MX2014010291A - Ensamble de celdas de combustible de oxido solido tubular y dispositivo de celdas de combustible que incorpora el mismo. - Google Patents

Abstract

Un ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular incluye por lo menos dos unidades de celdas de combustible de óxido sólido tubulares, por lo menos un colector de corriente compartido y un retenedor para retener una sección de las unidades de celdas de combustible y colector de corriente compartido en relación de ajuste estrecho entre los mismos.

Description

ENSAMBLE DE CELDAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO TUBULAR Y DISPOSITIVO DE CELDAS DE COMBUSTIBLE QUE INCORPORA EL MISMO Antecedentes de la invención Esta invención se refiere a celdas de combustible y, muy particularmente, a ensambles de celdas de combustible de óxido sólido tubular y dispositivos de celda de combustible que incorporan dichos ensambles.

Una celda de combustible es un dispositivo eléctrico que convierte el potencial de energía del combustible a electricidad a través de una reacción electroquímica. En general, una unidad de celda de combustible comprende un par de electrodos (ánodo y cátodo) separados por un electrolito. El electrolito permite sólo el paso de ciertos tipos de iones. El paso selectivo de iones a través del electrolito da por resultado un potencial, que es generado entre los dos electrodos. Este potencial puede ser aprovechado para hacer trabajo útil. Este proceso de conversión directa incrementa la eficiencia de generación de potencia al remover pasos mecánicos requeridos por dispositivos generadores de energía tradicionales tales como generadores eléctricos impulsados por una máquina de combustión interna. Además, la combinación de procesos electroquímicos y de eficiencia más alta provee una fuente de energía eléctrica eficiente en energía, conservadora de recursos y ambientalmente sólida.

Un tipo bien conocido de celda de combustible de óxido sólido (SOFC) posee tres componentes básicos: una capa de ánodo que genera electrones, una capa de cátodo que consume electrones y una capa de electrolito intermedia que conduce iones pero evita que pasen los electrones. Durante el funcionamiento, un combustible tal como hidrógeno, un hidrocarburo, un alcohol, un monóxido de carbono o mezcla de cualquiera de los anteriores se combina con aniones de oxigeno dentro de la capa de ánodo para producir agua y/o dióxido de carbono y electrones, los electrones generados dentro de la capa de ánodo migran a través de la carga externa y regresan a la capa de cátodo en donde el oxigeno, típicamente provisto como un flujo de aire, se combina con los electrones para proveer aniones de oxígeno que pasan selectivamente a través de la capa de electrolito y hacia la capa de ánodo.

Hay en general tres tipos estructurales de SOFCs : SOFCs monolíticos que poseen una construcción en forma de panal formada al fusionar entre sí láminas delgadas de material de cerámica en un bloque monolítico; SOFCs tubulares que, como su nombre lo indica, poseen una configuración tubular, típicamente cilindrica; y SOFCs planos que poseen una forma tipo placa plana. Los SOFCs operan a temperaturas muy altas, v.gr., del orden de 850-1000°C. Como resultado de estas temperaturas de operación altas, los SOFCs planos tienen una tendencia a agrietarse y a encontrar problemas con sellado que resultan del ciclado térmico. Aunque los SOFCs tubulares generalmente se desempeñan mejor con respecto a esto, pueden presentar dificultades de operación relacionadas con la colección de corriente tales como pérdidas óhmicas que resultan de la separación de superficies de contacto eléctrico que ocurren durante la operación. Debido al gran número de componentes pequeños, capas e interconexiones implicadas en su fabricación, los SOFCs monolíticos tienen preocupaciones resaltadas para su conflabilidad.

En el caso particular de los ensambles de SOFC tubulares y dispositivos de celdas de combustible que los incorporan, estreses térmicos que resultan del ciclado de encendido-apagado pueden conducir a pérdidas óhmicas debido a la tendencia de sus componentes de colector de corriente para retirar o separar de los electrodos con los cuales están asociados bajo condiciones de operación. La reducción posterior en el área de contacto eléctrico se debe principalmente a la diferencia en expansión térmica de los componentes de electrodos cerámicos de los ensambles de SOFC tubulares en comparación con aquellos de sus componentes de recolector de corriente de metal o que contiene metal. Fuerzas mecánicas que resultan de la diferencia en expansión térmica de los electrodos y colectores de corriente, aunque individualmente pequeñas, pueden ejercer un efecto acumulativo con el tiempo que se manifiesta como una reducción significativa permanente en el área de contacto eléctrico entre colectores de corriente y electrodos de cerámica y pérdidas óhmicas de robo de energía acompañantes.

Por lo tanto, existe la necesidad de un ensamble de SOFC tubular que resista la tendencia antes indicada para los componentes de colector de corriente del ensamble a retirarse o separarse de sus electrodos asociados durante el funcionamiento .

Sumario de la invención De conformidad con la presente invención, se provee un ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular que comprende: a) por lo menos dos unidades de celdas de combustible de óxido sólido tubular axialmente alargadas que comparten por lo menos un colector de corriente externo, cada unidad de celda de combustible comprendiendo: i) primera y segunda secciones extremas y una sección intermedia entre las mismas, y ii) una capa de electrodo interna, una capa de electrodo externa y una capa de electrolito entre las mismas; b) por lo menos un colector de corriente compartido externo en contacto eléctrico con una capa de electrodo de por lo menos dos unidades de celdas de combustible, el colector de corriente poseyendo un coeficiente de expansión térmica mayor que el de las unidades de celda de combustible, el colector de corriente y cada capa de electrodo en contacto eléctrico entre los mismos poseyendo superficies de contacto eléctrico que se conforman sustancialmente; y c) por lo menos un retenedor configurado para retener por lo menos una sección de por lo menos dos unidades de celdas de combustible y por lo menos una porción del colector de corriente compartido en relación de ajuste cerrado con el mismo, el coeficiente de expansión térmica del retenedor siendo menor que o igual al de las unidades de celdas de combustible, la porción de colector de corriente retenido dentro del retenedor cuando se expande térmicamente colocando la superficie del electrodo de cada unidad de celda de combustible en contacto eléctrico con el mismo bajo compresión .

