MXPA05004497A - Placa bipolar con anodo de doble paso. - Google Patents

Abstract

Una placa bipolar para celda de combustible (1) incluye primera y segundas placas con abertura que definen canales de flujo de anodo y catodo; las placas estan anidadas para definir una pluralidad de canales de flujo centrales (13); se forman primera y segunda areas de borde en los extremos de las placas; se forman una pluralidad de primeros multiples internos de combustible (3) en la primera area de borde y esta en comunicacion fluida con los canales de flujo centrales (13); se forma una pluralidad de segundos multiples internos de combustible (4) en la primera area de borde y esta en comunicacion fluida con los canales de flujo centrales y los canales de flujo de anodo (16); se forma un pleno de giro (21) en la segunda area de borde (6) y esta en comunicacion fluida con los canales de flujo centrales (13) y los canales de flujo de anodo (16).

Description

PLACA BIPOLAR CON ANODO DE DOBLE PASO REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta invención clama prioridad al número de serie de solicitud de patente provisional de los Estados Unidos 60/427,095.

CAMPO DE LA INVENCION Esta invención se relaciona con celdas de combustible, placas bipolares para celdas de combustible, reformado interno indirecto de combustible para celdas de combustible y con métodos para proporcionar dos pasos de reactivo de ánodo a través de una placa bipolar para celdas de combustible.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Una pila de celda de combustible consiste de múltiples celdas planas apiladas una sobre la otra, para proporcionar una relación de serie eléctrica. Cada celda está comprendida por un electrodo de ánodo, un electrodo de cátodo y un elemento electrolítico. Un dispositivo conocido en la técnica como placa separadora bipolar, placa bipolar, un interconector, un separador o una placa de campo de flujo, separa las celdas adyacentes de una pila de celdas en una pila de celda de combustible. La placa separadora bipolar puede servir para varios propósitos adicionales, como apoyo mecánico para soportar las fuerzas de compresión que se aplican para mantener junta la pila de celdas de combustible, proporcionar comunicación fluida de reactivos y refrigerantes a cámaras de flujo correspondientes, y para proporcionar una trayectoria para el flujo de corriente generado por la celda de combustible. La placa también puede proporcionar un medio para eliminar el exceso de calor generado por las reacciones exotérmicas de la celda de combustible que ocurren dentro de las celdas de combustible. Algunas placas separadoras bipolares incluyen una cámara de refrigerante integral o un pasaje de flujo refrigerante, que puede estar diseñado para refrigerante gaseoso, refrigerante líquido o para el reformado del combustible endotérmico. Se puede ubicar un pasaje de flujo de refrigerante centralmente entre dos hojas metálicas externas, cada una de las cuales se forma mediante dado con una pluralidad de ranuras o nervaduras. La cámara de enfriamiento se forma cuando la elevación máxima de una hoja reposa sobre la depresión máxima de la hoja subsecuente. Ambas hojas son elementos estructurales de la placa bipolar y por ello deben tener la robustez y resistencia para soportar la fuerza comprimible de sellado aplicada a la pila de celda de combustible ensamblada. La patente de los Estados Unidos No. 5,795,665 para Alien muestra un "compartimiento de reformado" dentro de una placa separadora bipolar de CFC que se forma cuando la elevación máxima de un separador bipolar de pieza individual con un hoyuelo reposa sobre la depresión máxima de un subensamble con hoyuelo de componentes activos y un colector de corriente con una barrera de hoja plana dispuesta entre los dos componentes. La cámara resultante está equipada con un catalizador de reformado para el reformado de corriente endotérmica de combustible. Se pueden encontrar varias alternativas para la configuración de flujo en el separador bipolar en los diferentes diseños de flujo de reactivo y de múltiples para reactivo. Las alternativas existentes para la configuración de flujo son coflujo, contraflujo y flujo cruzado, así como variaciones que utilizan flujos de serpentín. Los diseños existentes para múltiples de reactivo y refrigerantes son internos, externos o una combinación de interno y externo. Distribuir mediante múltiples el combustible, el oxidante y el refrigerante para proporcionar un flujo uniforme a las superficies de la placa separadora bipolar contribuyen a la complejidad global del diseño. Es un objeto de la presente invención proporcionar una placa bipolar que reduzca o supere algunas o todas las dificultades inherentes en dispositivos conocidos previamente. Serán evidentes objetos y ventajas particulares de la invención para los expertos en la técnica; es decir, aquellos que tengan el conocimiento o experiencia en este campo de la tecnología, en virtud de la siguiente descripción de la invención y descripción detallada de ciertas modalidades preferidas.