacente.
El primer extremo 34 de uno de los módulos 12,
el segundo extremo 36 de uno de los módulos 12, y un conectador
alternativo 42, se han representado en la Figura 5. El primer
extremo 34 de uno de los módulos 12 se extiende dentro del
conectador 42, y el segundo extremo 36 de unos de los módulos 12 se
extiende dentro del conectador 42. Los extremos 34 y 36 están
sellados al conectador 42.
El conectador 42 comprende un miembro hueco 60,
el cual tiene dos ranuras paralelas 62 y 64, en las cuales se sitúan
el primer extremo 34 de uno de los módulos 12 y el segundo extremo
36 de uno de los módulos 12. Los extremos 34 y 36 de los módulos 12
están abiertos para permitir que fluya combustible desde el paso 32
en un módulo 12, a través del extremo 36 del módulo 12, para girar
180º en el conectador 42 y para que fluya a través del extremo 34
del módulo 12 adyacente, al interior del paso 32 del módulo
adyacente.
Conductores eléctricos 31 se extienden a lo
largo de la superficie interior del conectador 42 para interconectar
el interconectador 30 asociado con las pilas de combustible de óxido
sólido 20 en un módulo 12 con el interconectador 30 asociado con
las pilas de combustible de óxido sólido 20 en el módulo 12
adyacente. La conexión eléctrica en el conectador 42 representado
en la Figura 4 puede ser también aplicada al conectador 42
representado en la Figura 5. El conectador 42 representado en la
Figura 5 puede tener ya sea una o ya sean ambas de las conexiones
eléctricas representadas en las Figuras 4 y 5.
El primer extremo 34 de uno de los módulos 12,
el segundo extremo 36 de uno de los módulos 12, y otro conectador
42, se han representado en la Figura 6.
El conectador 42 comprende un miembro 70 de
forma sustancialmente de T, el cual comprende un vástago 72 y
pestañas 74 y 76 en un extremo del vástago 72. El miembro 70 está
dispuesto de tal modo que el vástago 72 del miembro 70 está situado
entre los extremos 34 y 36 del módulo 12. Las pestañas 74 y 76
tienen un grosor máximo adyacente al vástago 72 y disminuyen de
grosor desde el vástago 72 para formar superficies biseladas. Las
superficies biseladas pueden estar formando cualquier ángulo
adecuado, preferiblemente un ángulo comprendido en el margen entre
30º y 60º, por ejemplo, de 45º. Los extremos 34 y 36 de los módulos
12 tienen también superficies biseladas formadas con cualquier
ángulo adecuado para apoyar a tope en las pestañas 74 y 76. Una o
más aberturas 78 se extienden a través del miembro 70 entre las
superficies en bisel de las pestañas 74 y 76. Esta disposición
permite que el miembro 70 y el miembro hueco alargado 14 tengan
diferentes coeficientes de dilatación térmica, si el material de
unión es capaz de soportar esfuerzos de cizalladura.
\newpage
El miembro 70 separa los extremos 34 y 36 de los
módulos 12 adyacentes y une y sella juntos los extremos 34 y 36 de
los módulos adyacentes. Las aberturas 78 permiten que fluya
combustible desde el paso 32 en un módulo 12, a través de las
aberturas 78, al paso 32 en un módulo 12 adyacente. Las pestañas 74
y 76 en el extremo del vástago 72 proporcionan soporte adicional
para los módulos 12 y sellan los extremos 34 y 36 de los módulos
12. Las aberturas 78 son de cualquier forma o tamaño que sean
adecuados, por ejemplo, aberturas o ranuras circulares.
Las pestañas 74 y 76 en el extremo del vástago
72 del conectador 42 pueden no ser colineales, de modo que los
extremos de los módulos 12 no estén completamente en alineación,
Los conductores eléctricos 31 se extienden a
través del vástago 72 para interconectar el interconectador 30
asociado con las pilas de combustible de óxido sólido 20 en un
módulo 12, con el interconectador 30 asociado con las pilas de
combustible de óxido sólido 20 en el módulo 12 adyacente.
Los miembros huecos 14 son preferiblemente de
sección transversal rectangular, y tienen extremos rectangulares o
redondeados. El número de miembros huecos 14 está comprendido entre
2 y 20. Los miembros huecos 14 tienen una longitud comprendida
entre 50 mm y 2000 mm, una anchura de 20 mm a 300 mm, y un grosor de
hasta 30 mm. El grosor máximo es, preferiblemente, de 10 mm. El
grosor mínimo es, preferiblemente de 1 mm, y más preferiblemente el
grosor mínimo es de 3 mm, aunque puede ser posible un grosor
menor.
