ES2942330T3 - Unidad de celda de combustible y pila de celdas de combustible - Google Patents

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Abstract

Una unidad de celda de combustible SOEC o SOFC con soporte metálico (10) que comprende una placa separadora (12) y una placa de soporte metálica (14) con capas químicas (50) superpuestas para formar una unidad repetida, al menos una placa que tiene un perímetro con bridas características (18) formadas presionando la placa, las placas están directamente unidas en las características del perímetro con bridas para formar un volumen de fluido (20) entre ellas y cada una tiene al menos un puerto de fluido (22), donde los puertos están alineados y se comunican con el volumen de fluido, y al menos una de las placas tiene características de puerto con forma prensada (24) formadas alrededor de su puerto que se extiende hacia la otra placa e incluye elementos espaciados entre sí para definir vías de fluido para permitir el paso de fluido desde el puerto al fluido volumen. Los miembros elevados (120) pueden recibir una junta (34), actuar como un tope rígido o actuar como una superficie de apoyo del sello. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Unidad de celda de combustible y pila de celdas de combustible
La presente invención se refiere a una unidad de celda de combustible electroquímica mejorada y a una pila que comprende una pluralidad de dichas unidades de celdas de combustible electroquímica, así como a un método para fabricar las mismas. La presente invención se refiere más específicamente a celdas de combustible con soporte metálico, en particular, unidades de celdas de combustible de óxido sólido con soporte metálico de tipo oxidante (MS-SOFC) o tipo electrolizador (MS-SOEC), y pilas de las mismas.
Algunas unidades de celdas de combustible pueden producir electricidad mediante un proceso de conversión electroquímica que oxida el combustible para producir electricidad. Algunas unidades de celdas de combustible también pueden, o en su lugar, operar como unidades de celdas de combustible regenerativas (o celdas de combustible inversas), a menudo conocidas como unidades de celdas de combustible de electrolizador de óxido sólido, por ejemplo para separar el hidrógeno y el oxígeno del agua, o el monóxido de carbono y el oxígeno del dióxido carbono. Pueden tener una configuración tubular o plana. Las unidades de celdas de combustible planas pueden disponerse superpuestas entre sí en una disposición de pila, por ejemplo, 100-200 unidades de celdas de combustible en una pila, con las unidades de celdas de combustible individuales dispuestas eléctricamente en serie.
Una celda de combustible de óxido sólido que produce electricidad se basa en un electrolito de óxido sólido que conduce iones de oxígeno negativos desde un cátodo a un ánodo ubicado en lados opuestos del electrolito. Para ello, un combustible, o combustible reformado, entra en contacto con el ánodo (electrodo de combustible) y un oxidante, tal como el aire o un fluido rico en oxígeno, entra en contacto con el cátodo (electrodo de aire). Las SOFC convencionales con soporte de cerámica (por ejemplo, con soporte de ánodo) tienen una baja resistencia mecánica y son vulnerables a la fractura. Por lo tanto, recientemente se han desarrollado SOFC con soporte metálico que tienen la capa del componente activo de la celda de combustible soportada sobre un sustrato metálico. En estas celdas, las capas cerámicas pueden ser muy delgadas ya que solo realizan una función electroquímica: es decir, las capas cerámicas no son autoportantes sino que son capas/películas delgadas que se depositan y soportan sobre el sustrato metálico. Tales pilas de SOFC con soporte metálico son más robustas, de menor costo, tienen mejores propiedades térmicas que las SOFC con soporte cerámico y se pueden fabricar utilizando técnicas convencionales de soldadura de metales.
El documento US 2011/0129756 A1 (TOPSOE FUEL CELL AS) se relaciona con una interconexión para una celda de combustible. El documento US 2015/0311559 A1 (HONDA Mo To R CO LTD) se refiere a un ensamblaje de electrodos con electrolito que incluye un ánodo, un cátodo y un electrolito interpuesto entre el ánodo y el cátodo. El documento US2009/0226786 A1 (SELCUK et al) se refiere a colectores de corriente para celdas de combustible. El documento US 2015/0318563 A1 de NGK Spark Plug Co) se refiere a una celda de combustible con separador.
El documento WO2015/136295 anterior del solicitante divulga las SOFC con soporte metálico en las que la capa electroquímicamente activa (o la capa activa del componente de la celda de combustible) comprende capas respectivas de ánodo, electrolito y cátodo respectivamente depositadas (por ejemplo, como revestimientos/películas delgadas) sobre y soportadas por una placa de soporte metálica 110 (por ejemplo, lámina). La placa de soporte metálica tiene una región porosa rodeada por una región no porosa con las capas activas depositadas sobre la región porosa para que los gases puedan pasar a través de los poros desde un lado de la placa de soporte metálica hacia el lado opuesto para acceder a las capas activas recubiertas sobre la misma. Como se muestra en la Figura 42, la unidad de celda de combustible 90 comprende tres placas o capas - la placa de soporte metálica 110, una placa separadora 150 y una placa espaciadora 152 intercaladas entre ellas. También tiene puertos de fluido 180, 200 (para oxidante o combustible) y las tres placas se apilan una sobre otra y se sueldan (fusionan entre sí) a través de la placa espaciadora 152 para formar una sola unidad de celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico con un volumen de fluido en el medio definido por el gran espacio 160 provisto en la placa espaciadora 152. Los componentes metálicos de la capa repetida de la pila de celdas de combustible están en contacto eléctrico entre sí, y el flujo de electrones entre ellos se realiza principalmente a través de la ruta de fusión/soldadura, evitando así pérdidas de resistencia de contacto de superficie a superficie.
Como se discute en el documento WO2015/136295, en la placa de soporte metálica 110, se proporcionan pequeñas aberturas (no mostradas) a través de la placa de soporte metálica 110, en una ubicación para cubrir el ánodo (o cátodo, dependiendo de la orientación de polaridad de la capa electroquímicamente activa), que se coloca debajo de la placa de soporte metálica 110. Estas se colocan en el gran espacio o abertura 160 definido por la placa espaciadora 152 para permitir que el volumen de fluido esté en comunicación fluida con las capas electroquímicamente activas en la parte inferior de la placa de soporte 110 a través de las pequeñas aberturas.
En la placa separadora 150, se proporcionan corrugaciones hacia arriba y hacia abajo 150A para extenderse hasta el cátodo (o ánodo, dependiendo de la orientación de polaridad de las capas electroquímicamente activas) de una unidad de celda de combustible posterior apilada sobre esta unidad de celda de combustible, y hacia abajo hasta la placa de soporte metálica 110 de su propia unidad de celda de combustible. Esto por lo tanto conecta eléctricamente entre unidades de celdas de combustible de una pila para poner las capas electroquímicamente activas de la pila (normalmente una en cada unidad de celda de combustible) en serie una con otra.
Una celda de electrolizador de óxido sólido (SOEC) puede tener la misma estructura que una SOFC, pero es esencialmente esa SOFC que funciona a la inversa, o en modo regenerativo, para lograr la electrólisis del agua y/o el dióxido de carbono mediante el uso del electrolito de óxido sólido para producir hidrógeno gaseoso y/o monóxido de carbono y oxígeno.
La presente invención está dirigida a una pila de unidades de celdas de combustible de óxido sólido repetitivas que tienen una estructura adecuada para su uso como SOEC o SOFC. Por conveniencia, las unidades de celdas apiladas SOEC o SOFC se denominarán en lo sucesivo "unidades de celdas de combustible" o simplemente "unidades de celdas" (es decir, significando unidades de celdas apiladas SOEC o SOFC).
La presente invención busca simplificar la estructura de la unidad de celda de combustible, ya que existe un impulso continuo para aumentar la rentabilidad de las celdas de combustible: reducir su costo de fabricación sería un beneficio significativo para reducir el costo inicial de la producción de energía de celda de combustible.
De acuerdo con la presente invención, se proporciona una unidad de celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico que comprende:
una placa separadora; y
una placa de soporte metálica que tiene capas químicas de celdas de combustible dispuestas sobre una región porosa; superponiéndose la placa separadora y la placa de soporte metálica para formar una unidad repetida;
en la que:
al menos una de la placa separadora y la placa de soporte metálica comprende características perimetrales con rebordes formadas presionando la placa hasta una configuración cóncava;
la placa separadora y la placa de soporte metálica están unidas directamente en las características perimetrales con rebordes para formar un volumen de fluido entre ellas;
se proporciona al menos un puerto de fluido en cada una de la placa separadora y la placa de soporte metálica dentro de las características perimetrales con reborde, estando alineados los respectivos puertos de fluido y en comunicación con el volumen de fluido; y
al menos una de la placa separadora y la placa de soporte metálica está provista de elementos en forma de puerto formados alrededor de su puerto mediante presión, cuyos elementos en forma de puerto se extienden hacia la otra placa, y los elementos de las características del puerto conformado están separados entre sí para definir las rutas de fluido entre los elementos desde el puerto para permitir la etapa de fluido desde el puerto hasta el volumen de fluido.
En la presente invención, en lugar de todos los tres elementos de la placa de soporte metálica, el espaciador y la placa separadora, que son necesarios, solo se requieren dos de estas capas (componentes), es decir, la placa de soporte metálica y la placa separadora, mientras que en última instancia todavía funcionan sustancialmente en la misma forma, sustancialmente con la misma producción por centímetro cuadrado de capa electroquímicamente activa por unidad de celda. En otras palabras, no hay ningún elemento laminar separado que actúe como espaciador entre ellos, mientras que la unidad de celda todavía funciona de la misma manera. Esto simplifica la cantidad de componentes que deben suministrarse y tratarse (por ejemplo, recubrirse) y simplifica el ensamblaje, además de proporcionar una reducción inmediata en la cantidad de material necesario y, por lo tanto, una reducción tanto en el coste del material como en el peso de cada unidad de celda de combustible.
La configuración cóncava puede dar a la placa pertinente la apariencia de una bandeja con borde, con una forma exterior correspondientemente convexa (exterior en relación con la unidad de celda de combustible) y normalmente una base plana, definiendo así la concavidad (por ejemplo, parte de) el volumen de fluido en la unidad de celda ensamblada.
En esta configuración cóncava, las características perimetrales con reborde se extienden fuera de un plano de la lámina original de la placa separadora y/o de la placa de soporte metálica, hacia una superficie opuesta respectiva de la otra placa separadora y la placa de soporte metálica.
Por lo tanto, el volumen de fluido está bordeado por características perimetrales con rebordes formadas, que se forman mediante prensado, como por ejemplo mediante el uso de una prensa de troquel, hidroformado o estampado. Estos son procesos simples que ya se están realizando en la formación de proyecciones centrales en el volumen de fluido, como se encuentran también en la placa separadora en la técnica anterior, para soportar y conectar eléctricamente celdas de combustible adyacentes a través de las capas electroquímicamente activas.
