MX2007013484A - Aparato y metodos con celda de combustible. - Google Patents

Abstract

La invencion se refiere a un aparato con celda de combustible que incluye un alojamiento. El alojamiento define una zona sustancialmente isotermica que integra una celda de combustible y un quemador de as de cola con la zona isotermica. La celda de combustible y el quemador de gas de cola estan en comunicacion termica y comparten una pared comun. En una modalidad, el alojamiento integra ademas un reformador de combustible, en donde el reformador de combustible esta en comunicacion termica con la celda de combustible. En una modalidad, la celda de combustible y el quemador de gas de cola pueden estar colocados de manera que produzcan una densidad de energia mayor o igual que aproximadamente 2 V/cc. La celda de combustible preferiblemente es una celda de combustible de oxido solido.

Description

APARATO Y MÉTODOS CON CELDA DE COMBUSTIBLE Campo técnico La invención se refiere a aparatos y métodos que mejoren la eficiencia de las celdas de combustible. En una modalidad, la invención se refiere a las celdas de combustible adaptadas para mejorar el balance de energía mediante la integración de múltiples componentes de celda de combustible en una zona isotérmica. Antecedentes de la invención Las celdas de combustible que operan en conjunto con tanques de combuslible reemplazables por ejemplo, llenos de combusíibles como hidrógeno gaseoso, metanol, butano o diesel, son una tecnología en desarrollo. Estos tipos de celdas de combusíible están diseñados para competir con las diversas soluciones en balerías que alímenlan de energía los productos del consumidor. La competitívidad de estas celdas de energía con respecto de las baterías depende de una cantidad de factores, tales como la densidad de energía del combustible dentro del tanque; la capacidad de la celda de combustible para convertir energía química en energía eléctrica con cierta eficiencia; y la necesidad de mantener las celdas de combustible apiladas, junto con componentes asociados de bombeo de fluidos y de conlrol de energía, no mayores a aquellos de una batería competitiva. Las mejoras en cuanto a la densidad de energía y eficiencia de conversión química se han logrado mediante celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), las cuales utilizan membranas cerámicas en vez de membranas de polímero. Dado que las celdas de combustible de óxido sólido pueden convertir una variedad de tipos de combustibles moleculares en electricidad , por ejemplo, diversos hidrocarburos, una celda de combustible de óxido sólido puede utilizar combustibles líquidos con una alia densidad de energía y aun así lograr una adecuada eficiencia en conversión de energía. Sin embargo, las celdas de combustible de óxido sólido requieren de operación de membrana y catalítica a temperaturas mayores a los 600° C, con frecuencia superiores a los 750° C. Consecuentemente, los diseñadores de celdas de combustible de óxido sólido para aplicaciones portátiles de energía deben proteger al usuario final del calor extremo sin aumentar excesivameníe el íamaño de todo el sistema. Adicionalmente, una celda de combustible de óxido sólido de hoy en día que opere a 800° C fácilmente puede irradiar o transmitir diez veces más energía al ambiente como calor de desperdicio en comparación con la energía eléctrica entregada al usuario. Dicho sistema no puede presentar una eficiencia superior al 1 0% , es decir, el sistema utiliza más del 90% de la energía del combustible para el único propósito de mantener la temperatura de operación de 800° C del reactor. Por lo tanío, con una eficiencia tan baja, es poco probable que las celdas de combustible de óxido sólido actuales compitan con las baterías. Las celdas de combustible de óxido sólido portátiles más avanzadas no han sido capaces de lograr volúmenes similares a los de las baterías. El generador de combusíible de óxido sólido rara vez excede 0.35 valios por cenlímeíro cúbico (V/cc). Al añadir capas de aislamiento con suficiente espesor para una operación que sea más eficiente en energía, la mayoría de las celdas de combustible de sólido óxido convencionales proporcionan energía en razones de volumen por debajo de los 0.1 V/cc). Adicionalmente, los aparatos con celdas de combustible y diseños de sistemas existenles proporcionan componenles calentados (diferentes al empalme de celdas de combustible de óxido sólido) para mejorar la eficiencia del sistema. Sin embargo, cada componente calentado añade al volumen del aparato y a la cantidad de aislamiento requerido para evitar una excesiva disipación del calor. Como resultado, existe la necesidad de construir un aparato en miniatura de celda de combustible, el cual al combinarse con un tanque portáíil de combustible puede proporcionar capacidades de almacenamiento de energía similares o superiores a las de las baterías recargables, por ejemplo, mayores a 200 vatios - hora por litro (V-h/L), y preferiblemente mayores a 400 V-h/L. Una celda de combustible sería de gran valor para alimentar de energía aparatos electrónicos portátiles, cuyas funciones hoy en d ías se encuentran limitadas a la capacidad de energía de las baterías. Breve descripción de la invención La eficiencia de combustible se logra, en paríe, regulando la eficiencia lérmica. Específicamenle, la eficiencia térmica mejorada es como resultado, en parte, de cualquiera o de una combinación de los siguientes factores: integración del reformador de combusíible, celda de combusíible, y quemador de gas de cola en una zona única, esencialmente isotérmica, de alta temperatura; reduciendo sustancialmenfe el área de disipación de calor de la zona calienle mediante un aumento de la densidad de energía denlro del empalme de la celda de combusíible, preferiblemeníe a valores superiores a los 2 V/cc; uso de un medio de aislamienlo lérmico eficiente (ya sea aerogel o vacío), de modo que todos los componentes que requieran de una operación a alta temperatura se encuentren contenidos deníro de un solo alojamiento, y por lo tanlo dicho aislamiento térmico se encuentre dispuesto en el exíerior de dicho alojamiento; incorporación de conexiones de baja conducción al calor para intercambiar fluidos entre el aparato de la celda de combustible y el mundo exterior, y para la extracción de corrientes eléctricas de la celda de combustible; y/o la incorporación de un recuperador de calor, preferiblemenle localizado dentro de la zona de aislamiento térmico, de modo que el recuperador de calor pueda operar a una temperatura intermedia entre la temperatura de la zona caliente y la temperatura del ambiente exterior. Como se utiliza aquí, "aparato con celdas de combustible" y "sistemas con celdas de combustible" se refieren a un aparato o dispositivo que puede contener algunos o todos los siguientes componentes; un reformador de combustible, un quemador de gas de cola, elementos ánodo/eleclrolito/cátodo, bombas y coníroles. Sin embargo, "celda de combuslible" se refiere a la eslructura de membrana ánodo/electrolito/cátodo. Adicionalmente, "densidad de energía" se refiere a una razón de energía generada en un volumen dado, y de otra forma comprendida en la técnica de las celdas de combustible. A pesar de que la invención se refiere a distintos aspectos y modalidades, debe entenderse que los diferentes aspectos y modalidades descritos aquí pueden integrarse en conjunto para formar un todo, o en parte, como resulte apropiado. Por esla razón, cada modalidad descrita aquí puede incorporarse en cada uno de los aspectos en grados variables, como sea apropiado para una implementación dada. Más aun, aunque algunos aspectos y modalidades se describen utilizando terminología de "medio para", debe entenderse que todos los aspectos, modalidades, y otros conceptos descritos aquí pueden servir como soporte para medio además de reivindicaciones de función, aun si no se utiliza lenguaje específico de "medio para" en una parte específica de la descripción escrita. Debe entenderse que los términos "un", "uno", "una" y "el", "la", "lo", significan "uno o más", a menos que se especifique expresamente lo contrario. En un primer aspecto, la invención se refiere a un aparato con celdas de combustible que incluye un alojamiento. Dicho alojamiento define una zona sustancialmente isotérmica. De tal manera, el alojamiento integra una celda de combustible y un quemador de gas de cola con la zona isotérmica. La celda de combustible y el quemador de cola de gas se encuentran en comunicación térmica y comparten una pared en común. En una modalidad, el alojamiento integra un reformador de combustible, y dicho reformador de combustible se encuentra en comunicación térmica con la celda de combustible. La celda de combustible y el quemador de gas de cola están colocados para que produzcan una densidad de energía superior o igual a 2 V/cc. La celda de combustible es una celda de combusíible de óxido sólido. Alíernativamente, la celda de combustible de óxido sólido incluye una capa de membrana que tiene un espesor menor o igual a aproximadameníe 500 µm, aproximadamente de 1 mm, o aproximadamente de 1 .5 mm en otras modalidades. La celda de combustible de óxido sólido puede incluir una pluralidad de celdas de combustible que definan un plano, creando así una pila de celdas de combustible en plano. Mientras, en otra modalidad el alojamiento incluye dos pilas de celdas de combustible en plano que son sustancialmente paralelas. Diferentes modalidades de la invención pueden incluir un elemento de conexión de fluidos de baja conducción de calor, para comunicar fluidos con el quemador de gas de cola. En otra modalidad, el elemento de conexión de fluidos de baja conducción de calor es un tubo de conducto de fluidos micromaquinado, un íubo concéntrico, o un tubo capilar de vidrio. En algunas modalidades de la invención se incluye un elemento eléctrico de baja conducción íérmica en comunicación eléclrica con la celda de combuslible. El elemento eléctrico de baja conducción térmica tiene un diámetro menor o igual a aproximadamente 50 µm en una modalidad. Alternativamente, un volumen de aislamiento de dispone de forma adyacente al exterior del alojamiento en una modalidad. Para aspectos que tienen un volumen de aislamiento, dicho volumen puede incluir una presión reducida, una espuma de aislamiento, un reflector térmico o una combinación de estos. Una modalidad además incluye un recuperador de calor en comunicación térmica con el quemador de combustible gas. Adicionalmente, el recuperador de calor puede localizarse en el volumen de aislamiento.