Durante la operación del dispositivo de celda de combustible que incorpora el ensamble de SOFC tubular de esta invención, la expansión térmica de un componente de colector de corriente con su coeficiente más alto de expansión térmica comparado con el de las unidades de celda de combustible con las cuales el colector de corriente está en contacto eléctrico da como resultado una fuerza de compresión que es ejercida contra la superficie de contacto eléctrico de las capas de electrodo de las unidades de celdas de combustible. Como resultado de esta fuerza de compresión, el área original de contacto eléctrico entre el colector de corriente y sus electrodos asociados permanecerá sustancialmente constante incluso después de muchos ciclos de encendido-apagado de operación eliminando o mitigando asi pérdidas óhmicas en un dispositivo de celdas de combustible que incorporan el ensamble de SOFC tubular de esta invención.

Breve descripción de los dibujos En los dibujos anexos en los cuales los números de referencia similares se refieren a elementos similares: la figura 1A es una vista en perspectiva de una modalidad de la unidad de SOFC tubular de conformidad con la invención que muestra superficie de electrodo expuesta en ambas secciones extremas de la unidad; la figura IB es una vista agrandada de una sección extrema de la unidad de SOFC tubular de la figura 1A; la figura 1C es una vista en perspectiva de otra modalidad de la unidad de SOFC tubular de conformidad con la invención en la cual la configuración de sección transversal de sus secciones extremas difiere de la de su sección intermedia; la figura ID es una vista agrandada de un extremo de la unidad de SOFC tubular de la figura 1C que muestra la transición de la configuración convexa-cóncava alternante de este extremo a la configuración de sección transversal generalmente circular de la sección intermedia de la unidad de celdas de combustible; las figuras 2A y 2B son vistas en perspectiva de pares de unidades de SOFC tubulares adyacentes de la figura 1A que muestran, respectivamente, colectores de corriente de forma anular en contacto eléctrico con las secciones extremas de las unidades de celda de combustible en el par, y un colector de corriente de forma tubular abierto que se extiende sustancialmente a la longitud completa de las unidades de celda de combustible en el par; la figura 2C es una vista agrandada de las secciones extremas idénticas del par de unidades de SOFC tubulares mostradas en la figura 2A que ilustran la conexión eléctrica de ánodo interno a cátodo externo de las unidades de celda de combustible en el par por sus colectores de corriente compartidos para proveer conexión eléctrica de las unidades de celda de combustible en serie; la figura 2D es una vista en sección transversal longitudinal parcial agrandada de un ensamble de unidades de SOFC tubulares de la invención que incorpora un par de unidades de SOFC tubulares en las figuras 2A y 2C eléctricamente conectadas en serie y que ilustra la relación de ajuste cerrado entre las secciones extremas de cada unidad de celdas de combustible en el par, sus colectores de corriente compartidos y sus retenedores asociados; la figura 2E es una vista en perspectiva, parcialmente despiezada, del ensamble de SOFC tubular de la figura 2D con uno de sus retenedores mostrados en linea imaginaria y separados del ensamble para mostrar mejor los detalles de sus sección de celda de combustible y configuración interior de retención de colector de corriente compartido; la figura 2F es una vista en sección transversal longitudinal del retenedor separado mostrado en la figura 2E; las figuras 2G y 2H son vistas extremas agrandadas del par de unidades de SOFC tubulares mostradas en la figura 2A que ilustra, respectivamente, la conexión eléctrica de ánodo interno a ánodo interno de las unidades de celdas de combustible de su colector compartido en un extremo de las mismas y conexión eléctrica de cátodo externo a cátodo externo de las unidades de celda de combustible por su colector de corriente compartido en el otro extremo del mismo para proveer conexión eléctrica de las unidades de celda de combustible en paralelo; la figura 21 es una vista en sección transversal longitudinal parcial agrandada de un ensamble de unidad de SOFC tubular que incorpora un par de unidades de SOFC tubulares como se muestra en la figura 2A eléctricamente conectadas en paralelo y que ilustran la relación de ajuste apretado de las secciones extremas de las unidades de celdas de combustible, sus colectores de corriente compartidos y sus retenedores asociados; la figura 3A es una vista en perspectiva parcialmente despiezada de otra modalidad del ensamble de SOFC tubular de la invención con uno de sus dos retenedores mostrados en linea imaginaria y como están separados del ensamble para mostrar mejor los detalles de su sección de celdas de combustible y configuración interior de retención de colector de corriente compartido; la figura 3B es una vista en sección transversal longitudinal del retenedor separado mostrado en la figura 3A; la figura 3C es una vista en sección transversal longitudinal parcial agrandada del ensamble de SOFC tubular de la figura 3A que ilustra la conexión eléctrica de sus unidades de celda de combustible en series de extremo individual alternantes; las figuras 4A, 4B y 4C son vistas en perspectiva de otras modalidades de los ensambles de SOFC tubulares de la invención que ilustran la colocación del componente ( s ) del retenedor; la figura 5A es una vista en perspectiva de otra disposición de unidades de celdas de combustible de conformidad con su invención; la figura 5B es una vista en perspectiva de una sección de los colectores de corriente compartidos de la disposición de unidades de celda de combustible mostradas en la figura 5A, los colectores de corriente poseyendo la configuración de paralelograma curvo de la vista de sección transversal agrandada mostrada en la figura 7G; la figura 5C es una vista en sección transversal longitudinal parcial agrandada de la disposición de las unidades de celdas de combustible mostradas en la figura 5A; la figura 6A es una vista en perspectiva despiezada de otra modalidad del ensamble de SOFC tubular de la invención que posee tubos de suministro de aire de cátodo dispuestos en alineación axial con las unidades de celdas de combustible; las figuras 6B y 6C son, respectivamente, una vista en planta agrandada y una vista en sección transversal longitudinal parcial agrandada del ensamble de SOFC tubular de la figura 6A que muestra la retención de una sección de los tubos de suministro de aire de cátodo dentro del espacio anular de cada colector de corriente; las figuras 7A-7I son vistas en sección transversal de algunas modalidades de unidades de celdas de combustible y sus colectores de corriente compartidos de conformidad con la invención; las figuras 8A y 8B son, respectivamente, una vista en perspectiva y una vista superior, parcialmente en elevación y sección parcialmente transversal, de un dispositivo de celdas de combustible que incorpora un ensamble de SOFC tubular de conformidad con la invención con flujo de aire que es dirigido a través del ensamble en una trayectoria que inicialmente es generalmente transversal a los ejes longitudinales de las unidades de celdas de combustible ; la figura 9 es una vista superior, parcialmente en elevación y en sección parcialmente transversal, de un dispositivo de celdas de combustible de la invención que incorpora un ensamble de SOFC tubular que contiene tubo de aire de cátodo de conformidad con la invención para proveer flujo de aire a través del ensamble en una trayectoria que inicialmente es generalmente paralela a los ejes longitudinales de las unidades de celdas de combustible; las figuras 10A y 10B (técnica anterior) son vistas en sección transversal de un tipo conocido de ensamble de SOFC tubular, respectivamente, en su condición original (es decir, nueva) a temperatura ambiente (20°C) y su temperatura de operación normal de 600-850 °C; la figura 10C (técnica anterior) es una vista agrandada de una de las unidades de celdas de combustible del ensamble de SOFC tubular de la figura 10B que muestra la separación parcial de superficies de contacto eléctrico que resultan del desacoplamiento en los coeficientes de expansión térmica del colector de corriente metálica y su unidad de celdas de combustible cerámica asociada; la figura 11A (técnica anterior) es una vista en sección transversal de una porción del ensamble de SOFC tubular de otro tipo conocido en su condición original a temperatura ambiente (20°C); y, la figura 11B (técnica anterior) es una vista agrandada de una de las unidades de celdas de combustible del ensamble de SOFC tubular de la figura 11A a su temperatura de operación normal de 600-850°C que muestra la separación parcial de superficies de contacto eléctrico que resultan del desacoplamiento en los coeficientes de expansión térmica del colector de corriente metálica y su unidad de celdas de combustible de cerámica asociada.