Estas proyecciones centrales incluyen proyecciones hacia dentro y hacia fuera - hacia arriba y hacia abajo - que se extienden entre las superficies internas opuestas de las dos placas y una superficie exterior de la capa electroquímicamente activa de la unidad de celda adyacente a las proyecciones hacia fuera. También definen rutas de fluido entre ellas, o en ellas para las proyecciones hacia afuera (en relación con la unidad de celda de combustible), definiendo así rutas de fluido a través del volumen de fluido entre puertos de fluido en cada extremo de la unidad de celda de combustible.
En la presente invención, los proyecciones centrales hacia adentro y hacia afuera también se presionan desde la lámina original para la placa separadora, ya sea antes o después de las características perimetrales con reborde y las características conformados, pero más preferiblemente al mismo tiempo.
En algunas realizaciones, las proyecciones centrales son redondas. Pueden tener otras formas, incluso alargadas, u ondulaciones similares a las del estado de la técnica. No es necesario que estén en el centro directo de la placa separadora, aunque pueden distribuirse con respecto a la misma, pero generalmente estarán entre los puertos de fluido de entrada y salida de la unidad de celda de combustible y, por lo tanto, son centrales con respecto a ellos.
Típicamente habrá al menos dos puertos de fluido proporcionados en cada una de la placa separadora y la placa de soporte metálica dentro de las características perimetrales con reborde, es decir, dentro del área de esas placas rodeadas por las características perimetrales con reborde. Estos son típicamente un puerto de entrada y un puerto de salida. Puede haber más de uno en el puerto y/o más de un puerto de salida. Por ejemplo, se puede proporcionar un puerto en cada esquina de las placas.
En algunas realizaciones, la región porosa está formada por orificios perforados en la placa de soporte metálica -generalmente perforados con láser.
En algunas realizaciones, las capas químicas de la celda de combustible (activa) toman la forma de una capa electroquímicamente activa que comprende un ánodo, un electrolito y un cátodo formado (por ejemplo, recubierto o depositado) sobre la placa de soporte metálica sobre la región porosa que se proporciona dentro de la placa de soporte metálica en tales realizaciones. Esta disposición con las capas químicas (no autoportantes, delgadas) proporcionadas directamente sobre la placa de soporte metálica requiere la cantidad mínima de componentes. La placa de soporte metálica realiza así una doble función de soportar la química de la celda y definir el volumen de fluido (junto con el separador). Además, se apreciará que tanto la placa de soporte metálica como el separador tienen un lado expuesto al oxidante y un lado expuesto al combustible y, por lo tanto, son componentes que están sujetos a un exigente entorno atmosférico dual.
En otras realizaciones, la región porosa se proporciona en una placa separada (p. ej., hoja de metal) sobre la que se forman las capas químicas de la celda de combustible (p. ej., recubiertas o depositadas), y la placa separada (que tiene las capas químicas de la celda de combustible) se proporciona sobre una ventana (por ejemplo, un marco) en la placa de soporte metálica.
Puede haber múltiples áreas de capas químicas de celdas de combustible. Por ejemplo, puede haber múltiples áreas de pequeños orificios en la placa de soporte metálica cubiertas por capas electroquímicamente activas respectivas separadas. Alternativamente, puede haber múltiples ventanas en la placa de soporte metálica y múltiples placas separadas encima de (sobre) las cuales se forman las capas químicas de celda activa (celda de combustible) ubicadas por encima de esas ventanas.
La placa o cada placa separada puede soldarse a la placa de soporte metálica sobre una ventana en la placa de soporte metálica. Las proyecciones centrales que se extienden entre las superficies internas opuestas de las dos placas se extienden entonces hasta la superficie interna de la placa o placas separadas.
En algunas realizaciones, las características del puerto conformado y/o las proyecciones hacia adentro y hacia afuera en la región central de la celda de combustible, que recubren la capa electroquímicamente activa, tienen una sección transversal sustancialmente circular cuando se dividen en una dirección del plano de la placa separadora o placa de soporte metálica.
Es simple y económico formar las características del perímetro con rebordes, las características del puerto y cualquier proyección a partir de una placa separadora (p. ej., inicialmente plana) o una placa de soporte metálica que tenga un espesor de material inicial (sustancialmente) uniforme (es decir, en toda la extensión de la placa), al realizar la etapa de prensado. Por el contrario, la formación de placas con áreas más gruesas y más delgadas mediante grabado para eliminar material a fin de proporcionar volúmenes/canales de flujo de fluido o características con rebordes es difícil, lleva mucho tiempo y desperdicia material.
En algunas realizaciones, las vías de fluido desde el puerto de fluido hasta el volumen de fluido son tortuosas y/o se cruzan entre sí en una pluralidad de ubicaciones, tal como a través de una serie de hoyuelos escalonados o disposiciones de elementos escalonados.
En algunas realizaciones, las características del puerto conformado y las proyecciones de entrada y salida en la parte central del volumen de fluido son hoyuelos, preferiblemente con secciones redondas como se definió anteriormente.
Las características del puerto conformado definen rutas que forman parte del volumen de fluido, de modo que las rutas de fluido se extienden desde el puerto, entre los elementos, hasta un área abierta y otras rutas de fluido se extienden a través de un "área activa" de la unidad de celda entre capas electroquímicamente activas de celdas de combustible adyacentes (es decir, cuando están en la pila). En el área abierta, se pueden proporcionar desviadores de flujo para distribuir el flujo de fluido dentro del área activa en todo el ancho del área activa.
Preferiblemente, el metal de la capa de soporte metálica es acero (por ejemplo, acero inoxidable) - hay muchos aceros ferríticos adecuados (por ejemplo, aceros inoxidables ferríticos) que se pueden usar.
Preferiblemente, la placa separadora está formada por un tipo de metal similar o el mismo que la capa de soporte metálica.
En algunas realizaciones, las características del perímetro con reborde solo se proporcionan en la placa separadora. Esto simplifica la producción, ya que la placa separadora ya se está prensando en la región central, mientras que la placa de soporte metálica solo necesita cortarse a la configuración requerida.
En algunas realizaciones, las características del puerto conformado solo se proporcionan en la placa separadora. Esto también simplifica la producción, ya que la placa separadora ya se presiona en la región central, mientras que la placa de soporte metálica solo necesita cortarse.
En algunas realizaciones, las características del puerto conformado tienen la misma altura por encima de la superficie desde la que se extienden como la distancia entre las superficies internas opuestas de las dos placas. Como tales, se extienden hasta el plano interior de la superficie opuesta de la otra de las placas. De esta manera, dichas características pueden proporcionarse en una sola superficie que actúa como topes duros para transferir la carga de compresión alrededor del puerto mientras se mantienen abiertos los canales de fluido requeridos. Sin embargo, podrían proporcionarse características opuestas del puerto conformado que se extiendan una hacia la otra desde ambas superficies para hacer tope entre sí para realizar la misma función.
El uso de prensas de la lámina para la placa de soporte metálica y/o la lámina para la placa separadora para formar las características perimetrales con rebordes, las características del puerto conformado y las proyecciones hacia adentro y hacia afuera en la región central de la placa separadora aseguran que el mecanismo para soportar la altura del volumen de fluido se forma a partir del mismo sustrato de lámina delgada que el resto de la placa de soporte metálica y/o placa separadora, manteniendo así un bajo peso para cada unidad de celda.
En algunas realizaciones, el al menos un puerto de fluido comprende un puerto de combustible, comprendiendo así el volumen de fluido en la unidad de celda de combustible un volumen de combustible entre la placa separadora y la placa de soporte metálica.
En estas realizaciones, las capas químicas de la celda de combustible normalmente se formarían en la superficie exterior de la placa de soporte metálica.
En algunas realizaciones, el al menos un puerto de fluido comprende un puerto de fluido que contiene oxígeno, y el volumen de fluido comprende un volumen de fluido que contiene oxígeno entre la placa separadora y la placa de soporte metálica.
En estas realizaciones, las capas de los componentes de la celda de combustible normalmente se proporcionarían en la superficie interior de la placa de soporte metálica.
En algunas realizaciones, al menos una de la placa separadora y la placa de soporte metálica está provista de uno o una pluralidad de elementos elevados formados por presión, cuyos miembros se extienden alejándose de la otra placa. De manera beneficiosa, estos pueden disponerse alrededor del o de cada puerto de fluido.
Como se describió anteriormente, las características del puerto conformado (en al menos una de las placas) pueden extenderse hacia la otra placa (es decir, de la placa separadora y la placa de soporte metálica) de la unidad de celda de combustible respectiva. Al estar dispuestas dentro del volumen de fluido entre las dos placas, pueden considerarse como características previstas en las superficies interiores de una unidad de celda de combustible. Conservan el espacio interior y transmiten cargas. Los elementos elevados, por otro lado, se extienden (en al menos una de las placas) alejándose de la otra placa (es decir, de la placa separadora y la placa de soporte metálica) (de la misma unidad). Pueden estar, por ejemplo, dispuestas en un anillo alrededor del puerto y, por lo tanto, pueden considerarse características dispuestas en las superficies exteriores de una unidad de celda de combustible respectiva que actúan entre unidades de celdas de combustible adyacentes. Dependiendo de su configuración, disposición y altura respectiva, pueden realizar una función de ubicación, una función de parada dura (preservando un espaciado/transmitiendo carga/limitando la compresión), una función de distribución de fluidos y/o una función de soporte del sello.
Se puede disponer una pluralidad de elementos elevados para definir un espacio para alojar una empaquetadura dentro de los elementos elevados y/o se puede disponer una pluralidad de elementos elevados para definir un perímetro para alojar una empaquetadura fuera de los elementos elevados. Cuando se ensambla una pila con una disposición de apilamiento en la que una unidad de celda de combustible y una empaquetadura se apilan alternativamente una sobre otra para formar una única unidad repetida de la pila, se puede gastar mucho tiempo y esfuerzo en retener cada empaquetadura en una ubicación adecuada en relación con el centro del puerto, p. ej., mediante encolado o herramientas. Sin embargo, los elementos elevados se pueden usar para ubicar una empaquetadura lateralmente, es decir, centrarla alrededor de un puerto. Convenientemente, los elementos elevados pueden definir un espacio/región interna configurada para acomodar una empaquetadura dentro de los elementos elevados, preferiblemente un espacio y una forma de tamaño similar para coincidir con la periferia externa de la empaquetadura para recibir y ubicar la empaquetadura en una posición deseada, obviando la necesidad de ubicarlo y mantenerlo en posición mediante otras etapas durante el ensamblaje. Además, o alternativamente, algunos elementos elevados pueden disponerse de modo que definan una periferia exterior para acomodar una periferia interna (nuevamente de un tamaño y forma coincidentes) de una empaquetadura alrededor del exterior de los elementos elevados.
En algunas realizaciones, una pluralidad de elementos elevados se intercala entre las características de los puertos conformados.
Alternativamente, el o cada elemento elevado puede colocarse fuera de las características del puerto conformado. Preferiblemente, cada elemento elevado se coloca radialmente más allá de las características del puerto conformado, en relación con el centro del puerto.
