MXPA00012324A - Celda ceramica de combustible. - Google Patents
Celda ceramica de combustible.Info
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Abstract
Se proporciona una celda de combustible ceramica en forma de panal que incluye, entre otras cosas: (i) un material ceramico conductor ion oxigeno de oxido de bismuto estabilizado con itria que incluye zirconia incorporado al mismo, (ii) un material ceramico conductor de ion oxigeno de oxido de bismuto estabilizado con niobia, (iii) un electrodo de anodo de cermet de cobre colocado en el pasaje de suministro de combustible de una celda de combustible de material ceramico de oxido de bismuto, o (iv) canales entre pasajes colocados especialmente formados en el cuerpo ceramico de la celda del combustible. De acuerdo con una modalidad de la presente invencion, se proporciona una celda de ceramica de combustible que comprende un pasaje de suministro de oxidante, un electrodo de catodo colocado en el pasaje de suministro de oxidante, un pasaje de suministro de combustible, un electrodo de anodo colocado en el pasaje de suministro de combustible, y un material ceramico conductor de ion oxigeno de oxido de bismuto estabilizado interpuesto entre el electrodo del catodo y el electrodo del anodo. El material ceramico se puede establecer con itria o nioba y puede incluit zirconia. Las celdas de combustible que incorporan las composiciones ceramicas de la presente invencion son operacionales a temperaturas de o debajo de 650degree C. De esta forma, el hollin del cuerpo de material ceramico no es un problema si se utilizan combustibles organicos sin reformar en la presente invencion. De acuerdo con ciertas modalidades de la presente invencion, un recubrimiento de zirconia esta interpuesto entre el cuerpon de material ceramico estabilizado y el electrodo de anodo. Ademas los electrodos ceramicos (e.g. hechos de LXM, en donde L es lantano La, M es manganato MnO3 y X es plomo Pb, estroncio Sr, Calcio Ca o Bario Ba) de la presente invencion puede proporcionar con un recubrimiento de plata. El anodo tambien puede comprender un cermet de cobre.
Description
CELDA CERÁMICA DE COMBUSTIBLE
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se relaciona con celdas de combustible y, más particularmente, con celdas de combustible cerámicas en forma de panal de abeja que incluyen un material cerámico conductor de ion oxígeno interpuesto entre un electrodo de cátodo de suministro de oxidante y un electrodo de ánodo de suministro de combustible . Las celdas sólidas de combustible de electrolitos incluyen un electrolito sólido que es conductor de ion oxígeno. Un electrodo de cátodo poroso y un electrodo de ánodo poroso se forman en lados opuestos del electrolito. Se introduce un oxidante, por ejemplo oxígeno gaseoso o aire, dentro del pasaje de suministro de oxidante en el lado del cátodo de electrolito. Se introduce un combustible, por ejemplo hidrógeno gaseoso o gas natural, dentro del pasaje de suministro de combustible en el lado del ánodo del electrolito. Las moléculas de oxígeno y el pasaje de suministro de oxidante se disocian en el electrodo del cátodo y absorben electrones para formar iones oxígeno. Estos. iones después se difunden a través del conductor iónico al electrodo del ánodo, dejando la superficie de entrada del cátodo con una deficiencia de electrones . Los iones de oxígeno que abandonan en el electrodo del ánodo deben captar electrones para formar oxígeno molecular, por lo que dejan la superficie de salida del ánodo con un exceso de electrones. De esta manera, la celda de combustible utiliza la conductividad de ion oxión del electrolito para funcionar como una fuente de energía eléctrica . Muchas celdas de combustible pueden funcionar a temperaturas superiores a 800°C y tan altas como 1,000°C. El gas natural y el metano tienden a provocar tiznado dentro de los pasajes de suministro de combustible a estas temperaturas elevadas. Como resultado, con frecuencia es necesario modificar el gas natural en un gas de hidrógeno sustancialmente puro antes de introducirlo en los pasajes de suministro de combustible. En consecuencia, existe la necesidad por una celda de combustible que no sea susceptible a tiznado y que no requiera la modificación de un suministro de gas natural . Existe también un impulso continuo por disminuir los costos de producción e incrementar la eficiencia de las celdas de combustible descritas antes a través de una sección óptima de electrodo de cátodo, electrodo de ánodo y materiales o disposiciones de electrolito. Por ejemplo, la Patente de los Estados Unidos No. 5,807,642 (Xue et al.) describe un cuerpo cerámico de titanato de bario y estroncio' que incluye aditivos materiales que sirven como modificadores del coeficiente de la expansión térmica o como auxiliares en el procesamiento de sinterizádo. La Patente de los Estados Unidos No. 5,731,097 (Miyashita et al . ) se relaciona con una celda de combustible de electrolito sólido que incluye una primera y segunda película conductora de ion oxígeno adherida y colocada en orden descendiente, hacia el ánodo por energía de activación de ion oxígeno. La Patente de los Estados Unidos No. 5,712,055 (Khandkar et al.) describe una disposición de etapa múltiple para el material de electrolito en una celda de combustible . La descripción de cada una de estas referencias de patentes se incorporan aquí como referencia. Aunque cada uno de los esquemas mencionados en lo anterior, al igual que otros esquemas convencionales de celdas de combustible proponen presentar una disposición óptima de celda de combustible, aún existe la necesidad de la técnica por una disposición mejorada de celda de combustible. Esta necesidad se satisface por la presente invención, en donde se proporciona una celda cerámica de combustible que incluye, entre otras cosas, (i) un material cerámico conductor ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con itria que incluye Zr02, (ii) un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con niobia, (iii) un electrodo de ánodo de cermet de cobre colocado en el pasaje de suministro de combustible de una celda de combustible de material cerámico de óxido de bismuto, o (iv) canales entre pasajes colocados especialmente formados en el cuerpo cerámico de la celda del combustible. De acuerdo con una modalidad de la presente invención, se proporciona una celda de cerámica de combustible que comprende . un pasaje de suministro de oxidante, un electrodo de cátodo colocado en el pasaje de suministro de oxidante, un pasaje de suministro de combustible, un electrodo de ánodo colocado en el pasaje de suministro de combustible, un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con itria interpuesto entre el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo . El material cerámico incluye Zr02. Se puede interponer un recubrimiento de zirconia entre el material cerámico estabilizado con itria y el electrodo de ánodo. El material cerámico estabilizado con itria preferiblemente comprende x moles % de Bi203, y moles % Y203, y z moles % de Zr02, en donde x es un valor de aproximadamente 70 a aproximadamente 80, y es un valor de aproximadamente 20 a aproximadamente 30, y z es un valor de aproximadamente 1 a aproximadamente 5.