En algunos aspectos y modalidades, el reformador de combustible convierte combustibles complejos, tales como el butano, en moléculas más pequeñas para una utilización más eficiente de parte de la membrana de la celda de combustible. En algunos aspectos, los términos reformador de combustible y procesador de combustible pueden utilizarse indistiníameníe, como es sabido por los expertos en la técnica. Adicionalmente, en algunos aspectos, los términos quemador de gas de cola y convertidor catalítico se pueden utilizar indistintamente, como es sabido por los expertos en la técnica. En algunos aspectos y modalidades, el quemador de gas de cola quema y extrae calor útil de cualquier combustible en la corriente de escape, cuando este aun no se ha convertido o no ha sido consumido por la celda de combustible. En algunos aspectos y modalidades, el recuperador de calor, o iníercambiador de calor, extrae energía térmica del flujo de escape del reactor, para utilizarse en el precaleníamienlo del combustible entrante y de las corrientes de aire para la celda de combustible. En un segundo aspecto, la invención se refiere a un aparato con celdas de combusíible que incluye una celda de combuslible y un quemador de gas de cola en comunicación térmica con la celda de combustible. La celda de combustible y el quemador de gas de cola están dispuestos para producir una densidad de energía superior o igual a aproximadamente 2 V/cc. En un tercer aspecto, la invención se refiere a un método para minimizar la pérdida de calor durante la operación de una celda de combustible de óxido sólido. El método incluye los pasos de proporcionar un alojamiento que contenga una celda de combusíible, y operar dicha celda de combusíible de modo que la razón de energía con respecto del volumen del alojamiento sea mayor a aproximadameníe 2 V/cc. En un cuarlo aspecto, la invención se refiere a un aparato con celdas de combustible que incluye una primera celda de combustible de óxido sólido. La primera celda de combustible de óxido sólido incluye una capa de ánodo, una capa de cátodo y una capa de electrolito. A su vez, la segunda celda de combustible de óxido sólido incluye una capa de ánodo, una capa de cátodo y una capa de electrolito. En este aspecto, la distancia entre la línea central de la capa de electrolito de la primera celda de combustible de óxido sólido y una línea central de la capa de electrolito de la segunda celda de combustible de óxido sólido es menor o igual a aproximadameníe 1 .5 mm o aproximadameníe 1 mm. En un quinto aspecto, la invención se refiere a un aparato con celdas de combustible que incluye una celda de combustible de óxido sólido y un elemento de conexión de fluidos de baja conducción de calor, en comunicación fluida con la celda de combustible de óxido sólido. La celda de combustible de óxido sólido está adaptada para funcionar a una temperatura mayor o igual a aproximadamente 400° C. Además, el elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos está diseñado para producir una pérdida de calor debido al sólido corte transversal del elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos, de modo que la pérdida sea inferior a los 0.1 vatios por elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos. En un sexto aspecto, la invención se refiere a un aparato con celdas de combustible que incluye una celda de combustible de óxido sólido y un elemento eléctrico de baja conducción de calor en comunicación eléctrica con la celda de combustible de óxido sólido. La celda de combustible de óxido sólido esíá adaptada para funcionar a una temperatura mayor o igual a aproximadamente 600° C, y el elemento eléctrico de baja conducción de calor presenta una resistencia igual o mayor a aproximadamente 0.5 Ohm. En una modalidad, el elemento eléctrico de baja conducción de calor incluye platino y presenta un diámetro menor o igual a aproximadamente 200 µm, o de aproximadamente 100 µm. En un séptimo aspecío, la invención se refiere a un apáralo.

