ES2900208T3 - Sistemas y métodos para la compresión de pilas de celdas de combustible - Google Patents

Abstract

Un método para comprimir una pila de celdas electroquímicas, que comprende: colocar una pila (12) de celdas electroquímicas en una primera placa terminal (16); colocar una placa (22) de compresión en la pila (12) de celdas electroquímicas en un extremo opuesto a la primera placa terminal (16); disponer uno o más miembros (24) de compresión en la placa (22) de compresión, en el que al menos uno de los uno o más miembros (24) de compresión comprende una pila de arandelas Belleville (30) y una caperuza (28) de compresión; colocar una segunda placa terminal (18) sobre la placa (22) de compresión de modo que uno o más miembros (24) de compresión se alineen con una o más aberturas (26) roscadas en la segunda placa terminal (18); aplicar una fuerza a la placa (22) de compresión a través de uno o más miembros (24) de compresión, en el que la fuerza comprime la pila (12) de celdas electroquímicas; unir uno o más miembros (20) de tensión a la primera placa terminal (16) y la segunda placa terminal (18), en el que los miembros (20) de tensión están configurados para mantener una distancia fija entre la primera placa terminal (16) y la segunda placa terminal (18); y luego sujetar una o más tuercas (32) de bloqueo a la segunda placa terminal (18) en el que las tuercas (32) de bloqueo se atornillan en las aberturas (26) y en el que las tuercas (32) de bloqueo están configuradas para asegurar la posición de uno o más miembros (24) de compresión y la placa (22) de compresión con respecto a la segunda placa terminal (18), en el que las tuercas (32) de bloqueo contactan con el miembro (24) de compresión; en el que la caperuza (28) de compresión tiene forma cónica y las tuercas (32) de bloqueo tienen una cavidad de forma cónica correspondiente configurada para acoplarse a ras con la caperuza (28) de compresión.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas y métodos para la compresión de pilas de celdas de combustible

Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional de los Estados Unidos No. 62/536,157, presentada el 24 de julio de 2017.

La presente divulgación está dirigida a sistemas y métodos de compresión y, más particularmente, a sistemas y métodos para la compresión de pilas de celdas de combustible, en donde la invención se define en las reivindicaciones adjuntas.

Las celdas electroquímicas, como las celdas de combustible o las celdas de electrólisis, son dispositivos que pueden usarse para generar corriente a partir de reacciones químicas o para inducir una reacción química usando un flujo de corriente. Una celda de combustible puede convertir la energía química de un combustible (por ejemplo, hidrógeno, gas natural, metanol, gasolina, etc.) y un oxidante (por ejemplo, aire u oxígeno) en electricidad y productos de desecho (por ejemplo, calor y agua). Una celda de combustible puede comprender un primer electrodo (por ejemplo, un ánodo con carga negativa), un segundo electrodo (por ejemplo, un cátodo con carga positiva) y un material conductor de iones (por ejemplo, un electrolito). Diferentes tecnologías de celdas de combustible pueden utilizar diferentes materiales electrolíticos. Los documentos de la técnica anterior US2002/034673, US6720101, US6361895, WO96/09659 describen diferentes configuraciones de sistemas de compresión de celdas de combustible.

Generalmente, una sola celda puede producir un potencial eléctrico relativamente pequeño. Por lo tanto, para aumentar el voltaje de salida total, a menudo las celdas individuales pueden apilarse juntas (por ejemplo, en serie) para formar una celda de combustible o una pila de celdas electroquímicas. El número de celdas individuales en una pila de celdas electroquímicas puede depender de la aplicación y la cantidad de voltaje de salida requerida de la pila de celdas electroquímicas para esa aplicación. Las celdas electroquímicas en una pila pueden comprimirse y mantenerse mediante un sistema de compresión. Algunos sistemas de compresión existentes para comprimir celdas electroquímicas utilizan tirantes, bandas y/o resortes para aplicar una o más fuerzas de compresión a la pila de celdas electroquímicas. Aunque los sistemas de compresión existentes proporcionan un mecanismo para mantener una pila electroquímica en un estado de compresión, no son óptimos. Por ejemplo, estos sistemas existentes pueden ser demasiado complejos, pesados y costosos. El procedimiento para comprimir la pila utilizando sistemas existentes suele ser largo y complicado. Además, las fuerzas de compresión aplicadas por el sistema de compresión existente no siempre se aplican uniformemente a través de la pila, lo que puede afectar la resistencia de contacto; conducción eléctrica; y porosidad de las capas de difusión de gas, capas microporosas, membranas de las celdas dentro de la pila y otros componentes. Por lo tanto, las fuerzas de compresión aplicadas de manera desigual pueden afectar el rendimiento general de la pila.

Los sistemas y métodos divulgados de compresión de pilas de celdas de combustible están dirigidos a superar uno o más de los problemas expuestos anteriormente y/u otros problemas con las tecnologías existentes.

En un aspecto, la presente divulgación está dirigida a un método para comprimir una pila de celdas electroquímicas. El método puede incluir colocar una pila de celdas electroquímicas en una primera placa terminal y colocar una placa de compresión en la pila de celdas electroquímicas en un extremo opuesto a la primera placa terminal. El método también puede incluir disponer uno o más miembros de compresión en la placa de compresión. El método puede incluir además colocar una segunda placa terminal sobre la placa de compresión de modo que uno o más miembros de compresión se alineen con una o más aberturas en la segunda placa terminal. El método también puede incluir aplicar una fuerza a la placa de compresión a través del uno o más miembros de compresión, en el que la fuerza comprime la pila de celdas electroquímicas. El método puede incluir además unir uno o más miembros de tensión a la primera placa terminal y la segunda placa terminal, en el que los miembros de tensión están configurados para mantener una distancia fija entre la primera placa terminal y la segunda placa terminal. El método también puede incluir sujetar una o más tuercas de bloqueo a la segunda placa terminal, en el que las tuercas de bloqueo están configuradas para asegurar la posición del uno o más miembros de compresión y la placa de compresión con respecto a la segunda placa terminal.

En otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un conjunto de pila de celdas electroquímicas. El conjunto puede incluir una pila de celdas electroquímicas y un sistema de compresión configurado para mantener la pila de celdas electroquímicas en un estado de compresión. El sistema de compresión puede incluir una primera placa terminal y una segunda placa terminal colocadas en los extremos opuestos de la pila de celdas electroquímicas y un conjunto de miembros de tensión acoplados a la primera placa terminal y la segunda placa terminal y configurados para mantener una distancia fija entre la primera placa terminal y la segunda placa terminal. El sistema de compresión también puede incluir una placa de compresión dispuesta entre la segunda placa terminal y la pila de celdas electroquímicas. El sistema de compresión puede incluir además un miembro de compresión en contacto con la placa de compresión, en el que el miembro de compresión está configurado para transferir una fuerza a la placa de compresión. El sistema de compresión también puede incluir una tuerca de bloqueo sujeta a la segunda placa, en la que la tuerca de bloqueo asegura la posición del miembro de compresión y la placa de compresión con respecto a la segunda placa terminal.

En otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un sistema de compresión para una pila de celdas electroquímicas. El sistema de compresión puede incluir una primera placa terminal y una segunda placa terminal configuradas para colocarse en lados opuestos de la pila de celdas electroquímicas y un conjunto de miembros de tensión acoplados a la primera placa terminal y la segunda placa terminal y configurados para mantener una distancia fija entre la primera placa terminal y la segunda placa terminal. El sistema de compresión también puede incluir una placa de compresión configurada para estar dispuesta entre la segunda placa terminal y la pila de celdas electroquímicas. El sistema de compresión puede incluir además un miembro de compresión configurado para contactar con la placa de compresión y transferir una fuerza a la placa de compresión. El sistema de compresión también puede incluir una tuerca de bloqueo configurada para sujetarse a la segunda placa, en la que la tuerca de bloqueo asegura la posición del miembro de compresión y la placa de compresión con respecto a la segunda placa terminal.

Debe entenderse que tanto la descripción general anterior como la siguiente descripción detallada son únicamente ilustrativas y explicativas y no son restrictivas de la divulgación, como se reivindica.

Los dibujos adjuntos, que se incorporan aquí y constituyen una porción de esta especificación, ilustran realizaciones de la presente divulgación y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la divulgación.

La figura 1 es una vista en perspectiva de un conjunto de pila de celdas electroquímicas, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 2 es una vista de conjunto en perspectiva parcialmente despiezada del conjunto de pila de celdas electroquímicas de la figura 1, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 3 es una vista superior en perspectiva de una placa de compresión, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 4 es una vista superior en perspectiva de una arandela Belleville, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 5 es una vista en perspectiva desde abajo de una caperuza de compresión, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 6 es una vista en perspectiva desde abajo de una herramienta de compresión, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 7 es una vista en perspectiva de una porción de la pila de celdas electroquímicas de la figura 1 con la herramienta de compresión de la figura 6 colocada para comprimir el conjunto de pila de celdas electromecánicas, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 8 es una vista lateral en sección transversal de una porción de la pila de celdas electroquímicas de la figura 1 con la herramienta de compresión de la figura 6 colocada para comprimir el conjunto de pila de celdas electromecánicas, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 9 es una vista en perspectiva de un conjunto parcialmente despiezado de un conjunto de pila de celdas electromecánicas, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 10 es una vista en perspectiva del conjunto de pila de celdas electroquímicas de la figura 9, de acuerdo con una realización ejemplar.

La figura 11 es una vista lateral en sección transversal de una porción del conjunto de pila de celdas electroquímicas de la figura 10, de acuerdo con una realización ejemplar.

Ahora se hará referencia en detalle a realizaciones ejemplares de la presente divulgación, ejemplos de las cuales se ilustran en los dibujos adjuntos. Siempre que sea posible, se utilizarán los mismos números de referencia en todos los dibujos para hacer referencia a partes iguales o similares. Aunque se describe en relación con una celda electroquímica para generar electricidad, se entiende que los dispositivos y métodos de la presente divulgación se pueden emplear con diversos tipos de celdas de combustible o celdas electroquímicas, incluidas, pero no se limitan a, celdas de electrólisis, purificadores de hidrógeno, expansores de hidrógeno y bombas de hidrógeno.

La figura 1 muestra una vista en perspectiva de un conjunto 10 de pila de celdas electroquímicas, de acuerdo con una realización ejemplar. El conjunto 10 puede comprender una pila 12 de celdas electroquímicas y un sistema 14 de compresión configurado para mantener la pila 12 en un estado comprimido. La pila 12 de celdas electroquímicas, que puede denominarse en el presente documento pila 12, puede incluir una o más celdas electroquímicas apiladas una encima de la otra (no se muestran las celdas individuales). La pila 12, como se menciona en el presente documento, también puede incluir componentes adicionales, por ejemplo, placas colectoras de corriente, láminas de aislamiento, placas de refrigerante, etc.