De acuerdo con otra modalidad de la presente invención, se proporciona una celda de combustible cerámico que comprende un pasaje de suministro de oxidante, un electrodo de cátodo colocado en el pasaje de suministro de oxidante, un pasaje de suministro de combustible, un electrodo de ánodo colocado en el pasaje de suministro de combustible y un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con niobia interpuesto entre el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo. El material cerámico estabilizado con niobia preferiblemente comprende x moles % de Bi202 e y moles % de Nb205, en donde x es un valor de aproximadamente 80 a aproximadamente 90, y en donde y es un valor de aproximadamente 10 a aproximadamente 20. Preferiblemente, ya sea el electrodo del cátodo, el electrodo del ánodo o ambos, comprenden un electrodo cerámico. El material de electrodo cerámico puede estar caracterizado por la composición cerámica LXM, en donde L es lantano (La) , M es manganato ( n03) , X es plomo (Pb) . Se puede colocar una capa de plata sobre el material de electrodo cerámico y puede comprender un vidrio mezclado en el mismo, en donde el vidrio se selecciona de manera que mejore la adición de la capa de plata al material de electrodo cerámico.
En algunas modalidades de la presente invención, el electrodo del ánodo comprende un cermet de cobre . El cermet de cobre puede comprender una mezcla de polvos de CuO y material cerámico de óxido de bismuto. El material cerámico de óxido de bismuto puede comprender un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con niobia. El material cerámico conductor de ion oxígeno puede colocarse para definir una pluralidad de pasajes de suministro de oxidante y una pluralidad de pasajes de suministro de combustible. Los pasajes de suministro de oxidante se pueden orientar sustancialmente paralelos a los pasajes de suministro de combustible y los seleccionados de los pasajes de suministro de oxidante se definen preferiblemente de manera que si están adyacentes a los pasajes de suministro de combustible correspondientes. Más específicamente, el material cerámico conductor de ion oxígeno puede colocarse para definir una pluralidad de canales longitudinales sustancialmente paralelos y los canales longitudinales seleccionados se pueden definir los pasajes de suministro de oxidante y los canales longitudinales restantes definen los pasajes de suministro de combustible. Además, el cuerpo de material cerámico conductor de ion oxígeno define un pasaje de suministro de oxidante y el pasaje de suministro de combustible pueden estar en forma de un primero y segundo conjuntos de pasaje s stancialmente paralelos, en donde (i) cada uno de los pasajes define extremos .de pasaje opuestos, (ii) los extremos opuestos del primer conjunto de pasajes están abiertos, (iii) los extremos opuestos del segundo conjunto de pasajes están encerrados, (iv) el .segundo conjunto de pasajes incluye canales entre los pasajes formados en el cuerpo cerámico entre el segundo conjunto de pasajes adyacentes, y (v) los canales entre los pasajes se disponen próximos a los extremos de pasajes opuestos seleccionados. Se pueden acoplar un orificio de entrada y un orificio de salida al segundo conjunto de pasajes, en donde el segundo conjunto de pasajes, el orificio de entrada, el orificio de salida y los canales entre los pasajes se colocan para definir una trayectoria de flujo que se extiende desde el orificio de entrada, a través del segundo conjunto de pasajes y los canales entre los pasajes, hacia el orificio de salida. Los canales entre los pasajes preferiblemente se definen en caras de extremo opuestas del cuerpo cerámico. De acuerdo con otra modalidad adicional de la presente invención, se proporciona una celda de combustible de material cerámico que comprende un pasaje de suministro de oxidante, un electrodo de cátodo colocado en el pasaje de suministro de oxidante, un pasaje de suministro de combustible, un electrodo de ánodo de cermet de cobre colocado en el pasaje de suministro de combustible, y un material cerámico conductor de ion oxígeno, de óxido de bismuto, interpuesto entre el electrodo del cátodo y electrodo del ánodo. El electrodo del ánodo de cermet de cobre preferiblemente comprende una mezcla de polvos de CuO y un material cerámico de óxido de bismuto. De acuerdó con una modalidad adicional de la presente invención, se proporciona una celda cerámica de combustible que comprende un cuerpo cerámico conductor de ion oxígeno definido por un primero y segundo conjuntos de pasajes sustancialmente paralelos, en donde (i) cada uno de los pasajes define extremos de pasaje opuestos, (ii) los extremos opuestos del primer conjunto de pasajes están abiertos, (iii) los extremos opuestos del segundo conjunto de pasajes están cerrados, (iv) el segundo conjunto de pasajes incluyen canales entre los pasajes formados en el cuerpo cerámico entre el segundo conjunto de pasajes adyacentes, y (v) los canales entre los pasajes se colocan próximos a los extremos de pasaje opuestos seleccionados. Los primeros electrodos respectivos se colocan en el primer conjunto de pasajes y los segundos electrodos respectivos se colocan en el segundo conjunto de pasajes. Se acoplan un orificio de entrada y un orificio de salida al segundo conjunto de pasajes. El segundo conjunto de pasajes, el