MXPA06011418A - Dispositivos de celda de combustible con tamanos de area activa variados. - Google Patents

Dispositivos de celda de combustible con tamanos de area activa variados.

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Jacqueline L Brown
Thomas D Ketcham
Shantanu Roy
Julien Dell J St
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Abstract

De acuerdo con un aspecto de la invencion, un dispositivo de celda de combustible comprende: una pluralidad de celdas de combustible, cada una de la pluralidad de celdas de combustible tiene un area activa, en donde por lo menos dos de la pluralidad de celdas de combustible tienen areas activas de diferente tamano, de manera que la relacion de las areas activas de estas dos celdas de combustible es por lo menos 1.1:1.

Description

DISPOSITIVOS DE CELDA DE COMBUSTIBLE CON TAMAÑOS DE ÁREA ACTIVA VARIADOS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona en general con dispositivos de celda de combustible con múltiples celdas de combustible y en particular con optimizar el tamaño de las celdas de combustible con base en su posición.
TÉCNICA ANTECEDENTE El uso de celdas de combustible de óxido sólido ha sido el tema de una considerable investigación en años recientes. Los componentes típicos de una celda de combustible de óxido sólido (SOFC) comprenden un electrolito conductor de iones de oxígeno con carga negativa albergado entre dos electrodos. Se genera corriente eléctrica en tales celdas mediante oxidación, en el ánodo, de un material combustible, el cual reacciona con iones de oxígeno conducidos a través del electrolito. Se forman iones de oxígeno mediante reducción de oxígeno molecular en el cátodo.
Se sabe que a suficientes temperaturas (por ejemplo alrededor de 600°C y superiores), los electrones de circona estabilizados con itrio YSZ (Y2O3-ZrO2) muestran una buena conductancia iónica y muy baja conductancia electrónica. La patente de E.U.A. 5,273,837 describe el uso de tales composiciones para formar celdas de combustible de óxido sólido resistentes al choque térmico. También se conocen los dispositivos de celdas de combustible de varias formas. Por ejemplo, pueden ser redondos, cuadrados, rectangulares o tubulares. El aire puede fluir en dirección del flujo de combustible (co-flujo), en dirección opuesta (contra flujo), en dirección perpendicular (flujo cruzado) o radialmente (flujo radial). Un enfoque de diseño común es utilizar una celda de combustible plana en donde cada lámina de electrolito corresponde a una celda individual. Sin embargo, las áreas de la celda individual que están más calientes o corresponden a concentraciones de reacción mayores producen más energía o densidad de corriente. La patente de E.U.A. 6,623,881 describe celdas de combustible de electrolito de óxido sólido que pueden incluir una estructura de electrodo-electrolito mejorada. Esta estructura comprende una lámina de electrolito sólida que incorpora una pluralidad de electrodos positivos y negativos de tamaño sustancialmente iguales, unidos a extremos opuestos de una lámina de electrolito inorgánica flexible delgada. Un ejemplo ¡lustra que los electrodos no forman capas continuas en láminas de electrolito, sino más bien definen regiones o bandas múltiples discretas, formando celdas individuales. Estas regiones están conectadas electrónicamente mediante conductores eléctricos en contacto con éstos que se extienden a través de vías en la lámina de electrolito. Las guías se llenan con materiales electrónicamente conductores (vía interconexiones).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De conformidad con un aspecto de la invención un dispositivo de celdas de combustible comprende: una pluralidad de celdas de combustible, cada una de las pluralidades de celdas de combustible teniendo un área activa, en donde por lo menos dos de la pluralidad de celdas de combustible tienen área activa de tamaño diferente tal que relación de las áreas activas de estas dos celdas de combustible es de por lo menos 1.1 :1. De conformidad con una modalidad de ejemplos de la invención un dispositivo de celda de combustible comprende: (i) una lámina de electrolito; e (¡i) una pluralidad de pares de electrodos dispuestos en lados opuestos de la lámina de electrolito, cada uno de los pares de electrodo incluyendo un ánodo y un cátodo, en donde por lo menos dos de la pluralidad de un pares de electrodo son de un tamaño diferente, tal que la relación de área entre por lo menos dos de la