Descripción detallada de la invención Cabe entender que la invención en el presente documento no está limitada a los procedimientos, materiales y modificaciones particulares descritas y que los mismos pueden variar. Cabe entender también que la terminología usada es para propósitos de describir modalidades particulares únicamente y no pretende limitar el alcance de la presente invención que estará limitado sólo por las reivindicaciones anexas .

En la especificación y reivindicaciones de la presente, los siguientes términos y expresiones se han de entender como se indica.

Las formas singulares "un", "una", "el" y "la" incluyen el plural.

Todos los métodos descritos en el presente documento se pueden realizar en cualquier orden adecuado a menos que se indique de otra manera aquí o se contradiga claramente de otra manera por el contexto. El uso de cualquiera y todos los ejemplos, o lenguaje ilustrativo provisto aqui, v.gr., "tal como", pretende ser simplemente para ilustrar mejor la invención y no posee una limitación sobre el alcance de la invención a menos que se reivindique de otra manera. Ningún lenguaje en la especificación debe ser considerado como que indique algún elemento no reivindicado como esencial para la práctica de la invención.

Como se usa en el presente documento, "que comprende", "que incluye", "que contiene", "caracterizado por", y equivalentes gramaticales de los mismos son inclusivos o términos abiertos que no excluyen elementos o pasos de método no mencionados adicionales, pero también se entenderá que incluyen los términos más restrictivos "que consiste de" y "que consiste esencialmente de".

La expresión "colector de corriente compartido" se entenderá aqui con el significado de un colector de corriente cuyas superficies de contacto eléctrico hacen contacto eléctrico con superficies de contacto eléctrico de capas de electrodos de por lo menos dos unidades de celdas de combustible .

Distinto que en los ejemplos de trabajo o en donde se indica de otra manera, todos los números que expresan cantidades de materiales, condiciones de reacción, duraciones de tiempo, propiedades cuantificadas de materiales, etc., establecidas en la especificación y reivindicaciones se han de entender como que son modificadas en todos los casos por el término "aproximadamente".

El término "cerámica", además de su significado reconocido en la técnica, se entenderá aquí que incluye vidrios, vidrio-cerámicas y cermets.

Cabe entender que cualquier intervalo numérico mencionado en el presente documento incluye todos los sub-intervalos dentro de ese intervalo y cualquier combinación de los diversos puntos finales de dichos intervalos y sub-intervalos.

Además se entenderá que cualquier compuesto, material o sustancia que sea expresamente o implícitamente descrita en la descripción y/o mencionada en la reivindicación como que pertenece a un grupo de compuestos materiales o sustancias estructuralmente, composicionalmente y/o funcionalmente relacionados, incluye representativos individuales del grupo y todas las combinaciones de los mismos.

La totalidad del contenido de todas las patentes, solicitudes de patente y otras publicaciones de patente anteriores referidas el presente documento es incorporada aquí por referencia.

Haciendo referencia ahora a los dibujos en los cuales los números similares se refieren a partes similares, la unidad de celdas de combustible tubulares 100 de las figuras 1A y IB es una de las numerosas modalidades de celdas de combustible tubulares que se pueden utilizar en la construcción de un ensamble de SOFC tubular de conformidad con la invención. La unidad de celdas de combustible 100 incluye primera y segunda secciones extremas 101 y 102 sustancialmente idénticas, sección intermedia 103 y superficies convexas 104 que alternan con las superficies cóncavas 105 que se extienden para la longitud completa de la unidad. Porciones de secciones extremas 101 y 102 de la unidad de celdas de combustible 100 se muestran destapadas para ilustrar mejor la disposición de su capa de ánodo interna 106, capa de cátodo externa 107 y capa de electrolito intermedia 108. El agujero 109 provee el flujo de combustible a través de la longitud de la unidad de celdas de combustible 100 y contacto con la capa de ánodo interna 106. Aunque la sección transversal de la unidad de celdas de combustible 100 es generalmente simétrica, se entenderá que este no es necesariamente el caso ya que una cürva convexa puede ser más larga que la otra, v.gr., como se muestra en la modalidad de la figura 71.