orifico de entrada, el orificio de salida y los canales entre los pasajes y se colocan para definir una trayectoria de flujo que se extiende desde el orificio de entrada, a ¦ través del segundo conjunto de pasajes y los canales entre los pasajes, hacia el orificio de salida. Preferiblemente, el orificio de entrada se acopla a un suministro de combustible y el primer conjunto de pasajes se acopla a un suministro de oxidante de mañera que los primeros electrodos respectivos comprenden electrodos de cátodo y los segundos electrodos respectivos comprenden electrodos de ánodo. Alternativamente, el orificio de entrada se puede acoplar a un suministro de oxidante y el primer conjunto de pasaje se puede acoplar a un suministro de combustible de manera que los primeros electrodos respectivos comprendan electrodos de ánodo y los segundos electrodos respectivos comprendan electrodos de cátodo. La celda de combustible puede comprender un ensamblado de múltiple que define: (i) un múltiple de entrada acoplado a una primera cara de extremo del cuerpo cerámico, en donde el múltiple de entrada define una primera entrada de múltiple en comunicación con el primer conjunto de pasajes; (ii) un múltiple de salida acoplado a una cara de extremo opuesto del cuerpo cerámico, en donde el múltiple de salida define una primera salida de múltiple en comunicación con el primer conjunto de pasajes; (iii) un múltiple de cara lateral acoplado a las caras de los lados opuestos del cuerpo cerámico, en donde el múltiple de cara lateral define una segunda entrada de múltiple en comunicación con el orificio de entrada, y una segunda salida de ' múltiple en comunicación con el orificio de salida. El múltiple de la cara lateral y el múltiple de salida pueden comprender un montaje de múltiple unitario. En consecuencia, un objetivo de la presente invención es proporcionar una celda cerámica, de combustible que sea menos costosa en su producción y que constituya características de operación mejorada. Otros objetivos de la presente invención serán evidentes a la luz de la descripción de la invención constituida aquí . La siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas de la presente invención se puede comprender mejor cuando se lea junto con los siguiente dibujos, en donde la estructura similar se indica con un número de referencia igual, y en donde: la Figura 1 es una vista tridimensional esquemática de porciones seleccionadas de una celda de cerámica de combustible, de acuerdo con la presente invención; la Figura 2 es una vista tridimensional esquemática despiezada de una celda cerámica de combustible - li -y un montaje de múltiple, de acuerdo con la presente invención; la Figura 3 es una ilustración esquemática en sección transversal de las porciones seleccionadas de una celda cerámica de combustible, de acuerdo con la presente invención; y la Figura 4 es una ilustración en sección transversal esquemática de porciones seleccionadas de una celda cerámica de combustible alternativa a la presente invención. En las Figuras 1 a 4 se ilustra una celda cerámica de combustible 10 de acuerdo con la presente invención. La celda 10 cerámica de combustible comprende una estructura cerámica multicélular extruida la cual también se puede denominar como un cuerpo 20 cerámico de panal de abeja. El cuerpo 20 se forma a partir de un. material cerámico conductor de ion oxígeno y define un primer conjunto de pasajes 22 y un segundo conjunto de pasajes 24 sustancialmente paralelos al primer conjunto de pasajes 22 en la Figura 1, el primer conjunto de pasajes 22 se colocan en caras laterales opuestas 12, 14 del cuerpo 20 cerámico y alternan con pares adyacentes de los segundos pasajes 24 entre las caras laterales 12, 14. Cada uno de los pasajes dentro de los conjuntos respectivos de pasajes 22, 24 definen extremos opuestos de pasajes. Los extremos opuestos 22A, 22B del primer conjunto de pasajes 22 están abiertos. Los extremos opuestos 24A, 24B del segundo conjunto de pasajes 24 están cerrados con miembros sellantes o placas de extremo 16 (de las cuales .únicamente se muestran dos en la Figura 1) . Sin embargo, el segundo conjunto de pasajes 24 incluye canales.26 entre pasajes y se acoplan a un orificio 28 de entrada y a un orificio 29 de salida formado ' en el cuerpo 20 cerámico. Como se apreciará por aquellos quienes practiquen la presente invención, el cuerpo cerámico de la presente invención no necesita ser del tipo de panal de abeja, como se ilustra en la Figura 1. Los canales 26 entre pasajes se colocan entre el segundo conjunto de pasajes 24 adyacentes y próximos a los extremos 24A( 24B de pasajes opuestos seleccionados. El segundo conjunto de pasajes 24, el orificio 28 de entrada, el orificio 29 de salida, sus canales 26 entre pasajes y las placas 16 de extremo se colocan para definir una trayectoria de flujo que se extiende desde el orificio 28 de entrada a través del segundo conjunto de pasajes 24 y los canales 26 entre pasajes, al orificio 29 de salida. En la modalidad ilustrada, los canales 26 entre los pasajes entre el segundo conjunto de. pasajes 24 adyacentes se definen en caras 21, 23 de extremo opuestas del cuerpo 20 cerámico. De esta manera, los canales 26 entre pasajes se colocan de manera que la trayectoria de flujo invierte la dirección del siguiente pasaje a través de los canales entre pasajes. Se