Dicho aparato incluye un alojamiento que contiene una celda de combustible de óxido sólido y un volumen de aislamiento dispuesto de forma adyacenle al exíerior del alojamiento. El volumen de aislamiento se encuentra a presión reducida. En un octavo aspecto, la invención se refiere a un aparato. Dicho aparato incluye un alojamiento que contiene una celda de combuslible de óxido sólido, un volumen de aislamiento dispuesto de forma adyacente al exterior del alojamiento, y un intercambiador de calor en comunicación térmica con la celda de combustible de óxido sólido. El intercambiador de calor esté localizado dentro del volumen de aislamiento. En un noveno aspecto, la invención se refiere a un aparato. Dicho aparato incluye una celda de combusíible de óxido sólido y un elemento de conexión de fluidos de baja conducción de calor en comunicación fluida con la celda de combustible de óxido sólido. La celda de combustible de óxido sólido está adaptada para funcionar a una íemperatura mayor o igual a los 400° C. El elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos está diseñado para producir una pérdida térmica debido a su sólido corte transversal, que es menor a aproximadameníe 0.1 vatios por elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos. En un décimo aspecto, la invención se refiere a un aparato. Dicho aparato incluye una celda de combustible de óxido sólido y un elemento eléctrico de baja conducción de calor en comunicación eléctrica con la celda de combustible de óxido sólido. La celda de combustible de óxido sólido está adaptada para funcionar a una temperatura mayor o igual a los 400° C, y el elemento eléctrico de baja conducción térmica tiene una resistencia mayor o igual a 0.5 Ohm. En ciertas modalidades, el elemento eléctrico de baja conducción incluye platino y/o tiene un diámetro menor o igual a aproximadameníe 200 µm. En un onceavo aspecto, la invención se refiere a un aparato con celdas de combustible que incluye un alojamienlo que conliene una celda de combustible de óxido sólido y un volumen de aislamiento dispuesto de forma adyacente a un exterior del alojamiento. El volumen de aislamiento se encuentra a presión reducida. En un doceavo aspecto, la invención se refiere a un aparato con celdas de combustible que incluye un alojamiento que contiene una celda de combustible de óxido sólido, un volumen de aislamiento dispuesto de forma adyacente a un exterior del alojamiento, y un intercambíador de calor en comunicación térmica con la celda de combustible de óxido sólido. El intercambiador de calor se localiza dentro del volumen de aislamiento. En un íreceavo aspecto, la invención se refiere a un aparato con celdas de combustible que incluye un medio de separación de espacio para definir una zona sustancialmente isotérmica y para integrar en conjunto los elementos dentro de un espacio en particular. De esta forma, el medio de separación de espacio integra un medio para convertir el combuslíble en electricidad y un medio para quemar y extraer energía íérmica de cualquier combusíible dentro de la zona isotérmica. El medio para convertir el combustible en electricidad y el medio para quemar y extraer energía térmica se encuentran en comunicación térmica y comparten una pared común. En una modalidad, el medio de separación de espacio es un alojamiento. En otra modalidad, el medio de separación de espacio es una pared exterior. Aun en otra modalidad, el medio de separación de espacio es una estructura semiconductora. Lo antes mencionado, así como otras características y ventajas de la invención, junto con la invención misma, se comprenderán de mejor manera a partir de la descripción, dibujos y reivindicaciones siguientes. Breve descripción de los dibujos La referencia a las figuras incluidas se pretende que proporcione un mejor entendimiento de los métodos y aparatos de la invención, pero no se prelende que limiten el alcance de la misma a las modalidades específicas ilustradas. Los dibujos no son necesariamente a escala, pues en vez de esto se enfatiza la ilustración de los principios de la invención. Caracteres de referencia ¡guales en las figuras respectivas, típicamente indican piezas correspondientes. La Figura 1 es una vista laíeral de coríe transversal de un aparato con celdas de combustible de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la invención; La Figura 2 es una vista de perspecliva de un componeníe de aparaío con celdas de combustible que tiene conexiones de fluido y un recuperador de calor de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la invención ; La Figura 3 es un dibujo esquemático de ánodos, cátodos y electrolitos acomodados en una configuración adecuada para utilizarse en el aparato con celdas de combustible de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la invención; La Figura 4 es una vista lateral de corte transversal de otro aparato con celdas de combustible de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la invención; y La Figura 5 es un dibujo esquemático de una capa de direccionamiento de flujo adecuada para utilizarse con un aparato con celdas de combustible de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la invención. Descripción detallada de la invención La siguiente descripción se refiere a los dibujos adjuntos que ilustran ciertas modalidades de la presente invención. Otras modalidades son posibles, y se pueden realizar modificaciones sin apartarse del espíritu y alcance de la invención. Por lo tanto, la siguiente descripción detallada no pretende limilar la présenle invención. Más bien, el alcance de la presente invención está definido por las reivindicaciones adjuntas. Debe entenderse que el orden de los pasos de los métodos de la invención no es importante mientras que la invención sea operable. Más aun, dos o más pasos pueden llevarse a cabo simultáneamente a menos que se especifique lo contrario. Aparato, empaque v conexiones de celda de combustible integrada Las modalidades de aparato con celdas de combustible descritas aquí pueden producir energía eléctrica por encima de los 2 V/cc y por encima de los 3 V/cc. Dichos aparatos de celda de combustible son capaces de forma única de producir íamaños de paquete aislado suficientemente pequeños para aplicaciones portátiles, aunque las clasificaciones de energía se encuentran por debajo de los 1 00 vatios, por debajo de los 20 vatios o por debajo de los 5 vatios. En contraste, los diseños de celda de combustible existentes solamente generan densidades de energía íípicamente por debajo de los 0.5 V/cc. Como resultado, las celdas de combustible de baja densidad de energía son demasiado grandes y no son suficientemente eficientes para muchas aplicaciones como, por ejemplo, para utilizarse como susíiíutos de baterías para el consumidor. La densidad de energía (W/cc) depende principalmente del diseño del aparato con celdas de combustible integrada y de la celda de combusíible individual o del empalme de celdas de combustible (pluralidad de celdas de combustible individuales). En particular, el nivel de integración próxima de los diversos componentes del aparato con celdas de combuslible denlro del alojamiento es un factor de diseño importante. Como resultado, la eficiencia del aparato con celdas de combusíible puede ser en función de qué tan cerca se pueden colocar las diversas membranas de celda de combustible, sometiéndose a las limitaciones de la fuerza mecánica y el direccionamiento de fluidos. Muchos de los aspectos y modalidades descritos aquí se refieren a la integración de los componentes dentro de una región térmica, y a técnicas relacionadas con el control de pérdida de calor. El uso de estrucíuras de semiconductores en muchas de las modalidades descritas aquí permile los tamaños pequeños y altas densidades de energía que permiten aparatos de celda de combustible que pueden competir con diversos tipos de baterías. La Figura 1 muestra un ejemplo de un aparato con celdas de combustible (5), en vista de corte transversal. La Figura 1 ¡lustra un reformador de combustible (10), un par de membranas de celda de combustible de óxido sólido (14) y (16), y un quemador de gas de cola (12), todo contenido dentro de un solo alojamiento (18). Dicho alojamienío está hecho de un material que conduzca el calor de modo que todos los componentes dentro del alojamiento puedan operar a sustancialmente la misma temperatura. Por esto, el alojamiento facilita la formación de una zona que es sustancialmente isotérmica. El alojamiento (18) en la Figura 1 incluye en su interior todos los medios de direccionamiento de fluidos para distribuir combustible y aire a las celdas de combustible. La corriente de combustible (20) pasa hacia fuera del reformador de combustible (10) a lo largo del lado del ánodo de la primera celda de combusíible (16). La corriente de combustible (20') entonces pasa a lo largo del lado de ánodo (22) de la segunda celda de combuslible (14), y finalmente al quemador de gas de cola (12). La corriente de aire (26) pasa (por medio de canales internos de direccionamiento no mostrados) a lo largo del lado de cátodo (24) de las celdas de combustible (14), (16), y culmina en el quemador de gas de cola (12), donde el aire sobrante se encuentra disponible para la combustión de combustible expulsado no utilizado. (La entrada de aire al quemador de gas de cola no aparece en la Figura 1 ). También se muestra en la Figura 1 un volumen aislante (28), que separa el alojamiento (18) de una pared exterior (30) del aparato (5). La pared exterior se mantiene sustancialmente a una temperatura cercana o igual al a temperatura ambiente del dispositivo eléclrico elecírificado medíanle el aparato con celdas de combustible. Para una operación eficiente de un aparato con celdas de combustible de óxido sólido, la temperatura dentro del alojamiento deberá ser mayor a 400° C, con una mejor eficiencia de operación obtenida si la temperatura se mantiene por encima de los 550° C, 600° C ó 750° C. Las temperaturas ambiente de los circuitos eléctricos externos y de la pared exterior (30) de un aparato con celdas de combustible típicamente serán en el orden de 0° C a aproximadamente 60° C. Por lo tanto, en esta modalidad, es deseable mantener un gran gradieníe térmico por encima de los 300° C no solo a través del espesor del volumen de aislamiento que interviene (28), sino también a lo largo de las conexiones de fluidos (32), conexiones eléctricas (36) y soporte mecánico (38). El volumen de aislamienlo puede incorporar un aislamiento para reducir sustancialmente la disipación del calor del alojamiento. Con este propósito, es posible formar un vacío parcial dentro del volumen de aislamiento, o se pude añadir un material con una pobre conducción térmica al dicho volumen de aislamiento. Un escudo de radiación infrarroja (40) también puede colocarse dentro o sobre del aparato con celdas de combustible. Es beneficioso mantener el bajo nivel requerido de la presión total de gas en el volumen de aislamiento cuando se fabrica una modalidad de baja presión o con aislamienlo de vacío. Para este propósito, es útil añadir un material capturador (42) que tenga la capacidad de absorber los gases del medio y mantener altos niveles de vacío durante la vida operativa del dispositivo. Un capturador no evaporable, el cual puede activarse a través de calentamiento eléctrico, es útil para este propósito, tal como el dispositivo capturador SAES ST 171 (www.saegetters.com).

