ITMI952249A1 - Piastra bipolare per celle a combustibile - Google Patents

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Abstract

Viene descritta una piastra bipolare per la separazione e la formazione di contatto dell'anodo (1) e del catodo (2) di celle a combustibile disposte adiacentemente in una pila (8) di celle a combustibile. Secondo l'invenzione la piastra bipolare è formata da un corpo di lamiera singolo (400) integrale, il quale presenta una pluralità di prime zone (410) elevate, rivolte verso l'anodo e formanti superfici di appoggio per l'anodo e distanziate tra loro da intercapedini, e una pluralità di seconde zone (420) elevate, rivolte verso il catodo e formanti superfici di appoggio per il catodo e distanziate tra loro da intercapedini. Le intercapedini tra le prime zone (410) elevate formano percorsi di scorrimento per il gas combustibile (B) scorrente sui lati anodici della piastra bipolare, e le intercapedini tra le seconde zone (420).

Description

elevate formano percorsi di scorrimento per il gas catodico (K) scorrente sul lato catodico della piastra bipolare. (Figura 4)
Descrizione del trovato
L'invenzione concerne una piastra bipolare per la separazione e la formazione di contatto di anodo e catodo di celle a combustibile adiacenti disposte in una pila di celle a combustibile.
In moderne disposizioni di celle a combustibile, in particolare in disposizioni a celle a combustibile secondo la tecnica del carbonato fuso, una pluralità di celle a combustibile singole sono disposte l'una sopra all'altra in una pila di celle a combustibile, cosicché esse possono essere collegate elettricamente in serie e, relativamente alla tecnica del gas, in parallelo. All'interno di una siffatta pila di celle a combustibile le singole celle sono separate l'una dall'altra mediante una cosiddetta piastra bipolare. Il compito della piastra bipolare è:
- la separazione dello spazio del gas sull'anodo di una cella a combustibile dallo spazio del gas sul catodo della cella a combustibile adiacente,
- la formazione della sezione trasversale di corrente, nella quale il gas viene addotto all'anodo, rispettivamente al catodo, e viene nuovamente scaricato da questo,
- formare lo spazio per la collocazione di un catalizzatore per il reforming interno, e
- l'esecuzione di contatti elettrici tra anodo e catodo di celle a combustibile adiacenti.
Le piastre bipolari note tradizionali sono formate da una pluralità di elementi singoli, i quali singolarmente o in cooperazione tra più di loro devono soddisfare i compiti menzionati più sopra. Così una piastra bipolare tradizionale è costituita di:
- una lamiera di separazione, la quale è prodotta di acciaio legato ed è preferibilmente nichelata sul lato anodico ed effettua la separazione degli spazi del gas, - un collettore di corrente perforato, sagomato a guisa di lamiera ondulata sul lato anodico e di acciaio legato nichelato, il quale oltre al compito di raccogliere corrente forma lo spazio del gas lato anodo e crea spazio per l'alloggiamento di un materiale di catalizzatore per il reforming interno,
- un collettore di corrente perforato, conformato a guisa di lamiera ondulata sul lato catodico e di acciaio legato, il quale forma lo spazio del gas lato catodo, - una lamiera perforata lato anodo di nichel, la quale garantisce un uniforme sostegno meccanico dell'anodo, - una lamiera perforata lato catodo di acciaio legato per il sostegno del catodo, e
- listelli di chiusura marginali di acciaio legato, i quali chiudono a tenuta le zone marginali e contribuiscono alla stabilizzazione della pila delle celle a combustibile. In seguito alla formazione di una siffatta piastra bipolare tradizionale di una pluralità delle parti menzionate risultano numerosi svantaggi. In seguito all'elevato numero di parti risultano elevati costi per materiale, produzione e montaggio, tra le singole parti si vengono ad originare elevate resistenze elettriche di passaggio, le quali possono assumere valori considerevoli in particolare sul lato catodico nella sua atmosfera riducente; la nichelatura del collettore di corrente lato anodo provoca un dispendio considerevole, poiché esso può essere nichelato solamente dopo lo stampaggio, per assicurare una nichelatura di tutti i bordi o spigoli di taglio. Un'esecuzione di lamiera di nichel non è possibile in seguito alle caratteristiche meccaniche della stessa.