coloca una pieza 25 de inserción que induce turbulencia, por ejemplo una malla de turbulencia en los pasajes 22 , 24 para mejorar la eficiencia del dispositivo al eliminar el flujo laminar dentro de los pasajes 22 , 24 . Los primeros electrodos 30 respectivos se colocan en el primer conjunto de pasajes 22 y los segundos electrodos 40 respectivos se colocan en el segundo conjunto de pasajes 24 (véanse las Figuras 3 y 4) . Si el primer conjunto de pasajes 22 se acopla a una línea 52 de suministro de oxidante de un montaje 50 múltiple, descrito con detalle en lo siguiente con referencia a la Figura 2, y el orificio 28 de entrada se acopla a una línea 54 de suministro de combustible del montaje 50 de múltiples, los primeros electrodos 30 respectivos funcionarán como electrodos de cátodo y los segundos electrodos 40 respectivos funcionarán como electrodos de ánodo. Alternativamente, si el primer conjunto de pasajes se acoplan a un suministro de combustible de suministro y el orificio de entrada se acopla a un suministro de oxidante, los primeros electrodos respectivos funcionarán como electrodos de ánodo y los segundos electrodos respectivos funcionarán como electrodos de cátodo.
En la Figura 2 se ilustra un montaje 50 de múltiple, de acuerdo con la presente invención. El montaje 50 de múltiple define la línea de suministro de oxidante de la primera entrada 52 de múltiple, la línea de suministro de combustible o segunda entrada 54 de múltiple, y un múltiple 56 de entrada, un múltiple 58 de salida, y un múltiple 60 de cara lateral. Como se indica en lo anterior, se contempla por la presente invención que la línea 52 de suministro de oxidante y la línea 54 de suministro de combustible se puedan conmutar entre sí, de manera que su arreglo pueda ser el opuesto al indicado en la Figura 2. El múltiple 56 de entrada se acopla a una primera cara 23 de extremo del cuerpo 20 cerámico, de manera que la primera entrada 52 de múltiple está en comunicación con el primer conjunto de pasajes 22. Similarmente, el múltiple 58 de salida se acopla a la cara 21 de extremo opuesta del cuerpo 20 cerámico de manera que una primera salida 62 de múltiple definida por el múltiple 58 de salida también está en comunicación con el primer conjunto de pasajes 22. De esta manera, el gas de un suministro de gas puede pasar desde la primera entrada 52 de múltiple a través del primer conjunto de pasajes 22, y salir por la primera salida 62 de múltiple . Este múltiple 60 de cara lateral se acopla a las caras 27 de orificio opuestas del cuerpo 20 cerámico. El acoplamiento es tal que el múltiple 60 de cara lateral define la segunda entrada 54 de múltiple en comunicación con el orificio 28 de entrada el cuerpo 20 cerámico y una segunda salida 64 de múltiple en comunicación con el orificio 29 de salida del cuerpo 20 cerámico. Preferiblemente, el múltiple 60 de cara lateral y el múltiple 58 de salida comprenden un montaje de múltiple unitario. Se proporciona un elemento 66 de calentamiento para colocar la celda 10 de combustible en una temperatura de operación adecuada. Como se ilustra en la Figura 2, el múltiple 56 de entrada se coloca de manera que su espacio interior se comunica directamente solo con los pasajes abiertos en la primera cara 23 de extremo. De manera similar, el múltiple 58 de salida se coloca de manera que su espacio interior comunica directamente solo con los pasajes abiertos en la segunda cara 21 de extremo. Finalmente, el múltiple 60 de cara lateral se coloca de manera que la segunda entrada 54 de múltiple se comunica directamente solo con el orificio 28 de entrada y de manera que la segunda salida 56 de múltiple se comunica directamente solo con el orificio 29 de salida. Los extremos 24A, 24B opuestos del segundo conjunto de pasajes 24 se sellan cerrados con las placas 16 de extremo formadas a partir de una composición caracterizada por una mezcla de vidrios disponible de Vi rifunctions, Inc. de Pittsburgh, PA, bajo los códigos de producto 2012 y 572. Las proporciones particulares de cada componente de vidrio se seleccionan para proporcionar una composición que tenga un coeficiente de expansión térmica que coincida con el coeficiente de expansión térmica, del cuerpo 20 cerámico. El múltiple 56 de entrada, el múltiple 58 de salida y el múltiple 60 de cara lateral también se sellan con la mezcla de vidrios descrita antes. El múltiple 56 de entrada, el múltiple 58 de salida y el múltiple 60 de cara lateral se construyen de una aleación metálica, por ejemplo una aleación de InconelMR o acero inoxidable SS-430. Con referencia ahora específicamente a las Figuras 3 y 4, se presenta una ilustración en sección transversal esquemática de una celda 10 de cerámica de combustible de acuerdo con la presente invención. El primer conjunto de pasajes 22 a los que se hace referencia antes en la Figura 1 se identifican en las Figuras 3 y 4 como pasajes 22 de suministro de oxidante. El segundo conjunto de pasajes 24 a los que se hace referencia antes con la Figura 1, se identifican en las Figuras 3 y 4 como pasajes 24 de suministro de combustible. Los primeros electrodos 30 comprenden electrodos de cátodo debido a que se colocan en los pasajes 22 de suministro de oxidante, y los segundos electrodos 40 comprenden electrodos de ánodo debido a que se colocan en los pasajes 24 de suministro de combustible.