Como se muestra en la figura IB, la unidad de celdas de combustible 100 presenta una superficie de contacto eléctrico expuesta 109 de capa de ánodo interna 106 para permitir el contacto eléctrico de dicha superficie con una superficie de contacto eléctrico de conformación de un colector de corriente asociado como se muestra en las figuras 2C y 2D. La superficie de contacto eléctrico expuesta 110 de la capa de ánodo 106 puede extenderse justo por una porción de la longitud de la curva cóncava 105 de la unidad de celdas de combustible 100, v.gr., como su primera sección extrema 101, su segunda sección extrema 102 y/o su sección intermedia 103, o dicha superficie de contacto puede extenderse hasta la longitud completa de la superficie cóncava 105, es decir, desde el principio de la primera sección extrema 101 al final de la segunda sección extrema 102.

Como se muestra en la modalidad de la unidad de celdas de combustible tubular de la figura 1C, la unidad de celdas de combustible 120 incluye primera y segunda secciones extremas idénticas 121 y 122, que presentan mucha de la misma configuración de sección transversal que de la primera y segunda secciones extremas 101 y 102 de la unidad de celdas de combustible 100 de la figura 1A, y una sección transversal generalmente circular 124 en su sección intermedia 123. Por lo tanto, a diferencia de la unidad de celdas de combustible 100 en la cual la geometría de sección transversal de la unidad es esencialmente uniforme para su longitud completa, la geometría de sección transversal de la unidad de celda de combustible 120 no es uniforme, es decir, las secciones transversales de su primera sección extrema 121 y segunda sección extrema idéntica 122 (no mostrada) realizan transición generalmente en sección transversal circular 124 para longitud de su sección intermedia 123.

Las unidades de celdas de combustible 100 y 120 y sus muchas variaciones pueden ser fabricadas a partir de composiciones formadoras de capa de ánodo, formadora de capa de electrolito, formadora de capa de cátodo convencionales, v.gr., como se describe en las patentes de E.U.A. Nos. 6,228,521, 6,436,565 y 7,498,095. Si se desea, una o más capas adicionales, v.gr., una capa eléctricamente conductora opcional como en la modalidad del ensamble de SOFC tubular mostrado en la figura 5C en la presente y/o una capa interfacial opcional dispuesta entre la capa de cátodo y la capa de electrolito para reducir las pérdidas de polarización como se describe en la patente de E.U.A. No. 5,993,989, se pueden proveer. Las unidades de celdas de combustible también pueden ser del tipo de reformación interna, v.gr., como se describe en la publicación de solicitud de patente de E.U.A. 2009/0023050.

Las unidades de celdas de combustible tubulares 100 y 120 pueden ser fabricadas utilizando uno o más procesos formadores de estructura de cerámica tubular conocidos y convencionales tales como extrusión, moldeo por inyección, colado en gel, colado por inversión, revestimiento por inmersión y similares. En el caso de unidad de celda de combustible 100 de la figura 1A y otras unidades de celdas de combustible de sección transversal continuamente uniforme, los procesos novedosos para producir estructuras de cerámica tubulares descritas en las solicitudes de patente de E.U.A. co-pendientes comúnmente cedidas con números de serie 13/223,349 y 13/223,359, ambas presentadas el 1 de septiembre de 2011, son especialmente ventajosas. Entre los procedimientos útiles para producir unidad de celdas de combustible 120 de la figura ID y otras unidades de celdas de combustible de sección transversal no uniforme son el proceso de moldeo por colado en gel de la patente de E.U.A. No. 5,824,250 que utiliza un molde fugitivo y el proceso de moldeo por inyección de cerámica de la patente de E.U.A. No. 6,547,210 que utiliza un inserto sacrificial.

Las unidades de celda de combustible 100 y 120 son del tipo soportado en ánodo interno (electrodo de combustible) y cátodo externo (electrodo de aire) . Sin embargo, las unidades de celdas de combustible tubulares que comprenden una capa de cátodo interna y una capa de ánodo externa, y configuraciones de unidad de celdas de combustible tubulares soportadas por cátodo y soportadas por electrolito también se contemplan para la construcción de un ensamble de SOFC tubular de conformidad con esta invención.

Como se muestra en la figura 2A, un solo par 200 de unidades de celdas de combustible adyacentes 100 de la figura 1A incluye colectores de corriente de forma anular compartidos 201 dispuestos en secciones extremas 101 y 102 de cada unidad de celda de combustible en el par. La superficie de contacto eléctrico convexa 202 de cada colector de corriente hace contacto eléctrico con superficies de contacto eléctrico cóncavas de conformación expuestas 203 de electrodos en secciones extremas 101 y 102 de cada unidad de celdas de combustible.

El par individual 210 de unidades de celdas de combustible adyacentes 100 mostrado en la figura 2B es similar al par de celdas de combustible 200 de la figura 2A excepto que en lugar de los colectores de corriente de forma anular 201 del último dispuestos en secciones extremas 101 y 102 de las unidades de celdas de combustible, el par de celdas de combustible 210 posee un solo colector de corriente compartido 211 que se extiende a la longitud completa del par. El colector de corriente 211 es venta osamente abierto, v.gr., con ranuras longitudinales 212, para permitir un mejor contacto de aire con capas de cátodo externas 107 de ambas unidades de celdas de combustible.

Como se describe en forma más completa en lo sucesivo, varias disposiciones de conexión eléctrica se pueden hacer para los componentes de unidad de celdas de combustible del ensamble de SOFC tubular en la presente.