La figura 2 muestra una vista de conjunto parcialmente despiezada del conjunto 10 de pila de celdas electroquímicas, de acuerdo con una realización ejemplar. Por favor note que diversos componentes del conjunto 10 que se muestran en la figura 1 se han eliminado para permitir una mejor visualización de los componentes internos. Como se muestra en las figuras 1 y 2, el sistema 14 de compresión puede comprender una primera placa terminal, como la placa terminal 16 fija, y una segunda placa terminal, como la placa terminal 18 libre. La placa terminal 16 fija y la placa terminal 18 libre pueden configurarse para colocarse en extremos opuestos de la pila 12 de celdas electroquímicas. La placa terminal 16 fija y la placa terminal 18 libre pueden configurarse para asegurarse a una distancia fija entre sí mediante uno o más miembros de tensión, por ejemplo, una pluralidad de placas 20 de tensión que pueden configurarse para extenderse a lo largo del exterior de la pila 12. El sistema 14 de compresión también puede comprender una placa 22 de compresión configurada para colocarse entre la placa terminal 18 libre y la pila 12. Durante la compresión inicial del conjunto 10 de pila de celdas electroquímicas, se puede aplicar una fuerza de compresión (por ejemplo, mediante una prensa hidráulica) para placa 22 de compresión hacia la placa terminal 16 fija, lo que puede hacer que la pila 12 se comprima. La fuerza se puede transferir a la placa 22 de compresión a través de uno o más miembros 24 de compresión colocados dentro de una o más aberturas 26 correspondientes en la placa terminal 18 libre. De acuerdo con una realización ejemplar, cada miembro 24 de compresión puede comprender una caperuza 28 de compresión y una pila 30 de arandelas Belleville. Durante el montaje, una vez que se alcanza el nivel deseado de compresión de la pila 12, se pueden asegurar una o más tuercas 32 de bloqueo a la placa terminal 18 libre. Cada tuerca 32 de bloqueo puede configurarse para asegurar la posición de un miembro 24 de compresión y por lo tanto también asegurar la posición de la placa 22 de compresión con respecto a la placa terminal 18 libre de modo que se pueda mantener el estado comprimido de la pila 12 de celdas electroquímicas. De acuerdo con una realización ejemplar, la placa terminal 16 fija puede reemplazarse con otra instancia de placa terminal 18 libre, placa 22 de compresión, miembros 24 de compresión y tuercas 32 de bloqueo. En dicha realización, se puede aplicar una fuerza externa a un extremo del sistema 14 de compresión mientras que las tuercas 32 de bloqueo se aprietan en el otro extremo del sistema 14 de compresión.

Un método para comprimir la pila 12 de celdas electroquímicas usando el sistema 14 de compresión, de acuerdo con una realización ejemplar, puede comenzar colocando la pila 12 de celdas electroquímicas en la placa terminal 16 fija, como se muestra en la figura 2. La colocación de la pila 12 puede incluir colocar toda la pila 12 a la vez o ensamblar la pila 12 en piezas sobre la parte superior de la placa terminal 16 fija. En algunas realizaciones, una o más placas 20 de tensión se pueden unir a la placa terminal 16 fija antes de colocar la pila 12 en orden para facilitar la alineación adecuada de la pila 12 sobre la placa terminal 16 fija. Por ejemplo, como se muestra en la figura 2, se pueden unir dos placas 20 de tensión a los lados adyacentes de la placa terminal 16 fija con el fin de formar una esquina en la que la pila 12 se puede acuñar o empujar durante la colocación.

Las placas 20 de tensión se pueden acoplar a la placa terminal 18 libre y a la placa terminal 16 fija por cualquier medio adecuado. Por ejemplo, como se muestra en las figuras 1 y 2, una pluralidad de pernos 31 de la placa terminal pueden pasar a través de los orificios 39 en las placas 20 de tensión y atornillarse en los correspondientes orificios 37 de la placa terminal en la placa terminal 18 libre y la placa terminal 16 fija. Se contempla que se puedan utilizar otros medios de fijación. Por ejemplo, en otras realizaciones, las placas 20 de tensión pueden configurarse para tener raíles en cada extremo que están diseñados para deslizarse en las ranuras correspondientes formadas en la placa terminal 18 libre y la placa terminal 16 fija.

Después de la colocación de la pila 12, el método puede comprender colocar la placa 22 de compresión sobre la pila 12 en el extremo opuesto a la placa terminal 16 fija, como se muestra en la figura 2. La placa 22 de compresión puede ser una placa generalmente plana configurada para acoplarse al ras con una superficie superior de la pila 12. La forma de la placa 22 de compresión puede configurarse para corresponder con la forma de la pila 12 y alinearse con un área activa de la pila 12, como se muestra. en la figura 2. El área activa de la pila puede corresponder al área activa alineada de cada celda, que puede incluir el área superpuesta de un ánodo, un cátodo y un electrolito de cada celda. La placa 22 de compresión puede estar hecha de acero al carbono, acero inoxidable, aluminio, otros metales y/o materiales plásticos. La placa de compresión puede tener un grosor entre aproximadamente un cuarto de pulgada y aproximadamente tres cuartos de pulgada.

En algunas realizaciones, la placa 22 de compresión puede incluir una o más varillas 34 de alineación que se extienden desde una superficie superior alejándose de la pila 12, como se muestra en la figura 2. La figura 3 muestra una vista en perspectiva ampliada de una realización ejemplar de la placa 22 de compresión que tiene cuatro varillas 34 de alineación. Como se muestra en la figura 3, las varillas 34 de alineación pueden estar distribuidas uniformemente a través de la superficie superior de modo que estén aproximadamente equidistantes del centro de la placa 22 de compresión. En otras realizaciones, la placa 22 de compresión puede tener un número mayor o menor de varillas 34 de alineación. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la placa 22 de compresión puede tener una, dos, tres, cinco, seis, ocho, diez o más varillas de alineación. El número de varillas 34 de alineación y el tamaño de la placa 22 de compresión pueden aumentar o disminuir proporcionalmente al área de la sección transversal de la pila 12. Por ejemplo, una pila donde cada celda tiene un área activa de entre aproximadamente 200 cm2 y aproximadamente 220 cm2 puede comprimirse usando la placa 22 de compresión que tiene cuatro varillas 34 de alineación y cuatro miembros 24 de compresión correspondientes. En otro ejemplo, una pila donde cada celda tiene un área activa entre aproximadamente 100 cm2 y aproximadamente 110 cm2 puede comprimirse usando la placa 22 de compresión que tiene dos varillas 34 de alineación y dos miembros 24 de compresión correspondientes. Por lo tanto, el sistema 14 de compresión puede configurarse de modo que por cada 50 cm2 de área activa se pueda utilizar un miembro 24 de compresión. Una realización de la placa 22 de compresión que tiene solo una varilla 34 de alineación puede configurarse de manera que la varilla de alineación se coloque en el centro de la placa 22 de compresión. En una realización ejemplar, una pila donde cada celda tiene un área activa de aproximadamente 250 cm2 a aproximadamente 350 cm2 se pueden comprimir usando la placa 22 de compresión que tiene cuatro o más varillas 34 de alineación y cuatro o más miembros 24 de compresión correspondientes. En otra realización ejemplar, se puede comprimir una pila donde cada celda tiene un área activa de aproximadamente 150 cm2 a aproximadamente 250 cm2 usando la placa 22 de compresión que tiene cuatro varillas 34 de alineación y cuatro miembros 24 de compresión correspondientes. En una realización ejemplar, una pila donde cada celda tiene un área activa de aproximadamente 50 cm2 a aproximadamente 150 cm2 puede comprimirse usando la placa 22 de compresión que tiene dos varillas 34 de alineación y dos miembros 24 de compresión correspondientes. Debe entenderse que pueden usarse diferentes cantidades de varillas 34 de alineación y/o miembros 24 de compresión.

