IT9067671A1

IT9067671A1 - Pila a combustibile

Info

Publication number: IT9067671A1
Application number: IT067671A
Authority: IT
Inventors: Guthrie Robin Jay; Murray Katz; Craig R Schroll
Original assignee: Int Fuel Cells Corp
Priority date: 1989-09-08
Filing date: 1990-09-07
Publication date: 1992-03-07
Also published as: US5009968A; IT1240979B; IT9067671A0; ES2025970A6

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

"Pila a combustibile"

CAMPO TECNICO

L'invenzione si riferisce al carico di compressione di pile a combustibile in particolare al carico di una pila a combustibile ad alta che subisce transitori di temperatura

Sfondo dell1invenzione

Le pile a combustibile comprendono usualmente un elettrodo di anodo distanziato da un elettrodo di catodo da un elettrolito disposto entro una matrice porosa nello spazio tra i due elettrodi. L'elettrodo comprende uno strato catalizzatore sul lato elettrolito. Sul lato non elettrolito dell 'elettrodo di anodo vi è un passaggio di gas reagente per il trasporto di un combustibile, mentre sul lato non elettrolito dell'elettro di catodo vi è un passaggio di gas reagente per il trasporto di un ossidante. Gli elettrodi sono,costruiti in modo che il gas reagente si diffonda attraverso gli elettrodi ed entri in contatto con 1'elettrolito nello strato catalizzatore. Ciò provoca una reazione elettrochimica per cui gli elettroni si spostano da un elettrodo all'altro attraverso un circuito esterno.

In una batteria di pile a combustibile, una molteplicità di pile a combustibile sono collegate elettricamente in serie attraverso piastre elettricamente conduttrici impermeabili al gas che separano pile adiacenti. Queste piastre di separazione in combinazione con l'elettrodo limitano i passaggi di gas reagente.

Un sistema di carico assiale in una direzione perpendicolare ai piani delle pile è utilizzato per assicurare una tenuta adeguata ed una buona conducibilità elettrica e termica tra pile e componenti adiacenti. Le pile sono ugualmente compresse tra una coppia di piastre di estremità utilizzando tiranti per collegare le piastre di estremità e spingerle l'una verso l'altra. E' possibile applicare alla batteria qualsiasi forza di compressione desiderata stringendo opportunamente i tiranti.

11 problema associato con il mantenimento di un carico di compressione appropriato su una batteria di pile a combustibile durante il funzionamento è stato riconosciuto da lungo tempo. Le caratteristiche di dilatazione termica della batteria e le caratteristiche di scorrimento di componenti tradizionali delle pile forniscono una distribuzione interna complessa del carico mentre i mezzi applicatori di forza possono dilatarsi in misura differente e con velocità differenti. Con pile a combustibile ad alta temperatura si è rivolta molta attenzione a diversi procedimenti per applicare un sistema appropriato di carico assiale. Tuttavia l'attenzione è stata rivolta all'applicazione di una forza appropriata in tutto il ciclo di funzionamento, con l'applicazione di una forza mediante una piastre rigida ad ogni estremità della batteria.

Le batterie di pile a combustibile di carbonato fuso rappresentano una forma nota di batteria di pile a combustibile ad alta temperatura. Si è evidenziato un problema principale in queste batterie con la resistenza elettrica delle pile di estremità. Le forme precedenti di batterie a carbonato fuso utilizzavano lastre di estremità massicce spesse con piastre di pressione e riscaldatori disposti direttamente all'interno dell*, isolamento. Si verificano notevoli aumenti delle resistenze elettriche delle pile di estremità, spesso irrecuberabili, dopo che le batterie funzionavano attraverso i loro diversi cicli di temperatura, in particolare associati con l’avviamento e l'arresto. Durante i cicli di temperatura si verificano gradienti di temperatura tra le due superfici opposte delle piastre di pressione o piastre di estremità, e questi gradienti di temperatura provocano la deformazione delle piastre di estremità o di pressione. Ciò produce una applicazione non uniforme delle forze attraverso l'area di una pila a combustibile che permette una perdita di contatto elettrico in diverse posizioni nelle pile di estremità della batteria. Quando queste connessioni elettriche si spezzano, anche in misura limitata, esse non ripristinano in misura appropriata la conducibilità elettrica dell'interfaccia anche se le forze possono essere riportate alla loro distribuzione originale.