El o cada elemento elevado puede tener un pico que define una superficie de tope rígido contra la cual puede apoyarse una unidad de celda de combustible adyacente, o una parte que se extiende desde ella, durante el montaje de una pila de las unidades de celdas de combustible. Tal tope rígido (superficie) puede preservar el espacio entre las unidades de celdas de combustible y ayudar a transferir la carga de compresión a través de la pila en la cercanía de los puertos. Puede haber múltiples elementos elevados que definan superficies de tope rígido y las superficies de tope rígido pueden estar todas en un plano común.
La presente invención también proporciona una pila de celdas de combustible que comprende una pluralidad de tales unidades de celdas de combustible apiladas una sobre otra con sellos alrededor de los puertos de fluido entre unidades de celdas de combustible adyacentes, los sellos preferiblemente superponiendo las características de los puertos conformados alrededor de los puertos de fluido entre unidades de celdas de combustible adyacentes. Los puertos de fluido alineados y los sellos forman así un oxidante interno o colector de combustible o "chimenea" dentro de la pila de celdas de combustible, evitando la mezcla de oxidante y combustible.
Los sellos pueden comprender empaquetaduras. Estos pueden ser dispositivos de sellado preformados, es decir, componentes tales como un anillo o lámina de una forma adecuada utilizada para el sellado entre dos superficies. Como se describió anteriormente, en una disposición de apilamiento en la que una unidad de celda de combustible y una empaquetadura se apilan alternativamente una sobre otra para formar una sola unidad repetida de la pila, los elementos elevados pueden usarse para ubicar cada empaquetadura lateralmente, es decir, centrarla alrededor de un puerto. Cuando los elementos elevados estén dispuestos de modo que definan un espacio para acomodar una empaquetadura, el método de ensamblaje puede obviar la necesidad de una etapa de pegado o cualquier otro método para asegurar una empaquetadura en su lugar.
Alternativamente, los sellos pueden comprender sellos in situ (es decir, sellos no autoportantes formados in situ), por ejemplo, formados a partir de una pasta o líquido de contacto de sellado que se aplica a una de las placas alrededor del puerto donde se une a la superficie y solidifica in situ para proporcionar un sellado alrededor del puerto. La pasta puede ser una pasta selladora curable elastomérica. Ventajosamente, reemplazando las empaquetaduras preformadas con dichos sellos, tal pila puede ensamblarse solo apilando las unidades de celdas de combustible directamente una encima de la otra, siendo estos los únicos componentes que forman las unidades repetidas de pila de la pila.
Los sellos pueden ser comprimibles. Preferiblemente, son empaquetaduras compresibles, eléctricamente aislantes. Las pilas deben ensamblarse y comprimirse para garantizar una buena hermeticidad al gas y contacto eléctrico en la región de las capas químicas activas. El uso de sellos comprimibles alrededor de los puertos ayuda con la hermeticidad al gas en esas regiones de la pila sin usar una compresión indebida en la pila que dañaría las capas químicas activas.
Los sellos pueden ser eléctricamente aislantes. En las cercanías de los puertos, se puede usar un sello eléctricamente aislante para evitar un cortocircuito entre las superficies metálicas de las superficies de combustible adyacentes que no deben tocarse. Sin embargo, esto podría lograrse alternativamente recubriendo al menos una de las superficies metálicas con una capa o recubrimiento aislante, tal como extendiendo la capa de electrolito de la celda para cubrir las regiones alrededor de los puertos.
En algunas realizaciones, los componentes internos de la pila de celdas de combustible comprenderán únicamente las unidades de celdas de combustible repetitivas y los sellos que recubren las características del puerto conformado alrededor del puerto de fluido. Al presionar las características de los puertos conformados, definen poros cóncavos en la superficie exterior de la placa en la que están formados, que están cubiertos por los sellos, estando los poros opcionalmente ubicados en una parte elevada de la placa.
Cada uno de los elementos elevados puede tener un pico que define una superficie de tope rígido como se especificó anteriormente, en la que al menos un sello que se asienta sobre una superficie receptora del sello de una inferior de las unidades de celdas de combustible tiene una altura por encima de esa superficie receptora del sello antes de que la siguiente unidad de celda de combustible se apile sobre ella, y la superficie de tope rígido de la unidad inferior de celdas de combustible tiene una altura que se encuentra por encima de la superficie receptora del sello pero por debajo de la altura del sello que se asienta sobre la superficie receptora del sello para proporcionar un límite a la compresión entre las unidades de celdas de combustible adyacentes. El uso de una superficie de tope rígido de este tipo con un sello puede mantener una distancia constante entre las unidades de celdas de combustible adyacentes, mitigando la compresión irregular o excesiva de un sello in situ o una empaquetadura con el tiempo.
En el caso de una disposición de empaquetamiento en la que una unidad de celda de combustible y una empaquetadura se apilan alternativamente una sobre otra para formar una sola unidad repetitiva de la pila, la provisión de superficies de tope rígido que tengan una profundidad menor que la de la empaquetadura sin comprimir (por ejemplo, 75- 95% del mismo) puede ser importante para simplificar el montaje de la pila y mejorar la uniformidad de la altura final de la pila. En el método de ensamblaje, la celda se puede comprimir durante el ensamblaje hasta que las empaquetaduras se compriman de tal manera que las superficies de tope rígido se apoyen contra las superficies de una unidad de celda de combustible adyacente y se logre la distancia o espacio constante deseado y se transmita la carga a través de la estructuras de tope rígido.
En otra variante de pila de celdas de combustible en la que nuevamente el o cada elemento elevado tiene un pico que define una superficie de tope rígido como se especificó anteriormente, el al menos un sello puede apoyarse contra una superficie receptora de sello superior de una superior de las unidades de celdas de combustible y el sello tiene una altura por encima de una segunda superficie receptora del sello inferior de una inferior de las unidades de celdas de combustible antes de que la superior de las unidades de celdas de combustible se apile sobre la inferior de las unidades de celdas de combustible, y la superficie de tope rígido de la superior de las unidades de celdas de combustible tenga una altura, que se extiende por debajo de la superficie receptora del sello superior que es más corta que la altura del sello que se asienta sobre la superficie receptora del sello inferior, para proporcionar un límite a la compresión entre las unidades de celdas de combustible adyacentes.
En algunas realizaciones, al menos uno de los sellos se coloca parcialmente en una ranura que rodea un puerto de fluido respectivo para ese sello, estando ubicado opcionalmente la ranura en una parte elevada de la placa. La ranura preferiblemente se extiende hacia abajo y dentro del espacio entre la placa de soporte metálica y la placa separadora de esa unidad de celda de combustible y tiene una profundidad que no excede el 50 % de la distancia entre la placa de soporte metálica y la placa separadora de esa unidad de celda de combustible.
La unidad de celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico, o pila, definida anteriormente puede disponerse para generar calor y electricidad a partir del combustible suministrado y un oxidante tal como aire, es decir, una SOFC generativa. Alternativamente, podría disponerse para fines regenerativos, tales como para la producción regenerativa de hidrógeno a partir de agua, o de monóxido de carbono y oxígeno a partir de dióxido de carbono, es decir, una SOEC regenerativa.
La presente invención también proporciona un método para fabricar una unidad de celda de combustible, comprendiendo el método las etapas de:
proporcionar una placa separadora;
proporcionar una placa de soporte metálica; y
procesar al menos una de la placa de soporte metálica y la placa separadora para formar:
características perimetrales con rebordes;
al menos un puerto de fluido dentro de la placa separadora y la placa de soporte metálica; y
características del puerto conformado formadas alrededor de al menos uno de los puertos de fluido,
comprendiendo el procesamiento al menos el prensado de la placa o placas para formar las características perimetrales con reborde para formar una configuración cóncava en la placa o placas, e igualmente prensando las características del puerto conformado;
comprendiendo además el método:
superponer la placa separadora y la placa de soporte metálica una sobre otra para formar una unidad repetida; unir directamente la placa separadora y la placa de soporte metálica en las características del perímetro con reborde, en el que las características del perímetro con reborde que forman la configuración cóncava forman un volumen de fluido entre ellas, en el que las características del puerto conformado se extienden hacia la otra placa, y los elementos de las características del puerto conformado están separados entre sí para proporcionar caminos de fluido desde el puerto hasta el volumen de fluido y, opcionalmente, en el que los puertos de fluido se cortan antes de presionar la placa o placas.
Puede llevarse a cabo una etapa de compresión para comprimir las unidades de celdas de combustible adyacentes para que entren en contacto entre sí.
Cuando los sellos son empaquetaduras (preformadas), el método puede comprender colocarlas usando solo elementos elevados cuando se proporcionen y estén diseñados para acomodar y ubicar tales empaquetaduras. Cuando se proporcionan superficies de tope rígido, el método puede implicar comprimir la pila hasta que las superficies de tope rígido hagan contacto contra las superficies de una unidad de celda de combustible adyacente.
La placa de soporte metálica normalmente se prensará antes de que el componente de la capa electroquímicamente activa que soporta la química de la celda de combustible se recubra sobre ella.
La unidad o pila de celda de combustible puede ser como se ha descrito anteriormente.
La presente invención también proporciona un método para fabricar una pila de celdas de combustible con tales unidades de celdas de combustible que comprende apilar dichas unidades de celdas de combustible con sellos, tales como, por ejemplo, empaquetaduras, entre ellas superpuestas a las características de los puertos conformados alrededor de los puertos de fluido entre unidades de celdas de combustible adyacentes.
Para evitar cualquier duda, al presionar las placas para formar las características del perímetro con reborde, las características del puerto conformado y las proyecciones de entrada y salida, no hay grabado de la placa para eliminar el material de la lámina, y tampoco hay características del puerto conformado depositadas o impresas en las superficies para formar características integrales en las láminas que tienen espesores sustancialmente diferentes.
En la realización divulgada, la región porosa se proporciona perforando (perforando con láser) a través de la lámina de metal respectiva, por ejemplo, una hoja de acero inoxidable (ferrítico). Sin embargo, la porosidad para permitir el acceso de fluidos a la química de la celda activa (por ejemplo, celda de combustible) se puede proporcionar de cualquier manera adecuada conocida en la técnica.