Il compito della presente invenzione è quello di creare una piastra bipolare per celle a combustibile che è costruita in modo semplice.
Secondo la presente invenzione ciò viene ottenuto, in una piastra bipolare del tipo menzionato più sopra, per il fatto che la piastra bipolare è formata da un unico corpo integrale di lamiera, il quale presenta una pluralità di prime zone elevate, rivolte verso l'anodo e formanti superfici di appoggio per l'anodo e distanziate fra loro da intercapedini, e una pluralità di seconde zone elevate, rivolte verso il catodo e formanti superfici di appoggio per il catodo e distanziate tra loro da intercapedini, laddove le intercapedini tra le prime zone elevate formano percorsi di scorrimento per il gas combustibile scorrente dal lato anodico della piastra bipolare, e le intercapedini tra le seconde zone elevate formano percorsi di scorrimento per il gas catodico scorrente sul lato catodico della piastra bipolare.
Un vantaggio sostanziale della piastra bipolare secondo l'invenzione è la sua costruzione in un pezzo unico, per cui vengono a mancare punti di contatto elettrici all'interno di singoli elementi della piastra bipolare. In tal modo vengono a mancare resistenze elettriche di passaggio, e quindi la resistenza ohmica interna della pila di celle a combustibile in tal modo diminuisce e si riduce la formazione di calore e si ottiene un miglioramento del rendimento.
Un ulteriore vantaggio è che la piastra bipolare secondo l'invenzione, contrariamente ai collettori di corrente tradizionale, non presenta sfinestrature, cosicché essa non ha bisogno di una costosa nichelatura dopo la sua produzione, bensì la piastra bipolare può essere prodotta di lamiera nichelata preliminarmente su un lato, per esempio di lamiera placcata a caldo. Ciò porta a dei considerevoli risparmi in termini di costi.
Un ulteriore vantaggio consiste nel fatto che mediante la costruzione in un pezzo unico della piastra bipolare secondo l'invenzione si può risparmiare, rispetto alla costruzione convenzionale di cinque lamiere singole, materiale, peso e costi di montaggio.
Vantaggiosi ulteriori sviluppi della piastra bipolare secondo l'invenzione sono caratterizzati nelle rivendicazioni dipendenti.
Nel seguito in base ai disegni allegati vengono spiegati dapprima la costruzione tradizionale di una piastra bipolare e poi esempi di esecuzione della piastra bipolare secondo l'invenzione.
In particolare:
la figura 1 mostra una vista prospettica in esploso di una pila di celle a combustibile con piastre bipolari tradìzionali;
la figura 2 mostra una vista parziale ingrandita, in prospettiva e in parte sezionata, di una piastra bipolare tradizionale;
la figura 3 mostra in modo schematizzato una vista in prospettiva di una piastra bipolare secondo <' >un primo esempio di esecuzione dell'invenzione; e
la figura 4 mostra una vista schematizzata in sezione parziale di un secondo esempio di esecuzione della piastra bipolare secondo l'invenzione nello stato montato.