pluralidad de pares de electrodos es de por lo menos 1.1:1. En una modalidad de la presente invención el dispositivo de celda de combustible incluye: (i) una lámina de electrolito de óxido sólido flexible compuesta por circona estabilizado parcialmente estabilizado; y (¡i) una pluralidad de electrodos de combustible negativos y de aire positivo unidos a lados opuestos de la lámina de electrolito, en donde por lo menos dos de la pluralidad de electrodos son de tamaño diferente, tal que relación de área entre por lo menos dos de la pluralidad de pares de electrodo es por lo menos 1.2:1. Una de las ventajas del dispositivo de celda de combustible de la presente invención es un logro de alta potencia. Otra ventaja del dispositivo de celda de combustible de la presente invención es la capacidad de adaptar el voltaje y calor generados por cada celda de combustible al controlar el tamaño de celda. Por ejemplo, una cantidad uniforme de voltaje puede ser generada por cada una de las celdas. Incluso otra ventaja del dispositivo de celda de combustible de la presente invención es mantener el calor generado a partir de cada celda dentro de un nivel objetivo especificado para mantener un perfil de temperatura deseable. Características y ventajas adicionales de la invención se establecerán en la descripción detallada que sigue y en parte serán fácilmente evidentes a los experto en la técnica a partir de esta descripción o reconocidas mediante la puesta en práctica de la invención como se describe aquí, incluyendo la descripción detallada que sigue, las reivindicaciones, así como los dibujos adjuntos.
Se entiende que tanto la descripción general anterior y la siguiente descripción detallada presentan modalidades de la invención y pretenden proporcionar una panorámica o marco para comprender la naturaleza y carácter de la invención como se reivindica. Los dibujos adjuntos se incluyen para proporcionar una comprensión adicional de la invención y se incorporan en y constituyen una parte de su especificación. Los dibujos ilustran varias modalidades de la invención y en conjunto con la descripción sirven para explicar los principios y operaciones de la invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una vista en plano superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de una modalidad de la presente invención, el dispositivo incluyendo ocho celdas conectadas en serie a través de vías de interconexión; La figura 2 es una vista en sección transversal en elevación esquemática del dispositivo que se muestra en la vista de plano superior de la figura 1 ; La figura 3 ilustra un esquema de un dispositivo de celda de combustible que contiene diez celdas de combustible de igual tamaño; La figura 4 ¡lustra una distribución de temperatura esquemática a través del dispositivo de celda de combustible que se ilustra en la figura 3; La figura 5 es una ilustración de densidad de potencia contra densidad de corriente para celdas de combustible del dispositivo de la figura 3, en donde las dos celdas de combustible se sometieron a diferentes temperaturas debido a sus diferentes ubicaciones. La figura 6 es una vista en plano superior esquemático de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de una modalidad de la presente invención, el dispositivo incluyendo dos conjuntos de tamaño diferente de celdas de combustible conectadas en serie a través de vías de interconexión (que no se muestran); La figura 7 es una vista en plano superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de otra modalidad de la presente invención, el dispositivo incluyendo dos conjuntos de tamaño diferente de celdas de combustible, el primer conjunto teniendo cuatro celdas de combustible y el segundo conjunto teniendo ocho celdas de combustible; La figura 8 es una ilustración esquemática de un modelo de distribución de temperatura utilizado en conjunción con el dispositivo de celda de combustible ilustrada en la figura 9; la figura 9 es una vista en plano superior esquemática de un dispositivo distribuidor de combustible de óxido sólido de otra modalidad de la presente invención, el dispositivo incluyendo cuatro conjuntos de tamaño diferentes de celdas de combustible: la figura 10 es una ilustración esquemática de concentración de combustible a través de una lámina de electrolito con múltiples celdas de combustible; la figura 11 es una vista en plano superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de una modalidad de la presente invención, la modalidad