Como se muestra en las figuras 2C y 2D, el par de celdas de combustible tubulares 200 de la figura 2A está eléctricamente conectado en serie, una superficie de contacto eléctrico convexa 202 del colector de corriente anular compartido 201 haciendo contacto con la superficie de contacto eléctrico cóncava de conformación 203 de la capa de ánodo interna 106 y otra superficie de contacto eléctrico convexa 202 de colector de corriente 201 haciendo contacto con la superficie de contacto eléctrico cóncava de conformación expuesta 203 de la capa del cátodo externo 107.

La figura 2D además muestra un par de celdas de combustible conectadas en serie 200 de la figura 2A incorporas en el ensamble de SOFC tubular 220. Los retenedores 221 y 222 dispuestos en secciones extremas 201 y 202, respectivamente, de cada unidad de celdas de combustible 100 en el par están configurados para retener estas secciones extremas y sus colectores de corriente en forma anular compartidos 201 en ajuste cerrado, v.gr., ajuste por fricción, en relación con los mismos. En las figuras 2E y 2F, la configuración interna del retenedor 221 del ensamble de SOFC tubular 220 de la figura 2D se muestra con mayor detalle. El retenedor 221 incluye pasajes 223 para retener la primera sección extrema 101 de cada unidad de celdas de combustible 100 y rebajes adyacentes 224 para retener sus colectores de corriente compartidos 201 en la relación de ajuste cerrado antes mencionada. La ranura 225 situada adyacente a, y en comunicación eléctrica con, un colector de corriente no . compartida se provee para terminales eléctricamente conductoras (no mostradas) a una carga externa.

El componente ( s ) del retenedor del ensamble de SOFC tubular realiza varias funciones esenciales. Al mantener una o más secciones de las unidades de celdas de combustible y por lo menos una porción de sus colectores de corriente compartidos en contacto eléctrico con las mismas en relación de ajuste cerrado, el componente (s) del retenedor inmoviliza las unidades de celdas de combustible y sus colectores de corriente compartidos dentro del ensamble y fijan sus posiciones espaciales en relación una con la otra. Además, puesto que el componente ( s ) de recolector de corriente posee un coeficiente de expansión térmica (CTE) que es mayor que la de sus unidades de celda de combustible asociadas, es decir, adyacentes, y el componente (s ) del retenedor posee un CET que es menor que o igual a la de las unidades de celdas de combustible, durante la operación de un dispositivo de celdas de combustible que incorpora un ensamble de SOFC tubular en el mismo, la expansión térmica del colector (es) de corriente, restringido por el componente ( s ) del retenedor, hace que una fuerza de compresión sea ejercida contra las superficies de contacto eléctrico de los componentes de electrodo asociados de las unidades de celdas de combustible que resisten cualquier tendencia de los colectores de corriente para desprenderse o jalarse de las superficies de contacto eléctrico de los electrodos. Es esta fuerza de compresión lo que mantiene el contacto eléctrico sustancialmente completo de los colectores de corriente con sus elementos de electrodo asociados, incluso después de ciclos de encendido-apagado de la operación de celdas de combustible.

En general, el CTE para el colector (es) de corriente puede variar de 1.6-2% a 800°C, el del retenedor (es ) de 0.6-0.72% a 800°C y el de las unidades de celda de combustible de 1-1.22% a 800°C.

El componente ( s ) del retenedor del SOFC tubular de la invención puede ser fabricado sustancialmente de cualquier material eléctricamente no conductor, v.gr. , cualquiera de numerosas cerámicas eléctricamente neutras conocidas y convencionales tales como alúmina, alúmina endurecida con zirconia, zirconia, policristal de itria-zirconia tetragonal, y similares, provistos, desde luego, de manera que el CTE de componente ( s ) del retenedor no exceda la del componente (s) recolector de corriente asociado. El componente ( s ) del retenedor se puede formar por cualquiera de varios procesos conocidos y convencionales, tales como moldeo, moldeo combinado y acoplamiento de material de resistencia verde seguido por cocción, laminación de secciones de la cinta de cerámica verde que posee cortes de dado o de láser seguidos por cocción, etc.

Las figuras 2G, 2H y 21 ilustran otra modalidad del ensamble de SOFC tubular de conformidad con la invención en la cual las unidades de celda de combustible son eléctricamente conectadas en paralelo. En la figura 2G, el par de celdas de combustible 230 está eléctricamente conectado de ánodo a cátodo por el colector de corriente compartido 201 en el primer extremo 231 como se muestra en la figura 21 y en la figura 2H por el colector de corriente compartido 201 de cátodo a cátodo en el segundo extremo 232 como se muestra en la figura 21.

Como se muestra además en la figura 21, los retenedores 241 y 242 dispuestos en secciones extremas 243 y 244, respectivamente, del ensamble de SOFC tubular 240 están configurados para retener estas secciones extremas y sus colectores de corriente compartidos en relación de ajuste cerrado con las mismas, como en el caso del ensamble de SOFC tubular 230 de la figura 2D para evitar o impedir cualquier movimiento relativo significativo de las superficies de contacto eléctrico en alejamiento unas de otras de lo que de otra manera resultaría en pérdidas óhmicas reductoras de potencia .

El ensamble de SOFC tubular 300 mostrado en las figuras 3A y 3C ilustra la conexión eléctrica de unidades de celda de combustible 100 y colectores de corriente compartidos 201 en serie de un solo extremo alternantes. Como se muestra en la figura 3B, el retenedor 301 (y su retenedor de contraparte de imagen de espejo 302) incluye pasajes 303 para retener una primera sección extrema 101 de cada unidad de celda de combustible 100 y rebajes adyacentes 304 para retener colectores de corriente compartidos 201 en relación de ajuste cerrado uno con el otro. La ranura 305 adyacente al colector de corriente no compartido 307 dispuesto dentro del rebaje 306 del retenedor 302 está eléctricamente conectado a la terminal 308 (figura 3C) y esta última a una carga externa (no mostrada) .

Las figuras 4A, 4B y 4C ilustran modalidades de ensambles de SOFC tubulares en el presente documento que presentan un solo retenedor dispuesto en un extremo de cada unidad de celda de combustible (ensamble 400 de la figura 4A) , un solo retenedor dispuesto en una sección intermedia de cada unidad de celda de combustible (ensamble 410 de la figura 4B) y tres retenedores, uno en cada sección de extrema y uno en una sección intermedia, de cada unidad de celda de combustible (ensamble 420 de la figura 4C) .