Nella vista in esploso in prospettiva mostrata in figura 1 di una pila di celle a combustibile a carbonato fuso, con l'indice di riferimento 8 è indicata nel suo insieme la pila di celle a combustibile. Allo scopo di una migliore visione di insieme sono mostrate solamente tre celle a combustibile 9. Ciascuna delle celle a combustibile 9 contiene un anodo 1 altamente poroso, prodotto di una lega di nichel, un catodo 2 altamente poroso, prodotto di ossido di nichel drogato con litio, e una matrice 3 incorporata tra anodo 1 e catodo 2, nella quale è fissato un elettrolita di fusione formato da una fusione di carbonato alcalino. Ovviamente la piastra bipolare secondo l'invenzione non è limitata all'impiego di una siffatta cella a combustibile di carbonato alcalino fuso. Nella rappresentazione in figura 1 l'anodo 1, il catodo 2 e la matrice 3 della cella a combustibile superiore e di quella inferiore sono illustrati nello stato assemblato, mentre le parti nella cella a combustibile 3 illustrata nel centro sono illustrate separate tra loro in una vista in esploso. Tra due celle a combustibile 9 adiacenti in sovrapposizione nella pila è disposta rispettivamente una piastra bipolare 4. Queste piastre bipolari 4 separano lo spazio del gas sull'anodo 1 di una cella a combustibile 9 dallo spazio del gas sul catodo 3 della cella a combustibile adiacente e mettono a disposizione nello stesso tempo una rispettiva sezione trasversale di flusso o corrente, nella quale il gas combustibile B viene fatto passare davanti all'anodo e il gas di catodo K viene fatto passare davanti al catodo. Nella rappresentazione in figura 1 il gas combustibile B viene condotto dal davanti all'indietro attraverso lo spazio di gas lato anodico sul lato inferiore delle piastre bipolari 4, mentre il gas del catodo K viene condotto da sinistra verso destra attraverso lo spazio del gas lato catodo sul lato superiore delle piastre bipolari 4. La distribuzione e la riunione delle correnti di gas ha luogo mediante collettori di gas 7 disposti su tutti e quattro i lati della pila 8 di celle a combustibile, dei quali collettori di gas nella figura ne è rappresentato solamente uno per ragioni di una migliore chiarezza.
Sul lato superiore della cella a combustibile 9 più in alto e sul lato inferiore della cella a combustibile 9 più in basso sono disposte rispettivamente piastre bipolari parziali 4', le quali contengono rispettivamente solamente la parte necessitata nell'anodo 1 della cella a combustibile più in alto, rispettivamente nel catodo 2 della cella a combustibile più in basso, per la formazione del rispettivo spazio del gas. La cella a combustibile 9 più in alto e quella più in basso sono isolate elettricamente mediante rispettive piastre isolanti 5 nei confronti di piastre di estremità 6. La pila 8 di celle a combustibile viene assemblata, ovvero trattenuta, mediante quattro tiranti a vite 6' estendentisi negli angoli e i quali nella figura sono illustrati solamente in modo parziale.
La figura 2 mostra in prospettiva una parte di una piastra bipolare tradizionale. Questa piastra bipolare è costruita di cinque elementi piastriformi singoli, i quali sono assemblati a formare la piastra bipolare. Queste parti sono una lamiera di separatore 40 prodotta di acciaio legato e nichelata sul lato anodico, la quale determina la separazione degli spazi del gas, un collettore di corrente 41 perforato, di lato anodico, formato a guisa di lamiera ondulata e parimenti di acciaio legato nichelato, il suo compito è quello di raccogliere la corrente sull'anodo, di formare lo spazio del gas lato anodico e il quale offre inoltre spazio per l'accoglimento di un materiale di catalizzatore 45 per una reazione di reforming interna. Sopra al collettore di corrente 41 lato anodico è disposta una lamiera perforata 42 lato anodico di nichel, la quale serve al sostegno meccanico uniforme dell'anodo. Questa lamiera perforata 42 lato anodo si trova direttamente in contatto con l'anodo. Sotto alla lamiera di separatore 40 si trova un collettore di lamiera 43 perforato, lato catodico e formato a guisa di lamiera ondulata, di acciaio legato e il quale forma lo spazio del gas lato catodo. Rispetto al collettore di corrente 41 lato anodico il collettore di corrente 43 lato catodo non necessita di alcuna nichelatura. Sotto al collettore di corrente 43 lato catodo si trova una lamiera perforata 44, lato catodo, di acciaio legato e la quale serve al sostegno del catodo e si trova in contatto diretto con questo. La piastra bipolare tradizionale è formata da questi cinque elementi singoli menzionati. Inoltre la piastra bipolare presenta ancora listelli di chiusura marginale 46 e 47, i quali servono alla delimitazione laterale degli spazi del gas sugli anodi, rispettivamente sui catodi, e alla stabilizzazione meccanica dell'intera pila di celle a combustibile. Questi listelli di chiusura marginale 46, 47 non devono però essere considerati, in senso stretto, come componenti della piastra bipolare.