siendo diseñada para operar con distribución de combustible ilustrada en la figura 10; la figura 12 es una vista en plano superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido que está diseñado para operar con un flujo de combustible radial. La figura 13 es una vista en plano superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de una modalidad de la presente invención que está diseñada para operar con flujo de combustible radial y que tiene diferentes celdas de combustible de tamaño diferente, en donde el tamaño de las celdas de combustible aumenta hacia el centro; la figura 14 es una ilustración esquemática de modelo de distribución de temperatura utilizado en conjunción con el análisis de dispositivos de celda de combustible ilustrados en las figuras 12 y 13; la figura 15 es una vista en plano superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de otra modalidad de la presente invención que está diseñada para operar con un flujo de combustible radial y que tiene celdas de combustible de tamaño diferente; la figura 16 es una vista en plano superior esquemática de un dispositivo de combustible de óxido sólido de una modalidad de la presente invención, el dispositivo incluyendo 13 celdas de combustible y que operan en un ambiente de contraflujo; la figura 17 ¡lustra un modelo de gradiente de temperatura al cual se sometió y optimizó el dispositivo de celda de combustible de óxido de la figura 16. las figuras 18a-18f ilustran la variación de parámetros operativos importantes a través de una disposición de celda de ejemplo, bajo condiciones isotérmicas; la figura 19 es una vista en plano superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de una modalidad de la presente invención; las figuras 20a-20f ilustran la variación de parámetros operativos importantes a través de una disposición de celda de combustible de ejemplo, bajo condiciones isotérmicas; las figuras 21a-21f ilustran la variación de parámetros operativos importantes a través de otra disposición de celdas de combustible de ejemplo, bajo condiciones isotérmicas; las figuras 22a-22f ¡lustra la variación de parámetros operativos importantes a través de otra disposición de celdas de combustible de ejemplo, bajo condiciones isotérmicas; las figuras 23a-23f ¡lustran la variación de parámetros operativos importantes a través de otra disposición de celda de combustible de ejemplo, bajo condiciones isotérmicas; la figura 24 ¡lustra otra modalidad del dispositivo de celda de combustible de conformidad con la presente invención o múltiples celdas conectadas en subgrupos en serie de voltaje coincidente; la figura 25 es una vista superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de otra modalidad de la presente invención; la figura 26 es una vista lateral esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido ilustrado en la figura 25; la figura 27 es una vista superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de otra modalidad de la presente invención; la figura 28 es una ilustración esquemática de un modelo de distribución de temperatura utilizada en conjunción con el dispositivo de celda de combustible ¡lustrada en la figura 30; la figura 29 es una ilustración esquemática del modelo de densidad de corriente utilizada en conjunción con el dispositivo de celda de combustible ¡lustrada en la figura 30; la figura 30 es una vista superior esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de una modalidad de la presente invención que opera bajo la distribución de temperatura ilustrada en la figura 28 y densidades de corriente ilustradas en la figura 29; la figura 31 es una vista lateral esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de otra modalidad de la presente invención, que tiene una pluralidad de láminas de electrolito apiladas y contiene diferentes celdas de combustible de tamaño diferente; y la figura 32 es una vista lateral esquemática de un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de incluso otra modalidad de la presente invención, que tiene una pluralidad de láminas de electrolito apiladas y contiene diferentes tamaños de celdas de combustible.