Costituisce uno scopo dell1invenzione mantenere un carico sostanzialmente uniforme attraverso il piano delle pile a combustibile durante il funzionamento normale e durante transitori, malgrado diverse distorsioni termiche della piastra di pressione, evitando una dispersione termica della piastra di estremità.·

Un gran numero di pile a combustibile ad alta temperatura sono affiancate e messe in compressione lungo un asse perpendicolare ai piani delle pile. Una membrana di piastra di estremità flessibile elettricamente conduttrice è disposta ad ogni estremità della batteria. Ogni membrana di piastra di estremità è in contatto elettrico con un elettrodo corrispondente in più posizioni distanziate lungo il piano della pila a combustibile. Una piastra di pressione rigida è distanziata dalla superficie piana con un pattino di pressione sotto forma di isolamento semirigido disposto tra la piastra di pressione e la membrana di pistra di estremità.

11 pattino di pressione ad ogni estremità della batteria di pile a combustibile ha una superficie sostanzialmente piana in contatto con, e spinta a compressione contro la membrana.

La membrana è sufficientemente sottile affinché la forza di compressione mantenga la membrana in stretto,contatto elettrico con gli elettrodi.

L’isolamento semirigido è sufficientemente elastico per mantenere una forza sostanzialmente uniforme attraverso la membrana mentre si flette in modo da assorbire la dilatazione differenziale entro le stesse pile a combustibile, ad esempio quando il centro della pila può essere più caldo che non il bordo esterno e dilatarsi in misura leggermente maggiore.

La piastra di pressione è isolata e lontana dalle stesse pile a combustibile in modo che la piastra di pressione non subisca rapidi transitori termici che producono una distorsione della piastra di pressione, che nella tecnica anteriore potevano provocare un carico non uniforme sulla pila a combustibile.

Inoltre è possibile interporre riscaldatori elettrici nell'isolamento tra la membrana e la piastra di pressione per formare una protezione termica che mantiene le pile a combustibile alle temperatura di funzionamento richieste delle pile. L'isolamento tra i riscaldatori e la piastra di pressione impedisce l'applicazione dì elevate quantità di calore alle piastre di estremità, che ne provocherebbe la distorsione eccessiva durante cicli dì riscaldamento e raffreddamento.

La membrana può anche comprendere una struttura scatolare integrale formante superficie di tenuta per collettori di combustibile e di aria oltre che un rinforzo appropriato per assorbire i carichi risultanti. Questa struttura scatolare può anche essere utilizzata per connessione a conduttori elettrici di potenza.

Breve descrizione dei disegni - La figura 1 rappresenta una vista in elevazione ed in sezione di un gruppo di batteria di pile a combustibile;

- la figura 2 rappresenta una vista in elevazione di un gruppo di batteria di pile a combustibile con l'illustrazione di un procedimento per applicare un carico assiale;

- la figura 3 rappresenta una vista in sezione di una parte di batteria di pile a combustibile in corrispondenza delle due estremità; e

- la figura 4 rappresenta una vista isometrica della membrana con la struttura scatolare formata integralmente con essa.

Descrizione della forma di attuazione preferita La figura 1 illustra un gruppo 10 di pile a combustibile comprendente una batteria 12 di pile a combustibile formata da una molteplicità di pile a combustibile 14. Un centinaio o più di queste pile possono essere affiancate per formare una batteria di pile a combustibile alta 10 piedi (3 metri). Ogni pila a combustibile è lunga 3 piedi (90 cm) su ogni bordo lineare.

La piastra di estremità di ogni pila a combustibile esterna è formata da una sottile membrana 16 che è spessa 0,125 pollici (0,3175 cm). Un carico di compressione 18 è applicato alle due estremità del gruppo di pile a combustibile nel modo tradizionale nella tecnica anteriore. Queste pile a combustibile sono pile a carbonato fuso funzionanti ad una temperatura compresa tra 1100 e 1300° F (tra 590°C e 700°C).

Piastre di pressione rigide 20 ad ogni estremità distribuiscono il carico in modo sostanzialmente uniforme contro la prima parte 22 degli strati di isolamento termico semirigido. Questo isolamento è preferibilmente costituito da Silicato di calcio con cariche inerti ed agenti di rinforzo. Anche se questo tipo di isolamento è generalmente noto nella tecnica come isolamento rigido, il termine isolamento semirigido è utilizzato nella presente poiché definisce meglio le caratteristiche utilizzate. Costituisce lo scopo di questo isolamento non soltanto isolare, ma trasmettere per compressione un carico e applicare elasticamente il carico alla membrana di piastra di estremità.