Las figuras 5A y 5C muestran una configuración de ensamble de SOFC tubular de la invención 500 en la cual la superficie convexa 104 de una unidad de celda de combustible 100 está orientada hacia la superficie cóncava 105 de una unidad de celda de combustible adyacente 100, con colector de corriente compartido 501 dispuesto entre las mismas. Como se muestra en la figura 5B, el colector de corriente 501 está definido por una sección transversal de paralelograma curvo. La figura 5C además muestra una capa eléctricamente conductora opcional 502 interpuesta entre la capa de cátodo externa 107 y el colector de corriente 201.

Las figuras 6A, 6B y 6C ilustran otra modalidad del ensamble de SOFC tubular de la invención 600 en el cual los tubos de suministro de aire de cátodos 601 están dispuestos dentro de los espacios anulares de colectores de corriente 201. Aunque los tubos de aire del cátodo 601 no necesitan extenderse más allá de los colectores de corriente 201 y retenedor 221 para su funcionamiento apropiado en el ensamble de SOFC tubular 600, generalmente se prefiere que se extiendan por lo menos a la mitad de la longitud de las celdas de combustible adyacentes 100 y muy preferiblemente hasta dos tercios o algo similar de esta longitud, punto en el cual el aire relativamente más frío será descargado del mismo. En una variación del ensamble de SOFC tubular 600, en lugar de que los tubos de aire del cátodo 601 estén dispuestos en el extremo del ensamble mostrado en las figuras 6A-6C, los tubos están dispuestos en el otro extremo del ensamble.

Los tubos de aire del cátodo 601 introducen aire, a temperatura ambiente cuando primero es llevado hacia el ensamble de SOFC tubular 600 desde el exterior, hacia el interior y a través del ensamble proveyendo asi oxigeno para la operación del ensamble. Este aire también funciona como un medio de enfriamiento para mantener la temperatura de operación del ensamble a dentro de un intervalo deseado. Por lo tanto, el paso de aire a través de los tubos de aire del cátodo 601 pueden proveer control de temperatura para el lado de escape de un dispositivo de celdas de combustible que incorpora el ensamble de SOFC tubular 600, v.gr., como en el dispositivo de celdas de combustible 900 de la figura 9. Este flujo de aire ambiente también puede ser benéfico en colectores de corriente de enfriamiento 201 evitando o reduciendo asi el riesgo de su daño. Otra ventaja adicional del flujo de aire a través de los tubos de aire del cátodo 601 es que permite el empaque más denso de unidades de celdas de combustible 100 en un ensamble de SOFC- tubular 600 que pudiera ser de otra manera práctico o deseable. El incremento en la densidad de empaque de las unidades de celdas de combustible reduce el volumen del ensamble dando por resultado tiempos de respuesta térmica más cortos y eficiencia térmica incrementada de un dispositivo de celdas de combustible que incorpora el ensamble.

Las figuras 7A-7I ilustran en sección transversal una variedad de configuraciones de colector (es) de corriente compartido de unidades de celdas de combustible de conformidad con la invención.

El número de unidades de celdas de combustible en el ensamble de SOFC tubular de esta invención puede variar desde un minimo de dos hasta cualquier número deseado, dándose consideración al costo, de manera adecuada para fabricación y/u otras preocupaciones prácticas, y puede estar dispuesto en cualquier forma o patrón deseado, v.gr., en pares, en tripletes, en cuadripletes , etc., en una sola hilera, en múltiples hileras, etc. De manera similar, las formas de las unidades de celdas de combustible, colectores de corriente y retenedores y sus tamaños pueden variar ampliamente siempre que, desde luego, los requerimientos funcionales se cumplan satisfactoriamente.

En las figuras 8A y 8B, el dispositivo de celda de combustible 800 que incorpora el ensamble de SOFC tubular 890 de esta invención se muestra sin su alojamiento completo a fin de mostrar mejor su organización interna. El dispositivo de celdas de combustible 800 incluye un primer sistema de soplado 810 que provee un flujo de aire de ánodo que se mezcla con un combustible gaseoso, v.gr., hidrocarburo (s ) gaseoso, hidrocarburo ( s ) liquido vaporizado o alcohol (es) introducido a través del puerto de combustible 895, la mezcla de combustible-aire resultante siendo después introducida en el múltiple de combustible-aire 820 y de ahí hacia y a través del agujero 109 de cada unidad de celda de combustible 100 del ensamble de SOFC tubular 890 en donde hace contacto con la capa de ánodo interna 106. El segundo sistema de soplado 830 provee un flujo de aire de cátodo a múltiple de aire de cátodo 840 desde el cual sale a través de las salidas 850 para proveer una fuente de oxigeno para la capa de cátodo externa 107 de cada unidad de SOFC tubular 100 del ensamble. El múltiple de aire de cátodo entrante de aire 840 gana el calor de los gases de combustión calientes que salen del quemador de cola 860 hacia el intercambiador de calor 870. Las líneas punteadas muestran la trayectoria de flujo del aire calentado que sale por las salidas 850 del múltiple de aire, de cátodo 840, una dirección que es generalmente transversal a los ejes longitudinales de las unidades de celdas de combustible del ensamble de SOFC tubular 890, a través del ensamble y hacia el quemador de cola 860 en donde provee oxígeno para soportar la combustión del combustible no gastado presente en el gas de escape que emerge de las unidades de celdas de combustible hacia el múltiple de escape 880 y de ahí hacia el quemador de cola. Finalmente, los gases de combustión calientes entran al intercambiador de calor 870 en donde sirven para precalentar aire del cátodo entrante provisto por el segundo sistema de soplado 830 como se indicó anteriormente. Los sistemas de soplado 810 y 830, que son de construcción similar, y su operación se describen con detalle en la solicitud de patente de E.U.A. comúnmente cedida, co-pendiente, con número de serie 13/168,280, presentada el 24 de junio de 2011. Los componentes de retenedor 891 y 892 del ensamble de SOFC tubular 890, mostrados en línea imaginaria, están dispuestos dentro del interior de, respectivamente, el múltiple de escape 880 y el múltiple de combustible-aire 820 en donde funcionan como se describió anteriormente.