Después de la colocación de la placa 22 de compresión, el método de compresión de la pila 12 puede comprender disponer uno o más miembros 24 de compresión sobre la placa 22 de compresión. De acuerdo con una realización ejemplar, como se muestra en la figura 2, el sistema 14 de compresión puede comprender cuatro miembros 24 de compresión y la disposición de los miembros de compresión puede incluir distribuir uniformemente los cuatro miembros 24 de compresión sobre el área activa de la pila 12. Como se describe en este documento, cada miembro 24 de compresión puede incluir una caperuza 28 de compresión apilada en la parte superior de una pila 30 de arandelas Belleville. Para las realizaciones en las que la placa 22 de compresión incluye varillas 34 de alineación, las pilas 30 de arandelas Belleville pueden disponerse colocando cada pila 30 de arandelas Belleville de modo que rodee cada varilla 34 de alineación.

La pila 30 de arandelas Belleville puede incluir una pluralidad de arandelas Belleville apiladas una encima de la otra. Por ejemplo, como se muestra en la figura 2, la pila 30 de arandelas Belleville puede incluir cuatro arandelas Belleville apiladas una encima de otra. En otras realizaciones, cada pila 30 de arandelas Belleville puede incluir un número mayor o menor de arandelas Belleville. Por ejemplo, en algunas realizaciones, una pila 30 de arandelas Belleville puede incluir una, dos, tres, cinco, seis, siete o más arandelas Belleville.

La figura 4 muestra una vista en perspectiva de cerca de una arandela 33 Belleville, de acuerdo con una realización ejemplar. Como se muestra en la figura 4, la arandela 33 Belleville puede tener una forma sustancialmente troncocónica con un orificio 35 pasante central. La arandela 33 Belleville puede configurarse para exhibir propiedades de resorte y absorber vibraciones y la expansión de los componentes entre la placa terminal 18 libre y la placa terminal 16 fija cuando está bajo compresión.

Se puede apilar una pluralidad de arandela 33 Belleville en diversas disposiciones cuando se forma una pila 30 de arandelas Belleville. Por ejemplo, en una pila 30 de arandelas Belleville que tiene cuatro arandelas 33 Belleville, las dos primeras arandelas Belleville pueden tener una orientación correspondiente de modo que las arandelas se acoplan al ras entre sí y las dos últimas arandelas pueden tener una orientación correspondiente entre sí, pero pueden voltearse boca abajo en relación con las dos primeras arandelas Belleville. El resultado es que las dos arandelas Belleville que están intercaladas entre las dos arandelas Belleville exteriores no se acoplan al ras, sino que solo sus bordes exteriores hacen contacto cuando están descomprimidos. Se contempla que se puedan usar otras disposiciones de arandela 33 Belleville para formar una pila 30 de arandelas Belleville.

La figura 5 muestra una vista en perspectiva inferior de primer plano de la caperuza 28 de compresión, de acuerdo con una realización ejemplar. La caperuza 28 de compresión puede configurarse para transferir una fuerza de compresión a una pila 30 de arandelas Belleville sobre la que se coloca durante la compresión de la pila 12. La caperuza 28 de compresión también puede configurarse para transferir una fuerza de compresión entre la tuerca 32 de bloqueo y la pila 30 de arandelas Belleville una vez que la tuerca 32 de bloqueo se ha fijado y asegurado en su lugar.

Como se muestra en la figura 5, la caperuza 28 de compresión puede tener una forma sustancialmente troncocónica. La caperuza 28 de compresión también puede incluir una primera cavidad 38 rebajada configurada para recibir una porción de una arandela 33 Belleville y una segunda cavidad 40 rebajada concéntrica y más profunda que la primera cavidad 38 rebajada. La segunda cavidad 40 rebajada puede configurarse para recibir una porción de una varilla 34 de alineación cuando un miembro 24 de compresión (es decir, la caperuza 28 de compresión y la pila 30 de arandelas Belleville) se colocan sobre y alrededor de una varilla de alineación. La primera cavidad 38 rebajada y la segunda cavidad 40 rebajada pueden configurarse para facilitar la alineación durante el posicionamiento de uno o más miembros 24 de compresión. La caperuza 28 de compresión también puede incluir un orificio 42 pasante central, como se ilustra en la figura 5.

Haciendo referencia de nuevo a la figura 2, después de la colocación de uno o más miembros 24 de compresión, el método de compresión de la pila 12 puede comprender colocar la placa terminal 18 libre sobre la placa 22 de compresión de manera que el uno o más miembros 24 de compresión se alineen con la una o más aberturas 26 en la placa terminal 18 libre. En algunas realizaciones, la placa 18 de extremo libre puede colocarse antes de la colocación de los miembros 24 de compresión y, posteriormente, los miembros 24 de compresión pueden colocarse en las aberturas 26.