La principal ventaja de esta disposición de los
módulos es la de que se reducen los esfuerzos térmicos y mecánicos
en la agrupación de pilas de combustible de óxido sólido. En
particular, permite la acumulación de tolerancias de fabricación y
de fatigas térmicas, debidas a los gradientes térmicos y a los
ciclos térmicos, en la agrupación de pilas de combustible de óxido
sólido 10, por permitir la adaptación, o flexibilidad, entre los
módulos 12. Los esfuerzos se distribuyen a través de las conexiones
entre los módulos y a través de los propios módulos. Se mejora la
durabilidad de la agrupación de pilas de combustible de óxido
sólido. Es también posible una densidad de empaquetado relativamente
alta de los módulos/pilas de combustible de óxido sólido.
Como alternativa, los conductores eléctricos 30
pueden extenderse a lo largo de la superficie exterior del
conectador 42.
Una agrupación de pilas de combustible de óxido
sólido 110 alternativa, como la ilustrada en la Figura 7, es
sustancialmente la misma que la agrupación de pilas de combustible
de óxido sólido 10 representada en la Figura 1. La agrupación de
pilas de combustible de óxido sólido 110 comprende una pluralidad de
módulos 112. Cada módulo 112 comprende un miembro hueco alargado
114. Los miembros huecos 114 están fabricados de circonia total o
parcialmente estabilizada, de alúmina, de carburo de silicio, o de
otro material cerámico adecuado. Cada miembro hueco 114 tiene dos
superficies paralelas 116 y 118. Los miembros huecos 114 son
porosos, para permitir que fluya el combustible a las pilas de
combustible de óxido sólido.
Algunos de los módulos 112D tienen pilas de
combustible de óxido sólido 120 dispuestas sobre la totalidad de
ambas superficies 116 y 118. Algunos de los módulos 112E tienen
pilas de combustible de óxido sólido 120 dispuestas en ambas
superficies 116 y 118 de una mitad del módulo 112E. Ambas
superficies 116 y 118 en la mitad restante del módulo 112E actúan
como intercambiadores de calor 121 para disipar calor. Algunos de
los módulos 112F tienen pilas de combustible de óxido sólido 120
dispuestas en ambas superficies 116 y 118 de la mitad del módulo
112F. La mitad restante del módulo 112F tiene un catalizador 114
dispuesto en el paso 132 para actuar como reformadores 123 para
reformar el combustible. Algunos de los módulos 112G no tienen pilas
de combustible de óxido sólido y el módulo 112E actúa como un
intercambiador de calor 121. Algunos de los módulos 112H no tienen
pilas de combustible de óxido sólido y los módulos 112H tienen un
catalizador 144 dispuesto en el paso 132 para actuar como
reformadores 123 para reformar el combustible.
Los pasos 132 de los módulos 112F y de los
módulos 112H pueden tener un catalizador 144 aplicado a las
superficies de los pasos 132, o bien se puede aplicar un catalizador
144 a un miembro 146 situado dentro de los pasos 132. El miembro
146 puede ser un alambre arrollado en espiral. Como alternativa, el
miembro 146 puede estar dispuesto y configurado para definir un
camino para el flujo helicoidal a través del respectivo paso 132 con
el miembro hueco 114. El miembro 146 se fabrica, por ejemplo, por
torsión de los extremos de un miembro elástico alargado, para
formar un paso helicoidal. El miembro 146 ayuda también a la
transferencia de calor y de masa.
Una agrupación de pilas de combustible de óxido
sólido alternativa 210, como la ilustrada en la Figura 8, es
sustancialmente la misma que la agrupación de pilas de combustible
de óxido sólido 10 representada en la Figura 1. La agrupación de
pilas de combustible de óxido sólido 210 comprende una pluralidad de
módulos 212. Los módulos 212 están dispuestos de tal modo que los
adyacentes de los módulos 212A y 212B tienen diferentes longitudes,
y los alternos de los módulos 212A, o de los módulos 212B, tienen la
misma longitud, para producir una disposición escalonada.