En la modalidad de la Figura 3, el cuerpo 20 cerámico conductor de ion oxígeno está constituido de un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con niobia que comprende x moles % de Bi203, y moles % de Nb2Os, y z moles % de ZrO, . Preferiblemente, x tiene un valor de aproximadamente 80 a aproximadamente 90 e y tiene un valor de aproximadamente 10 a aproximadamente 20. Aunque el material cerámico de óxido de bismuto estabilizado con niobia también se puede utilizar con gas natural no modificado o suministro de combustible de metano, el material cerámico es particularmente adecuado para uso con suministros de combustible de hidrógeno debido a que es resistente a la reducción por hidrógeno, en la medida en que se mantenga un flujo mínimo de corriente eléctrica en el cuerpo 20 cerámico entre los electrodos 30 de cátodo y los electrodos 40 de ánodo. Para la celda de cerámica de combustible de óxido de bismuto estabilizada con niobia de la Figura 3 , los electrodos 30 de cátodo típicamente comprenden un electrodo cerámico- con una sobrecapa 32 de plata descrita con detalle en lo siguiente. Los electrodos 40 de ánodo típicamente comprenden electrodos de cermet de cobre, también descritos con detalle en lo siguiente. En la modalidad de la Figura 4, el cuerpo 20 cerámico conductor de ion oxígeno está constituido de un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con itria. Preferiblemente, el material cerámico estabilizado con itria comprende x moles % de Bi203, y moles % de Nb2Os y z moles % de Zr02; en donde x es un valor de aproximadamente 70 a aproximadamente 80, y es un valor de aproximadamente 20 a aproximadamente 30 y z es un valor de aproximadamente 1 a aproximadamente 5. Esta composición cerámica también es funcional a temperaturas en o por debajo de aproximadamente 650 °C. Por lo tanto, el tiznado del cuerpo 20 cerámico no es un problema si se utilizan en la presente invención combustibles tales como metano y gas natural. Además, el material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con itria muestra estabilidad significativa de fase bajo condiciones de operación habituales en gas natural o metano. Para la celda cerámica de combustible de óxido de bismuto estabilizada con itria de la Figura 3, los electrodos 30 de cátodo típicamente comprenden un electrodo cerámico con la sobrecapa 32 de plata, como se describe con detalle en los . siguiente. Los electrodos 40 de ánodo típicamente comprenden electrodos de cermet de cobre, también descritos con detalle en lo siguiente. Los electrodos 40 de ánodo también pueden comprender un electrodo cerámico con la sobrecapa 32 de plata, a menos que se vaya .a utilizar hidrógeno como suministro de combustible. En algunas modalidades de la presente invención, se interpone un recubrimiento 36 de zirconia entre el cuerpo 20 de cerámico estabilizado con itria y el electrodo 40 del ánodo, particularmente cuando se utiliza hidrógeno como el suministro de combustible. Se coloca una capa 32 de plata sobre los electrodos 30 de cátodo y también se puede colocar sobre los electrodos 40 de ánodo para reducir la resistibidad de estos electrodos. Sin embargo, se hace notar que el electrodo 40 de ánodo con sobre capa de plata no se prefiere cuando se utiliza hidrógeno como el suministro de combustible. En modalidades especificas de la presente invención, la capa 32 de plata comprende además un vidrio 34 mezclado en misma. El vidrio 34 se selecciona de manera que mejora la adhesión de la capa 32 de plata al electrodo subyacente . Una pasta de plata que incorpora una composición de vidrio adecuada para formar la capa de plata está disponible de Electroscience Laboratories, Inc. bajo el número de producto 9901. La composición de electrodo de cermet de cobre mencionada antes comprende una mezcla de polvos de CuO y un material cerámico- de óxido de bismuto estabilizado con niobia. Alternativamente, el cermet de cobre puede comprender una mezcla de CuO y polvo de zirconia. Estas composiciones de cermet de cobre son adecuadas para uso con el cuerpo 20 cerámico estabilizado por itria debido a que sinterizan a temperaturas menores en comparación con el material cerámico estabilizado con itria. Las relaciones de polvo respectivas para la formación del electrodo de cermet de cobre se seleccionan de manera que la composición resultante, ante reducción, comprende por lo menos 35% en volumen de Cu. De acuerdo con ciertas modalidades de la presente invención, el recubrimiento 36 de zirconia interpuesto entre el- cuerpo 20 cerámico estabilizado con itria y el electrodo 40 del ánodo se pueden remover, particularmente cuando la composición del electrodo del ánodo comprende un cermet de cobre . Otro ejemplo de una composición de electrodo cerámico adecuado de acuerdo con la presente invención está caracterizado por la composición cerámica conductora LXM, en donde L es lantano (La) , M es manganato (Mn03) y X es más preferiblemente plomo (Pb) o, alternativamente, un componente que se selecciona de estroncio (Sr) , Calcio (Ca) y Bario (Ba) . Este electrodo cerámico es particularmente adecuado para uso con el recubrimiento 32 de plata que se ilustra en las Figuras 3 y 4.