Estas y otras características de la presente invención se describirán ahora con mayor detalle, por medio de varias realizaciones, y solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos (dibujos que no están a escala y en los que las dimensiones de altura son generalmente exageradas para mayor claridad), en los que:
La Figura 1 muestra una vista en planta de una unidad de celda de combustible con soporte metálico que comprende una primera realización;
la Figura 2 muestra una primera vista en perspectiva de la celda de combustible de la Figura 1, con dos empaquetaduras colocadas debajo de ella;
la Figura 3 es una segunda vista en perspectiva de la disposición de la Figura 2, mostrada desde un ángulo diferente;
la Figura 4 es una vista en planta opuesta a la Figura 1 de la unidad de celda de combustible con las empaquetaduras mostradas situadas sobre los puertos de fluido de la unidad de celda de combustible;
la Figura 5 muestra una sección a través de la unidad de celda de combustible;
la Figura 6 muestra una sección a través de la unidad de celda de combustible y las empaquetaduras, tal como serían durante la compresión de una pila de unidades de celdas de combustible durante el montaje de la misma;
la Figura 7 muestra una vista en perspectiva despiezada de una celda de dos unidades de celdas de combustible, estando cada unidad de celdas de combustible provista de dos empaquetaduras debajo de ellas;
La Figura 8 muestra la pila de la Figura 7, pero sin despiece, con las dos unidades de celdas apiladas una sobre otra con el primer par de empaquetaduras entre ellas, y las dos empaquetaduras adicionales colocadas debajo de la pila para apilarlas en una unidad de celda de combustible adicional (no mostrada);
La Figura 9 muestra, en una vista en planta, una unidad de celda de combustible alternativa, que comprende una segunda realización. Es similar a la primera unidad de celda de combustible, pero tiene características perimetrales con reborde añadidas a la parte visible de la placa de soporte metálica de la unidad de celda de combustible, alrededor de sus puertos de fluido, en lugar de solo alrededor de los puertos de fluido en la placa separadora de la unidad de celda de combustible;
la Figura 10 es una vista en perspectiva de la unidad de celda de combustible con dos empaquetaduras colocadas debajo, una para cada puerto de fluido;
la Figura 11 es una segunda vista en perspectiva de la disposición de la Figura 10;
la Figura 12 es una vista en planta inferior de la disposición de las Figuras 11 y 10;
Las Figuras 13 y 14 son secciones a través de las unidades de celdas de combustible ensambladas, con empaquetaduras cuando corresponda, mostrando la Figura 14 indicadores de fuerza para mostrar la compresión durante el apilamiento, de acuerdo con la Figura 6;
Las Figuras 15 a 17 muestran el apilamiento de la segunda realización, que es similar a la de la primera realización, aunque con la diferente disposición de las características del puerto conformado;
Las Figuras 18 a 26 muestran una tercera realización, similar a la primera realización, pero en la que la unidad de celda de combustible tiene una parte separada para el componente activo de la celda de combustible - que tiene las capas electroquímicamente activas en el mismo, estando la placa de soporte metálica de la unidad de celda de combustible provista de una ventana. Por lo demás, la disposición de estas Figuras es similar a la de la primera realización;
Las Figuras 27 a 35 son similares a las de las Figuras 18 a 26, pero en cambio muestran una cuarta realización que tiene características del puerto conformado en la placa de soporte metálica así como en la placa separadora, muy parecida a la segunda realización;
la Figura 36 muestra una quinta realización de la presente invención en la que se ha cambiado la forma exterior de la unidad de celda de combustible para proporcionar dos puertos de fluido en cada extremo de la celda de combustible, en lugar de uno solo como en la primera realización;
la Figura 37 muestra con más detalle una esquina del producto de la Figura 36, en la que las características del puerto conformado son más claramente visibles;
la Figura 38 muestra una sexta realización de la presente invención en la que la quinta realización está adaptada para incluir un par de ventanas en su placa de soporte metálica para alinearse con dos componentes de celda de combustible electroquímicamente activos separados;
La Figura 39 muestra una disposición alternativa para la unidad de celda de combustible en la que la placa separadora de la unidad de celda de combustible tiene una característica de perímetro con reborde de retorno que se extiende hacia atrás desde la característica de perímetro con reborde para volver a colocar el borde de la placa separadora en plano con la mayor parte de la placa separadora, de modo que la característica del perímetro con reborde para formar un volumen de fluido en la celda de combustible es una cresta; las esquinas de la unidad de celda también están redondeadas;
la Figura 40 muestra una pila completo de unidades de celdas de combustible unidas entre sí, con tomas de fuerza para permitir el uso de la celda de combustible como suministro eléctrico para una carga (L);
la Figura 41 muestra una vista en perspectiva de una pila de unidades de celdas antes de la compresión en una pila de celdas de combustible;
La Figura 42 muestra una vista detallada de una unidad de celda de combustible de la técnica anterior, del documento WO2015/136295, que comprende una placa de soporte metálica y una placa separadora, muy similar a la presente invención, pero que comprende además una placa espaciadora;
Las Figuras 43 y 44 muestran una variante de la Figura 37, siendo la Figura 43 una vista parcial en planta y la Figura 44 una vista parcial en perspectiva, ambas mostrando una esquina de un producto con una empaquetadura para las características del puerto conformado superpuesta alrededor de un puerto de fluido;
las Figuras 45 y 46 muestran la variante de las Figuras 43 y 44 en sección, siendo la Figura 46 una vista ampliada de la parte A de la Figura 45;
Las Figuras 47 a 50 muestran vistas similares de otra variante, nuevamente con una empaquetadura y características del puerto conformado alrededor de un puerto de fluido, con características adicionales de tope rígido; y
Las Figuras 51 a 54 muestran vistas similares de otra variante más, nuevamente con características del puerto conformado alrededor de un puerto de fluido, pero usando un sello in situ, en lugar de una empaquetadura tipo arandela convencional.
Con referencia primero a la Figura 2, se muestra una vista en despiece ordenado de una unidad de celda de combustible de una primera realización de la presente invención, y dos empaquetaduras. Esta unidad de celda de combustible 10 está orientada al revés con respecto a la unidad de celda de combustible de la técnica anterior mostrada en la Figura 42, ya que es el interior de la unidad de celda de combustible 10 el que tiene interés principal para la presente invención. Como puede observarse, la unidad de celda de combustible 10 comprende una placa de soporte metálica llana (es decir, plana) 14 apilada junto a una placa separadora 12 - en este caso encima de ella. Se muestra que la placa separadora 12 tiene características perimetrales con rebordes 18 alrededor de su perímetro. Esto sirve para hacer redundante la placa espaciadora 152 de la técnica anterior y es un elemento importante de la presente invención.
Las características perimetrales con reborde 18 se extienden fuera del plano predominante de la lámina, como se encuentra en un área de volumen de fluido central, para crear una concavidad en la placa separadora (y una convexidad hacia la superficie exterior). La concavidad formará el volumen de fluido 20 dentro de esta unidad de celda de combustible tras el montaje de la unidad de celda de combustible.
En esta disposición ilustrada (simplificada para ilustrar características clave de la invención), la unidad de celda de combustible 10 tiene extremos redondeados y lados paralelos, con un puerto de fluido 22 hacia cada extremo. Por supuesto, son posibles otras formas y tamaños y números de las respectivas características de celda - véase la Figura 37, para ejemplo - dependiendo de la potencia requerida y las dimensiones del montaje de pila final.
En una parte media de la unidad de celda de combustible 10, se proporciona una capa electroquímicamente activa 50 sobre la placa de soporte metálica. En esta realización, se encuentra fuera del volumen de fluido 20.
Como se muestra en la Figura 3, la placa de soporte metálica 14 (p. ej., hoja de metal) está provista de múltiples orificios pequeños 48 para permitir que el fluido en el volumen de fluido entre en contacto con el lado de las capas electroquímicas que está más cerca de la placa de soporte metálica 14. Estos forman una región porosa delimitada por una región no porosa. En una realización preferida, la capa de ánodo (electrodo de combustible) está ubicada junto a los pequeños orificios con el volumen de fluido (cerrado) 20 dentro de la unidad de celda de combustible que comprende un volumen de flujo de combustible 20 suministrado por el combustible que ingresa y sale a través de los puertos de fluido 22, que son pues los puertos de combustible 22. La capa de cátodo (electrodo de aire) está en el lado opuesto de la capa electroquímicamente activa 50, es decir, en su cara exterior, y está expuesta al aire que fluye a través de esa capa durante el uso de la unidad de celda de combustible 10.
Tanto la placa separadora 12 como la placa de soporte metálica 14 están provistas de puertos de fluido 22. En esta realización, alrededor de los puertos de fluido de la placa separadora 12, se proporcionan características del puerto conformado 24. En esta realización, las características del puerto conformado 24 se proporcionan como elementos múltiples en forma de hoyuelos redondos que se extienden fuera del plano de la base del volumen de fluido 20 una distancia correspondiente a la altura de las características perimetrales con rebordes 18, para tener una altura común con el mismo. Esto es para que entren en contacto con la superficie opuesta de la placa de soporte metálica 14, al igual que las características perimetrales con reborde 18, cuando se ensambla la unidad de celda 10. Como resultado, cuando las características perimetrales con reborde 18 se unen a la placa de soporte metálica 14, por ejemplo mediante soldadura, las características del puerto conformado 24 también estarán en contacto con la placa de soporte metálica 14.
Esto es importante ya que las características del puerto conformado 24 también proporcionan parte de la función de la placa espaciadora 152 que se proporcionó en la técnica anterior-soportar la unidad de celda de combustible durante la compresión con empaquetadura de múltiples unidades de celdas de combustible en una pila durante el montaje de la pila. Contribuyen así a conservar la altura del volumen de fluido en el interior de la unidad de celda de combustible durante esa compresión.
Los elementos múltiples en esta realización son de sección redonda y tienen una forma sustancialmente troncocónica porque tienen paredes laterales no perpendiculares y una parte superior plana truncada. Se presionan en la placa de la placa separadora 12. Tales paredes en ángulo son una disposición preferida ya que es más fácil lograr un ángulo cuando se presionan fuera de la placa a partir de la cual se forma la placa separadora 12 que una pared perpendicular. Sin embargo, cualquier ángulo de quizás 20 a 90 grados puede proporcionar una forma utilizable. Preferiblemente, está entre 40 y 90 grados desde el plano de la lámina desde la que se presiona.
Por lo general, los elementos se presionan en la misma etapa que el resto de la placa separadora - es decir, las características perimetrales con reborde y las proyecciones centrales hacia arriba y las proyecciones en sentido descendente o hacia abajo, como se explica a continuación.
El prensado puede ser cualquier método adecuado para formar una lámina en una configuración adecuada, tal como, por ejemplo, hidroformado o estampado/prensado. Por lo tanto, se puede utilizar una única lámina delgada para formar esta parte de la unidad de celda de combustible.
Se requieren fuerzas de compresión en la pila en la cercanía de la capa electroquímicamente activa para un buen contacto eléctrico y por lo tanto una buena conductividad a través de la pila. Las proyecciones centrales 32 y las proyecciones centrales hacia abajo 30 crean los contactos eléctricos necesarios entre las unidades de celdas y también brindan una función de soporte para la unidad de celdas de combustible en la región central, extendiéndose hacia arriba hasta la parte inferior de la placa de soporte metálica 14 en el área de los pequeños orificios 48, y hacia abajo a la superficie opuesta de la capa electroquímicamente activa de una celda debajo de ella.