Como se muestra en la figura 2, la placa terminal 18 libre puede contener una pluralidad de aberturas 26 roscadas que se extienden a través de la placa terminal 18 libre. Aunque la placa terminal 18 libre mostrada en la figura 2 tiene cuatro aberturas 26 roscadas, se contempla que, en otras realizaciones, la placa terminal 18 libre puede tener más (p. ej., 6, 8, 10) o menos (p. ej., 1,2, 3) aberturas roscadas, cuyo número puede corresponder con el número de miembros 24 de compresión y tuercas 32 de bloqueo.

Después del posicionamiento de la placa terminal 18 libre, las tuercas 32 de bloqueo pueden alinearse con las aberturas 26. En algunas realizaciones, las tuercas 32 de bloqueo pueden sujetarse parcialmente a la placa terminal 18 libre atornillando cada tuerca 32 de bloqueo parcialmente en la abertura 26 roscada correspondiente.

Después de la colocación de la placa terminal 18 libre, el método de compresión de la pila 12 puede comprender aplicar una fuerza a la placa 22 de compresión a través de los miembros 24 de compresión configurados para comprimir la pila 12. La fuerza puede ser aplicada por un dispositivo de compresión (por ejemplo, una prensa hidráulica) utilizando una herramienta 44 de compresión, como se muestra en la figura 6. La herramienta 44 de compresión puede incluir un bloque cuadrado o rectangular que tiene una o más patas 46 que se extienden en la misma dirección desde una superficie. Las patas 46 pueden colocarse para alinearse con la disposición de los miembros 24 de compresión en la placa 22 de compresión. Por ejemplo, como se muestra en las figuras 7 y 8, cuando la herramienta 44 de compresión se coloca en la parte superior de la pila 12, cada pata 46 puede configurarse para entrar en contacto con una superficie superior de una caperuza 28 de compresión. El diámetro de las patas 46 puede configurarse para corresponder a un diámetro de la superficie superior de las caperuzas 28 de compresión, permitiendo que las patas 46 entren en contacto con las superficies superiores de las caperuzas 28 de compresión mientras pasan a través de las tuercas 32 de bloqueo. En algunas realizaciones, cada pata 46 puede incluir una clavija 48 de alineación configurada para pasar al orificio 42 de la caperuza 28 de compresión para facilitar la alineación de la herramienta 44 de compresión. En algunas realizaciones, la clavija 48 de alineación puede ser un pasador, un botón o cualquier otra característica de alineación adecuada.

Como se muestra en la figura 8, la herramienta 44 de compresión se puede usar para aplicar una fuerza a los miembros 24 de compresión (es decir, la caperuza 28 de compresión y la pila 30 de arandelas Belleville), que luego se transfiere a la placa 22 de compresión y a la pila 12 electroquímica. Como se describe en este documento, la fuerza es diseñada para comprimir la pila 12. En algunas realizaciones, la fuerza se puede aplicar hasta que la pila 12 de celdas electroquímicas se comprima a una altura predeterminada, que puede corresponder al diseño de la pila y al número de celdas en la pila. En otras realizaciones, la fuerza se puede aplicar durante una duración predeterminada. La fuerza aplicada puede ejercer una presión de aproximadamente diez kilogramos por centímetro cuadrado a aproximadamente 50 kilogramos por centímetro cuadrado de presión. La pila 12 puede configurarse para comprimirse a una altura de aproximadamente 50 % a aproximadamente 60 %, aproximadamente 60 % a aproximadamente 70 % o aproximadamente 70 % a aproximadamente 80 % de la altura sin comprimir de la pila 12.

Después de que se aplica la fuerza y la pila 12 se comprime a un nivel deseado (por ejemplo, una altura predeterminada), el método de comprimir la pila 12 puede comprender unir una o más placas 20 de tensión a la placa terminal 16 fija y la placa terminal 18 libre. Las placas 20 de tensión se pueden configurar para mantener una distancia fija entre la placa terminal 16 fija y la placa terminal 18 libre. Como se describe en este documento, para unir las placas 20 de tensión a la placa terminal 16 fija y la placa terminal 18 libre, una pluralidad de pernos 31 de placa terminal pueden pasar a través de los orificios 39 en las placas 20 de tensión y se enroscan en los orificios 37 correspondientes en la placa terminal 18 libre y la placa terminal 16 fija. Antes de comprimir la pila 12, la distancia desde la placa terminal 18 libre a la placa terminal 16 fija puede ser mayor que la longitud de las placas 20 de tensión. Sin embargo, los orificios 39 en las placas 20 de tensión y los orificios 37 correspondientes en la placa terminal 16 fija y la placa terminal 18 libre pueden alinearse cuando la pila 12 se comprime a la altura predeterminada. Las placas 20 de tensión pueden estar hechas de una variedad de materiales, que incluyen, por ejemplo, aluminio, titanio, acero, fibra de carbono.

Una vez que las placas 20 de tensión se unen a la placa terminal 18 libre y a la placa terminal 16 fija, la fuerza de compresión se puede transferir a las placas 20 de tensión. El método de comprimir la pila 12 puede comprender además sujetar las tuercas 32 de bloqueo a la placa terminal 18 libre con el fin de transferir la fuerza de la herramienta 44 de compresión a las placas 20 de tensión. Por ejemplo, las tuercas 32 de bloqueo pueden atornillarse en las aberturas 26 hasta que hagan contacto con la caperuza 28 de compresión, como se muestra en la figura 8. Las tuercas 32 de bloqueo pueden apretarse a un valor de torque predeterminado. Como se muestra, por ejemplo, en las figuras 2, 7 y 8, las tuercas 32 de bloqueo pueden incluir características de superficie (por ejemplo, orificios) configuradas para permitir la conexión de una herramienta de torque para ayudar en el apriete. Las tuercas 32 de bloqueo pueden apretarse a un valor predeterminado, que puede diseñarse para evitar que las tuercas 32 de bloqueo se desenrosquen debido a vibraciones, así como a la expansión y contracción térmica.

