ES2342492T3 - Modulo de pila de combustible tubular y su dispositivo de estanqueidad. - Google Patents
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Abstract
Módulo de pila de combustible compuesto: - por un apilamiento tubular de celdas elementales (10) intercaladas con interconectores (12), incluyendo el módulo para cada nivel relativo a una celda (10): - un interconector (12); - una cámara anódica (14); - una celda elemental (10); - una cámara catódica, - dos cajas (20, 30) de distribución y recogida situadas en ambos extremos del apilamiento, de las cuales una caja (30) es superior y la otra caja (20) es inferior, y - un dispositivo de estanqueidad constituido por una junta superior (50) situada entre el apilamiento y la caja superior (30), caracterizado porque el dispositivo de estanqueidad se completa mediante una superficie inferior de la caja (30) que es superior, que posee, para cada nivel relativo a una celda (10) dos paredes tubulares concéntricas (38), que se sumergen en la junta superior (50), terminándose las cámaras anódicas (14) y catódicas (14) mediante depósitos (43) constituidos cada uno por un casquillo tubular interno (44) y un casquillo tubular externo (45), que contienen la junta superior (50) y que desembocan por pares en el interior de una cavidad (37) de la caja (30) que es superior.
Description
Módulo de pila de combustible tubular y su
dispositivo de estanqueidad.
La invención se refiere a las pilas de
combustible y, en particular, a aquellas que funcionan a alta
temperatura, como las pilas de combustible SOFC ("Solid Oxide Fuel
Cell"), así como a electrolizadores del tipo SOEC ("Solid Oxide
Electrolysis Cell").
Las pilas de combustible del tipo SOFC funcionan
con oxigeno e hidrógeno como combustibles, o con otro gas
combustible, por ejemplo del tipo del metano, y a temperaturas
incluidas entre 500 y 1.000ºC. Estas pilas están constituidas por un
apilamiento de varias celdas elementales unidas por elementos de
conexión tales como interconectores o placas bipolares. Cada celda
elemental está constituida a su vez por un apilamiento de un cátodo,
un electrolito y un ánodo. La elevada temperatura es necesaria para
obtener una conductividad en iones O_{2} suficiente del
electrolito.
En la arquitectura coaxial, el apilamiento de
las distintas celdas elementales de pilas de combustible es
concéntrico, estando cada celda elemental unida a su vez a la otra
mediante un interconector, como se describe por ejemplo en el
documento WO96/04690.
La figura 1 representa un tipo de estructura
tubular que incluye principalmente un apilamiento concéntrico 2 de
varias celdas elementales 6 de pilas de combustible intercaladas con
interconectores 1. En cada extremo del apilamiento se encuentra una
brida 4 o 5 que posee, bien una red de distribución de oxigeno e
hidrógeno como la brida inferior de base 5, bien una red de recogida
de los gases residuales como la brida superior 4. Además, se
utiliza, entre la parte superior del apilamiento 2 y la brida
superior 4, una junta 3 constituida por un disco de lana cerámica
comprimido entre los dos elementos citados. De este modo, crea una
pérdida de carga entre las distintas cámaras del circuito de los
gases combustibles y tiene asimismo por función absorber las
diferencias de dilatación entre los distintos elementos que
constituyen el apilamiento, especialmente las celdas y los
interconectores, siendo estos últimos metálicos.
Sin embargo, se pone de manifiesto que dicha
junta no asegura una perfecta estanqueidad. En efecto, una fracción
de los gases se mezcla y se quema. Esta imperfección se puede
utilizar con objeto de calentar los gases entrantes, si fuese
necesario. Por el contrario, esta aportación de calor puede hacerse
innecesaria en ciertas condiciones de funcionamiento. Esta fuga a la
salida del aparato se convierte entonces en un defecto perjudicial
para el rendimiento del módulo de pila de combustible.
El objetivo de la invención es remediar dichos
inconvenientes con el fin de recuperar los gases aprovechables a la
salida del aparato y, por lo tanto, mejorar su rendimiento. Para las
pilas de combustible SOFC, los gases presentes son el hidrógeno no
consumido a la salida de la cámara anódica y el oxígeno a la salida
de la cámara catódica y, para los electrolizadores del tipo SOEC,
los gases presentes son el hidrógeno producido a la salida de la
cámara catódica y el oxígeno más un gas vector a la salida de la
cámara anódica.