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se describe arriba, la patente de los Estados Unidos 6,623,881 cuyos contenidos se ¡ncorporan en la presente mediante referencia, divulga celdas de combustible de electrolito de óxido sólido que incluyen una lámina de electrolito sólido que incorpora una pluralidad de electrodos positivos y negativos de tamaño sustancialmente iguales, unidos a lados opuestos de una lámina de electrolito inorgánica flexible delgada. Un ejemplo ilustra que los electrodos no forman capas continuas sobre láminas de electrolito, sino más bien definen regiones múltiples discretas o bandas, formando una pluralidad de celdas de combustible individuales. Estas regiones se conectan electrónicamente, mediante conductores eléctricos en contacto con éstos que se extienden a través de vías (orificios) en láminas de electrolito. Las vías se llenan con materiales electrónicamente conductores (vía interconexiones). Durante condiciones de operación normales diferentes áreas de láminas de electrolito que contienen electrodo pueden experimentar diferentes temperaturas y/o concentraciones de combustible y oxidante (es decir reactivo). Esto lleva a un desempeño variado entre las celdas de combustible individuales. Por ejemplo, los solicitantes encontraron que las celdas de combustible ubicadas en áreas de menores temperaturas y/o menor concentración de reactivo proporcionan una menor densidad de potencia que las celdas de combustible ubicadas en áreas de mayor temperatura o mayor concentración de reactivo. Los solicitantes también describen que al utilizar tamaños de celdas de combustible variables (dentro del mismo dispositivo de celda de combustible) la salida de potencia y/o eficiencia global del dispositivo de celda de combustible aumenta. Aún más, los solicitantes descubrieron que al tener tamaños de celda de combustible diferentes, cada una de las celdas de combustible de la lámina de electrolito puede generar alrededor del mismo voltaje que las otras celdas de combustible. Más específicamente, en por lo menos algunos de los siguientes ejemplos el área activa de la estructura de electrodo/electrolito es el área de la lámina de electrolito albergada entre los electrodos opuestos. Los tamaños y las magnitudes de los electrodos se seleccionan para aumentar al máximo el área activa y optimizar la salida de potencia global y/o eficiencia del dispositivo de celda de combustible. La resistencia iónica interna de la celda de combustible (ohm-cm2), resistencia eléctrica y transferencia de carga (entre electrodo y entre los reactivos y los electrodos), son una función sólida de temperatura y afecta fuertemente el desempeño (densidad de potencia) de una celda de combustible individual. Sin embargo, el calor producido por la celda de combustible individual también es una fuerte función de la resistencia de la celda. De conformidad con algunas de las modalidades de la presente invención, para compensar la menor densidad de potencia producida por las celdas de combustibles sujetas a menores temperaturas o menor concentración de reactor, las celdas de combustibles ubicadas a una menor temperatura y/o menor concentración de reactor (es decir las celdas de combustibles que producen menor densidad de potencia) preferiblemente son hechas más grandes que las celdas de combustibles ubicadas en áreas de mayor temperatura y/o mayor concentración del reactor (que producen densidades de mayor potencia). Así, tanto celdas de combustible de tamaño más pequeño y más grandes podrían producir alrededor de la misma cantidad de potencia, esto nivelaría la capacidad productora de potencia de cada celda de combustible y las celdas de combustibles más eficientes no estarían "impulsando" las celdas de combustible con mayor resistencia interna. Esto es benéfico porque una celda de combustible que produzca menor potencia puede ser impulsada a una condición de operación menos eficiente que haga a la combinación de celdas de combustibles menos eficientes. En un caso extremo, las mayores celdas de combustible productoras de potencia podrán entonces empujar la celda de combustible de menor potencia más allá de la corriente en donde cualquier potencia es producida por la celda de combustible de menor potencia y la celda de combustible de menor potencia entonces consumiría energía (al actuar como un resistor) en vez de producirla. Finalmente, si las celdas de menor potencia son impulsadas demasiado duro con demasiada corriente, el voltaje de descomposición de los óxidos del dispositivo se alcanzaría o una porción del dispositivo se derretiría. Para producir una potencia máxima total los tamaños de celda son preferiblemente variados tales que cada celda, cuando se conecta en serie con otras celdas, producirá casi la misma potencia durante la operación máxima de potencia. Alternativamente, el dispositivo