Cuando las tuercas 32 de bloqueo están correctamente ajustadas, las tuercas 32 de bloqueo se acoplarán al ras con la superficie cónica de las caperuzas 28 de compresión, restringiendo así el movimiento de las caperuzas 28 de compresión, la pila 30 de arandelas Belleville (por ejemplo, los miembros 24 de compresión) y la placa 22 de compresión. Una vez completada, la herramienta 44 de compresión y la fuerza aplicada a través de la herramienta 44 de compresión pueden retirarse y la pila 12 puede permanecer en un estado de compresión.

Mientras están en el estado de compresión, los pernos 31 de la placa terminal pueden transferir fuerzas entre las placas 20 de tensión y la placa terminal 16 fija y la placa terminal 18 libre. También se pueden transferir fuerzas entre la placa terminal 18 libre y las tuercas 32 de bloqueo. Las fuerzas también se pueden transferir entre las tuercas 32 de bloqueo y miembros 24 de compresión (por ejemplo, caperuzas 28 de compresión y pilas 30 de arandelas Belleville). Las fuerzas también se pueden transferir entre los miembros 24 de compresión y la placa 22 de compresión. Las fuerzas también se pueden transferir entre la placa 22 de compresión y la pila 12. Una fuerza que se transfiere entre estos componentes puede ser la fuerza de expansión ejercida por la pila 12, que puede ser contrarrestada por la fuerza de compresión mantenida por el sistema 14 de compresión.

Tener las fuerzas de compresión aplicadas y mantenidas más cerca del centro de la placa terminal 16 fija, la placa terminal 18 libre y la placa 22 de compresión, como se describe en este documento, puede permitir que la placa terminal 16 fija, la placa terminal 18 libre y la placa 22 de compresión tengan un espesor reducido al mismo tiempo que reduce o elimina el arqueamiento en comparación con los sistemas de compresión tradicionales donde la fuerza se mantiene en el exterior o en la periferia. La reducción del espesor permitirá reducir el coste, el peso y el tamaño del sistema 14 de compresión y del conjunto 10 de pila de celdas electroquímicas. Reducir o eliminar el arqueamiento también puede aumentar la uniformidad y constancia de la compresión a lo largo del tiempo, así como aumentar la uniformidad y constancia de la fuerza y la presión aplicadas a la pila 12.

En algunas realizaciones, ciertos componentes del sistema 14 de compresión pueden combinarse para simplificar el diseño, reducir el coste, reducir el peso y/o reducir el tiempo de montaje. Por ejemplo, la figura 9 muestra una realización ejemplar en la que una o más placas 20 de tensión pueden estar unidas fijamente o fabricadas como parte de una placa terminal 16 fija y/o la placa terminal 18 libre. Por ejemplo, dos placas 20 de tensión y la placa terminal 16 fija pueden formarse como una primera unidad 54 única y otras dos placas 20 de tensión y la placa terminal 18 libre pueden formarse como una segunda unidad 58 única. Para tales realizaciones, la primera unidad 54 única y la segunda unidad 58 única pueden atornillarse juntas como parte del conjunto 10 de pila de celdas electroquímicas. Por ejemplo, la figura 10 muestra el conjunto 10 de pila de celdas electroquímicas colocado de lado y que comprende una primera unidad 54 y una segunda unidad 58 atornilladas con pernos 62. Tal disposición puede reducir el tiempo de montaje requerido porque, por ejemplo, es necesario asegurar menos pernos. La figura 10 también muestra los colectores 66 de fluido que pueden estar dentro de la primera unidad 54. Los colectores 66 de fluido pueden ser conductos para hacer circular combustible, oxidante y refrigerante por todo el conjunto 10 de pila de celdas electroquímicas.

En algunas realizaciones, una o más placas de tensión se pueden acoplar a una o más placas de extremo sin utilizar pernos. Por ejemplo, se puede usar un mecanismo de trinquete que permitirá que una o más placas de tensión se encajen a presión en una o más placas de extremo, pero evitará que se rompan. Además, o en lugar del mecanismo de trinquete, las placas de tensión pueden tener ángulos rectos o características en forma de gancho en sus extremos que pueden deslizarse sobre los bordes de las placas de extremo cuando las placas de extremo están bajo compresión de la prensa hidráulica. En algunas realizaciones, esto se puede realizar con juntas de cola de milano. Por ejemplo, la figura 11 muestra una vista lateral en sección transversal de una porción de una realización ejemplar de un conjunto 10 de pila de celdas electroquímicas con juntas 70 de cola de milano. Como se muestra, las juntas 70 de cola de milano pueden comprender características 74 en forma de gancho en las placas 20 de tensión que se pueden deslizar sobre bordes de la placa terminal 18 libre. Los bordes de la placa terminal 18 libre pueden cortarse para recibir las características en forma de gancho en las placas 20 de tensión. Cuando se retira la prensa hidráulica, los ángulos rectos o características en forma de gancho de las placas de tensión pueden sujetar las placas de extremo fijos entre sí.

En otras formas de realización, las placas 20 de tensión pueden reemplazarse por un manguito de tensión cuadrado diseñado para deslizarse sobre la parte superior de la placa terminal 16 fija y hacia abajo alrededor de la pila 12. Para tales formas de realización, el manguito de tensión también puede servir como escudo protector alrededor de la pila 12. Por ejemplo, el manguito de tensión puede proteger contra el contacto inadvertido con la pila 12, protección contra el polvo y protección contra el agua. En algunas realizaciones, las placas 20 de tensión también pueden adaptarse para encerrar completamente la pila 12 de modo que también pueden funcionar como un escudo protector. El uso de placas 20 de tensión y/o un manguito de tensión como miembros de tensión estructurales, así como un escudo protector puede reducir el número de partes necesarias para montar el conjunto 10 de pila de celdas electroquímicas, lo que puede reducir el coste, el tiempo de montaje y/o el tamaño del conjunto.