En la figura 9, el dispositivo de celdas de combustible 900 incorpora un ensamble de SOFC tubular 950 que contiene tubo de aire del cátodo, mostrado en el mismo en línea imaginaria, muy parecido al que se muestra en las figuras 6A-6C para proveer un flujo de aire del cátodo inicialmente en una trayectoria que es generalmente paralela a los ejes longitudinales de las unidades de celdas de combustible 100. El dispositivo de celdas de combustible 900 además incluye un primer sistema de soplado 910 que provee un flujo de aire de ánodo, posteriormente mezclado con combustible, v.gr., uno que contiene hidrocarburo (s) gaseoso, hidrocarburo (s) líquido vaporizado o alcohol (es), introducido a través del portal de combustible 895, la mezcla de combustible-aire resultante que entra al múltiple de combustible-aire 920 y posteriormente hacia el interior y a través del agujero 109 de cada unidad de celda de combustible 100 del ensamble de SOFC tubular 990 en donde hace contacto con la capa de ánodo interna 106. El segundo sistema de soplado 930 provee un flujo de aire de cátodo a múltiple de aire de cátodo 940 y de ahí hacia el interior de cada uno de los tubos de aire de cátodo 951, mostrados en línea imaginaria, del ensamble de SOFC tubular 950. A medida que el aire del cátodo viaja a lo largo del ensamble como se indica por las flechas, absorbe calor de la reacción de combustible-aire que ocurre dentro de las unidades de celda de combustible 100. El aire calentado en su viaje más lejano es entonces dirigido hacia el múltiple de escape 980 en donde su contenido de oxígeno restante soporta combustión de combustible no consumido que emerge de las unidades de celda de combustible 100. Finalmente, los gases de combustión calientes son descargados del dispositivo de celdas de combustible 900 a través del conducto de escape 990. Los componentes del retenedor 991 y 992 del ensamble de SOFC tubular 950, mostrados en línea imaginaria, están situados en extremos opuestos del ensamble en donde funcionan como se describió anteriormente.

A diferencia del ensamble de SOFC tubular de esta invención, ensambles de SOFC tubulares conocidos carecen de un componente que funciona de una manera que es la misma que o similar a la del retenedor (es ) en el presente documento. Con el fin de ilustrar esta diferencia y su efecto sobre la operación de un dispositivo de celda de combustible, las figuras 10A, 10B y 10C ilustran un ensamble de SOFC tubular representativo de aquellos descritos en la publicación de solicitud de patente de E.U.A. 2008/0063916 y las figuras HA y 11B ilustran un ensamble de SOFC tubular representativo de aquellos descritos en la patente de E.U.A. No. 6,379,831.

En las figuras 10A y 10B, el ensamble de SOFC tubular 10 mostrado en sección transversal incluye un solo colector de corriente metálico 11 compartido por cada unidad de celdas de combustible de cerámica 12 en el ensamble. En la condición original, es decir, nueva, y a temperatura ambiente, considerada aquí como 20°C, hay contacto ininterrumpido completo entre las superficies de contacto eléctrico del colector de corriente 11 y las superficies de contacto eléctrico de conformación de cada unidad de celdas de combustible 12. Sin embargo, y como se muestra en las figuras 10B y 10C, a la temperatura de operación normal del ensamble de SOFC tubular 10 de 600-850°C, la diferencia, o desacoplamiento, en los coeficientes de expansión térmica del colector de corriente 11 y unidades de celda de combustible 12 causan la separación parcial de las superficies de contacto eléctrico de estos componentes unos de otros, una separación que se muestra con mayor detalle como el espacio 14 en la porción agrandada 13 de la figura 10C.

En la figura 10C, las flechas muestran la dirección general de expansión térmica del colector de corriente 11 y unidad de celda de combustible 12. Aunque el colector de corriente 11 ejerce una fuerza de compresión contra el lado 15 de la unidad de celda de combustible 12, puesto que el colector de corriente es no restringido en su expansión en relación con la expansión mucho más baja de la unidad de celda de combustible 12, tenderá a jalar de la unidad de celda de combustible 12 sobre el lado opuesto del último 16 creando asi el espacio 14. Esta separación parcial, o espacio 14, entre las superficies de contacto eléctrico del colector de corriente 11 y la unidad de celda de combustible 12 da por resultado pérdidas en óhmicas y pérdidas de potencia adjuntas que tienden a empeorar a medida que un dispositivo de celda de combustible que incorpora ensamble de SOFC tubular 10 pasa por e incrementa el número de ciclos de encendido-apagado. Puesto que el componente de colector de corriente 11 carece de cualquier elasticidad significativa, ya que el número de ciclos de encendido-apagado se incrementa, el colector de corriente 11 regresa cada vez menos a su geometría original dando por resultando inexorablemente un espacio aún mayor en las superficies de contacto eléctrico y pérdidas óhmica/de potencia correspondientemente mayores. Aunque este resultado puede ser balanceado o compensado al proveer una unidad de celda de combustible más grande con una salida de potencia inicial mayor que tasa nominal, dicha solución al problema ocasionado por desacoplamiento térmico del colector de corriente y componentes de unidad de celda de combustible es uno económicamente indeseable.

El ensamble de SOFC tubular 20 mostrado en sección transversal en la' figura 11A y en la porción agrandada 23 de la figura 11B es otro tipo conocido de ensamble de combustible de óxido sólido tubular en el cual la expansión térmica no restringida de su componente de colector de corriente de malla metálica 21 en relación con el de su componente de celda de combustible de cerámica asociado 22 a temperatura de operación (como se muestra por las flechas en la figura 11B) da por resultado la formación de espacios 24 en sus superficies de contacto eléctrico con pérdidas óhmicas y de potencia consecuentes.