Un riscaldatore elettrico 24 è interposto tra la prima parte 22 dell'isolamento e la seconda parte 26 dell'isolamento. Si può vedere che alle due estremità della batteria di pile a combustibile, il carico di compressione è applicato attraverso i mezzi di isolamento e di trasmissione della forza di compressione sotto forma di un isolamento semirigido contro la sottile membrana 26.

Integrale con ogni membrana di piastra di estremità vi è una struttura di parete scatolare 28, ognuna delle quali comprende quattro pareti 30. I collettori di gas 32 sono spinti in contatto di tenuta con queste pareti con guarnizioni 34 mantenute in contatto da forz<c di carico 36 applicate da una struttura di carico (non rappresentata).

Una flangia 40 estendentesi verso l’esterno è integrale con Ognuna delle pareti, e ciò serve per rinforzare le pareti e mantenerle sufficientemente rigide per un contatto di tenuta appropriato con il collettore. Questo organo di rinforzo serve anche da parte di attacco per conduttori elettrici di potenza 42 e 44.

La figura 2 illustra i collettori di combustibile 32, il collettore di aria 35, ed illustra il procedimento di applicazione del carico di compressione 18. Tiranti 46 sono collegati ad una molla a lamina 48 in modo da applicare continuamente un .carico di compressione, ma la forma è tale per cui le variazioni di carico applicato rientrano in un campo accettabile malgrado la dilatazione delld batteria di pile a combustibile e/o dei tiranti. E sottinteso che è possibile utilizzare ognuno dei mezzi tradizionali per l’applicazione del carico, e invenzione si riferisce in questo caso alla distribuzione del carico attraverso le pile piuttosto che al procedimento di applicazione del carico complessivo.

La figura 3 illustra i dettagli delle pile a combustibile superiore ed inferiore. L'isolamento semirigido 26 è rappresentato appoggiato contro la membrana 16 alle due estremità della batteria a combustibile. Un anodo 50 presenta passaggi di flusso 52 attraverso l'anodo ed è in contatto elettrico con la membrana 16 in una molteplicità di posizioni distanziate 54.

Una matrice di elettrolito 56 è interposta tra l'anodo 50 ed il catodo 58. Una piastra traforata elettricamente conduttrice 60 appoggia contro il catodo, con un collettore di corrente aperto e distanziato 62 che convoglia una corrente elettrica alla piastra di separazione 64 e che permette il passaggio di gas tra la piastra collettrice ed il catodo. All'estremità inferiore della batteria sono anche illustrati la piastra di separazione ', l'anodo 50 e la matrice 56. Il catodo 58 è collegato elettricamente alla membrana inferiore 16 attraverso la piastra traforata 60 e il collettore di corrente 62.

Si può vedere che la corrente elettrica deve passare attraverso connessioni meccaniche multiple tra il catodo, la piastra traforata, il collettore di corrente, la piastra di separazione e l'anodo. Sono queste connessioni meccaniche che provocano un aumento della resistenza elettrica se sono spezzate e ricostruite durante il funzionamento. Perciò, secondo la presente invenzione, si applica una pressione uniforme mediante il carico di compressione per mantenere queste connessioni e un contatto elettrico intimo in ogni istante.

Durante il funzionamento delle pile a combustibile possono verificarsi abbastanza rapidamente rapidi transitori di temperatura, ad esempio da 1300°F {700°C) a 1100°F (590°C). Questi transitori ad alta temperatura si verificano per seguire la richiesta di carico di energia elettrica e perciò non possono essere ragionevolmente rallentati. Durante l'avviamento il transitorio si verifica da temperatura ambiente. Anche se è possibile utilizzare un lungo periodo di avviamento, è indesiderabile avere requisito che ritardi l'avviamento. Inoltre alle temperature inferiori l'elettrolito può non essere ancora fuso. La realizzazione e la rottura del contatto elettrico possono perciò essere ancora più dannosi.