La celda de combustible integrada contenida dentro de un alojamiento puede tener un espesor total de 2.5 mm. En la Figura 1 , dos capas de celda de combustible (14) y (16), y se encuentran presentes tres capas de direccionamiento (46), (48) y (50), cada una con un espesor de 0.5 mm. Cada una de las dos capas de celda de combustible es capaz de producir 0.4 V/cm2 de energía eléctrica. Como resulíado, un aparaío de celia de combustible integrada ejemplar es capaz de entregar (2 * 0.4)/2.5=3.2 V/cc de densidad de energía. El alojamiento que integra las funciones de un reformador de combustible, un conjunto de membranas de celda de combustible, un quemador de gas de cola, y todos los colectores de fluidos internos en una zona térmica pueden fabricarse a través de un número de técnicas de fabricación. En particular, las modalidades de la invención pueden fabricarse uíilizando íécnicas de MEMS (sistemas mecánicos micro electrónicos) o técnicas de micromaquinado. Dichas técnicas hacen posible integrar maíeriales de película delgada (por ejemplo, electrolitos, ánodos, cátodos y/o conexiones eléctricas de película delgada) junto con microcanales grabados para el control de flujo de fluidos hacia un sustrato en común que sea conducíivo térmicamente y mecánicamente robusto. Los miembros de soporte estructural se incluyen en algunas modalidades puesto que son útiles para dar patrón ya sea a los ánodos o cátodos en regiones discretas. Los conjuntos de electrodos de membranas individuales y los colectores de fluido pueden empalmarse juntos medíante una variedad de técnicas de unión, con el fin de crear sistemas de procesamiento de fluidos. Por ejemplo, un alojamiento integrado puede ensamblarse a partir de un grupo de estructuras semiconductoras sustancíalmente planas o no planas. Específicamente, cinco sustratos de silicio unirse en conjunto para formar la "caja" denlro de la cual diversos componentes de aparatos de celda de combustible esíán inlegrados. El unir en conjunto los cinco sustratos de silicio da como resultado una configuración de empalme. En una modalidad, los sustratos se pueden empalmar como sigue: (1 ) el sustrato procesador de combustible, incluyendo las interconexiones de fluidos; (2) un conjunto de elecírodo de membrana; (3) una capa de direccionamiento de fluidos; (4) otro conjunto de electrodo de membrana; (5) una capa superior de direccionamiento de fluidos incluyendo al quemador de gas de cola. En consecuencia, un empalme de capas puede formar una parte o todo el aparato con celdas de combustible integrada. En una modalidad preferida, el silicio se eligió como el sustrato para construir las membranas de celda de combustible y otras estructuras del colector. Sin embargo, además existen técnicas de micromaquinado para construir canales de control de fluidos en tabletas rígidas de vidrio y cerámica, materiales que poseen la resistencia a las altas temperaíuras requerida para las celdas de combustible de óxido sólido. Con el fin de evitar cortos eléctricos entre diferentes puntos del conjunto de membrana, un sustrato de silicio puede recubrirse con capas de óxido de silicio o nitruro de silicio para dejarlo eléctricamente aislado. Los microcanales de fluido grabados están formados en los sustratos antes mencionados medianle una variedad de técnicas, incluyendo el grabado químico en húmedo y en seco, ablación por láser, fresado con diamante, vaciado de cinta o moldeado por inyección. Una variedad de técnicas de enlace de sustrato o tableta se encuentran disponibles, incluyendo el enlace de fusión , el enlace anódico, sellado por medio de materiales euíécticos de soldadura o pel ículas delgadas, o sellado por medio de glaseado de vidrio. Los conjuntos de celda de combustible, incluyendo el ánodo, cátodo y electrolito pueden depositarse por medio de una variedad de técnicas de deposición de películas delgadas o gruesas incluyendo el petardeo, evaporación, deposición por vapor químico, ablación por láser, impresión de pantalla, recubrimiento por inmersión o técnicas de rociado de vapor. El material preferido para el electrolito es zirconio estabilizada con itrio (YSZ), aunque una variedad de materiales de cerio impurificado también se encuentran disponibles para esíe propósito. El material preferido para el ánodo de la celda de combusíible es un material de cerámica y metal de níquel e YSZ, aunque se puede emplear otros metales catalíticos, tales como el Pt, Pd , Fe o Co, y otros materiales de matriz de óxido puedes utilizarse, tales como el cerio. El material preferido para el cáíodo de la celda de combustible es el manganato (estroncio) de lantano (LSM), aunque otros materiales para cátodo se han descrito, incluyendo la cobaltita de lantano (esíroncio) (LSC) y la cobalto-ferrita de lantano (estroncio) (LSCF). Los materiales preferidos para las conexiones eléctricas de película delgada en la celda de combustible es el platino, aunque la cromita de lantano también se ha descrito para su aplicación. La Figura 2 es otra ilustración del aparato con celdas de combustible de la figura 1 , enfatizando el arreglo de conexiones de fluido en un recuperador de calor (34). El alojamiento (18) del aparato con celdas de combustible integrada se muestra solamente en su aspecto externo, con subregiones que denotan la colocación sugerida de un reformador de combustible (10), así como un quemador de gas de cola (o convertidor catalítico) (12). Una mezcla de combustible y aire ingresa por un tubo de entrada (60) direcíamente al reformador de combustible (10). Después de esto, por medio de canales internos de direccionamiento, el combustible reformado pasa por el ánodo de la celda de combustible, terminando eveníualmente en la región del quemador de gas de cola (12). El aire para el cátodo de la celda de combustible entra por un tubo de entrada (62) y fluye iníernamente a través de una ruta controlada hacia el cátodo de la celda de combustible. Las corrienles de aire y combustible finalmente se reúnen en el quemador de gas de cola (12) para extraer cualquier calor residual de oxidación antes de salir de la zona caliente a través de un tubo de salida (64). Los tubos de entrada y salida cruzan la región entre el alojamiento y la pared fría exterior, y deberán diseñarse para que sean pobres conduclores de calor. Como ejemplo, eslos tubos pueden estar compuestos por nitruro de silicio, preferiblemente con un espesor de pared de 5 mieras o menor, tales como se describen en la solicitud internacional WO 03/013729. Alternativamente, los tubos pueden formarse de capilares de cristal de sílice. Por ejemplo, las capilares de vidrio se encuentran disponibles con diámetros exteriores de 1 mm y un espesor de pared de 125 mieras. La energía térmica que se conducirá a través de dichas capilares, si tienen una longitud de 5 mm y presentan un gradiente de temperatura de 800° C es de solamente 0.05 valios. Será claro para los expertos en la materia que otros arreglos del reformador de combustible y del quemador de gas de cola dentro de alojamiento se encuentran dentro del alcance de la presente invención. De forma similar, otros arreglos y diferentes números de tubos de entrada y salida son posibles, además de los ilustrados en la Figura 2. Por ejemplo, para aparatos más grandes de celda de combustible, podría ser preferible añadir un cuarto tubo para entregar flujos independientes de combustible y aire provenientes de un sistema externo de regulación de flujos, directamente hacia el interior del reformador de combustible. Podría además ser preferible proporcionar dos fuentes independientes de aire hacia el interior de la región del cátodo, de modo tal que las gotas de presión de fluido sean manejadas de forma más efectiva dentro del aparato con celdas de combustible y/o como medio para controlar los voltajes de la celda de combustible en regiones locales de la membrana de la celda de combustible. Además, en ciertas modalidades se pueden utilizar tubos concéntricos. Recuperador de Calor Nuevamente refiriéndonos a la Figura 2, el recuperador de calor (34), mostrado como dos barras, es un medio para recuperar calor y puede conslruirse como una parle integral del conjunto de tubo de fluido. El recuperador de calor típicamente está fabricado en un material de buena conducción térmica, tal como el silicio, de modo que el calor de los gases que pasan a través del tubo (64) pueda absorberse y transferirse a las corrientes de gas entrantes en los tubos de entrada (60) y (62). Como se muestra en la Figura 1 , un desempeño mejorado es posible colocando el recuperador de calor (34) dentro del volumen de aislamiento (28). En esta posición, las diversas temperaturas internas del recuperador de calor pueden mantenerse intermedias entre la temperatura del aparato con celdas de combustible iníegrada y la de la pared exterior. Al colocar el recuperador de calor dentro del volumen de aislamiento existente también reduce el tamaño total del sistema al eliminar el aislamiento separado alrededor del recuperador de calor. Más aun, al alinear el gradiente térmico del recuperador de calor con el gradiente térmico saliente entre el aparato con celdas de combustible integrada y la pared exterior reduce la pérdida de calor del recuperador de calor debido a que existe una diferencia muy pequeña, si es que la hay, entre la temperatura de una sección dada del recuperador de calor y el volumen aislante adyacente. Diversos medios de recuperación de calor son posibles, además del arreglo de tubo paralelo mostrado en la Figura 2. Por ejemplo, un arreglo de contraflujo de un tubo dentro de otro tubo es apropiado, o un empalme de láminas de metal delgadas formado para permitir un contraflujo por medio de microcanales maquinados o formados. Muchos otros arreglos caen dentro del alcance de la presente invención, siempre y cuando el acomodo físico del recuperador de calor se encuentre dentro de la región intermedia entre la zona isotérmica (caliente) del aparato con celdas de combustible, y la pared fría exterior. Conexión de baja conducción térmica de fluidos Un objetivo general de la invención es manejar la disipación total del calor proveniente del alojamiento. En un elemento en particular, manejar la pérdida de calor a través de los tubos, (QtUbos). con respecto de la sólida conducción de calor a lo largo de los tubos de entrada y salida de fluidos, la pérdida de calor a través de dichos tubos puede calcularse del producto de a) la conductividad térmica del material del íubo, b) la caída de temperatura a lo largo del tubo, y c) el área de corte transversal del maierial de las paredes del tubo, dividido entre d) la longitud del tubo. Para sistemas pequeños de aparato con celdas de combustible, la pérdida de calor máxima permitida a través de los tubos de fluido se determina para mejorar la eficiencia del sistema. La pérdida de calor, (Qtubos), deseablemente se mantiene por debajo de los 0.1 vatios por tubo, preferiblemente por debajo de los 0.05 vatios por tubo. Este valor de pérdida de calor es significativamente menor a la de las modalidades conocidas en la técnica, sin embargo, la eficiencia del sistema mejora drásticamente cuando los tubos de conexión de fluidos están construidos con pérdida de calor por debajo de este valor crítico. La Tabla 2 muestra ejemplos de materiales y diseños de tubo típicamente conocidos, así como tubos ejemplares (modalidades 3 y 4) adecuados para utilizarse con las presentes modalidades, construidos para satisfacer la condición crítica de pérdida de calor. Tabla 2: Comparación de los materiales de tubo de fluidos. (La pérdida de energía Q asume una caída total de temperatura de 700° C).