Nell'esempio di esecuzione, illustrato schematicamente in prospettiva in figura 3, della piastra bipolare secondo l'invenzione, questa è formata da un unico corpo di lamiera 400 integrale. Questo presenta, sul suo anodo rivolto all'anodo (non illustrato e da immaginarsi sul lato inferiore della piastra bipolare), una pluralità di prime zone elevate 410. In modo corrispondente sul lato, rivolto al catodo (parimenti non rappresentato e da immaginarsi sul lato superiore della piastra bipolare) è conformata una pluralità di seconde zone elevate 420. Mentre nella figura, allo scopo di una migliore chiarezza, sono mostrate solamente rispettivamente otto delle prime e delle seconde zone elevate 410, rispettivamente 420, queste in pratica sono naturalmente molte di più. Le zone elevate 410, 420 formano con le loro punte rispettivamente zone o superiici di appoggio per l'appoggio del rispettivo elettrodo, quindi dell'anodo, da pensare al disotto della piastra bipolare, e del catodo, da pensare al disopra della piastra bipolare. In corrispondenza dei lati longitudinali della piastra bipolare vanno previsti rispettivamente listelli di chiusura marginali 430, i quali in figura 3 sono illustrati solamente in modo schematizzato.
Le intercapedini tra le prime zone elevate 410 formano percorsi di corrente, ovvero scorrimento, per il gas combustibile B scorrente sul lato anodico della piastra bipolare, mentre le intercapedini tra le seconde zone elevate 420 formano percorsi di scorrimento o di corrente per il gas catodico K scorrente sul lato catodi della piastra bipolare.
Le prime e le seconde zone elevate 410, 420 sono disposte reciprocamente preferibilmente di volta in volta a distanze regolari. Per consentire l'adattamento alle condizioni di corrente e ad altri parametri tipici delle celle a combustibile, le distanze possono anche essere scelte non regolari.
Nel secondo esempio di esecuzione, illustrato in figura 4, della piastra bipolare secondo l'invenzione le prime e le seconde zone elevate 410 e 420 sono conformate in forma di calotta. In tal modo rispetto alla conformazione in forma di piramide delle zone elevate nell'esempio di esecuzione illustrato in figura 3, si ottiene un aumento della superficie di appoggio per l'anodo, rispettivamente per il catodo, come pure una caratteristica di molla della piastra bipolare, la quale garantisce una sollecitazione di pressione più uniforme delle celle a combustibile disposte, come pure una compensazione di scostamenti di tensione. A tale scopo le prime e seconde zone elevate 410, rispettivamente 420, in forma di calotta, possono essere conformate più o meno bombate. Tra le zone elevate 410 lato anodo è disposto un materiale di catalizzatore in forma di palline o granuli 450, il quale serve all'effettuazione del reforming interno del gas combustibile B fatto passare davanti all'anodo. Queste palline o granulati di catalizzatore 450 sono in tal modo introdotti sul lato posteriore delle seconde zone elevate 420 rivolte verso il catodo.
Il corpo di lamiera 420 della piastra bipolare è prodotto preferibilmente mediante stampaggio, pressatura o imbutitura delle prime e delle seconde zone elevate 410, 420, da un pezzo piano di lamiera di acciaio legato, il quale è nichelato sul lato anodico.