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Modalidades preferidas de la presente invención pueden proporcionar una trayectoria de flujo primario para un reformador indirecto interno de combustible y una trayectoria secundaria de flujo para un campo de flujo de ánodo dentro de una placa bipolar equipada con una cámara de flujo central. La cámara de flujo central está acoplada a modo de fluido con un campo de flujo de ánodo en una manera que proporcione al reactivo de ánodo combustible para pasar a través de la placa bipolar de celda de combustible dos veces. La trayectoria completa de flujo a través de la placa bipolar comprende un primer múltiple interno con una primera área de borde de la placa bipolar que está acoplada a modo de fluido a la cámara central de la placa bipolar. La cámara central de la placa bipolar comprende una pluralidad de canales de flujo que están acoplados a modo de fluido en un pleno de giro ubicado en una segunda área de borde opuesta de la placa bipolar. El pleno de giro está acoplado a modo de fluido a través de una pluralidad de aberturas a un campo de flujo de ánodo de la placa bipolar. El campo de flujo de ánodo está comprendido por una pluralidad de canales de flujo anidados con los canales de flujo de la cámara central y está acoplado a modo de fluido con un segundo múltiple interno en la primer área de borde de la placa bipolar. De conformidad con un primer aspecto, una placa bipolar de celda de combustible incluye una primera placa que tiene un primera superficie, una segunda superficie opuesta y una pluralidad de nervaduras que definen canales de flujo de ánodo sobre la primera superficie de la primera placa. Una segunda placa tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta y una pluralidad de nervaduras que definen canales de flujo de cátodo sobre la segunda superficie de la primera placa. La segunda placa está anidada con la primera placa para definir una pluralidad de canales de flujo centrales que se extiende entre la primera y segunda placas. Se forma una primera área de borde en un extremo de la primera y segunda placas y se forma una segunda área de borde en un extremo opuesto de la primera y segunda placas. Se forma una pluralidad de primeros múltiples internos de combustible en la primera área de borde y está en comunicación fluida con los canales de flujo centrales. Se forma una pluralidad de segundos múltiples internos de combustible en la primera área de borde y está en comunicación fluida con los canales de flujo de ánodo. Se forma un pleno de giro en la segunda área de borde, y el pleno de giro está en comunicación fluida con los canales de flujo centrales y los canales de flujo de ánodo. De conformidad con un segundo aspecto, una placa bipolar de celda de combustible incluye una placa formada por una primera placa y una segunda placa y que comprende una pluralidad de segmentos. La primera placa tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta y una pluralidad de nervaduras que definen canales de flujo de ánodo sobre la primera superficie de la primera placa. La segunda placa tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta y una pluralidad de nervaduras que definen canales de flujo de cátodo sobre la segunda superficie de la primera placa. La segunda placa está anidada con la primera placa para definir una pluralidad de canales de flujo centrales que se extienden entre la primera y segundas placas. Se forma una primera área de borde de extremo de la primera y segundas placas y se forma una segunda área de borde en un extremo opuesto de la primera y segunda placas. Se forma un primer múltiple interno de combustible en la primera área de borde de cada segmento y está en comunicación fluida con los canales de flujo centrales. Se forma un segundo múltiple interno de combustible en la primera área de borde de cada segmento y está en comunicación fluida con los canales de flujo de ánodo. Se forma un pleno de giro en la segunda área de borde, y el pleno de giro está en comunicación fluida con los canales de flujo centrales y los canales de flujo de ánodo. Se comprenderán mejor estas características y ventajas adicionales de la invención que se describen en la presente a partir de la siguiente descripción detallada de ciertas modalidades preferidas.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Serán evidentes los aspectos de la invención al leer la siguiente descripción detallada en conjunción con los dibujos adjuntos, en los cuales: La figura 1 es una vista en plano de una placa bipolar de la presente invención.