El sistema 14 de compresión y el método de compresión de la pila 12, como se describe en este documento, pueden proporcionar una aplicación de fuerza y la presión correspondiente sobre el área activa de la pila 12 que es más uniforme que la lograda con un método de compresión donde las principales fuerzas de compresión son transferidas a la periferia o fuera del área activa de la pila de celdas electroquímicas. Una compresión más uniforme puede permitir que se utilice menos compresión mientras se mantiene la misma resistividad, lo que permite un mejor flujo de gas a través de la pila 12 de celdas electroquímicas y un rendimiento mejorado. Una compresión más uniforme puede facilitar una mejor distribución del calor, disminuyendo así las posibilidades de un fallo temprano de la pila 12 de celdas electroquímicas debido al sobrecalentamiento en un área que de otro modo tendría concentraciones más altas de calor.

Otra ventaja del sistema 14 de compresión y el correspondiente método de compresión aquí descrito es la reducción del tiempo de montaje en comparación con los sistemas de compresión tradicionales (por ejemplo, sistemas de compresión de tirantes). Debido a que la ubicación donde se aplica la compresión durante el conjunto y donde se mantiene después del conjunto es la misma, se puede eliminar el paso de transferir la compresión a los tirantes ubicados en la periferia, ahorrando así tiempo.

La descripción anterior se ha presentado con fines ilustrativos. No es exhaustivo y no se limita a formas precisas o realizaciones divulgadas. Las modificaciones y adaptaciones de las realizaciones resultarán evidentes a partir de la consideración de la especificación y la práctica de las realizaciones divulgadas. Por ejemplo, aunque se describe en relación con una pila de celdas electroquímicas, se entiende que el sistema de compresión descrito en este documento puede adaptarse para comprimir otros conjuntos además de pilas de celdas electroquímicas.

Además, aunque se han descrito aquí realizaciones ilustrativas, el alcance incluye todas y cada una de las realizaciones que tienen elementos equivalentes, modificaciones, omisiones, combinaciones (por ejemplo, de aspectos a través de diversas realizaciones), adaptaciones y/o alteraciones basadas en la presente divulgación. Los elementos de las reivindicaciones deben interpretarse ampliamente basándose en el lenguaje empleado en las reivindicaciones y no limitándose a los ejemplos descritos en la presente memoria descriptiva o durante la tramitación de la solicitud; tales ejemplos deben interpretarse como no exclusivos. Además, las etapas de los métodos divulgados pueden modificarse de cualquier manera, incluyendo reordenar las etapas y/o insertar o eliminar etapas.

El término “alrededor” o “aproximadamente” como se usa en este documento significa dentro de un rango de error aceptable para el valor particular de acuerdo con lo determinado por un experto en la técnica, que dependerá en parte de cómo se mida o determine el valor, por ejemplo, las limitaciones del sistema de medidas. Por ejemplo, “alrededor” puede significar dentro de una o más de una desviación estándar de acuerdo con la práctica en la técnica. Alternativamente, “alrededor” puede significar un rango de hasta el 20 %, tal como hasta el 10 %, hasta el 5 % y hasta el 1 % de un valor dado.

Las características y ventajas de la divulgación son evidentes a partir de la especificación detallada y, por lo tanto, se pretende que las reivindicaciones adjuntas cubran todos los sistemas y métodos que caen dentro del alcance de la divulgación. Como se usa en el presente documento, los artículos indefinidos “un” y “una” significan “uno o más”. De manera similar, el uso de un término en plural no denota necesariamente una pluralidad a menos que sea inequívoco en el contexto dado. Palabras como “y” o “o” significan “y/o” a menos que se indique específicamente lo contrario. Además, dado que se producirán fácilmente numerosas modificaciones y variaciones a partir del estudio de la presente divulgación, no se desea limitar la divulgación a la construcción y operación exactas ilustradas y descritas y, en consecuencia, se puede recurrir a todas las modificaciones adecuadas y equivalentes, que caen dentro del alcance de la divulgación.

Otras realizaciones de la presente divulgación resultarán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la consideración de la especificación y la práctica de la presente divulgación en el presente documento. Se pretende que la especificación y los ejemplos se consideren únicamente a modo de ejemplo, dentro del alcance de la presente descripción que se indica mediante las siguientes reivindicaciones.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un método para comprimir una pila de celdas electroquímicas, que comprende:

colocar una pila (12) de celdas electroquímicas en una primera placa terminal (16);

colocar una placa (22) de compresión en la pila (12) de celdas electroquímicas en un extremo opuesto a la primera placa terminal (16);

disponer uno o más miembros (24) de compresión en la placa (22) de compresión, en el que al menos uno de los uno o más miembros (24) de compresión comprende una pila de arandelas Belleville (30) y una caperuza (28) de compresión;

colocar una segunda placa terminal (18) sobre la placa (22) de compresión de modo que uno o más miembros (24) de compresión se alineen con una o más aberturas (26) roscadas en la segunda placa terminal (18);

aplicar una fuerza a la placa (22) de compresión a través de uno o más miembros (24) de compresión, en el que la fuerza comprime la pila (12) de celdas electroquímicas;

unir uno o más miembros (20) de tensión a la primera placa terminal (16) y la segunda placa terminal (18), en el que los miembros (20) de tensión están configurados para mantener una distancia fija entre la primera placa terminal (16) y la segunda placa terminal (18); y luego

sujetar una o más tuercas (32) de bloqueo a la segunda placa terminal (18) en el que las tuercas (32) de bloqueo se atornillan en las aberturas (26) y en el que las tuercas (32) de bloqueo están configuradas para asegurar la posición de uno o más miembros (24) de compresión y la placa (22) de compresión con respecto a la segunda placa terminal (18), en el que las tuercas (32) de bloqueo contactan con el miembro (24) de compresión;

en el que la caperuza (28) de compresión tiene forma cónica y las tuercas (32) de bloqueo tienen una cavidad de forma cónica correspondiente configurada para acoplarse a ras con la caperuza (28) de compresión.