En un aparato generador de celda de combustible de 2 vatios, eficieníe en un 33%, se esperaría que el aparaío con celdas de combustible queme un equivalente a 6 vatios de combustible, y una pérdida térmica de 0.1 vatios por tubo representaría solamenle el 5% del total del poder consumido. Para un aparato con celdas de combustible más grande, de entre 5 y 30 vatios, se necesitaría incorporar más tubos, o tubos con un corte transversal mayor para manejar cantidades aumentadas de flujo de fluido. Al mantener la pérdida de calor de cada tubo por debajo de los 0.5 vatios, y preferiblemente por debajo de los 0.1 valios, el porcentaje de pérdida térmica debido a las conexiones de fluidos puede mantenerse a o por debajo del 10%, y preferiblemente por debajo del 5% de la energía total quemada como combustible dentro del dispositivo. Conexión eléctrica de baja conducción térmica Otro objetivo general de la invención es reducir la pérdida de calor representada por conducción sólida a lo largo de las conexiones eléctricas. En una modalidad preferida, el valor de la pérdida de calor por alambre eléctrico debería de ser menor a los 0.5 vatios, y más preferiblemente menor a aproximadamente 0.1 vatios. Una pérdida eléctrica de 0.1 vatios o menor por alambre, sin embargo, requiere el uso de de conexiones de alambre de más alta resistencia y de un diámetro más fino. La Tabla 3 muestra la correlación entre el diámetro del alambre, su resistencia, y la pérdida de calor para los alambres conocidos, y para aquellos útiles en la invención (modalidades 3 y 4). Note la correlación inversa entre la resislencia del alambre y la pérdida de energía térmica a lo largo del alambre, la cual es típica para conduclores metálicos. Para los sistemas con celdas de combustible conocidos, en los cuales la energía de los empalmes se encuentra generalmente por encima de los 1 00 vatios, y el total del calor disipado es mayor a los 300 vatios, una pérdida de un vatio por alambre no resulta excesiva. Para aparatos de celda de combustible medidos a 20 vatios o menos, es deseable reducir la pérdida de calor relacionada con los alambres. El método empleado en la presente invención para controlar la pérdida de calor es elegir conexiones eléctricas donde la resistencia eléctrica se encuentra por encima de los 0.1 Ohm , y preferiblemente mayor a los 0.5 Ohm. Tabla 3: Comparación de alambres de conexión eléctrica. (La caída en la temperatura a lo largo del cable se asume que es de 700° C).