La Figura 2 es una vista en sección transversal de la placa bipolar de la figura 1 tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1 . La figura 3 es una vista en sección transversal de la placa bipolar de la figura 1 tomada a lo largo de la línea 3-3 de la figura 1. La figura 4 es una vista en perspectiva, mostrada parcialmente recortada, de la placa bipolar de la figura 1 que ilustra un pleno de giro y una abertura. La figura 5 es una representación esquemática de trayectorias de flujo de reactivo a través de la placa bipolar de la figura . Las figuras a las que se hace referencia arriba no están dibujadas necesariamente a escala y se debe entender que presentan una representación de la invención, que ilustra los principios involucrados. Algunas características de la placa bipolar con un ánodo de doble paso ilustradas en los dibujos han sido aumentadas o distorsionadas en relación con otras para facilitar la explicación y compresión. Se utilizan los mismos números de referencia en los dibujos para componentes similares o idénticos y características que se muestran en varias modalidades alternativas. Las placas bipolares con un ánodo de doble paso como las que se describen en la presente tendrían configuraciones y componentes determinados, en parte, por la solicitud a la que se hace referencia aquí y el entorno en el cual se utilizan.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION En la figura 1 , se muestra una placa bipolar 1 con una cámara central formada de canales de flujo en vista de plano, que comprende una serie de segmentos repetidos 2 que son un artefacto de los dados de troquelado empleados progresivamente que forman la placa bipolar 1. La placa bipolar 1 comprende adicionalmente primeros múltiples internos de combustible 3 y segundos múltiples internos de combustible 4 dentro de la primera área de borde opuesta 5 de la placa bipolar 1. La placa bipolar además comprende una segunda área de borde opuesta 6. Un área activa con nervaduras 7 de la placa bipolar se observa colocada entre la primera y segunda áreas de borde opuestas 5, 6. Se coloca un pleno de giro 21 , que se observa en la figura 3 y que se describe en mayor detalle a continuación, dentro de la segunda área de borde opuesta 6. Múltiples internos 3, 4 de la primera área de borde 5 están adyacentes uno con otro y, en una modalidad preferida, están dispuestos para que los centros de los múltiples internos 3, 4 de un segmento en particular 2 de la placa bipolar 1 estén en una línea que se extienda de forma sustancialmente paralela a la trayectoria de flujo general de la placa bipolar 1 a través del área activa 7. Se encuentra una descripción de la placa bipolar y un método para formar dicha placa en la serie de solicitud de patente de E.U.A. No. 09/714,526, titulada "Fuel Cell Bipolar Separator Píate and Current Collector Assembly and Method of Manufacture", presentada el 16 de Noviembre del 2000, y cuya descripción completa se incorpora en la presente mediante referencia. La figura 2 es una vista en sección transversal de la placa bipolar 1 tomada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1. La placa bipolar 1 está comprendida por una primera hoja 10 y una segunda hoja 11 , formada cada una preferiblemente de metal. La primera hoja 10 y la segunda hoja 1 que comprenden la placa bipolar 1 se producen con patrones de estructura de flujo producidas por la misma herramienta formadora de esfuerzo progresivo. La estructura de la primera hoja 10 está troquelada de manera tal que tiene nervaduras con una mayor profundidad 12 que las nervaduras que se forman en la segunda hoja 1 1. Como resultado, las dos hojas de material se anidarán cuando se unan, creando canales de flujo centrales 13 dentro del área activa con nervaduras 7, entre la primera y segunda hoja 10, 1 1. Una primera superficie 14 de la segunda 11 que da la encara la primera hoja 10 está alineada con un catalizador 15 dentro de canales de flujo centrales 13 de la placa bipolar 1 . El catalizador 15 está comprendido por cualesquiera catalizadores conocidos en la técnica para promocionar el reformado por vapor del metano. Se forman canales de flujo de ánodos 16 sobre la primera superficie que voltea hacia fuera 17 de la segunda hoja 11 y se extienden a lo largo del área activa con nervaduras 7. Una superficie que voltea hacia adentro de la segunda hoja 11 forma una parte de canales de flujo centrales 13. Se forman los canales de flujo de cátodos 18 en una segunda superficie que voltea hacia fuera 19 de la primera hoja 10 y se extiende a lo largo del área activa con nervaduras 7. En la figura 3, se muestra en sección una placa bipolar 1 con canales de flujo centrales 13, en un vista tomada a largo de la línea 3-3 de la figura 1. Como se observó anteriormente, se forma un pleno de giro 21 dentro de la segunda área de borde 6, y está en comunicación fluida con los canales de flujo centrales 13. Se forman aberturas 22 en la segunda área de borde 6, proporcionando una comunicación fluida entre el pleno de giro 21 y los canales de flujo de ánodo 16. Así, existe una trayectoria de flujo de fluido a partir de los primeros múltiples internos de combustible 3 ubicados dentro de la primera área de borde 5 