La invención tiene asimismo por objetivo, en el
marco de las pilas de combustible SOFC, así como en el de los
electrolizadores del tipo SOEC, reducir el riesgo de agotamiento
generado por una combustión incontrolada debida a la mezcla de los
dos gases, y también absorber la diferencia de dilatación de los
distintos componentes.
A tal efecto, el principal objeto de la
invención es un módulo de pilas de combustible compuesto por un
apilamiento tubular de celdas elementales intercaladas con
interconectores y que incluye, para cada nivel relativo a una
celda:
- -
- un interconector;
- -
- una cámara anódica;
- -
- una celda elemental;
- -
- una cámara catódica,
completándose el módulo con dos cajas de
distribución y recogida en ambos extremos del apilamiento, de las
cuales una caja es superior y la otra inferior, y con un dispositivo
de estanqueidad constituido por una junta superior entre el
apilamiento y la caja superior. Cabe señalar que el vidrio, a la
temperatura de funcionamiento, se encuentra en estado pastoso. Las
formas tubulares de la caja superior quedan "sumergidas" en el
vidrio, sin comprimirlo.
Según la invención, el dispositivo de
estanqueidad se completa mediante una superficie inferior de la caja
superior que posee paredes tubulares concéntricas, es decir dos para
cada nivel relativo a una celda, que se sumergen en la junta
superior, terminándose las cámaras anódicas y catódicas mediante
depósitos constituidos cada uno por un casquillo tubular interno y
un casquillo tubular externo que contienen la junta superior y que
desembocan por pares en el interior de una cavidad de la caja que es
superior.
En una realización preferida de la invención, la
junta es de vidrio.
Asimismo, en una realización principal de la
invención, la estructura tubular del módulo es cilíndrica.
En una primera versión del módulo de la
invención, la caja inferior es una caja de distribución,
encontrándose situada una junta inferior entre la base del
apilamiento y la superficie superior de la caja inferior, y la caja
superior es una caja de recogida de los gases.
En este caso, los medios de distribución de la
caja de distribución están constituidos por al menos dos canales
anulares que desembocan en al menos dos canales radiales por medio
de conductos y que desembocan a su vez en una superficie del
apilamiento por medio de conductos de distribución destinados a
alimentar los electrodos mediante las cámaras anódicas y
catódicas.
En este caso, los medios de recogida de la caja
de recogida están constituidos por al menos dos canales radiales que
desembocan en la superficie enfrente del apilamiento por conductos
de recogida y que desembocan en una superficie externa por medio de
canales anulares, para la salida de los gases residuales.
En la segunda versión del módulo de la
invención, las cajas inferior y superior se destinan cada una a a la
distribución y la recogida de uno de los gases combustibles.
En este segundo caso, los medios de distribución
de las dos cajas están constituidas, para cada caja, por al menos un
canal radial que desemboca en una cara del apilamiento por medio de
orificios de distribución destinados a alimentar los electrodos por
las cámaras anódicas y catódicas.
Asimismo, en este caso, los medios de recogida
de las dos cajas están constituidos por al menos un canal anular en
la superficie enfrente del apilamiento y por orificios de salida en
una superficie externa y que desembocan en el canal anular para la
salida de los gases residuales.
Es ventajoso utilizar un tubo de soporte en el
centro del apilamiento, que asegure el centrado y el soporte de la
caja superior.
La invención y sus distintas características
técnicas se entenderán mejor mediante la siguiente descripción
detallada acompañada de las figuras, presentando
respectivamente:
- la figura 1, ya descrita en corte, un elemento
de pila de combustible según la técnica anterior;
- la figura 2, en corte, un elemento de pila de
combustible según la invención; y
- la figura 3, en corte, el dispositivo de
estanqueidad del módulo de pila de combustible según la
invención.