En esta realización, las proyecciones en la región central de la placa separadora 12 son de nuevo circulares y típicamente también tendrán paredes laterales en ángulo. Sin embargo, de acuerdo con el estado de la técnica, pueden tener diferentes formas, tales como las barras del estado de la técnica. Pueden tener paredes laterales en ángulo como las de las regiones de puerto conformadas, es decir, normalmente dentro del rango de 20 a 90 grados, o más preferiblemente entre 40 y 90 grados.
Sin embargo, una función de estas proyecciones centrales y proyecciones hacia abajo es también crear pasajes de fluido respectivos, a saber, pasajes de volumen de combustible y pasajes de volumen de oxidante (por ejemplo, aire), a cada lado de la placa separadora 12. En este caso, dentro de la unidad de celda de combustible, las proyecciones crean pasajes de fluido sinuosos (por ejemplo, tortuosos) dentro del volumen de fluido para que el fluido pueda pasar desde un puerto de fluido 22 en un extremo de la unidad de celda de combustible 10, a través de la capa activa 50, a un puerto de fluido 22 en el otro extremo de la unidad de celda de combustible 10.
Esa ruta de flujo interno también se extiende entre las características 26 de las características del puerto conformado 24, ya que los elementos también proporcionan pasajes de fluido 28 - véase la Figura 5.
En esta realización también se proporcionan sellos en forma de empaquetaduras 34 para la pila de celdas de combustible entre las unidades de celdas de combustible adyacentes 10. En las Figuras 2 y 3 se proporcionan ejemplos. Los sellos, - en el presente documento empaquetaduras 34 - proporcionan una función de sellado principal y normalmente serán empaquetaduras comprimibles que están sujetas a altas fuerzas de compresión en la proximidad de los puertos. Las empaquetaduras se pueden dimensionar para cubrir todas las características del puerto conformado 24 de cada puerto de fluido 22 para evitar que el fluido que pueda estar viajando a través de los puertos de fluido 22 en una pila se filtre entre el exterior de la unidad de celda de combustible 10 y la empaquetadura 34, dentro del área externa de las unidades de celda, es decir, dentro del fluido que rodea las unidades de celdas de combustible 10, o el fluido externo de los puertos de fluido se filtre en la otra dirección - dentro de los puertos de fluido. Esto es importante para evitar cualquier mezcla del fluido dentro de la unidad de celda 10 y el fluido fuera de la unidad de celda 10, que será combustible y oxidante - determinando la polaridad de las capas electroquímicamente activas 50 en qué manera será esto. Como se explicó anteriormente, comúnmente es combustible dentro del volumen de fluido 20 en las unidades de celdas de combustible 10 y, por lo tanto, en las chimeneas 72, 74 (véanse las Figuras 40 y 41) formadas por los puertos de fluido y las empaquetaduras (que son empaquetaduras anulares), y aire u otro oxidante que rodea las unidades de celdas de combustible.
Las empaquetaduras también pueden proporcionar aislamiento eléctrico entre una primera unidad de celda de combustible 10 y una unidad de celda de fluido adyacente 10, para evitar un cortocircuito. Las empaquetaduras pueden ser cualquier empaquetadura de celda de combustible adecuada (anillos de sellado), tales como, por ejemplo, termiculita.
Haciendo referencia a las Figuras 5 y 6, se puede observar cómo las características perimetrales con reborde 18, las proyecciones centrales, arriba y abajo, 32, 30, y las características del puerto conformado 24 se extienden fuera del plano inicial de la lámina metálica utilizada para formar la placa separadora 12 y cómo las empaquetaduras 34 tienen un tamaño diametral para cubrir el área de las características del puerto conformado 24 que se presionan hacia arriba fuera de la parte inferior de la placa separadora 12 - es decir, lejos de la empaquetadura 34 para dejar poros. Con esta disposición, cuando se proporciona compresión a través de la unidad de celda 10 en la pila ensamblado de unidades de celda, las características del puerto conformado 24, junto con las características de perímetro con reborde 18 y las proyecciones centrales 30, 32, evitan el aplastamiento del volumen de fluido.
En el estado de la técnica, la función de soporte de las características del puerto conformado 24, junto con las características del perímetro con reborde 18, la realizaba el espaciador 152. En particular, el espaciador aseguró que la alta carga de la compresión de la empaquetadura en la cercanía de los puertos se transfiriera a la siguiente unidad de celda de combustible.
Además, la creación del volumen de fluido interno 20 se logra mediante las características perimetrales con reborde 18 - una característica proporcionada anteriormente por la placa espaciadora 152. Sin embargo, la huella del componente original del que se cortó el espaciador era grande, lo que resultó en un desperdicio de material.
Haciendo referencia a las Figuras 4, 5 y 6, también se puede observar que los proyecciones centrales hacia arriba 32 se alternan con los proyecciones centrales hacia abajo 30 en la placa separadora 12. Esto es para permitir que las proyecciones hacia abajo 30 se extiendan hacia abajo hasta la capa electroquímicamente activa superior 50 de la celda de combustible adyacente, debajo de ella. Esto se muestra más claramente en las Figuras 7 y 8, en las que se puede observar que las proyecciones centrales hacia arriba 32 se extienden hacia arriba hasta la parte inferior de la placa de soporte metálica 14 de su propia unidad de celda de combustible 10, mientras que las proyecciones descendentes 30 hacen contacto con el lado exterior de la capa electroquímicamente activa 50 de la unidad de celda de combustible 10 debajo de ella. Esto asegura así que las unidades de celdas de combustible adyacentes 10 se conecten entre sí como baterías en serie en cada pila. También cumple una función beneficiosa de expandir la altura de los pasajes de volumen de fluido en el volumen de fluido.
Haciendo referencia a continuación a la Figura 8, se puede observar que las unidades de celdas de combustible adyacentes 10 tienen preferiblemente placas separadoras con proyecciones opuestas coincidentes entre sí, de modo que las proyecciones hacia arriba 32 en una unidad de celdas de combustible 10 se alinean con las proyecciones hacia abajo 30 en la unidad de celdas de combustible vecina 10, y las proyecciones hacia abajo 30 están alineadas con las proyecciones hacia arriba 32. Esto permite que las fuerzas de las respectivas proyecciones se contrarresten axialmente (es decir, paralelamente a la fuerza de compresión aplicada a la pila durante el montaje). Esto evita, o minimiza, impartir fuerza de torsión a la capa 50 electroquímicamente activa entre las proyecciones, evitando así el agrietamiento involuntario de las capas electroquímicamente activas.
Haciendo referencia a continuación a las Figuras 9 a 17, se divulga una segunda realización de la presente invención. En esta realización, todavía hay una placa separadora 12 y una placa de soporte metálica 14, similar a la de la primera realización, pero las características del puerto conformado 24 ahora se colocan alrededor del puerto de fluido 22 tanto de la placa de soporte metálica 14 como de la placa separadora 12. Como tal, la altura de los elementos en la placa separadora 12 es menor que en la realización anterior, y las características del puerto 24 separadas, alineadas, conformadas están dispuestas para mirar hacia abajo desde la placa de soporte metálica 14, siendo esta última de una altura adecuada para crear el equivalente de la altura total de la primera realización cuando se combina con las de la placa separadora 12. Al alinearse entre sí, el volumen dentro de la unidad de celda de combustible 10 se puede mantener de nuevo, a la altura de los dos elementos apilados, al mismo tiempo que proporciona el soporte requerido para los pasajes de volumen de fluido en la cercanía de los puertos donde las fuerzas de compresión en la pila ensamblado son particularmente altas. El resto de esta disposición no cambia en comparación con la realización anterior.
Por lo general, las dos alturas de los elementos están destinadas a ser diferentes entre sí, pero para crear ambos la altura total deseada, pero pueden coincidir para lograr esa altura total deseada.
Con la disposición de la segunda realización, las características del puerto conformado 24 en cualquier componente particular no necesitan ser tan altas, por lo que es más fácil de lograr cuando se presionan para sacarlas de la lámina.
También es posible que las características del puerto conformado 24 solo estén en la placa de soporte metálica 14, o que ambas tengan altura completa y se engranen, aunque aún dejan vías de fluido para el flujo de fluido en el volumen de fluido.
En esta segunda realización, como con la realización anterior, las características del puerto conformado 24 y las proyecciones centrales hacia arriba y hacia abajo 30, 32 son todos hoyuelos que tienen una forma redonda. En cambio, pueden tener diferentes formas, pero se prefieren los hoyuelos, ya que proporcionan un gran pasaje para que fluya el fluido, y esto es especialmente importante para las características del puerto conformado 24, ya que es menos probable que creen canales entre la empaquetadura y el lado opuesto del miembro desde el cual se presionan a través del cual el fluido en el puerto puede filtrarse al volumen circundante de la unidad de celda 10, o viceversa.
Haciendo referencia a continuación a las Figuras 18 a 26, se proporciona una tercera disposición de la unidad de celda de combustible 10. En esta realización, similar a la de la primera realización, las características del puerto conformado 24 y las proyecciones centrales 30, 32 se proporcionan nuevamente en la placa separadora 12 y, por lo tanto, la placa de soporte metálica 14 es generalmente plana o al menos no cuenta con tales proyecciones, pero mientras que anteriormente la placa de soporte metálica 14 tenía muchos orificios pequeños 48 en el área central con una capa electroquímicamente activa 50 directamente superpuesta, en esta realización la placa de soporte metálica 14 tiene una ventana 54 sobre la cual se encontrará un componente separado de la capa electroquímicamente activa 52. Aunque formado por separado, ese componente de capa electroquímicamente activa 52 se unirá a la placa metálica de soporte 14, por ejemplo, mediante soldadura para que la placa metálica de soporte lo transporte.
El componente de capa electroquímicamente activa 52 está provisto de múltiples orificios pequeños y una capa electroquímicamente activa 50 que se superpone directamente para permitir que el fluido en el volumen de fluido 20 entre en contacto con la capa electroquímica más interna.
Esta realización aún implica unir dos componentes en las características de la pestaña perimetral, pero no requiere que la química del combustible se forme integralmente con la placa de soporte metálica desde el principio, lo que puede ser ventajoso.
La soldadura por láser es generalmente la forma preferida en la que la placa de soporte metálica 14, la placa separadora 12 y el componente separado de la capa electroquímicamente activa 52 se unen entre sí.
En esta tercera realización, la ventana es rectangular. Otras formas son naturalmente posibles para la ventana en su lugar.
El componente de capa electroquímicamente activa 52 normalmente tiene una forma similar a la ventana 54 para optimizar el tamaño de la capa electroquímicamente activa 50 sobre ella, aunque más grande para superponerse, como se muestra. Esto nuevamente evita un aumento de peso excesivo para la unidad de celda de combustible 10.
Como se puede observar en la Figura 20, el componente 52 de la capa electroquímicamente activa tiene muchos orificios pequeños 48, muy parecidos a los de la placa de soporte metálica 14 de la primera y la segunda realizaciones. De manera similar, proporcionan acceso a un lado de la capa 50 electroquímicamente activa en el mismo. El funcionamiento de esta unidad de celda de combustible en una pila es, por lo tanto, similar al de las realizaciones anteriores y al de la técnica anterior, aunque en esta realización las proyecciones hacia arriba 32 deben ser más altas que en las dos primeras realizaciones, ya que ahora también deben unir el espesor de la placa de soporte metálica 14 para hacer contacto con la parte inferior de los pequeños agujeros 48.