De la íabla 3, elegir alambres de conexión para enlazar el espacio de aislamienío donde la resistencia de los alambres excede los 0.5 Ohm resulta ventajoso. Para lograr un aparato con celdas de combustible eficiente aun con esta limitanle, se requieren otros cambios a los parámetros de operación del aparaío con celdas de combustible y a la construcción del empalme de la celda de combustible. Por ejemplo, las corrientes de salida deben mantenerse a niveles suficientemente bajos a fin de evitar una pérdida de energía eléctrica excesiva por medio de la resistencia en los alambres de conexión. Por lo tanto, utilizando las técnicas descritas aquí, las corrientes pueden reducirse en cualquier nivel de energía incrementando el voltaje de la celda de combustible. Sin embargo, en el pasado, el objetivo se lograba conectando o empalmando celdas de combustible individuales en series, de modo que los voltajes se sumaban. Para esta invención, que emplea alambres de conexión por encima de los 0.5 Ohm, se requiere de un voltaje de salida de empalme superior a los 10 voltios, preferiblemente superior a los 15 voltios. Un método para empalmar voltaje es el empalme en plano, acomodo en el que las capas de membranas de celda de combusíible se apilan veríicalmeníe, de modo que el ánodo de una celda hace coníacto eléctrico con el cátodo de la celda directamente encima de esta. Un requerimienío de salida de 10 voltios para el empalme de celda de combustible requeriría que de 12 a 20 capas de membranas de celdas de combustible ensambladas en el empalme vertical. La modalidad ilustrada en la Figura 1 , sin embargo, ilustra solamente dos capas de membranas debido a la eficiencia de volumen. Sin importar lo anterior, un voltaje de salida ventajoso es posible utilizando el concepto de empalme en plano descrito aquí. La Fígura 3 ¡lustra el concepto de empalme en plano. El empalme en plano requiere de la habilidad de dar patrones a ánodos, cátodos y electrolitos, de modo que las conexiones de voltaje tipo serie puedan llevarse a cabo. En la Figura 3, un ánodo (22) del electrolito de celda de combustible (23A) se pone en contacto eléctrico con un cátodo (24) que está colocado detrás de un electrolito de celda de combustible (23B) adyacente. Un material de interconexión (25) permite una conexión eléctrica de baja resistencia entre el ánodo (22) y el cátodo (24). Los miembros de soporte estructurales mostrados en la Figura 1 también son útiles para dar patrón ya sea a los ánodos o a los cátodos en regiones discretas. Dada la naturaleza compacta del aparato con celdas de combustible iníegrada mostrado en la Figura 1 , y el objetivo de que las conexiones eléctricas se logren con alambres de bajo calibre (diámetros menores a aproximadamente 100 mieras), es también deseable proporcionar un método de alivio para sujetar los alambres de conexión sin necesidad de utilizar tornillos estorbazos o conectores de pinza. En una modalidad, los alambres de bajo calibre deberían estar sujetos tanto al aparato con celdas de combustible como a la tira conectora en la pared exterior por medio de una aleación de soldadura de alta temperatura, o preferiblemente mediante métodos de unión como la unión termomecánica. Naturaleza isotérmica del aparato con celdas de combustible integrada La eficiencia de un aparato con celdas de combustible de óxido sólido mejora cuando todas las funciones del reformador de combustible, la celda de combustible y el quemador de gas de cola se integran dentro de un mismo alojamiento con un área de superficie mínima. La eficiencia también mejora cuando el alojamiento está diseñado con suficiente conductividad térmica para permitir una distribución eficiente de calor o que se comparta energía térmica entre los componentes. En particular, el quemador de gas de cola puede utilizarse para compartir el calor suplementario, lo cual mejora la eficiencia global. Por esto, la energía lérmíca generada en el quemador de gas de cola mantiene una temperatura de operación más alta y eficiente en el aparaío con celdas de combusíible. De este modo se reducen los problemas y costos térmicos del calentamiento o enfriado del dispositivo. Más aun, la eficiencia mejorada de la celda de combustible es posible si dicha celda de combustible se opera a voltajes altos, más cercanos al potencial electroquímico de equilibrio. Dicha condición de operación implica la generación de menos desperdicio de calor en comparación con operar a un voltaje de celda de combustible más bajo. La cantidad requerida de energía térmica para mantener la íemperatura de operación es alcanzable si se extrae calor de la combustión de combustibles de no utilizados al máximo en el quemador de gas de cola. Muchos métodos pueden emplearse para mantener suficiente conductividad térmica y una operación casi isotérmica entre los componentes denlro del apáralo con celdas de combustible integrada. El silicio, utilizado como un material de sustrato, es un excelente conductor térmico a temperaturas elevadas. Los sustratos de vidrio o cerámica son elecciones adecuadas de material en base a su conductividad íérmica, siempre y cuando sus espesores de pared resultantes se encuentren sustancialmente por encima de las 100 mieras, y preferiblemente por encima de las 300 mieras. La conductividad térmica de los sustratos de vidrio es mejorada por medio de la deposición de delgadas películas metálicas encima de áreas que no son eléctricamente activas, tales como las superficies exteriores del alojamiento. Los recubrimientos adecuados debido a su buena conductividad térmica incluyen al cromo, oro y platino. Como medio para permitir la operación sustancialmente isotérmica del sistema, es útil diseñar el alojamiento integrado de modo que los componentes separados (combustible, reformador, quemador de gas de cola y las membranas de celda de combustible) compartan eníre cualquier par de ellos al menos una pared estructural en común. Esta pared podría ser una pared exterior del alojamiento, o podría ser una pared interna formada, por ejemplo, a través de la unión de distintos sustratos. Al compartir paredes estructurales y proporcionar sustratos con suficiente conductividad térmica, es posible mantener cualquier diferencia de temperatura entre componentes durante la operación a menos de 1 50° C, preferiblemente a menos de 50° C. Densidad de energía Cuando se diseña un aparato portátil de celda de combustible, es importante determinar un espesor mínimo de matepal de aislamienío que sea adecuado para mantener altas temperaturas de operación sin un consumo excesivo de energía de combustible. La cantidad de calor que se disipará de un aparato con celda de combustible integrada es proporcionar a su área de superficie. Un apáralo con celdas de combustible integrada diseñado para una aplicación de 5 vatios, por lo tanto, se vuelve difícil de aislar eficientemente, dado que su razón superficie-volumen es mucho más alta que la de un aparato con celda de combustible iníegrada diseñado para aplicaciones a 20 vatios o más. La densidad de energía del aparato con celda de combustible es un parámetro significativo del diseño. En particular, la densidad de energía podría ser el parámetro de diseño que más influencia tiene sobre la eficiencia final y el tamaño del paquete aislado. La densidad de energía del aparato con celda de combustible iníegrada, expresada en vatios por centímetro cúbico (V/cc) determina cuanta área de superficie esíá expuesía por cada vaíio de electricidad producido. Consecuentemente, la influencia de la densidad de energía eléctrica del aparato con celda de combustible en su íamaño final de empaque es grande y desproporcionada. Por ejemplo, un aparato con celdas de combustible integrada que es capaz de producir energía eléctrica a 5 vatios y 1 V/cc requerirá de un tamaño de empaque, incluyendo el aislamiento, de 6 cc. En contraste, un aparato con celda de combustible integrada calificado a 5 vatios y 2 V/cc puede aislarse dentro de un empaque de solameníe 1 7.8 cc. Por lo íanío, un incremento del doble en la densidad de energía da como resultado una reducción de 3.7 veces en el tamaño del empaque, sin experimentar pérdida de eficiencia térmica. (Este ejemplo asume el uso de un aislamiento de Aerogel ™ calificado a 0.04 V/m-K, manteniendo una caída en la íemperatura de 800° C). La Fígura 4 muestra otra modalidad de la presente invención, en este caso un aparato con celdas de combustible más grande ( 1 05) que emplea cuatro diferentes capas de membranas. Cada capa , ya sea una membrana de celda de combustible (1 1 4), una capa de direccionamiento de aire u oxígeno ( 148) o una capa de direccionamiento de combustible ( 147), ( 149), ( 1 50), es de aproximadamente 0.5 mm o menos de espesor, de modo que el total del empalme sea de aproximadamente 4.8 mm de altura. La Figura 4 además incluye dentro del alojamiento un reformador de combustible ( 1 1 0) y un quemador de gas de cola (1 12), conslruido como parte de la capa (1 46). Las capas de direccionamiento de combustible transporían el combustible hacia fuera del reformador de combustible, pasando por sus respecíivas membranas de celda de combuslible, y/o llevan escape hacia el quemador de gas de cola, después de pasar por sus respectivas membranas de celda de combustible. Utilizando la Figura 4, el espacio intermedio entre las capas de membrana, definido como el total de la altura del aparato con celda de combustible integrada (4.8 mm) dividido entre el número de capas de membrana (4) puede calcularse. El espacio intermedio entre membranas promedio de la Figura 4 es, entonces, de 1 .2 mm. En este caso, la densidad de energía puede derivarse dividiendo la densidad de energía promedio de cada capa de celda de combustible (0.4 V/cm2) entre el espacio promedio de membrana, dando como resultado una densidad de energía de aproximadamente 3.3 V/cc. Es preferible la construcción del empalme de celdas de combustible para permitir una cantidad mayor a los 2 vatios de energía eléctrica por ceníímeíro cúbico de aparato con celda de combustible integrada. Es además deseable operar una pila de celdas de combustible dado de modo tal que se produzcan más de 2 V/cc. La energía producida por una celda de combustible puede ser controlado variando el voltaje, así como variando la temperatura de la celda de combustible. Las celdas de combustible más grandes típicamente se operan a voltajes por encima de la energía máxima con la finalidad de aumentar la eficiencia de la conversión de energía química a energía eléctrica. Las densidades de energía superiores a 1 V/cc, 1 .5 V/cc, o preferiblemente de 2 V/cc se incluyen en la presente invención . Aumentar el voltaje a un nivel que reduzca la salida de energía por debajo de los 2 V/cc de hecho reduce la eficiencia total del sistema en sistemas pequeños, pues se produce calor insuficiente para mantener las temperaturas requeridas. La integración de un convertidor catalítico o de un quemador de gas de cola permite reducir un poco en la salida de energía de la celda de combustible. Una mejora significativa en densidad de energía se logra mediante un espaciamiento vertical más pequeño entre las membranas. El espacio promedio entre membranas en la técnica existente se encuentra dentro del rango de 2.5 a 4 mm, mientras que el espacio promedio en la invención típicamente es menor a aproximadamente 1 .5 mm, acercándose a valores tan pequeños como 1 .0 mm. La ventaja del un espacio más pequeño eníre membranas se deriva de dos características estructurales ventajosas; a) el uso de diseños compuestos de membrana mecánicamente robustos, y b) el uso de capas de direccionamiento de fluidos de estructura simple, propiciados por el uso de empalme en plano. En esta modalidad además se hace uso ventajoso de la arquitectura de empalme de celdas de combustible en plano. El empalme de celdas de combustible en plano hace posible un número de ventajas estructurales que juntas actúan para reducir el espacio entre membranas y aumentar la densidad de la energía a valores muy por encima de 2 V/cc.