Secondo la tecnica anteriore, questo transitorio di temperatura applicata sulla piastra di estremità, ed eventualmente anche sulla piastra di pressione, provocava la distorsione della piastra di estremità applicando cosi un carico di compressione non uniforme sulla batteria di pile a combustibile. Nella presente questo transitorio di temperatura è applicato soltanto sulla membrana 16. Questa membrana vede anche una differenza di temperatura attraverso il suo spessore. Questa differenza di temperatura, tuttavia, sarà minore a causa della sottigliezza della membrana, ma, cosa ancora più importante, la tendenza di questa piastra ad incurvarsi può essere facilmente vinta a causa della bassa resistenza a flessione della membrana. Perciò, malgrado un transitorio di temperatura, le forze applicate attraverso 1 1isolamento termico semirigido continuano ad essere uniformi attraverso la pi'C.a a combustibile.

Può anche avvenire durante il funzionamento che la batt iria di pile a combustibile si dilati in misura differente attraverso la sua larghezza, ad esempio il centro della pila combustibile può funzionare ad una temperatura più alta che non i bordi esterni. Una piastra rigida sottoposta a questa condizione applica una forza eccessiva in una posizione e una forza insufficiente in un'altra posizione. Ciò può permettere l'interruzione immediata del contatto in una sezione, oppure può deformare in modo permanente la sezione eccessivamente compressa con la conseguenza di un distacco successivo di questa parte. Con la membrana sostenuta dall'isolamento termico elastico semirigido, la membrana si può deformare in funzione della distorsione delle pile a combustibile per cui la forza rimane sostanzialmente uniforme attraverso l'area della pila a combustibile.

I riscaldatori elettrici 24 sono normalmente alimentati in modo da mantenere la temperatura di circa 1200°F (650°C) nella posizione del riscaldatore. Il mantenimento di questa temperatura media di funzionamento della batteria forma una protezione termica che mantiene le pile di estremità alla temperatura richiesta di funzionamento delle pile. E' sottinteso che è possibile utilizzare altri tipi di riscaldatori, come uno scambiatore di calore a piastre alettate, attraversato da gas caldo. Questi riscaldatori sono ulteriormente isolati in modo da evitare elevati flussi di calore nella piastra di estremità, che provocherebbero la distorsione eccessiva delle piastre di estremità durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento. Si nota che anche se la distorsione della piastra di pressione è indesiderabile anche in questa posizione remota, una distorsione può essere tollerata a causa dell'effetto di ugualizzazione di forza degli strati multipli di isolamento semirigido prima che la forza sia applicata alla membrana.

Con una batteria di pila a combustìbile di 3 piedi (90 cm) su ogni bordo lineare, uno spessore conveniente della membrana è di 1/8 di pollice (0,3175 cm). Questa membrana dovrebbe essere sufficientemente sottile per trasmettere uniformemente il carico di pressione, ma deve essere sufficientemente spessa per convogliare la corrente elettrica senza una caduta di tensione eccessiva. Per pile a combustibile aventi la dimensione lineare su ogni bordo diverso da 36 pollici (90 cm), è opportuna una certa modifica dello spessore della membrana.

Funzionalmente, secondo l'invenzione, è meglio che la piastra di estremità sia la più sottile possibile. Uno spessore minimo di 10 mil (0,25 mm) è generalmente richiesto per la resistenza alla corrosione. Un certo spessore maggiore facilita la manipolazione durante la fabbricazione. Uno spessore sostanziale della piastra di estremità è tuttavia la causa del problema da superare. La membrana deve essere sufficientemente sottile per essere mantenuta in posizione appiattita sotto il carico di compressione durante le differenze di temperatura che si verificano attraverso lo spessore della membrana.Lo spessor«)referito è compreso nel campo tra 0,03 e 1, 3 cm, e più in particolare tra 0,2 ed 1 cm.

La figura 4 rappresenta una vista isometrica di una membrana 16 di piastra di estremità che è formata integralmente con una struttura scatolare 28. Quattro pareti laterali 30 si estendono assialmente rispetto alla pila a combustibile e formano superfici diritte per l'attacco dei collettori di gas. Mentre la membrana 16 è spessa 1/8 di pollice (0,3175 cm), le pareti 30 sono spesse 1/4 di pollice (0,64 era) e le flange di rinforzo 40 sono anche spesse 3/8 di pollice (0,95 cm). La parete 30 non soltanto fornisce la superficie relativamente rigida per il collettore, ma anche un materiale più spesso per la conduzione di corrente elettrica al conduttore elettrico di potenza 42. Come illustrato nella presente, è possibile utilizzare una molteplicità di conduttori elettrici di potenza.