Haciendo referencia entonces a las Figuras 27 a 35, se muestra una cuarta realización. En esta realización, la disposición es similar a la de la segunda realización, pero comprende el componente 52 de la capa electroquímicamente activa separada como en la tercera realización. Nuevamente, por lo tanto, las proyecciones hacia arriba 32 son más altas que en las realizaciones primera y segunda. Se apreciará que la placa de soporte metálica 14 se puede presionar, y la ventana 54 se puede cortar, antes de que el componente de capa electroquímicamente activa de soporte químico de celda de combustible 52 se una a ella. La ventana se puede cortar antes o después del prensado, o al mismo tiempo en una prensa con punzón. Por lo general, se cortará con láser de la placa de soporte metálica.
En cada una de estas cuatro realizaciones, se muestra una disposición preferida para los elementos de las características del puerto conformado 24. Como puede observarse, toman la forma de hoyuelos circulares. Además, los hoyuelos circulares están dispuestos en anillos concéntricos alrededor del puerto de fluido 22, con espacios circunferenciales entre ellos, espacios que aumentan entre los hoyuelos en los anillos exteriores adicionales (desde el puerto de fluido 22). Esta es una disposición adecuada para un puerto de fluido circular, aunque también son posibles diferentes disposiciones, tales como una disposición regular, o una disposición irregular, o diferentes números o tamaños de hoyuelos, o diferentes números de anillos.
En estas realizaciones hay diez hoyuelos en cada anillo concéntrico de hoyuelos, y cada anillo concéntrico de hoyuelos gira fuera de la línea del anterior de manera que se escalona con respecto al mismo. Esto puede ser tal que cada anillo esté alineado de manera diferente, o como se muestra, tal que el anillo concéntrico interno y el tercer anillo concéntrico estén alineados radialmente mientras que el segundo anillo concéntrico se interpone para descansar en una posición comúnmente espaciada entre dos hoyuelos adyacentes del primer anillo concéntrico y lo mismo con respecto a dos hoyuelos del segundo anillo concéntrico.
En estas disposiciones, y preferidas, se forman conductos de fluido tortuosos, en lugar de lineales, desde el puerto de fluido 22 hasta una ubicación fuera de los anillos concéntricos (o características del puerto conformado 24).
Se prefiere tener espacios más grandes entre los elementos donde se encuentran radialmente más distantes del puerto de fluido 22, con ellos más juntos más cerca del puerto de fluido 22. Este espacio "exterior" más grande asegura una mayor libertad para que el fluido se mueva a través de los conductos de fluido entre los hoyuelos, pero lo que es más importante, presenta una superficie más completa cerca del borde de las empaquetaduras sobre las que las empaquetaduras 34 pueden proporcionar un buen sello.
Las empaquetaduras 34 pueden comprimirse durante el montaje de la pila para desviarse hacia las depresiones dejadas por los hoyuelos extraídos por presión en la lámina de la placa separadora 12 (o placa de soporte metálica 14). Esto crea además un buen sello entre la chimenea del puerto de fluido y el volumen que rodea las unidades de celdas de combustible en la pila.
No es necesario que la forma exterior de la unidad de celda de combustible 10 coincida con la de las realizaciones primera a cuarta. De hecho, hay muchas variaciones disponibles para una persona experta. La presente invención pretende cubrir todas y cada una de estas formas diferentes. Por ejemplo, en lugar de la versión alargada que se muestra en este documento, puede ser más rectangular con los puertos de fluido en las esquinas, o puede tener forma de diamante con los puertos de fluido en dos esquinas, o puede ser ovalada con los puertos de fluido en los extremos más espaciados de los mismos.
La Figura 36 muestra otra forma posible para la unidad de celda de combustible 10, en la que la placa separadora 12 y la placa de soporte metálica 14 son generalmente rectangulares, aunque con regiones recortadas en sus extremos cortos para definir dos dedos que se extienden en cada extremo. Se proporcionan puertos de fluido 22 en cada uno de esos dos dedos en cada extremo.
Algunas realizaciones pueden tener más dedos o más puertos.
En esta quinta realización, se proporciona nuevamente una característica de perímetro con reborde 18, al igual que características del puerto conformado 24 en la placa separadora 12. Además, conjuntos de proyecciones 30, 32 se extienden hacia arriba y hacia abajo, alternativamente, a lo largo de una región central de la placa separadora para los fines divulgados anteriormente con respecto a las cuatro realizaciones anteriores. Además, hay una capa electroquímicamente activa 50 incorporada sobre la placa de soporte metálica 14. Al tener dos puertos de fluido 22 en cada extremo, el flujo del fluido dentro del volumen de fluido dentro de la unidad de celda de combustible 10 SOEC o SOFC se puede dirigir mejor.
Haciendo referencia a continuación a la Figura 37, se muestra un detalle de una esquina de la unidad de celda de combustible 10 de la Figura 37. Como puede observarse, también se muestra una empaquetadura 34 para la pila de combustible. Está dimensionado para superponerse a todas las características del puerto conformado 24, que en esta realización comprenden hoyuelos que rodean los puertos de fluido 22. Los hoyuelos pueden ser varios anillos concéntricos, tales como cuatro anillos concéntricos de hoyuelos circulares escalonados.
En su lugar, podrían proporcionarse otras disposiciones para las características del puerto conformado 24, tales como aquellas de la primera a la cuarta realizaciones.
Haciendo referencia a continuación a la Figura 38, se muestra una versión modificada del producto de la Figura 36, en la que se proporcionan dos ventanas, cuyas ventanas 54 están dispuestas de extremo a extremo para recibir dos componentes separados de capa electroquímicamente activa 52.
Otras realizaciones pueden tener más de dos ventanas y componentes de capa electroquímicamente activos.
Haciendo referencia a continuación a la Figura 39, se muestra otra modificación de la unidad de celda de combustible 10 de la presente invención en la que las características del perímetro con reborde prensado 18 están situadas hacia dentro de un borde de la unidad de celda de combustible 10 para que estén en una proyección o cresta hacia arriba, en relación con los bordes y el medio de la placa separadora 12, o la placa de soporte metálica 14 si en su lugar se proporciona en esa, o en ambas.
Haciendo referencia a continuación a la Figura 40, se muestra una pila de celdas de combustible que comprende múltiples unidades de celdas de combustible 10. Como puede observarse, tiene una placa de compresión superior 62 y una placa de compresión inferior 64 conectadas entre sí mediante pernos 66 para permitir que las unidades de celda 10 se compriman entre sí, asegurando así la conectividad eléctrica entre las proyecciones centrales y las regiones porosas/capas electroquímicamente activas, y por lo tanto el uso completo de cada área electroquímicamente activa. Además, muestra una posición de entrada 68 y una posición de salida 70 para que el fluido de aire o combustible pase hacia abajo a una primera chimenea 72 formada por un primer conjunto de empaquetaduras 34 y una columna de todos los primeros puertos de fluido y luego hacia abajo de una segunda chimenea 74 formada por un segundo juego de empaquetaduras 34 y una columna de todo el segundo de los puertos de fluido. Se entenderá, sin embargo, que la entrada y salida de fluido pueden disponerse de otro modo con respecto a las chimeneas 72, 74, p. ej., tanto en la parte superior como en la inferior, o la pila de celdas de combustible puede montarse de lado (o en ángulo).
La Figura 40 también muestra una almohadilla de contacto 60 en la parte superior e inferior de la pila que ilustra las posibles posiciones para conectar la pila a una demanda de energía, - tal como la carga ilustrada L.
Haciendo referencia a continuación a las Figuras 43 a 46, se muestra una disposición de esquina variante. Al igual que con la realización en la Figura 37, hay un puerto de fluido 22 rodeado por características del puerto conformado 24 y una empaquetadura 34 provista para cubrir los rebajes formados por las características del puerto conformado 24 durante el ensamblaje, como se puede observar en la Figura 43. La empaquetadura 34 se muestra en esa Figura con un diámetro exterior que cubre los bordes exteriores al menos de las características del puerto conformado 24, pero un diámetro interior mayor que el puerto de fluido 22. Aunque es opcional, esto evita que el diámetro interior de la empaquetadura 34 ocluya la chimenea formada por la pila de puertos de fluido en la pila de la celda final de combustible en el caso de que la empaquetadura esté ligeramente desalineada con respecto al centro de la chimenea.
Las características del puerto conformado 24 se extienden hacia abajo para hacer contacto con la placa de soporte metálica 14, sus superficies más bajas se encuentran en un primer plano, el mismo plano que las características del perímetro con reborde 18, mientras que sus superficies más altas y el resto de la placa separadora 12 se encuentran en un segundo plano separados de la placa de soporte metálica 14 para definir el volumen de fluido 20.
En esta realización, las características del puerto conformado 24 tienen ranuras en el área más interna, ranuras que están abiertas al puerto de fluido 22. Hay entonces dos anillos escalonados de rebajes circulares, seguidos de un anillo final de ranuras alternas y rebajes circulares, ranuras que tienen una longitud de aproximadamente el doble del diámetro de los rebajes circulares. En esta realización, las ranuras se alinean radialmente con los rebajes circulares del interior de los dos anillos escalonados y están escalonadas con respecto a las ranuras en el área más interior. Los rebajes circulares de ese anillo final se alinean radialmente con los rebajes circulares del segundo de los dos anillos escalonados de rebajes circulares. Esta disposición crea pasajes para permitir que el fluido fluya entre los rebajes en el interior de la unidad de celda de combustible (desde el puerto de fluido hacia el interior de la unidad de celda de combustible, o en la dirección opuesta, si se ventila).
Aunque esta realización se muestra con respecto a una esquina de una unidad de celda de combustible, por lo que podría reemplazar las disposiciones de esquina de las unidades de celdas de combustible que se muestran en las Figuras 36, 38 o 39, esta disposición de ranuras y rebajes podría aplicarse igualmente a otras unidades diseños de unidades de celdas de combustible, incluidos aquellos con puertos de fluido únicos en cada extremo, tal como el de la Figura 1.
Haciendo referencia a continuación a las Figuras 47 a 50, se muestra otra variante para la esquina de la celda de combustible, aunque nuevamente esto se puede proporcionar en diferentes diseños de celdas de combustible, por ejemplo, en cualquier otro lugar dentro de la forma de una unidad de celda de combustible, ya sea una unidad de celda de combustible con cuatro puertos de fluido, uno en cada esquina (de acuerdo con las Figuras 36, 38 y 39, o con dos puertos de fluido, uno en cada extremo (como en la realización de la Figura 1)) o cualquier otro diseño de celda de combustible, incluidos los que tienen cualquier otro número de puertos de fluido.