a través de los canales de flujo centrales 13, a través del pleno de giro 21 y las aberturas 22 dentro de la segunda área de borde 6, a través de los canales de flujo de ánodo 16, y de salida hacia los segundos múltiples internos 14 dentro de la primera área de borde 5. Como se observó anteriormente, se deposita el catalizador 15 sobre la superficie 14 de la primera hoja 10 dentro de los canales de flujo 13. En la figura 4 se muestra una vista recortada isométrica de la placa bipolar. Cada una de una pluralidad de aberturas 22a, 22b, y 22c parece estar en los extremos terminales de un canal de flujo de ánodo correspondiente 16a, 16b, 16c de la segunda hoja 11 y dentro la segunda área de borde 6. Se encuentra un separador 28 en la segunda área de borde 6 y sirve para cerciorarse que la porción de placa bipolar 1 que se dobla hacia atrás sobre sí misma forme una segunda área de borde 6 y que tenga la alineación apropiada con la superficie superior del resto de la placa bipolar 1. Se coloca en una pluralidad de alambres planos 24 sobre la primera hoja 1 1. Se coloca un electrodo 26 sobre alambres planos 24 de manera tal que los gases reactivos que fluyen a través de los canales de ánodo 16a, 16b, y 16c puedan reaccionar con el electrodo 26. Se proporcionan descripción adicional del uso de tales alambres planos en la patente de los estados unidos de propiedad común No. 6,383,677, titulada "Fuel Cell Current Collector", presentada el 7 de mayo del 2002, y cuya descripción completa se incorpora en la presente mediante referencia para todos los propósitos. En el primer paso del reactivo de los canales de flujo centrales 13 de la placa bipolar 1 , la composición del reactivo de ánodo es una mezcla de metano, vapor y gas de escape de ánodo recirculado. El catalizador 15 sobre la superficie 14 de los canales de flujo centrales 13 promueve el reformado de vapor del metano. La composición del reactivo de ánodo proporciona la capacidad para lograr una conversión de equilibrio del metano de 99.9% por ciento en presencia del catalizador de reformado de vapor. El reactivo de ánodo reformado fluye fuera los canales de flujo centrales 13 hacia el pleno de giro 21. En el segundo paso, después de pasar a través del pleno de giro 21 y la abertura 22, el reactivo de ánodo reformado invertirá su dirección de flujo a través de la placa bipolar 1 y pasará a través de canales de flujo de ánodo 16. El reactivo de ánodo entrará en el campo de flujo de ánodo y reaccionará electroquímicamente sobre el electrodo de ánodo 26 de la celda de combustible. Así, se acoplan a modo de fluido los canales de flujo centrales 13 con los canales de flujo de ánodo 16 en una manera que proporcione el reactivo de ánodo combustible para pasar a través de la placa bipolar de celda de combustible dos veces. En la figura 5, se muestran de forma esquemática una modalidad preferida de una trayectoria de flujo de reactivo de ánodo 40 y una trayectoria de flujo de reactivo de cátodo 41 en relación uno con otro. En esta modalidad, la trayectoria de flujo de cátodo 41 fluye en dirección contraria del flujo de la trayectoria de flujo de ánodo 40 conforme el reactivo de ánodo pasa a través de los canales de flujo de ánodo 16. La trayectoria de flujo de cátodo 41 coincide con la trayectoria de flujo de reactivo de ánodo 40 conforme el reactivo de ánodo pasa a través de los canales de flujo centrales 13. Debe observarse que se consideran otras configuraciones para la trayectoria de flujo, como contraflujo y flujo cruzado dentro del alcance de la presente invención. A la luz de la descripción anterior de la invención y descripción de las modalidades preferidas, los expertos en esta área de la tecnología entenderán fácilmente que se pueden hacer varias modificaciones y adaptaciones sin desviarse del alcance y esencia de la invención. Todas esas modificaciones y adaptaciones pretenden ser abarcadas por las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Una placa bipolar de celda de combustible, que comprende en combinación: una primera placa que tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta y una pluralidad de nervaduras que definen canales de flujo de ánodo sobre la primera superficie de la primera placa; una segunda placa que tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta y una pluralidad de nervaduras que definen canales de flujo de cátodo sobre la segunda superficie de la primera placa, y la segunda placa está anidada con la primera placa para definir una pluralidad de canales de flujo centrales que se extienden entre la primera y segunda placas; una primera área de borde en un extremo de la primera y segunda placas y una segunda área de borde en un extremo opuesto de la primera y segunda placas; una pluralidad de primeros múltiples internos de combustible formados en la primera área de borde y en comunicación fluida con los canales de flujo centrales; una pluralidad de segundos múltiples internos de combustible formados en la primer área de borde y en comunicación fluida con los canales de flujo de ánodo; y un pleno de giro formado en la segunda área de borde, y el pleno de giro están en comunicación fluida con los canales de flujo centrales y los canales de flujo de ánodo.