Nell'esempio di esecuzione illustrato in figura 3 le prime e le seconde zone elevate 410, 420 sono disposte reciprocamente rispettivamente in modo alternato a guisa di una scacchiera, laddove la costante di reticolo del disegno a scacchiera può essere adattata ai rapporti o condizioni di corrente e ad altri parametri specifici delle celle a combustibile. In una prima direzione, la quale è la direzione di corrente principale del gas anodico B, le prime zone elevate 410 sono disposte in modo susseguente alternativamente corrispondentemente alle file della disposizione a guisa di disegno o modello di scacchiera, mentre in una seconda direzione, perpendicolare rispetto alla prima direzione e la quale è la direzione di corrente principale del gas catodico K, le seconde zone elevate 420 si susseguono alternativamente corrispondentemente alle colonne della disposizione a guisa di scacchiera.
A differenza da questo esempio di esecuzione, la disposizione a guisa di scacchiera può essere scelta in modo tale che le rispettive direzioni di corrente del gas combustibile B e del gas catodico K coincidano con le diagonali del disegno della scacchiera, per cui si ottiene una diminuzione della resistenza alla corrente.
A differenza dell'esecuzione in forma di botte oppure in forma di calotta delle zone elevate 410, 420 nei due esempi di esecuzione descritti, sono possibili anche altre conformazioni. Così le prime e le seconde zone elevate 410, 420 possono anche essere eseguite in forma di botte. In relazione a ciò è possibile, a titolo di esempio, disporre gli assi lunghi delle prime zone 410, eseguite a forma di botte, perpendicolarmente rispetto agli assi lunghi delle seconde zone 420, conformate a guisa di botte, laddove gli assi lunghi delle prime zone .elevate 410, rivolte verso l'anodo, si estendono parallelamente rispetto alla direzione di corrente principale del gas combustibile B, e gli assi lunghi delle seconde zone elevate 420, rivolte verso il catodo, si estendono parallelamente rispetto alla direzione di corrente principale del gas catodico K. In tal modo si ottiene, da un lato, un aumento della superficie di appoggio tra le rispettive zone elevate 410, 420 e gli elettrodi, ad esse appoggiati, per esempio anodo, rispettivamente catodo, delle celle a combustibile rispettivamente adiacenti, laddove d'altro canto la resistenza alla corrente non viene sostanzialmente elevata. È anche possibile conformare le zone elevate 410 e 420 in modo differente, per esempio le une zone elevate in forma di piramide o di calotta e le altre zone elevate in forma di botte.
Inoltre sussiste la possibilità di appiattire le zone elevate, eseguite in forma di calotta, in forma di piramide, in forma di botte oppure con un'altra forma, in una direzione parallelamente al piano principale della piastra bipolare, e aumentare in tal modo le superfici di appoggio sugli elettrodi. Anche questo appiattimento può essere scelto differente per le zone elevate dell'uno e dell'altro tipo, per adattare per esempio la piastra bipolare a differenti caratteristiche meccaniche e di resistenza dell'anodo e del catodo.

Claims (17)

  1. Rivendicazioni 1. Piastra bipolare per la separazione e la formazione di contatto dell'anodo (1) e del catodo (2) di celle a combustibile (9) adiacenti e disposte in una pila (8) di celle a combustibile, caratterizzata dal fatto che la piastra bipolare è formata da un unico corpo di lamiera (400) integrale, il quale presenta una pluralità di prime zone elevate (410) rivolte verso l'anodo (1) e formanti superfici di appoggio per l'anodo (1) e distanziate tra loro da intercapedini, e una pluralità di seconde zone elevate (420) rivolte verso il catodo (2) e formanti superfici di appoggio per il catodo (2) e distanziate tra loro da intercapedini, laddove le intercapedini tra le prime zone (410) elevate formano percorsi di corrente per il gas combustibile (B) scorrente sul lato anodico della piastra bipolare, e le intercapedini tra le seconde zone (420) elevate formano percorsi di corrente per il gas catodico (X) scorrente sul lato catodico della piastra bipolare.