El uso de esíructuras compuesta de membranas se ha descrito en la publicación internacional compartida número WO 2005/030376. De forma breve, las estructuras compuestas de membrana hacen posible la combinación de un fuerte miembro de soporíe estructural en combinación con capas delgadas (< 2 µm) de membranas de YSZ. Dicha estrucíura íiene la fuerza para soporiar el esirés de ciclado térmico sin necesidad de una excesivo espesor de sustrato y puede ser lograda utilizando espesores de tableta de silicio de aproximadamente 0.5 mm o más delgadas. Estructuras compuestas similares pueden construirse a partir de sustratos de cerámica densos, por ejemplo materiales de AI2O3, sin importar su coeficiente de expansión térmica, al grado de que obedezcan las reglas de diseño establecidas en la solicitud de pateníe antes mencionada. En técnicas conocidas de fabricación de capas, se requiere de una placa bipolar impermeable a los gases para separar flujos de gases entre combustible y aire. Un empalme vertical plano requiere que se realice contacto eléctrico partiendo del ánodo de la capa de membrana al cátodo de la capa adyacente. Sin embargo, al combustible que pasa por encima del ánodo no debe permitírsele mezclarse con el aire que fluye por encima del cátodo. Por lo tanlo, típicamente se emplea una bipolar eléctricamente conductiva, la cual lleva a cabo no solo la conexión eléctrica entre capas, sino también el direccionamiento de combustible al ánodo, aire al cátodo y una separación hermética entre los flujos de gas. Regresando a la Figura 1 , no se requiere separación de gases en las capas de direccionamienío de flujos, dado que el cátodo de la membrana (14) de celda de combustible encare directamente al cátodo de membrana de celda de combustible (16). Ambas capas de membrana comparten el mismo flujo de gas y no se requiere de ninguna conexión eléctrica eníre esias dos capas de celda de combusíible. Por lo tanto, el diseño de la capa de direccionamiento de flujo es simplificado y extremadamente delgado, y es posible agregar capas de direccionamiento de flujo, con espesores en el rango de 0.3 a 0.5 mm. La Figura 5 ilustra una de dichas capas de direccionamiento de flujo, que tiene una geometría compatible con el empalme de celdas de combustible de cuatro capas mostrado en la Figura 4. Las aberturas (180) proporcionan el paso vertical del combustible de una capa del empalme hacia las capas encima o debajo de esta. Los canales (182) proporcionan el flujo de aire encima del cátodo. Siempre y cuando la capa de direccionamiento de flujo (148) separe dos capas que encaran al cátodo, una simple estructura acanalada es necesaria para añadir rigidez estructural al empalme y proporcionar una distribución suficiente de aire encima de todas las superficies de cátodo. La capa de direccionamiento de flujo puede componerse de un material rígido como el silicio. La elección del silicio en esta modalidad presente la ventaja adicional de concordar con los materiales estructurales entre todas las capas de membrana y las capas de direccionamiento de flujo. De este modo, uno puede evitar los problemas asociados con los diversos coeficieníes de expansión térmica entre estos dos maieriales estructurales. La capa de direccionamiento de flujo puede maquinarse o troquelarse a partir de un material metálico. Sin embargo, el coeficiente de expansión térmica de la capa de direccionamiento de flujo debe mantenerse sustancialmente similar al del material estructural en la capa de membrana. Las capas metálicas delgadas de direccionamiento de flujo no serán tan rígidas como una capa de direccionamiento construida de silicio, pero el silicio u oíro material cerámico empleado para la capa de membrana proporcionarán una rigidez más que suficiente, así como suficiente fuerza a todo el empalme para resistir el estrés del ciclo térmico. Generación de calor/aislamiento Además de mantener la salida de energía eléctrica por encima de los 2 V/cc, el desempeño del sisíema y el tamaño del mismo también mejoran si el calor térmico generado se mantiene por encima de los 2 V/cc. Debido a que el área de superficie aumenta rápidamente, en tamaños pequeños, es deseable mantener una densidad de calor suficientemente alta con la finalidad de mantener las temperaturas de operación del dispositivo. Si el aparato con celdas de combustible por si solo no produce suficiente calor, utilizar un quemador de gas de cola para hacer combustión de combustible extra con la finalidad de mantener el calor por centímetro cúbico por encima de los 2 V de calor es beneficioso para una operación eficiente del dispositivo. Asegurar que el dispositivo será operado por encima de los 2 V de calor por centímetro cúbico, permite que el espesor del aislamienío se minimice, produciendo así un dispositivo que es competiíivo comercialmente con las baterías existentes. El diseño del volumen de aislamiento dentro del sistema con celdas de combustible de óxido sólido es otra área para mejorar la eficiencia de la celda de combustible de óxido sólido. Los cerámicos fibrosos o con microporos se han utilizado para la función de aislar al alojamiento de alta temperatura del paquete exterior y sus ambientes, al mismo íiempo que se minimiza la cantidad de calor de desecho que se pierde por conducción a través del aislamiento. Los materiales de aerogel están disponibles, por ejemplo, y estos poseen baja conductividad térmica, y son estables para funcionarse a 800° C a niveles tan bajos como 0.04 V/m-K. Posiblemente el aislamiento más eficiente en lo referente al espacio, particularmente para paquetes pequeños, es un aislamiento de vacío. Esto permite que partes del aparato con celdas de combustible funcionen como un termo, con las paredes exteriores y el volumen de aislamiento manteniendo los contenidos integrados dentro del alojamiento a una temperatura deseada. Al mantener la presión total de los gases dentro del volumen de aislamiento por debajo de los 13.33 pas (100 mtorr), preferiblemente menos de 2.67 pas (20 mtorr), más preferiblemente menos de 1 .33 pas (10 mtorr), si es posible eliminar cualquier pérdida sustancial de calor por medio de conducción del alojamiento a través de la fase gaseosa. Un vacío parcial puede formarse dentro del volumen de aislamiento, contenido por la pared exterior medíanle evacuación con una bomba de vacío, a Iravés de un puerto de escape de gas, o alternativamente llevando a cabo el proceso de sellar juntos los elemeníos de la pared exíerior sin una atmósfera evacuada. Al utilizar la modalidad de un paqueíe de vacío, y eliminar el uso de un material de aislamiento de mayor espesor como el aerogel, un nuevo tipo de pérdida de calor del alojamiento se vuelve un problema en la forma de pérdida de calor por medio de radiación infrarroja. La radiación infrarroja que emana de las superficies del alojamienío puede volverse, de hecho, el mecanismo dominante de pérdida de calor para el paquete de aislamiento mostrado en la Figura 1. Existen al menos tres métodos para reducir la pérdida de calor por radiación, cualquiera de los cuales puede utilizarse individualmente o en combinación con otro. Esto puede apreciarse regresando a la Figura 1. Primero, un recubrimiento reflejante se aplica a las superficies exteriores del aparato con celdas de combustible integrada, reduciendo así las emisiones infrarrojas y la pérdida de energía proveniente de la superficie caliente. Segundo, un reflector de radiación (40) puede proporcionarse a lo largo de las superficies internas de la pared exterior de vacío (30) para el propósito de regresar la radiación infrarroja hacia el aparato con celdas de combustible integrada. Este reflector de radiación puede construirse por medio de un recubrimiento metálico que se deposite sobre las superficies interiores de la pared exterior (30), o por medio de un material metálico o que refleje infrarrojos, el cual sea sujetado mecánicamente a las superficies internas de la pared de vacío. Adicíonalmente, una serie de reflectores de infrarrojos paralelos puede colocarse entre las superficies calientes y las superficies frías de la pared exterior. Pueden crearse otras modalidades específicas de la presente invención, sin apartarse de su espíritu o caracterísíicas esenciales. Las modalidades antes mencionadas deberán considerarse ilustrativas en todos los aspectos, en vez de limitantes a la invención descrita aquí. El alcance de la invención es, entonces, indicado por las reivindicaciones adjuntas, en vez de por la descripción anterior, y todos los cambios que se encuentren dentro del significado y rango de equivalencia de las reivindicaciones, se entenderán como parte de estas. Cada uno de los documentos de patente y publicaciones científicas mencionados aquí se incorpora medianle referencia para todo propósito.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1 . Un aparato que incluye un alojamiento, dicho alojamiento integra: una celda de combustible; y un quemador de gas de cola en comunicación térmica con la celda de combustible, caracterizado porque el alojamienlo define una zona sustancialmente isotérmica y la celda de combustible y el quemador de gas de cola comparten una pared común.