Otra agrupación de pilas de combustible de óxido
sólido alternativo 310, como la ilustrada en la Figura 9, es similar
a la agrupación de pilas de combustible de óxido sólido 10
representada en la Figura 1. La agrupación de pilas de combustible
de óxido sólido 310 comprende una pluralidad de módulos 312. Los
módulos 312 están dispuestos de tal modo que los adyacentes de los
módulos 312A y 312B están dispuestos de modo diferente a como lo
están los de la Figura 1.
En la Figura 1, las superficies 16 y 18 de los
módulos adyacentes 12A y 12B están dispuestas sustancialmente
paralelas entre sí, y las líneas centrales X de los módulos
adyacentes 12A y 12B se extienden longitudinalmente en
sustancialmente el mismo sentido y en el mismo plano. Por
consiguiente, en los módulos adyacentes 12A y 12C el combustible
fluye en direcciones opuestas pero en planos paralelos, y el flujo
de combustible gira 180º en los conectadores.
En la Figura 9, las superficies 316 y 318 de los
módulos adyacentes 312A y 312B están dispuestas sustancialmente
paralelas entre sí, y las líneas centrales X de los módulos
adyacentes 312A y 312B se extienden longitudinalmente en diferentes
direcciones, o bien con diferentes ángulos. En la Figura 9, los
módulos adyacentes 312A y 312B están dispuestos para extenderse
longitudinalmente perpendiculares entre sí, y los módulos alternos
312A o 3122B están dispuestos para extenderse longitudinalmente en
sustancialmente la misma dirección, para formar una disposición
rectangular de módulos 312. Por consiguiente, en los módulos
adyacentes 312A y 312B el combustible fluye en direcciones
perpendiculares en planos paralelos, y el flujo de combustible gira
90º en los conectadores.
Es igualmente posible disponer que los módulos
adyacentes estén dispuestos con cualquier otro ángulo adecuado, por
ejemplo de 72º para formar una disposición pentagonal de módulos, de
60º para formar una disposición hexagonal de módulos, o a 45º para
formar una disposición octogonal de módulos. Por consiguiente, en
los módulos adyacentes el combustible fluye con los ángulos
apropiados pero en planos paralelos.
Por lo tanto, los módulos 312 quedan dispuestos
para formar una disposición helicoidal. Puede ser posible disponer
que dos disposiciones helicoidales de módulos queden dispuestas
alrededor de los mismos ejes y estén intercaladas.
Aunque se ha descrito el presente invento con
referencia a una pluralidad de pilas de combustible de óxido sólido
dispuestas en serie sobre las superficies de los miembros huecos
alargados de los módulos, pueden ser posibles otras disposiciones
adecuadas de pilas de combustible de óxido sólido.
Aunque con el presente invento se han descrito
los electrodos de ánodo de las pilas de combustible de óxido sólido
estando dispuestos sobre las superficies de los miembros huecos
alargados de los módulos, es igualmente posible disponer los
electrodos de cátodo de las pilas de combustible de óxido sólido
sobre las superficies de los miembros huecos alargados de los
módulos.
Aunque con el presente invento se han descrito
los pasos de cada miembro hueco alargado con un área de la sección
transversal uniforme en toda su longitud, puede ser posible para uno
o más de los miembros huecos alargados tener un área de la sección
transversal variable, un área de la sección transversal no uniforme
en toda su longitud. El paso no uniforme puede ser un paso
convergente o un paso divergente. El paso convergente acelera el
flujo en la dirección del flujo del reactivo, y el paso divergente
difunde el flujo en la dirección del flujo de reactivo.
Claims (26)
1. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido (10) que comprende una pluralidad de módulos (12),
comprendiendo cada módulo (12) un miembro hueco alargado (14),
teniendo cada miembro hueco (14) al menos un paso (32) que se
extiende longitudinalmente a través del miembro hueco (14) para el
flujo de un reactivo, teniendo cada miembro hueco (14) dos
superficies planas paralelas (16, 18), incluyendo uno al menos de
los módulos (12A, 12B, 12C) una pluralidad de pilas de combustible
de óxido sólido (20), estando dispuestas las pilas de combustible
de óxido sólido (20) sobre al menos una de las superficies planas
(16, 18) del al menos un módulo (12A, 12B, 12C), estando dispuestas
las superficies (15, 18) de los módulos adyacentes (12A, 12B, 12C)
sustancialmente paralelas y espaciadas entre sí,
caracterizado porque el menos un extremo (34) de cada módulo
(12) está conectado a un extremo (36) de un módulo adyacente (12)
para permitir que el reactivo fluya sucesivamente a través de los
módulos (12), y de tal modo que se reduzcan los esfuerzos térmicos y
mecánicos en la agrupación de pilas de combustible de óxido sólido
(10).
2. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 1, que comprende un colector
(38) para el suministro de un reactivo, y un colector (40) para la
retirada del reactivo, teniendo cada módulo (12) un primer extremo
(34) y un segundo extremo (36), estando conectado el primer extremo
(34) de uno primero de los módulos (12A) al colector (38) para el
suministro de reactivo al primero de los módulos (12A), estando
conectado el segundo extremo (36) de un segundo de los módulos (12B)
al colector (40) para la retirada de reactivo del segundo de los
módulos (12B), estando conectado el s ex (36) del primero de los
módulos (12A al primer extremo (34) de un módulo adyacente (12C),
estando conectado el primer extremo (34) del segundo de los módulos
(12B) al segundo extremo (36) de un módulo (12C) adyacente.
3. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 2, en la que el segundo extremo
(36) del primero de los módulos (12A) está conectado al primer
extremo (34) del segundo de los módulos (12C).
4. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 1, la reivindicación 2 ó la
reivindicación 3, en la que cada miembro hueco (14) tiene una
pluralidad de pasos (32).
5. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la
que al menos un miembro hueco (14) tiene una longitud diferente a la
del resto de los miembros huecos (14).
6. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la
que el al menos un módulo (12) incluye una pluralidad de pilas de
combustible (20) sobre ambas superficies planas (16, 18) del módulo
(12).
7. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la
que cada módulo (12) incluye una pluralidad de pilas de combustible
de óxido sólido (20).
8. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la
que uno al menos de los módulos (112E) comprende un intercambiador
de calor (121).
9. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la
que uno al menos de los módulos (112F) comprende un reformador de
combustible (123).
10. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 9, en la que el al menos un
módulo (112F) tiene un catalizador (144) dispuesto en el al menos un
paso (132) a través del miembro hueco (114).
11. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 10, en la que el catalizador
(144) está dispuesto sobre las superficies del al menos un paso
(132) a través del miembro hueco (114).
12. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en la
que un miembro (146) está dispuesto en el al menos un paso (132) a
través del miembro hueco (114).
13. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 12, en la que el miembro (146)
es un arrollamiento en espiral de alambre.
14. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 12, en la que el miembro (146)
está dispuesto y configurado para definir un camino para el flujo
helicoidal a través del paso (132) con el miembro hueco (114).
15. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 12, la reivindicación 13 ó la
reivindicación 14, en la que hay dispuesto un catalizador (144)
sobre el miembro (146).
16. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en la
que cada módulo (12) está conectado a un módulo (12) adyacente
mediante una tapa extrema, o bien mediante un espaciador.
17. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en la
que las líneas centrales (x) de los módulos adyacentes (12A, 12B)
están dispuestas sustancialmente en el mismo plano, para formar una
disposición ondulante de módulos (12).
18. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en la
que las líneas centrales (x) de los módulos adyacentes (312A, 312B)
están dispuestas en planos diferentes, para formar una disposición
helicoidal de módulos (312).
19. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 18, en la que las líneas
centrales (x) de los módulos adyacentes (312A, 312B) están
dispuestas con un ángulo de 45º, 60º, 72º o 90º.
20. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en la
que al menos un miembro de amortiguación (37A, 37B, 37C) está
dispuesto entre módulos (12) adyacentes.
21. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 20, en la que el miembro de
amortiguación (37A, 37B, 37C) es un miembro ondulado elástico (37A),
o bien un miembro de forma de C elástico (37B).
22. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 20 ó la reivindicación 21, en
la que el miembro de amortiguación (37A, 37B, 37C) es metálico (37A,
37B).
23. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 22, en la que el miembro de
amortiguación (37A, 37B) tiene un recubrimiento aislante
eléctrico.
24. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 23, en la
que cada pila de combustible de óxido sólido (20) comprende un
electrodo de ánodo (22), un electrodo de cátodo (26) y un
electrolito de óxido sólido (24).
25. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según la reivindicación 24, en la que los electrodos de
ánodo (22) están dispuestos sobre las superficies planas (16, 18)
del miembro hueco alargado (14).
26. Una agrupación de pilas de combustible de
óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 25, en la
que el al menos un paso (32) de al menos uno de los miembros huecos
alargados (14) tiene un área de la sección transversal variable a
través de su longitud.
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