En esta variante, además de los rebajes y/o ranuras que forman las características del puerto conformado 24, se proporcionan elementos elevados 120. Estos elementos elevados 120 están ubicados en un anillo externo del perímetro exterior de la empaquetadura 34 y cumplen, en esta realización, dos funciones:
En primer lugar, proporcionan una guía para la ubicación de la empaquetadura, ya que la empaquetadura puede encajar internamente en el anillo de los elementos elevados 120, asentándose así en la posición correcta en relación con el puerto de fluido 22, es decir, centrado en relación con el puerto de fluido 22, durante el montaje de la pila de celdas de combustible.
En segundo lugar, como se muestra en las Figuras 49 y 50, las características elevados 120 tienen una altura h que es menor o preferiblemente entre el 75 y el 99 %, o más preferiblemente del 75 al 85 % (por ejemplo, 78 - 82 %) del grosor t de la empaquetadura 34. La relación entre la altura h y el espesor t se puede adaptar a los requisitos de compresión de la empaquetadura particular utilizada. Aunque para proporcionar la primera función no es necesaria una altura h tan grande, y por lo tanto podría ser menos alta (por ejemplo, h podría estar entre el 5 y el 75% del espesor t de la empaquetadura), se prefiere que sea la altura mayor para proporcionar la segunda función de proporcionar un tope rígido durante el montaje y apilamiento de la pila. Esta función de tope rígido puede ser útil durante la fabricación de la pila de celdas de combustible, ya que en virtud de que la empaquetadura es comprimible, para permitirle sellar los huecos en la superficie exterior de la unidad de pilas de combustible al comprimirse, existe la posibilidad de una sobrecompresión de la pila durante el ensamblaje, cuya sobrecompresión podría agrietar o dañar las capas electroquímicamente activas en la placa de soporte metálica ya que las proyecciones centrales 30 también se ponen en contacto con esas capas electroquímicas durante la compresión de la empaquetadura. Al tener un tope rígido, se puede establecer un límite para ese grado de compresión, por lo que los topes rígidos pueden resistir la sobrecompresión, evitando así el agrietamiento involuntario de las capas electroquímicamente activas en la placa de soporte metálica (y por lo tanto, mejores tolerancias para las presiones de acople dentro de la celda de combustible entre las proyecciones centrales y las capas electroquímicamente activas).
Sin embargo, es importante que estos elementos elevados 120 no sean más altos que el grosor t de las empaquetaduras 34, ya que de lo contrario la empaquetadura no se puede comprimir durante el proceso de apilamiento y, de manera similar, la conexión eléctrica entre la capa electroquímicamente activa y las proyecciones centrales podría fallar, impidiendo así el funcionamiento eficiente de la pila e introduciendo la posibilidad de puntos calientes dentro de ella. Sin embargo, la altura real h de las elementos elevados 120 puede variarse o establecerse de manera adecuada para lograr durante el ensamblaje la compresión requerida de la empaquetadura y, por lo tanto, la conexión correcta entre la capa electroquímicamente activa y las proyecciones centrales, para garantizar que haya un sellado adecuado de los rebajes en la superficie exterior de la unidad de celda de combustible mediante la empaquetadura y conexiones eléctricas correctas en todo el conjunto de proyecciones centrales 30. Se puede usar una capa de recubrimiento o pasta eléctricamente aislante en una o ambas superficies colindantes (la superficie de tope rígido, formada por los elementos elevados 120 y el sustrato metálico de la unidad de celda de combustible adyacente) de las unidades de celdas de combustible adyacentes para evitar el contacto eléctrico entre unidades de celdas de combustible adyacentes a través de las superficies colindantes.
En una variante de esto, en lugar de que los elementos elevados rodeen el perímetro exterior de la empaquetadura 34, la empaquetadura podría tener formas u orificios en su interior para acomodar los elementos elevados 120, proporcionando así nuevamente una posición fija para la empaquetadura en relación con los elementos elevados 120 y potencialmente una orientación fija para la empaquetadura con relación a la misma (u orientaciones fijas, si la empaquetadura puede encajar en más de una orientación fija).
En una variante de esto, los elementos elevados 120 que rodean el perímetro exterior de la empaquetadura están formados en la placa de soporte metálica 14 que se extiende hacia la placa separadora 12 de una unidad de celda de combustible vecina. En otra variante, se forman elementos elevados en la placa de soporte metálica 14 y la placa separadora 12, estos elementos elevados pueden estar separados entre sí. Además, los elementos elevados en la placa de soporte metálica 14 y la placa separadora 12 pueden tener una altura intermedia y estar dispuestos de manera que sus características elevadas se apoyen entre sí para formar elementos elevados de interfaz que tengan la misma altura total que en el caso en que la altura de los elementos elevados se proporciona mediante elementos elevados en la placa separadora 12 o la placa de soporte metálica 14, o separados entre sí tanto en la placa separadora 12 como en la placa de soporte metálica 14.
En referencia a las Figuras 51 a 54, se muestra otra variante de la esquina. En esta realización, en lugar de una empaquetadura (preformada), se proporciona una ranura anular 122 que rodea el puerto de fluido 22 para acomodar un material de sellado in situ. La ranura 122 se muestra en la Figura 52 y es menos profunda que los rebajes 24 de las características del puerto conformado que presenta a ambos lados, ya que no necesita crear una barrera para el flujo de fluido desde el puerto de fluido 22 hacia el espacio interno de la unidad de celda de combustible.
De nuevo se proporcionan rebajes 24, dispuestos en anillos concéntricos. En este caso, un anillo es externo a la ranura anular y un anillo es interno a la ranura anular, estando esta última en forma de ranuras en el borde del puerto de fluido. También se pueden proporcionar anillos adicionales de rebajes o ranuras de acuerdo con las realizaciones anteriores. Sin embargo, para mayor claridad, solo se muestran estos dos anillos para permitir que la ranura anular se vea más claramente.
Aunque la ranura anular forma un círculo uniforme en esta realización, con una profundidad constante, sería posible hacer la ranura menos uniforme tanto en radio como en profundidad, pero por simplicidad se proporciona un radio y una profundidad uniformes.
Con referencia entonces a la Figura 51, se puede observar que la ranura anular 122 ahora está cubierta por un sello in situ, es decir, un anillo de material sellador 124. Este material 124 puede ser un líquido o una pasta aplicada durante el montaje de la pila. Puede ser cualquier pasta de contacto de sellado convencional diseñada cuando se endurece para soportar el entorno operativo de la celda de combustible. También se puede reemplazar con una empaquetadura (preformada) si es necesario, pero el uso de un sello in situ tiene la ventaja significativa de reducir el número de piezas, reducir los costes y simplificar el ensamblaje, ya que no es necesario colocar cuidadosamente las empaquetaduras.
Con referencia también a las Figuras 53 y 54, siendo la Figura 54 una vista más detallada, se puede observar que la ranura anular 122 acomoda un volumen (o cordón) del material sellador 124 y el material 124 también se extiende en un anillo sobre la parte superior de la superficie de las características del puerto conformado para funcionar así como la empaquetadura 34 de las realizaciones anteriores. Con esta disposición, el grosor del material sellador 124 puede ser significativamente menor que el que generalmente se necesita para una empaquetadura preformada. Nuevamente, se puede usar un sello eléctricamente aislante o, alternativamente, se puede usar una capa de recubrimiento o pasta eléctricamente aislante en una o ambas superficies colindantes (la superficie de tope rígido, por ejemplo, formada por la parte elevada 126 y el sustrato metálico de la unidad de celda de combustible adyacente) de unidades de celdas de combustible adyacentes para evitar el contacto eléctrico entre unidades de celdas de combustible adyacentes a través de las superficies colindantes.
El espesor de la empaquetadura 34 de las realizaciones anteriores ayudó a proporcionar un espacio entre las unidades de celdas de combustible adyacentes para el flujo de aire o combustible. Para retener ese espacio, las características del puerto conformado 24 se pueden proporcionar en una parte elevada 126 de la placa separadora 12, como se muestra en las Figuras 52, 53 y 54. Esto también asegura que la altura final de la parte superior del material del sello de la empaquetadura aún sea la altura correcta para permitir que la superficie exterior de las capas electroquímicamente activas se alinee correctamente y entre en contacto con la parte superior de las proyecciones centrales 30 que se extienden hacia afuera durante la compresión o sujeción de la pila en su configuración final.
La ranura 122 se muestra en la Figura 54, la ranura tiene una profundidad, d, y es menos profundo que los rebajes 24 a ambos lados, ya que no necesita crear una barrera para el flujo de fluido desde el puerto de fluido 22 hacia el volumen de fluido 20 de la unidad de celda de combustible. Preferiblemente, la profundidad, d, de la ranura 122 es menor que la profundidad, d2, de la parte elevada 126. Preferiblemente aún, la profundidad, d, de la ranura está entre el 5 y el 75% de la profundidad, d2, de la parte elevada 126. Normalmente, esto puede corresponder a la ranura 122 que se extiende hacia el espacio entre la placa de soporte metálica y la placa separadora entre un 5 y un 80 %, o más preferiblemente entre un 10 y un 50 %, y preferiblemente menos del 50 % de la profundidad de la extensión de los rebajes 24. La profundidad puede medirse externamente, como se indica mediante d y d2 en la Figura 54, o puede medirse internamente a través de la altura interna del espacio interno de la unidad de celda de combustible.
La parte elevada 126 dentro de la cual se dispone la ranura anular 122 puede actuar como una característica de tope rígido, similar a la característica de tope rígido de las Figuras 47 a 50. Por supuesto, sería posible incluir, además de la ranura anular, proyecciones para proporcionar una característica de tope rígido similar a la de las Figuras 47 a 50 para ayudar a evitar la sobrecompresión del material/pila de sellado. Del mismo modo, incluso podría ser posible utilizar el material de sellado líquido aplicado, en lugar de una empaquetadura preformada, sin una ranura anular ajustándola en la superficie, p. ej., sobre una superficie anular plana. Sin embargo, no tener la ranura podría resultar en una mayor probabilidad de falla del sello porque la ranura proporciona un volumen dentro del cual se puede empujar una parte del material del sello durante la compresión (anclaje), y sin la ranura, el material del sello podría ser empujado fuera de las regiones de la superficie de sellado, por ejemplo debido a pequeñas desalineaciones de la pila. La falla del sello permitiría la mezcla de combustible y aire dentro de la pila, lo cual no es deseable. La ranura anular es, por lo tanto, más preferida como solución para ofrecer una mayor vida útil de la pila durante el uso.