2.- La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque también comprende un catalizador sobre la primera superficie de la segunda placa dentro de los canales de flujo centrales.

3.- La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque también comprende una abertura formada en la segunda área de sellado y que conecta de forma fluida el pleno de giro con los canales de flujo de ánodo.

4. - La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque una porción de la segunda área de extremo se dobla sobre sí misma, y se coloca un separador dentro de la porción doblada.

5. - La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque la placa bipolar comprende una pluralidad de segmentos, y cada segmento tiene un primer múltiple interno de combustible y un segundo múltiple interno de combustible.

6. - La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada además porque los centros del primer y segundo múltiples internos de combustible de cada segmento están en una línea que se extiende sustancialmente de forma paralela a una trayectoria de flujo de la placa bipolar.

7. - La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque también comprende una pluralidad de alambres planos colocados sobre la primera superficie de la primera hoja.

8. - La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 7, caracterizada además porque también comprende un electrodo colocado sobre los alambres planos.

9. - Una placa bipolar de celda de combustible que comprende, en combinación: una placa formada de una primera placa y una segunda placa y que comprende una pluralidad de segmentos, la primera placa tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta, y una pluralidad de nervaduras que definen canales de flujo de ánodo sobre la primera superficie de la primera placa, y la segunda placa tiene una primera superficie, una segunda superficie opuesta y una pluralidad de nervaduras que definen canales de flujo de cátodo en la segunda superficie de la primera placa, y la segunda placa está anidada con la primera placa para definir una pluralidad de canales de flujo centrales que se extienden entre la primera y segunda placas; una primera área de borde en un extremo de la pnmera y segunda placas y una segunda área de borde en un extremo opuesto de la primera y segunda placas; un primer múltiple interno de combustible formado en la primera área de borde de cada segmento y en comunicación fluida con los canales de flujo centrales; un segundo múltiple interno de combustible formado en la primera área de borde de cada segmento y en comunicación fluida con los canales de flujo de ánodo; y un pleno de giro formado en la segunda área de borde, y el pleno de giro está en comunicación fluida con los canales de flujo centrales y los canales de flujo de ánodo.

10.- La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada además porque también comprende un catalizador en la primera superficie de la segunda placa dentro de los canales de flujo centrales.

11.- La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada además porque también comprende una abertura formada en la segunda área de sellado y que conecta de forma fluida el pleno de giro con los canales de flujo de ánodo.

12. - La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada además porque una porción de la segunda área de extremo está doblada sobre sí misma, y se coloca un separador dentro de la porción doblada.

13. - La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada además porque los centros del primer y segundo múltiples internos de combustible de cada segmento están en una linea que se extiende sustancialmente paralela a una trayectoria de flujo de la placa bipolar.

14. - La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada además porque también comprende una pluralidad de alambres planos colocados sobre la primera superficie de la primera hoja.

15.- La placa bipolar de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada además porque también comprende un electrodo colocado sobre los alambres planos.