Con referencia a la figura 2, el módulo de la
invención incluye principalmente una caja 20 de distribución que es
aquí la caja inferior que sirve de base para un apilamiento
concéntrico de celdas elementales 10 y una caja 30 de recogida que
es aquí la caja superior, que cubre el apilamiento de celdas 10. Se
completa el conjunto con un tubo 40 de soporte y centrado situado en
el centro del apilamiento concéntrico de celdas 10. Dicho tubo 40 de
soporte y centrado se coloca colocado en un empotramiento 29 de la
caja 20 de distribución y en un empotramiento 39 de la caja 30 de
recogida. El apilamiento de celdas 10 se sitúa en una ranura 21 de
la caja 20 de distribución, con una junta de vidrio inferior 27 a
modo de complemento. En su parte superior, el apilamiento de celdas
10 se coloca en cavidades 37 formadas en la superficie inferior de
la caja 30 de recogida. Más concretamente, en su parte superior,
cada celda 10 y cada interconector poseen un ensanche que constituye
un depósito 43, estando dispuesto cada uno de éstos entre dos
paredes que constituyen la cavidad 37. El detalle de esta
instalación se describe con referencia a la figura 3.
La caja 20 de distribución posee conductos de
entrada 22 y 23 de los gases combustibles que la atraviesan por
medio de dos canalizaciones circulares 24, de conductos 27 que
desembocan en al menos un canal radial 25. Unos conductos 26
permiten distribuir el gas en cámaras anódica y catódica situadas
por una y otra parte de cada una de las celdas 10.
Unos tubos capilares 41 se sitúan en la
prolongación de los interconectores 12. Éstos se ajustan en unos
refrentados, con objeto de evitar la obstrucción de canales de
alimentación por la junta inferior 28 de vidrio. La cara inferior de
las celdas 11 y de los interconectores 12, está, en contacto con la
junta inferior 28 de vidrio, situada en la ranura 21 de la caja 20
de distribución.
De manera similar, unos conductos 36 están
dispuestos enfrente de las salidas de dichas cámaras anódicas y
catódicas, en la caja 30 de recogida. De este modo, los gases
residuales son captados por al menos un canal radial 35 y son
enviados hacia conductos 32 y 33 de salida por medio de conductos 37
y de canalizaciones circulares 34.
Como se muestra mediante la dirección de las
flechas, la circulación de los gases se efectúa globalmente de
manera vertical ascendente o descendente. Según la realización
descrita en la figura 2, se efectúa de manera
co-corriente, pero puede plantearse asimismo a
contracorriente.
En lo que se refiere al dispositivo de
estanqueidad especifico de este módulo, en la figura 3 se encuentra
la caja 30 de recogida, más concretamente su parte inferior, las
cavidades 37 formadas por paredes 38 que son concéntricas. Se
distinguen asimismo los depósitos 43 constituidos por una
alternancia de casquillo interno 44 y externo 45 cuyos extremos
están ligeramente desplazados para constituir dichos ensanches. El
casquillo interno 44 y el casquillo 45 de cada depósito 43 se
colocan cada una en dos cavidades 37 adyacentes. Dicho de otra
manera, las cámaras anódicas y catódicas 14 que rodean cada celda 10
desembocan cada una en una de las cavidades 37. En esta figura 3, se
muestran asimismo los interconectores 12 que están situados de
manera concéntrica e intercalados entre las celdas 10 también
concéntricas.
La estanqueidad de este módulo a este nivel está
asegurada por una junta superior 50, de vidrio, hundida en el
conjunto constituido por el apilamiento de las celdas 10 y los
interconectores 12 a nivel de los depósitos 43. Por lo tanto, esta
junta superior 50 obstruye los extremos de los interconectores 12 y
de las celdas 10 en un grosor bastante relevante. Además, se observa
que las paredes 38, que forman las cavidades 37, están asimismo
hundidas en la
junta 50.
junta 50.
Los casquillos internos 44 y externos 45 se
obtienen a partir de un fleje metálico, por ejemplo de una aleación
a base de níquel o a base de hierro, enrollado y soldado. Más
concretamente, los casquillos internos 44 y externos 45 que cubren
los interconectores 12, se realizan a partir del mismo material que
éste y pueden ir, bien encajadas bien soldadas en el extremo del
tubo. En el caso en que van encajadas, poseen una forma adicional
que hace oficio de tope axial. Los casquillos internos 44 y externos
45 que cubren las celdas 10 están realizados a partir de un material
que posee un coeficiente de dilatación lo más próximo posible del de
las celdas 11. Estas están encajadas y poseen una forma que hace
oficio de tope axial.