Allo scopo di mantenere più rigidamente diritta la superficie 30, una molteplicità di rinforzi 70 sono saldati alle pareti verticali. Questi rinforzi sono liberi

e separati dal contatto con la membrana 16 in modo da non interferire con la flessibilità desiderata di questa membrana. L'isolamento semirigido isolante e di trasmissione della forza di compressione è segmentato all altezza dei rinforzi in modo da poter trasmettere la forza uniforme tra i rinforzi e contro la membrana.

Claims

RIVENDICAZIONI Gruppo di pile a combustibile comprendente: una batteria di pile a combustibile formata da un gran numero di pile a combustibile aventi elettrodi e affiancate in relazione elettrica di serie; una membrana flessibile elettricamente conduttrice ad ogni estremità della batteria suddetta, in cui ogni membrana è in contatto elettrico con un elettrodo in posizioni multiple distanziate in un piano parallelo ai piani delle pile a combustibile suddette; un pattino di pressione ad ogni estremità della batteria suddetta di pile a combustibile, comprendente una superficie sostanzialmente piana in contatto con la rispettiva membrana; mezzi di compressione per esercitare una forza compressione sui pattini di pressione suddetti verso la batteria suddetta di pile a combustibile; in cui le membrane suddette sono sufficientemente sottili affinché la forza di compressione mantenga le membrane in stretto contatto elettrico con gli elettrodi suddetti in posizioni multiple. Gruppo di pile a combustibile secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi di compressione suddetti comprendono piastre di pressione spesse in contatto di compressione con il pattino di pressione suddetto. Gruppo di pile a combustibile secondo la rivendicazione 1 oppure 2, in cui i pattini di pressione suddetti comprendono isolamento termico semirigido. 4 Gruppo di pile a combustibile secondo la rivendicazione 3, in cui l'isolamento termico semirigido suddetto comprende silicato di calcio. 5. - Apparecchio a pile a combustibile secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui la membrana suddetta è spessa tra 0,2 ed 1 cm. 9 Gruppo di pile a combustibile secondo una qualsia· si delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui la barra suddetta del conduttore elettrico di potenza è collegata ad ogni membrana in una molteplicità di posizioni Gruppo di pile a combustibile secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, comprendente due riscaldatori; e in cui ognuno dei riscaldatori suddetti è interposto nell'isolamento semirigido suddetto tra la membrana suddetta e la piastra di pressione suddetta. é. - Gruppo di pile a combustibile secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui ogni membrana integrale, con una struttura di parete scatolare si estende assialmente rispetto alla batteria suddetta di pile a combustibile sulla periferia esterna della membrana suddetta; collettori di combustibile; collettori di aria; e in cui ogni collettore appoggia a tenuta contro le pareti scatolate suddette . - Gruppo di pile a combustibile secondo la rivendicazione 8, in cui ogni parete scatolare ha una flangia di rinforzo estendetesi verso l'esterno. - Gruppo di pile a combustibile secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui una barra conduttrice elettrica di potenza è collegata ad ogni membrana. '11y - Gruppo di pile a combustibile secondo la rivendicazione 10, in cui la barra conduttrice elettrica di potenza suddetta è collegata ad ogni membrana in una molteplicità di ·posizioni . Gruppo di pile a combustibile secondo una qualsiasi delle rivendicazioni a 8 ad 11, una molteplicità di rinforzi che collegano pareti opposte della struttura di parete scatolare suddetta; in cui i rinforzi suddetti sono staccati dalla membrana suddetta ; e i mezzi suddetti di trasmissione di forza sono segmentati in modo da formare percorsi paralleli di trasmissione di forza tra i rinforzi suddetti . Apparecchio a pile di combustibile secondo la rivendicazione 12, in cui una barra conduttrice elettrica di potenza è collegata ad ogni parete scatolare. 14 - Apparecchio a pile di combustibile secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui la membrana suddetta è spessa tra 0,03 e 1,3 cm. 15. - Apparecchio a pile di combustibile secondo una qualsiasi delle rivendicazionid a 1 a 14, in cui le pile a combustibile suddette sono pile a combustibile a carbonato fuso.