  2. 2. Piastra bipolare secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che le prime e le seconde zone elevate (410, 420) sono disposte rispettivamente a distanze regolari l'una dall'altra.
  3. 3. Piastra bipolare secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che le prime e le seconde zone elevate (410, 420) sono disposte alternativamente a guisa di un disegno di scacchiera.
  4. 4. Piastra bipolare secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che prime e seconde zone elevate (410, 420) sono disposte, in una prima direzione, la quale è la direzione di corrente principale del gas combustibile (B), e in una seconda direzione perpendicolare rispetto alla prima direzione e la quale è la direzione di corrente principale del gas catodico (K), in modo susseguentesi l'una all'altra alternativamente, corrispondentemente alle righe e alle colonne della disposizione a guisa di scacchiera.
  5. 5. Piastra bipolare secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che di volta in volta solamente prime o solamente seconde zone elevate (410, 420) sono disposte, in una prima direzione, la quale è la direzione di corrente principale del gas combustibile (B), e in una seconda direzione perpendicolare rispetto alla prima direzione e che è la direzione di corrente principale del gas catodico (K), susseguenti l'una all'altra corrispondentemente alle diagonali della disposizione a guisa di scacchiera.
  6. 6. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 5, caratterizzata dal fatto che le prime e/oppure le seconde zone elevate (410, 420) sono eseguite in forma di piramide.
  7. 7. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 6, caratterizzata dal fatto che le prime e/oppure le seconde zone elevate (410, 420) sono eseguite in forma di calotta.
  8. 8. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 7, caratterizzata dal fatto che le prime e/oppure le seconde zone elevate (410, 420) sono eseguite in forma di botte.
  9. 9. Piastra bipolare secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che gli assi lunghi delle prime zone (410) eseguite in forma di botte si estendono perpendicolarmente rispetto agli assi lunghi delle seconde zone (420) conformate in forma di botte, laddove gli assi lunghi delle prime zone elevate (410), rivolte all'anodo ti), si estendono parallelamente rispetto alla direzione di corrente principale del gas combustibile (B), e gli assi lunghi delle seconde zone elevate (420), rivolte verso il catodo, si estendono parallelamente rispetto alla direzione di corrente principale del gas catodico (K).
  10. 10. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 9, caratterizzata dal fatto che le prime e/oppure le seconde zone elevate (410, 420) eseguite in forma di piramidi, di calotte o di botti, presentano superfici di appoggio appiattite per l'anodo (1), rispettivamente per il catodo (2).
  11. 11. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni da 6 fino a 10, caratterizzata dal fatto che le prime e le seconde zone elevate (410, 420) sono eseguite uguali.
  12. 12. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni da 6 fino a 10, caratterizzata dal fatto che le prime e le seconde zone elevate (410, 420) sono eseguite differenti.
  13. 13. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 12, caratterizzata dal fatto che il corpo di lamiera (400) della piastra bipolare è prodotto da un pezzo di lamiera piana mediante stampaggio, pressatura o imbutitura delle prime e delle seconde zone (410, 420) elevate.
  14. 14. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 13, caratterizzata dal fatto che il corpo di lamiera (400) è prodotto di una lamiera di acciaio legato.
  15. 15. Piastra bipolare secondo la rivendicazione 14, caratterizzata dal fatto che la lamiera di acciaio legato è nichelata sul lato anodico.
  16. 16. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che nelle intercapedini tra le prime zone elevate (410) lato anodico sono disposte palline o granulati di catalizzatore.
  17. 17. Piastra bipolare secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 15, caratterizzata dal fatto che la piastra bipolare sul lato anodico è munita di un rivestimento di catalizzatore.
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