de celda de combustible puede tener celdas de combustible organizadas en conjuntos o subgrupos de conformidad con distribución de comestible o distribución de densidad de corriente a través del dispositivo, tal que diferentes regiones tienen tamaños diferentes de áreas activas. Por ejemplo, regiones con menores temperaturas pueden tener un conjunto de celdas de combustible con un área activa global mayor que el área activa provista por las celdas de combustible ubicadas en las regiones más calientes. Por ello, de conformidad con una modalidad de la presente invención el dispositivo de celda de combustible incluye una pluralidad de celdas de combustible, cada una de las pluralidad de celdas de combustible teniendo un área activa, en donde por lo menos dos de la pluralidad de celdas de combustibles tienen área activa de tamaño diferente, tal que la relación de las áreas activas de estas dos celdas de combustible es de por lo menos 1.05 a 1 y preferiblemente 1.1 :1. Esta disposición puede ser utilizada con diferentes configuraciones de celda de combustible. Combustibles diferentes a gas hidrógeno, por ejemplo hidrocarburos reformados, pueden ser también utilizados. Más específicamente, de conformidad con una modalidad de la presente invención, un dispositivo de celda de combustible 20 comprende: (i) por lo menos una lámina de electrolito 22; e (ii) una pluralidad de pares de electrodos 24 dispuestos en lados opuestos de la lámina de electrolito 22. Cada par de electrodos 24 y la sección de la lámina de electrolito 22 albergada entre ellas forman una celda de combustible óxido sólido 25. Cada uno de los pares de electrodos incluye un ánodo 26 y un cátodo 28. Los ánodos 26 están en el lado de combustible y ios cátodos 28 en el lado orientado hacia el oxígeno. Por lo menos dos de la pluralidad de pares de electrodos 24 son de tamaño diferente, tal que relación de área efectiva de entre por lo menos dos de la pluralidad de pares de electrodos es por lo menos 1.05:1. Es preferible que relación de área (activa) entre por lo menos dos de la pluralidad de pares de electrodos (o celdas de combustible) es de por lo menos 1 :1 a uno o más preferiblemente 1.2:1. Relación de área típica entre por lo menos dos de la pluralidad de pares de electrodos puede ser de alrededor de 1.3:1 ; 1.4:1 ; 1.5:1 ; 1.6:1 ; 1 :7:1 ; 1.8:1 ; 1.9:1 ; 2:1 ; 2.2:1 ; 2.5:1 : 3:1 y mayores. Por supuesto, cualesquiera otras relaciones de área entre las enlistadas arriba pueden ser utilizadas. Aun más, el dispositivo de celda de combustible puede comprender dos o más conjuntos o subgrupos de celdas de combustible, cada conjunto o subgrupo incluyendo una o más celdas de combustible. Los subgrupos de celda(s) de combustible pueden experimentar diferentes entornos de operación. Por ello, para compensar los diferentes entornos operativos el área activa correspondiendo a diferentes conjuntos o subgrupos de celda de combustible pueden tener diferentes áreas activas, tal que relación de área entre por lo menos dos de los conjuntos de celdas de combustibles es de por lo menos 1.05 a 1 , preferiblemente 1 :1 a 1 y más preferiblemente 1.2:1. Relaciones de área típicas entre dos conjuntos de celdas de combustibles puede ser alrededor de 1.3:1 ; 1.4:1 ; 1.5:1 ; 1.6:1 ; 1.7:1 ; 1.8:1 ; 1.9:1 ; 2:1 ; 2.2:1 ; 2.5:1 , 2.75:1 , 3:1 y mayores. Cualesquiera otras relaciones de área aquellas e4nlistada arriba también puede ser utilizadas. En el caso de celdas de combustible de área igual conectadas en serie, la corriente a través de cada celda es la misma y la densidad de corriente promedio entre cada celda es la misma. En operación las celdas de combustibles se someten a gradientes a temperatura y concentración de reactivo que resultan en variación del voltaje operativo, potencia producida y calor generado desde cada celda de combustible. Si celdas de combustibles conectadas en serie tienen diferentes tamaños, la corriente producida desde cada celda de combustible sigue siendo la misma, sin embargo la densidad de corriente promedio será diferente de celda a celda. La densidad de corriente influirá en el voltaje operativo de la celda, potencia producida y calor generado. Por ende la capacidad de modificar la distribución de densidad de corriente en el conjunto de celdas al cambiar áreas de celda ofrece la oportunidad de lograr metas de diseño deseables en voltaje potencia y/o distribución de temperatura. El espesor de la lámina de electrolito 22 puede ser, por ejemplo, alrededor