2. El método de la reivindicación 1, en el que disponer uno o más miembros (24) de compresión comprende distribuir uniformemente al menos uno de los uno o más miembros (24) de compresión sobre un área activa de la pila (12) electroquímica.

3. El método de la reivindicación 1, en el que una o más tuercas (32) de bloqueo se colocan para sujetar a la segunda placa terminal (18) antes de aplicar la fuerza a la placa (22) de compresión.

4. El método de la reivindicación 1, que comprende además aplicar la fuerza hasta que la pila (12) de celdas electroquímicas se comprima a una altura predeterminada.

5. El método de la reivindicación 4, en el que a la altura predeterminada conjuntos de orificios en cada extremo de uno o más miembros (20) de tensión se alinean con un conjunto de orificios en la primera placa terminal (16) y un conjunto de orificios en la segunda placa terminal (18).

6. El método de la reivindicación 1, que comprende, además:

unir uno o más de los miembros (20) de tensión a la primera placa terminal (16) antes de colocar la pila (12) de celdas electroquímicas en la primera placa terminal (16); y

alinear la pila (12) de celdas electroquímicas en la primera placa terminal (16) usando el uno o más miembros (20) de tensión unidos a la primera placa terminal (16).

7. El método de la reivindicación 1, que comprende además apretar la una o más tuercas (32) de bloqueo a un valor de torque predeterminado.

8. Un conjunto de pila de celdas electroquímicas, que comprende:

una pila (12) de celdas electroquímicas; y

un sistema (14) de compresión configurado para mantener la pila (12) de celdas electroquímicas en un estado de compresión, comprendiendo el sistema (14) de compresión:

una primera placa terminal (16) y una segunda placa terminal (18) colocadas en extremos opuestos de la pila (12) de celdas electroquímicas;

un conjunto de miembros (20) de tensión acoplados a la primera placa terminal (16) y la segunda placa terminal (18) y configurados para mantener una distancia fija entre la primera placa terminal (16) y la segunda placa terminal (18);

una placa (22) de compresión dispuesta entre la segunda placa terminal (18) y la pila (12) de celdas electroquímicas;

un miembro (24) de compresión en contacto con la placa (22) de compresión, en el que el miembro (24) de compresión está configurado para transferir una fuerza a la placa (22) de compresión, en el que el miembro (24) de compresión comprende una pila de arandelas Belleville (30) y una caperuza (28) de compresión

una tuerca (32) de bloqueo sujeta a la segunda placa terminal (18), en la que la tuerca de bloqueo se atornilla en las aberturas (26) en la segunda placa terminal (18) y en la que la tuerca (32) de bloqueo asegura la posición del miembro (24) de compresión y placa (22) de compresión con respecto a la segunda placa terminal (18), y;

en el que la caperuza (28) de compresión tiene forma cónica y la tuerca (32) de bloqueo tiene una cavidad de forma cónica correspondiente configurada para acoplarse a ras con la caperuza (28) de compresión.

9. El conjunto de pila de celdas electroquímicas de la reivindicación 8, en el que la segunda placa terminal (18) tiene una abertura (26) configurada para recibir el miembro (24) de compresión.

10. El conjunto de pila de celdas electroquímicas de la reivindicación 9, en el que la abertura (26) en la segunda placa terminal está roscada y la tuerca (32) de bloqueo se fija a la segunda placa atornillando la tuerca de bloqueo en la abertura.

11. El conjunto de pila de celdas electroquímicas de la reivindicación 9, en el que la tuerca (32) de bloqueo está configurada para atornillarse en la abertura (26) de modo que contacte con el miembro de compresión.

12. El conjunto de pila de celdas electroquímicas de la reivindicación 8, en el que el sistema (14) de compresión comprende una pluralidad de miembros (24) de compresión dispuestos uniformemente sobre la placa de compresión.

13. El conjunto de pila de celdas electroquímicas de la reivindicación 8, en el que la placa (22) de compresión incluye una varilla (34) de alineación sobre la que se coloca la pila de arandelas Belleville (30).

14. Un sistema de compresión para una pila (12) de celdas electroquímicas, que comprende:

una primera placa terminal (16) y una segunda placa terminal (18) configuradas para colocarse en lados opuestos de la pila (12) de celdas electroquímicas;

un conjunto de miembros (20) de tensión acoplados a la primera placa terminal (16) y la segunda placa terminal (18) y configurados para mantener una distancia fija entre la primera placa terminal (16) y la segunda placa terminal (18);

una placa (22) de compresión configurada para colocarse entre la segunda placa terminal (18) y la pila (12) de celdas electroquímicas;

un miembro (20) de compresión configurado para entrar en contacto con la placa (22) de compresión y transferir una fuerza a la placa (22) de compresión

en el que el miembro (24) de compresión comprende una pila de arandelas Belleville (30) y una caperuza (28) de compresión; una tuerca (32) de bloqueo configurada para ser fijada a la segunda placa terminal (18), en el que las tuercas de bloqueo se atornillan en las aberturas (26) en la segunda placa terminal (18) y en el que la tuerca (32) de bloqueo asegura la posición del miembro (20) de compresión y la placa (22) de compresión con respecto a la segunda placa terminal (18); y

en el que la caperuza (28) de compresión tiene forma cónica y la tuerca (32) de bloqueo tiene una cavidad de forma cónica correspondiente configurada para acoplarse a ras con la caperuza (28) de compresión.

15. El sistema de compresión de la reivindicación 14, en el que la segunda placa terminal (18) tiene una abertura (26) configurada para recibir el miembro (24) de compresión.

16. El sistema de compresión de la reivindicación 15, en el que la abertura en la segunda placa terminal (18) está roscada y la tuerca (32) de bloqueo se fija a la segunda placa terminal (18) atornillando la tuerca de bloqueo en la abertura (26).

17. El sistema de compresión de la reivindicación 15, en el que la tuerca (32) de bloqueo está configurada para atornillarse en la abertura (26) de modo que contacte con el miembro (24) de compresión.