En lo que se refiere a la estanqueidad en el
extremo de las celdas 10, se determinan los diámetros en frió de los
casquillos internos 44 y externos 45 para obtener, cualquiera que
sea la temperatura, juego entre cada celda 11 y su casquillo interno
44 y externo 45. Este juego se debe dimensionar para suprimir
cualquier esfuerzo radial que pudiese causar el agotamiento de la
celda 10, asegurando a la vez el confinamiento del vidrio que
constituye la junta 50.
Para limitar los problemas de corrosión y
cortocircuito, los casquillos internos 44 y externos 45 pueden ir
revestidas de un material resistente a la corrosión y aislante
eléctrico, por ejemplo zirconio.
La caja 30 de recogida es metálica o de
cerámica. Está constituida por un material que posee el coeficiente
de dilatación más próximo posible de las celdas 10, de manera a
limitar los esfuerzos durante las fases transitorias térmicas para
las temperaturas inferiores a la temperatura de transición vidriosa
del vidrio que constituye la junta 50.
Las celdas 10, de forma tubular, se realizan
mediante un depósito de plasma o cualquier otro procedimiento de
fabricación de piezas de cerámica. Dado que poseen radios
crecientes, se montan unas dentro de otras. Se precisa que su eje en
posición de funcionamiento es vertical.
Los interconectores 12 son asimismo tubulares y
metálicos. Se recuerda que aseguran la separación de los gases y la
puesta en serie de las celdas 10 gracias a láminas montadas sobre
los mismos mediante soldadura.
Claims (8)
1. Módulo de pila de combustible compuesto:
- -
- por un apilamiento tubular de celdas elementales (10) intercaladas con interconectores (12), incluyendo el módulo para cada nivel relativo a una celda (10):
- \bullet
- un interconector (12);
- \bullet
- una cámara anódica (14);
- \bullet
- una celda elemental (10);
- \bullet
- una cámara catódica,
- -
- dos cajas (20, 30) de distribución y recogida situadas en ambos extremos del apilamiento, de las cuales una caja (30) es superior y la otra caja (20) es inferior, y
- -
- un dispositivo de estanqueidad constituido por una junta superior (50) situada entre el apilamiento y la caja superior (30),
caracterizado porque el dispositivo de
estanqueidad se completa mediante una superficie inferior de la caja
(30) que es superior, que posee, para cada nivel relativo a una
celda (10) dos paredes tubulares concéntricas (38), que se sumergen
en la junta superior (50), terminándose las cámaras anódicas (14) y
catódicas (14) mediante depósitos (43) constituidos cada uno por un
casquillo tubular interno (44) y un casquillo tubular externo (45),
que contienen la junta superior (50) y que desembocan por pares en
el interior de una cavidad (37) de la caja (30) que es superior.
2. Módulo según la reivindicación 1,
caracterizado porque la junta superior (50) es de vidrio.
3. Módulo según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque la estructura del módulo es
cilíndrica.
4. Módulo según la reivindicación 1,
caracterizado porque la caja inferior es una caja (20) de
distribución completada por una junta inferior (27) colocada entre
el apilamiento y la caja (20) de distribución, y porque la caja
superior es una caja (30) de recogida completada por una junta
superior (50).
5. Módulo según la reivindicación 1,
caracterizado porque las cajas inferior y superior
constituyen cada una caja de distribución de un primer gas y una
caja de recogida para un segundo gas.
6. Módulo según la reivindicación 4,
caracterizado porque incluye medios de distribución de la
caja (20) de distribución constituidos por al menos dos canales
anulares (24) que desembocan en al menos dos canales radiales (25)
que desembocan a su vez en una superficie del apilamiento por medio
de conductos (26) de distribución destinados a alimentar los
electrodos de las celdas (10) por medio de las cámaras anódicas y
catódicas (14).
7. Módulo según la reivindicación 4,
caracterizado porque incluye medios de recogida de la caja
(30) de recogida constituidos por al menos dos canales radiales (35)
que desembocan en la superficie enfrente del apilamiento por medio
de conductos de recogida (36) y que desembocan en la superficie
externa de la caja (30) de recogida por medio de canales anulares
(34) y conductos de salida (37) para la salida de los gases
residuales.
8. Módulo según la reivindicación 1,
caracterizado porque incluye un tubo de soporte y centrado
(40) colocado en el centro del apilamiento.
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