De conformidad con la presente invención, la provisión de por lo menos un componente de retenedor configurado para mantener el colector (es) de corriente y sus unidades de celdas de combustible asociadas en relación de ajuste estrecho con los mismos restringe la expansión del colecto (es) de corriente y redirigiendo las fuerzas de expansión contra las superficies de contacto eléctrico de la unidad de celda de combustible asociada, da por resultado una fuerza de compresión aplicada a la totalidad de las superficies de contacto eléctrico evitando asi la formación de un espacio al cual ensambles de de SOFC tubulares conocidos tales como aquellos descritos anteriormente son sometidos.

Aunque la invención se ha descrito con detalle para el propósito de ilustración, cabe entender que dicho detalle es únicamente para ese propósito y se pueden hacer variaciones en la misma por los expertos en la técnica sin apartarse de la esencia y alcance de la invención que está definida en las reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular que comprende: a) por lo menos dos unidades de celdas de combustible de óxido sólido tubular axialmente alargadas que comparten por lo menos un colector de corriente externo, cada unidad de celda de combustible comprendiendo: i) primera y segunda secciones extremas y una sección intermedia entre las mismas, y ii) una capa de electrodo interna, una capa de electrodo externa y una capa de electrolito entre las mismas; b) por lo menos un colector de corriente compartido externo en contacto eléctrico con una capa de electrodo de por lo menos dos unidades de celda de combustible, el colector de corriente poseyendo un coeficiente de expansión térmica mayor que el de las unidades de celda de combustible, el colector de corriente y cada capa de electrodo en contacto eléctrico con el mismo poseyendo superficies de contacto eléctrico sustancialmente de conformación; y c) por lo menos un retenedor configurado para retener por lo menos una sección de por lo menos dos unidades de celda de combustible y por lo menos una porción del colector de corriente compartido en relación de ajuste cerrado con el mismo, el coeficiente de expansión térmica del retenedor siendo menor que o igual al del colector de corriente, la porción del colector de corriente retenido dentro del retenedor cuando se expande térmicamente colocando la superficie del electrodo de cada unidad de celda de 5 combustible en contacto eléctrico con el mismo bajo compresión .

2. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 1, en donde la capa de electrodo interna es un ánodo y la capa de 0 electrodo externa es un cátodo.

3. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 1, que además comprende una capa eléctricamente conductora (v) en contacto eléctrico con la capa de electrodo externa. 5

4. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 1, en donde un colector de corriente es compartido sólo por unidades de celda de combustible adyacentes, por unidades de celda de combustible adyacente y no adyacente, o por todas Q las unidades de celda de combustible.

5. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 1, en donde el colector de corriente posee por lo menos dos superficies de contacto eléctrico, la superficie de 5 conformación correspondiente de la capa de electrodo de cada unidad de celda de combustible en contacto eléctrico con la misma siendo recta o curva.

6. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 5, en donde el colector de corriente posee por lo menos dos superficies de contacto eléctrico convexas, la superficie de conformación correspondiente, de la capa de electrodo de cada unidad de celda de combustible en contacto eléctrico con la misma siendo cóncava, convexa, o una de dicha superficie siendo convexa y en contacto eléctrico con una superficie de contacto eléctrico cóncava de una capa de electrodo en una de las unidades de celda de combustible y la otra de dicha superficie siendo cóncava y en contacto eléctrico con una superficie de contacto eléctrico convexa de una capa de electrodo en una unidad de celda de combustible adyacente.

7. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 1, que comprende dos colectores de corriente compartidos, externos, las superficies de contacto eléctrico de uno de los colectores de corriente estando en contacto eléctrico con una superficie de electrodo en la primera sección extrema de cada unidad de celda de combustible, y las superficies de contacto eléctrico del otro colector de corriente estando en contacto eléctrico con una superficie de electrodo en la segunda sección extrema de cada unidad de celda de combustible, habiendo dos retenedores, un retenedor para retener la primera sección extrema de cada unidad de celda de combustible y su colector de corriente compartido y otro retenedor para retener la segunda sección extrema de cada unidad de celda de combustible y su colector de corriente compartido.

8. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 1, en donde el retenedor comprende un pasaje para retener una sección de cada unidad de celda de combustible y un rebaje o pasaje adyacente para retener por lo menos una porción de cada colector de corriente compartido.

9. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 7, en donde cada retenedor comprende un pasaje para retener una sección de cada celda de combustible de óxido sólido tubular y un rebaje o pasaje adyacente para retener por lo menos una porción de cada colector de corriente compartido.

10. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 4, en donde una sección transversal del colector de corriente compartido en una sección que está en contacto eléctrico con los electrodos de las unidades de celda de combustible adyacentes es definido por un circulo, una elipse, una serie alternante de curvas cóncavas y convexas o un paralelogramo curvo. .

11. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 4, en donde una sección transversal de una unidad de celda de combustible en una superficie que es distinta a una superficie en contacto eléctrico con el colector de corriente compartido es definido por un circulo, una elipse o una serie alternante de curvas cóncavas y convexas.

12. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 11, en donde una sección transversal de unidades de celda de combustible adyacentes está definida por una serie de dos curvas convexas alternantes con dos curvas cóncavas, una curva convexa de la sección transversal de una unidad de celda de combustible estando orientada hacia una curva cóncava sustancialmente de conformación de la sección transversal de una unidad de celda de combustible adyacente, el colector de corriente compartido teniendo una sección transversal definida por un paralelogramo curvo.

13. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 1, en donde las uniones de diferentes superficies son redondeadas a fin de difundir o reducir esfuerzos mecánicos térmicamente inducidos en las mismas.

14. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 1, en donde el colector de corriente compartido es un tubo abierto que permite que el gas circule a través del mismo y haga contacto con la capa de electrodo externa.

15. El ensamble de celdas de combustible de óxido sólido tubular de conformidad con la reivindicación 1, en donde el colector de corriente compartido posee un pasaje a través del mismo y un tubo de aire de cátodo dispuesto dentro del pasaje.