2. El aparato de la reivindicación 1 , caracterizado porque el alojamiento integra un reformador de combustible, y dicho reformador de combustible se encuentra en comunicación térmica con la celda de combustible.

3. El aparato de la reivindicación 1 , caracterizado porque la celda de combustible y el quemador de gas de cola están acomodados para producir una densidad de energía eléctrica mayor o igual a aproximadamente 2 V/cc.

4. El aparato de la reivindicación 1 , caracterizado porque la celda de combustible es una celda de combustible de óxido sólido.

5. El aparato de la reivindicación 4, caracterizado porque la celda de combustible de óxido sólido incluye una capa de membrana que tenga un espesor menor o igual a aproximadamente 500 µm.

6. El aparato de la reivindicación 5, caracterizado porque la celda de combustible de óxido sólido incluye una pluralidad de celdas de combustible que definen un plano, creando así una pila de celdas de combustible en plano.

7. El aparato de la reivindicación 6, caracterizado porque el alojamiento incluye dos pilas de celdas de combustible en plano que son sustancialmente paralelas.

8. El aparato de la reivindicación 1 , que además incluye un elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos en comunicación fluida con el quemador de gas de cola.

9. El aparato de la reivindicación 8, caracterizado porque el elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos es un tubo micromaquinado de conducción de fluidos, un tubo concéntrico o un tubo capilar de vidrio.

10. El aparato de la reivindicación 1 , que además incluye un elemento eléctrico de baja conducción térmica en comunicación eléctrica con la celda de combustible. 1 1 . El aparato de la reivindicación 1 0, caracterizado porque el elemento eléctrico de baja conducción térmica íiene un diámetro menor o igual a aproximadamente 50 µm. 1 2. El apáralo de la reivindicación 1 , caracterizado porque un volumen de aislamiento está dispuesto de forma adyacente al exterior del alojamiento. 1 3. El aparato de la reivindicación 12, caracterizado porque el volumen de aislamiento incluye una presión reducida, una espuma aislante, un reflector térmico o combinaciones de estos. 14. El aparato de la reivindicación 1 , que además incluye un recuperador de calor en comunicación térmica con el quemador de gas de cola. 1 5. El aparato de la reivindicación 14, caracterizado porque el recuperador de calor se localiza deníro del volumen de aislamienío. 1 6. Un aparato que incluye: una celda de combustible; y un quemador de gas de cola en comunicación térmica con la celda de combustible; caracterizado porque celda de combustible y el quemador de gas de cola están acomodados para producir una densidad de energía eléctrica mayor o igual que aproximadamente 2 V/cc. 1 7. Un método para minimizar la pérdida de calor durante la operación de una celda de combustible de óxido sólido, el cual incluye los pasos de: proporcionar un alojamiento que contenga una celda de combustible; y hacer funcionar la celda de combustible de modo que la razón de energía eléctrica con respecto al volumen del alojamiento sea superior a aproximadamente 2 V/cc. 1 8. Un aparato que incluye: una primera celda de combustible de óxido sólido que incluye una capa de ánodo, una capa de cátodo y una capa de electrolito, y una segunda celda de combustible de óxido sólido que incluye una capa de ánodo, una capa de cátodo y una capa de electrolito; caracterizado porque la disíancia entre una línea central de la capa de electrolito de la primera celda de combustible de óxido sólido y la línea central de la capa de electrolito de la segunda celda de combustible de óxido sólido es menor o igual a aproximadameníe 1 .5 mm. 1 9. Un aparato que incluye: una celda de combustible de óxido sólido; y un elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos en comunicación fluida con la celda de combustible de óxido sólido, caracterizado porque la celda de combustible de óxido sólido está adapíada para funcionar a una íemperaíura superior o igual a aproximadamente 400° C, y el elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos está diseñado para producir una pérdida térmica debido a que la sección transversal sólida del elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos es menor que aproximadamente 0.1 vatios por elemento de conexión de baja conducción térmica de fluidos. 20. Un aparato que incluye: una celda de combustible de óxido sólido; y un elemento de conexión eléctrica de baja conducción lérmica en comunicación eléctrica con la celda de combustible de óxido sólido, caracterizado porque la celda de combustible de óxido sólido está adaptada para funcionar a una temperatura superior o igual a aproximadamente 400° C, y el elemento de conexión eléctrica posee una resistencia mayor o igual a aproximadamente 0.5 Ohm . 21 . El aparaío de la reivindicación 20, caracterizado porque el elemento de conexión elécírica de baja conducción térmica contiene platino y tiene un diámetro menor o igual que aproximadamente 1 00 µm. 22. Un aparato que incluye: un alojamiento que contiene una celda de combustible de óxido sólido; y un volumen de aislamiento dispuesto de forma adyacente a un exterior del alojamiento, caracterizado porque el volumen de aislamiento se encuentra a presión reducida. 23. Un aparato que incluye: un alojamienío que contiene una celda de combustible de óxido sólido; un volumen de aislamiento dispuesto de forma adyacente a un exterior del alojamiento; y un intercambiador de calor en comunicación térmica con la celda de combustible de óxido sólido, caracterizado porque el intercambiador de calor está colocado dentro del volumen de aislamiento.