Habiendo descrito la invención con detalle y con referencia a las modalidades preferidas de la misma, será evidente que son posibles modificaciones y variaciones sin apartarse del alcance de la invención definido por las reivindicaciones anexas.
Claims (46)
1. Una celda cerámica de combustible, caracterizada porque comprende: un pasaje de suministro de oxidante,- un electrodo de cátodo colocado en el pasaje de suministro de oxidante,- un pasaje de suministro de combustible; un electrodo de ánodo colocado en el pasaje de suministro de combustible,- y un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con itria interpuesto entre el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo, en donde el material cerámico estabilizado con itria comprende ZrO, .
2. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el material cerámico estabilizado con itria comprende x moles % de Bi203, y moles % de ?203 y z moles % de rO, , en donde x es un valor desde aproximadamente 70 hasta aproximadamente 80, y es un valor desde aproximadamente 20 hasta aproximadamente 30, y z es un valor desde aproximadamente 1 hasta aproximadamente 5.
3. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende además un recubrimiento de zirconia interpuesto' entre el material cerámico estabilizado con itria y el electrodo del ánodo.
4. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación l, caracterizada porque el material de electrodo cerámico define por lo menos un electrodo de cátodo y el electrodo de ánodo, y en donde el material de electrodo cerámico está caracterizado por la composición cerámica LXM, en donde L es lantano (La) , M es manganato (Mn03) y X es plomo (Pb) .
5. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque comprende una capa de plata colocada sobre el material de electrodo cerámico.
6. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque la capa de plata comprende además un vidrio mezclado en la misma, en donde el vidrio se selecciona de manera que mejora la adhesión de la capa de plata al material de electrodo cerámico.
7. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación l, caracterizada porque el electrodo del ánodo comprende un cermet de cobre.
8. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada porque el cermet de cobre comprende una mezcla de polvos de CuO y material cerámico de óxido de bismuto.
9. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el material cerámico conductor de ion oxígeno comprende : un cuerpo cerámico conductor de ion oxígeno que define un pasaje de suministro de oxidantes y un pasaje de suministro de combustible en forma de un primero y segundo conjuntos de pasajes sustancialmente paralelos, en donde cada uno de los pasajes define extremos de pasaje opuestos, los extremos opuestos del primer conjunto de pasajes están abiertos, los extremos opuestos del segundo conjunto de pasajes están cerrados, el segundo conjunto de pasajes incluye canales entre los pasajes formados en el cuerpo cerámico entre el segundo conjunto de pasajes adyacentes, y los canales entre pasajes se colocan próximos seleccionados de los extremos de pasaje opuestos,- y un orificio de entrada y un orificio de salida acoplados al segundo conjunto de pasajes, en donde el segundo conjunto de pasajes, el orificio de entrada, el orificio de salida, los canales entre los pasajes se colocan para definir una trayectoria de flujo que se extiende desde el orificio de entrada a través del segundo conjunto de pasajes y los canales entre los pasajes, al orificio de salida.
10. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque los canales entre los pasajes se colocan de manera que la trayectoria de flujo invierte la dirección posterior al pasaje a través de los canales entre los pasajes.
11. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque los canales entre pasajes se definen en la cara de extremo del cuerpo cerámico.
12. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque los canales entre los pasajes en el segundo conjunto de pasajes adyacentes se define en caras de extremo opuestas del cuerpo cerámico .
13. Una celda cerámica de combustible, caracterizada porque comprende: un pasaje de suministro de oxidante; un electrodo de cátodo colocado en el pasaje de suministro de oxidante; un pasaje de suministro de combustible; un electrodo de ánodo colocado en el pasaje de suministro de combustible; y un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con niobia interpuesto entre el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo.
14. Una celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 13, caracterizada porque el material cerámico estabilizado con niobia comprende x moles % de Bi203 e y moles % b205, en donde x es un valor de aproximadamente 80 a aproximadamente 90, y en donde y es. un valor desde aproximadamente 10 hasta aproximadamente 20.
15. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 13, caracterizada porque el material de electrodo cerámico define por lo menos un electrodo de cátodo y el electrodo de ánodo, y en donde el material de electrodo cerámico está caracterizado por la composición cerámica LXM, en donde L es lantano (La) , M es manganato ( n03) y X es plomo (Pb) .
16. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 15, caracterizada porque comprende además una capa de plata colocada sobre el material de electrodo cerámico .
17. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la -reivindicación 16, caracterizada porque la capa de plata comprende además vidrio mezclado en la misma, en donde el vidrio se selecciona de manera que mejora la adhesión de la capa de plata al material de electrodo cerámico.
18. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 13, caracterizada porque el ánodo comprende un electrodo de cermet de cobre.
19. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 18, caracterizada porque el cermet de cobre comprende una mezcla de polvos de CuO y material cerámico de óxido de bismuto.
20. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 19, caracterizada porque el material cerámico de óxido de bismuto comprende un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con niobia.
21. Una celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 13, caracterizada porque: el material cerámico conductor de ion oxígeno se coloca para definir una pluralidad de pasajes de suministro de oxidante y una pluralidad de pasajes de suministro de combustible, los pasajes de suministro de oxidante se orientan sustancialmente paralelos a los pasajes de suministro de combustible, y los pasajes de suministro de oxidante seleccionados se definen de manera que estén adyacentes a los pasajes de suministro de combustible correspondiente.
22. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la 13 , caracterizada porque : la celda cerámica de combustible comprende una pluralidad de pasajes de suministro de oxidante y una pluralidad de pasaje de suministro de combustible,- el material cerámico conductor de ion oxígeno se coloca para definir una pluralidad de canales longitudinales sustancialmente paralelos; y los' canales longitudinales seleccionados definen los pasajes de suministro de oxidante y los canales longitudinales restantes definen los pasajes de suministro de combustible.
23. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 13, caracterizada porque el material cerámico conductor de ion oxígeno comprende: un material de cuerpo cerámico conductor de ion oxígeno que define el pasaje de suministro de oxidante y el pasaje de suministro de combustible en forma de un primero y segundo conjuntos de pasajes sustancialmente paralelos, en los que cada uno de los pasajes define un extremo de pasaje opuestos, los extremos opuestos del primer conjunto de pasajes están abiertos, los segundos extremos del segundo conjunto de pasajes están cerrados, el segundo conjunto de pasajes incluye canales entre los pasajes formados en el cuerpo cerámico entre el segundo conjunto de pasajes adyacentes, y los canales entre los pasajes se colocan próximos seleccionados de los extremos de pasajes opuestos; y un orificio de entrada y un orificio de salida se acoplan al segundo conjunto de pasajes, en donde el segundo conjunto de pasajes, el orificio de entrada, el orificio de salida, los canales entre los pasajes se colocan para definir una trayectoria de flujo que se extiende desde el orificio de entrada, a "través del segundo conjunto de pasajes, y los canales entre los pasajes, al orificio de salida.
24. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 23, caracterizada porque los canales entre los pasajes se colocan de manera que la trayectoria de flujo invierta la dirección de los pasajes siguientes a través de los canales entre los pasajes.
25. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 24, caracterizada porque los canales entre los pasajes se definen en una cara de extremo del cuerpo cerámico.
26. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 25, caracterizada porque los canales entre los pasajes en el segundo conjunto de pasajes adyacentes están definidos en caras de extremo opuestas del cuerpo cerámico.
27. Una celda cerámica de combustible, caracterizada porque comprende: un pasaje de suministro de oxidante; un electrodo de cátodo colocado en el pasaje de suministro de oxidante; un pasaje de suministro de combustible; un electrodo de ánodo de cermet de cobre colocado en el pasaje de suministro de combustible; y un material cerámico conductor de ion oxígeno, de óxido dé bismuto, interpuesto entre el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo .
28. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 27, caracterizada porque electrodo de ánodo de cermet de cobre comprende una mezcla de polvos de CuO y un material cerámico de óxido de bismuto.
29. La celda cérámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 28, caracterizada porque el material cerámico de óxido de ¦ bismuto comprende un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado con niobia.
30. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 28, caracterizada porque el material cerámico de óxido de bismuto comprende un material cerámico conductor de ion oxígeno de óxido de bismuto estabilizado de itria.
31. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 27, caracterizada porque el electrodo de cátodo comprende un material de electrodo cerámico caracterizado porque la composición cerámica' LXM, en donde L es lantano (La) , M es manganato (Mn03) y X es plomo (Pb) .
32. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 31, caracterizada porque el electrodo de cátodo comprende además una capa de plata colocada entre la composición cerámica y el pasaje de suministro oxidante. ¦
33. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 32, caracterizada porque la capa de plata comprende además un vidrio mezclado con la misma, en donde el vidrio se selecciona de manera que mejora la adhesión de la capa de plata a la composición cerámica.
34. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 27, caracterizada porque el material cerámico conductor de ion oxígeno comprende : un cuerpo cerámico conductor de ion oxígeno que define el pasaje de suministro de oxidante y el pasaje de suministro de combustible en forma de un primero y segundo conjuntos de pasajes sustancialmente paralelos, en los que cada uno de los pasajes define extremos de pasa e opuestos , los extremos opuestos del primer conjunto de pasajes están abiertos, los extremos opuestos del segundo conjunto de pasajes están cerrados, el segundo conjunto de pasajes incluyen canales entre los pasajes formados en el cuerpo cerámico entre el segundo conjunto de pasajes adyacentes, y los canales entre los pasajes se colocan próximos a los extremos de pasajes opuestos seleccionados; y un orificio de entrada y un orificio de salida acoplado al segundo conjunto de pasajes, en donde el segundo conjunto de pasajes, el orificio.de entrada, el orificio de salida y los canales entre los pasajes se colocan para definir una trayectoria de flujo que se extiende desde el orificio de entrada, a través del segundo conjunto de pasajes y los canales entre los pasajes, al orificio de salida.
35. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 34, caracterizada porque los canales entré los pasajes se colocan de manera que la trayectoria de flujo invierte la dirección posterior al pasaje a través de los canales entre los pasajes.
36. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 34, caracterizada porque los canales entre los pasajes se definen en la cara de extremo del cuerpo cerámico.
37. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 34, caracterizada porque los canales entre los pasajes en el segundo conjunto de pasajes adyacentes se definen en' caras de extremo opuestas del cuerpo cerámico.
38. Una celda cerámica de combustible, caracterizada porque comprende- un cuerpo cerámico conductor de ion oxígeno que define un- primero y segundo conjuntos de pasajes secuencialmente paralelos, en donde cada uno de los pasajes definen extremos opuestos de pasajes, los extremos opuestos del primer conjunto de pasajes están abiertos, los extremos opuestos del segundo conjunto de pasajes están cerrados, el segundo conjunto de pasajes que incluye canales entre los pasajes formados en el cuerpo cerámico entre el segundo conjunto de pasajes adyacentes, y los canales entre los pasajes se colocan próximos a los extremos de pasaje opuestos seleccionados,- primeros electrodos respectivos colocados en el primer conjunto de pasajes; segundos electrodos respectivos colocados en el segundo conjunto de pasajes; y un orificio de entrada y un orificio de salida acoplado al segundo conjunto de pasajes, en donde en el segundo conjunto de pasajes, el orificio de entrada, el orificio de salida y los canales entre los pasajes se colocan para definir una trayectoria de flujo que se extiende desde el orificio de entrada, a través del segundo conjunto de pasajes y los canales entre los pasajes, al orificio de salida.
39. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada porque: el puerto de entrada se acopla, a un suministro de combustible y el primer conjunto de pasajes se acoplan a un suministro de oxidante de manera que los primeros electrodos respectivos comprenden electrodos de cátodo y los segundos electrodos respectivos comprenden electrodos de ánodo.
40.. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada porque: el orificio de entrada se acopla a un suministro de oxidante y el primer conjunto de pasajes se acopla- a un suministro de combustible de manera que los primeros electrodos respectivos comprenden electrodos de ánodo y los segundos electrodos respectivos comprenden electrodos de cátodo .
41. La celda . cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada porque los canales entre los pasajes se colocan de manera que la trayectoria de flujo invierte la dirección después de los pasajes a través de los canales entre los pasajes.
42. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada porque los canales entre los pasajes se definen en una cara de extremo del cuerpo cerámico . 5
43. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada porque los canales entre los pasajes en el segundo conjunto adyacente de pasajes se definen en caras de extremo 10- opuestas del cuerpo cerámico.
44. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada porque comprende además una presa de inserción que induce 15 turbulencia colocada en el primero y segundó conjuntos de pasajes sustancialmente paralelos.
45. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada porque 20 comprende además un montaje múltiple que define: un múltiple de entrada acoplado a la primera cara de extremo del cuerpo cerámico, en donde el múltiple de entrada define una primera entrada de múltiple en comunicación con. el primer conjunto de pasajes; un múltiple de salida acoplado a una cara de extremo opuesta de cuerpo cerámico en donde el múltiple de salida define una primera salida de múltiple en comunicación con el primer conjunto de pasajes; y la cara del múltiple se acopla a las caras laterales opuestas del cuerpo cerámico, en donde el múltiple de la cara lateral define una segunda entrada de múltiple en comunicación con el puerto de entrada, y la segunda salida del múltiple está en comunicación con el puerto de salida.
46. La celda cerámica de combustible, de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada porque el múltiple de cara lateral y el múltiple de salida comprenden un montaje múltiple unitario. RESUMEN Se proporciona una celda de combustible cerámica en forma de panal que incluye, entre otras cosas: (i) un material cerámico conductor ion oxigeno de óxido de bismuto estabilizado con itriá que incluye zirconia incorporado al mismo, (ii) un material cerámico conductor de ion oxigeno de óxido de bismuto estabilizado con niobia, (iii) un electrodo de ánodo de cermet de cobre colocado en el pasaje de suministro de combustible de una celda de combustible de material cerámico de óxido de bismuto, o (iv) canales entre pasajes colocados especialmente formados en el cuerpo cerámico de la celda del combustible. De acuerdo con una modalidad de la presente invención, se proporciona una celda de cerámica de combustible que comprende un pasaje de suministro de oxidante, un electrodo de cátodo colocado en el pasaje de suministro de oxidante, un pasaje de suministro de combustible, un electrodo de ánodo colocado en el pasaje de suministro de combustible, y un material cerámico conductor de ion oxigeno de óxido de bismuto estabilizado interpuesto entre el electrodo del cátodo y el electrodo del ánodo. El material cerámico se puede establecer con ¦ itria o nioba y puede incluit zirconia. Las celdas de combustible que incorporan las composiciones cerámicas presente invención son operacionales a temperaturas de o debajo de 650°C. De esta forma, el hollín del cuerpo de material cerámico no es un problema si se utilizan combustibles orgánicos sin reformar en la presente invención. De acuerdo con ciertas modalidades de la presente invención, un recubrimiento de zirconia está interpuesto entre el cuerpon de material cerámico estabilizado y el electrodo de ánodo. Además los electrodos cerámicos (e.g. hechos de LXM, en donde L es lantano La, M es manganato Mn03 y X ,es plomo Pb, estroncio Sr, Calcio Ca o Bario Ba) de la presente invención puede proporcionar con un recubrimiento de plata. El ánodo también puede comprender un cermet de cobre.
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