Finalmente, con referencia a la Figura 41, se muestra una ilustración de una pila de unidades de celdas de combustible de acuerdo con la primera realización. Esto es antes de que se añadan pernos de alojamiento o compresión, o placas superior e inferior 62, 64. Es para ilustrar las chimeneas (colector interno en el presente documento formado por múltiples puertos alineados y empaquetaduras alineadas) 72, 74, por cuya parte superior se aprecian los bordes internos de la placa metálica de soporte 14, la placa separadora 12 y la empaquetadura 34. El fluido en la chimenea puede ingresar al volumen de fluido 20 dentro de cada unidad de celda de combustible 10 entre la placa de soporte metálica 14 y la placa separadora 12 de cada unidad de celda de combustible, pero no entre las unidades de celdas de combustible adyacentes 10 debido a la empaquetadura 34, mientras que el fluido externo de las unidades de celdas de combustible puede pasar al espacio entre las celdas adyacentes, excepto en la empaquetadura y la chimenea, p. ej., en las flechas 76, ya que los lados/bordes entre ellas están abiertos.
En resumen, se proporciona una unidad de celda de combustible con soporte metálico 10 que comprende una placa separadora 12 y una placa de soporte metálica 14, tal como una hoja de acero inoxidable que tiene capas químicas 50, que se superponen para formar una unidad repetida, teniendo al menos una placa características perimetrales con rebordes 18 formados presionando la placa, estando las placas unidas directamente en las características perimetrales con rebordes para formar un volumen de fluido 20 entre ellas y cada una con al menos un puerto de fluido 22, en las que los puertos están alineados y se comunican con el volumen de fluido, y al menos una de las placas tiene características del puerto conformado 24 prensadas formadas alrededor de su puerto que se extiende hacia la otra placa e incluye elementos separados entre sí para definir vías de fluido para permitir la etapa de fluido desde el puerto al volumen de fluido. Por lo tanto, se puede formar una pila a partir de un número mínimo de componentes multifuncionales diferentes. Los elementos elevados 120 también formados por presión pueden recibir una empaquetadura 34, actuar como un tope rígido o actuar como una superficie de soporte del sello.
Formas y disposiciones alternativas también estarán dentro del alcance de la presente invención, por ejemplo, en las que en lugar de dedos redondeados, se proporcionan dedos cuadrados. Del mismo modo, la forma de las características del puerto conformado, como grupo de elementos, no necesita coincidir con la forma del área de la unidad de celda a la que se proporcionan, ya que el fluido que sale de las vías de fluido puede circular alrededor de cualquier espacio entre el grupo de elementos y las características perimetrales con reborde.
Estas y otras características de la presente invención se han descrito anteriormente únicamente a modo de ejemplo. Se pueden realizar modificaciones detalladas a la invención dentro del alcance de las reivindicaciones y particularmente con respecto a la forma de la unidad de celda de combustible, las capas electroquímicamente activas y la disposición de los elementos de las características del puerto conformado y las proyecciones centrales para permitir el flujo del fluido entre puertos de fluido a través del volumen de fluido dentro de la unidad de celda de combustible.
Signos de referencia:
Estado de la técnica
90 - unidad de celda de combustible
110. - placa de soporte metálica
150 -placa separadora
150A - ondulaciones arriba y abajo
152 -espaciador
160. - gran espacio/apertura
180 -puerto de fluido
200 - puerto de fluido
Invención
10 -unidad de celda de combustible
12 -placa separadora
14. -placa de soporte metálica
18. - características perimetrales con rebordes
20. - volumen de fluido
22 - puerto de fluido
24. - características del puerto conformado
26. - elementos de las características del puerto conformado
28. - conductos de fluidos
30, 32 - proyecciones centrales
34. - empaquetaduras
48. - pequeños agujeros
50. - capa electroquímicamente activa
52. - componente separado
54 - ventana
58. - cresta
60. - almohadilla de contacto
62 - placa de compresión superior
64 - placa de compresión inferior
66 - pernos
68 - posición de entrada
70. - posición de salida
72 - primera chimenea
74 - segunda chimenea
120 -elementos elevados
122 -ranura anular
124 -sello in situ
126 -parte elevada
h - altura de los elementos elevados
t - espesor de la empaquetadura
d - profundidad de ranura
d2 - profundidad de la parte elevada

Claims (23)

REIVINDICACIONES
1. Una unidad de celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico (10) que comprende:
una placa separadora (12); y
una placa de soporte metálica (14) que tiene capas químicas de celdas de combustible (50) dispuestas sobre una región porosa;
la placa separadora (12) y la placa de soporte metálica (14) superpuestas para formar una unidad repetida;
en la que:
al menos una de la placa separadora (12) y la placa de soporte metálica (14) comprende características perimetrales con rebordes (18) formadas presionando la placa hasta una configuración cóncava;
la placa separadora (12) y la placa de soporte metálica (14) están unidas directamente en las características perimetrales con rebordes (18) para formar un volumen de fluido (20) entre ellas;
se proporciona al menos un puerto de fluido (22) en cada una de la placa separadora (12) y la placa de soporte metálica (14) dentro de las características perimetrales con rebordes (18), estando los respectivos puertos de fluido (22) alineados y en comunicación con el volumen de fluido (20); y
al menos una de la placa separadora (12) y la placa de soporte metálica (14) está provista de características del puerto conformado (24) formadas alrededor de su puerto (22) mediante presión, cuyas características del puerto conformado (24) se extienden hacia la otra placa, y los elementos de las características del puerto conformado (24) están separados entre sí para definir vías de fluido entre los elementos del puerto (22) para permitir el paso de fluido desde el puerto (22) al volumen de fluido (20).
2. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con la reivindicación 1, en la que las capas químicas de la celda de combustible toman la forma de una capa electroquímicamente activa que comprende un ánodo, un electrolito y un cátodo formados en la placa de soporte metálica sobre la región porosa que se proporciona dentro de la placa de soporte metálica.
3. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la región porosa se proporciona en una placa separada sobre la cual se forman las capas químicas de la celda de combustible, que toman la forma de una capa electroquímicamente activa que comprende un ánodo, un electrolito y un cátodo, y la placa separada se proporciona sobre una ventana en la placa de soporte metálica.
4. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las vías de fluido desde el puerto de fluido hasta el volumen de fluido son tortuosas y/o se cruzan entre sí en una pluralidad de ubicaciones.
5. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las características del perímetro con reborde solo se proporcionan en la placa separadora.
6. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las características del puerto conformado solo se proporcionan en la placa separadora.
7. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las características del puerto conformado están a la misma altura por encima de la superficie desde la que se extienden que la distancia entre las superficies internas opuestas de las dos placas.
8. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos una de la placa separadora y la placa de soporte metálica está provista de uno o una pluralidad de miembros elevados formados por presión, que se extienden alejándose de la otra placa y que están dispuestos alrededor del o de cada puerto de fluido.
9. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con la reivindicación 8, en la que hay una pluralidad de elementos elevados dispuestos de manera que definan un espacio para acomodar una empaquetadura dentro de los elementos elevados y/o una pluralidad de elementos elevados dispuestos de manera que definan un perímetro para acomodar una empaquetadura fuera de los elementos elevados.
10. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con la reivindicación 8, en la que hay una pluralidad de elementos elevados intercalados entre las características del puerto conformado.
11. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con la reivindicación 8, en la que el o cada elemento elevado está colocado fuera de las características del puerto conformado.
12. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en la que el o cada elemento elevado tiene un pico que define una superficie de tope rígido contra la cual puede apoyarse una unidad de celda de combustible adyacente, o una parte que se extiende desde ella, durante el montaje de una pila de unidades de celda.
13. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con la reivindicación 12, en la que hay múltiples elementos elevados que definen superficies de tope rígido y todas las superficies de tope rígido se encuentran en un plano común.
14. Una unidad de celda de combustible con soporte metálico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la placa separadora y la placa de soporte metálica están unidas directamente en las características perimetrales con reborde mediante soldadura alrededor de las características perimetrales con reborde.
15. Una pila de celdas de combustible de óxido sólido que comprende una pluralidad de unidades de celdas de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, estando las unidades de celdas de combustible apiladas una sobre otra con sellos alrededor de los puertos de fluido entre unidades de celdas de combustible adyacentes, los sellos opcionalmente se superponen a las características del puerto conformado.
16. La pila de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 15, en la que los sellos comprenden empaquetaduras.
17. La pila de celdas de combustible de acuerdo con la reivindicación 15, en la que los sellos comprenden sellos in situ.
18. La pila de celdas de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17 cuando depende de la reivindicación 12, en la que el al menos un sello que se asienta sobre una superficie receptora del sello de una unidad inferior de celdas de combustible tiene una altura por encima de esa superficie receptora del sello antes de que la siguiente unidad de celda de combustible se apile sobre ella, y la superficie de tope rígido de la unidad inferior de celdas de combustible tiene una altura que se encuentra por encima de la superficie receptora del sello pero por debajo de la altura del sello que se asienta sobre la superficie receptora del sello para proporcionar un límite a la compresión entre las unidades de celdas de combustible adyacentes.
19. La pila de celdas de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18, en la que al menos uno de los sellos está colocado parcialmente en una ranura que rodea un puerto de fluido respectivo para ese sello, estando opcionalmente ubicada la ranura en una porción elevada de la placa.
20. La pila de celdas de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19, en la que los componentes internos de la pila de celdas de combustible comprenden solo la pila de unidades de celdas y los sellos, superponiendo opcionalmente los sellos las características del puerto conformado alrededor de los respectivos puertos de fluido.
21. La pila de celdas de combustible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 20, en la que las características del puerto conformado prensado definen poros cóncavos en la superficie exterior de la placa en la que se forman, cuyos poros de cada conjunto de características del puerto conformado están cubiertos por uno de los sellos, estando los poros opcionalmente ubicados en una parte elevada de la placa.
22. Un método para fabricar una unidad de celda de combustible de óxido sólido con soporte metálico, comprendiendo el método las etapas de:
proporcionar una placa separadora (12);
proporcionar una placa de soporte metálica (14); y
procesar al menos una de la placa de soporte metálica (14) y la placa separadora (12) para formar:
características perimetrales con rebordes (18);
al menos un puerto de fluido (22) dentro de la placa separadora (12) y la placa de soporte metálica (14); y características del puerto conformado (24) formadas alrededor de al menos uno de los al menos un puerto de fluido (22),
comprendiendo el procesamiento al menos prensar la placa o placas para formar las características perimetrales con reborde (18) para formar una configuración cóncava en la placa o placas, y también presionar las características del puerto conformado (24);
comprendiendo además el método:
superponer la placa separadora (12) y la placa de soporte metálica (14) una sobre otra para formar una unidad repetida;
uniendo directamente la placa separadora (12) y la placa de soporte metálica (14) en las características perimetrales con rebordes (18), en el que las características perimetrales con rebordes (18) que forman la configuración cóncava forman un volumen de fluido (20) entre ellas, en el que las características del puerto conformado (24) se extienden hacia la otra placa, y los elementos de las características del puerto conformado (24) están separados entre sí para proporcionar vías de fluido desde el puerto hasta el volumen de fluido (20) y, opcionalmente,
en el que los puertos de fluido (22) se cortan antes de presionar la placa o placas para formar las características perimetrales con reborde (18).
23. El método de la reivindicación 22, en el que la unidad de celda de combustible está de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 o la pila es como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 21.
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