de 1 mm cuando el electrolito es soportado en un tubo poroso, 50 µm a 200 µm para láminas de electrolito soportadas en una estructura plana típica y menos de 45 µm para una lámina de electrolito de auto soporte flexible como la descrita en por ejemplo la patente de los Estados Unidos 6,623,881. Se hará ahora referencia en detalle a las modalidades presentes preferidas de la invención, ejemplos de las cuales se ilustran en los dibujos adjuntos. Cuando sea posible, los mismos números de referencia se utilizarán en los dibujos para referirse a partes iguales o similares. Una modalidad del dispositivo de celda de combustible de la presente invención se muestra en la figura 1 y se designa generalmente mediante el número de referencia 10. Como se modaliza aquí y se ilustra en la figura 1 , el dispositivo de celda de combustible 20 incluye una lámina de electrolito de auto soporte 3YSZ 22 provista con una pluralidad de electrodos 24 en su superficie superior. En esta modalidad los electrodos 24 tienen diferentes anchos W, por ello formando áreas activas de diferentes tamaños. Una gama de ancho de electrodo puede ser por ejemplo 0.5 mm alrededor de 20 mm. El contacto eléctrico con los electrodos 24 se hace a través de una fila de interconexiones 30 como se muestra en la figura 2. Las interconexiones 30 atraviesan la lámina de electrolito 22 a través de orificios 30a en la lámina de electrolito 22 y conectan eléctricamente las celdas electroquímicas (celdas de combustible 25) formadas por electrodos opuestos (cátodos 28 en la parte superior de la lámina electrolito 22 y ánodos 26 en el fondo de la lámina de electrolito 22) en una disposición de celdas de combustible conectadas en serie. De conformidad con esta modalidad, la corriente es recolectada en los bordes de los electrodos, por ello la colocación y geometría de la celda deben optimizarse para el mejor desempeño global. Componentes adecuados para láminas de electrolitos son, por ejemplo, circona estabilizado o parcialmente estabilizado que puede impurificarse con un aditivo estabilizador como óxido de Y, Ce, Ca, Mg, Se, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, In Ti, Sn, Nb, Ta, Mo, W y mezclas de éstos. Una lámina de electrolito delgado de ejemplo 22 (10 µm a 45 µm de espesor) puede incluir 3 a 6% en moles de Y2O3-ZrO que proporciona una baja pérdida de resistencia, alta conductividad, mejor endurecimiento transformacional y elevada resistencia al choque térmico. La resistividad de material de electrodo limita las longitudes de trayectoria de corriente útiles a través de los electrodos. Electrodos de metal o cerment (ánodos de aleación de níquel y electrodos de metal preciosos) tiene una resistividad de electrodo baja y son típicamente de 1 µm a 20 µm en espesor. La invención será clarificada adicionalmente mediante referencia a los siguientes ejemplos ilustrativos. Las ventajas de la presente invención se demostrarán al examinar la operación del dispositivo de celda de combustible de óxido sólido bajo por lo menos dos condiciones. Estas condiciones son: (i) operación de los dispositivos bajo un gradiente térmico impuesto, e (ii) operación bajo temperatura uniforme, pero bajo un gradiente de concentración reactivo.
EJEMPLO 1 Para ilustrar las ventajas del dispositivo de celda de combustible de la presente invención compararemos con un modelo de otro dispositivo de celda de combustible. Este modelo de dispositivo incluye 10 celdas de combustible 25, todas de igual tamaño, como se ¡lustra en la figura 3. En este ejemplo, gas hidrógeno (combustible) y una mezcla de gas portador de oxígeno fluyeron en la misma dirección (condición de coflujo), de izquierda a derecha. Así, la celda #1 se sometió a la cantidad más elevada de combustible y oxígeno. Como una celda dada procesa el combustible y genera potencia eléctrica, también genera calor debido a la resistencia eléctrica/iónica. El calor aumenta desde esa celda a medida que gas progresivamente más caliente y vapor de agua (que es un subproducto de la reacción) fluyen hacia la celda #10. En este ejemplo, cada área de celda de combustible (área activa) es 8 cm2 (ancho =0.8 cm y longitud =10 cm). Así, en ausencia de una configuración de pila múltiple, ese dispositivo tiene un área activa total de 80 cm2 (es decir para propósitos de simplicidad de modelado, sólo una lámina de electrolito está siendo utilizada en este modelo de ejemplo). Por supuesto, pilas múltiples de láminas de electrolitos, cada una conteniendo una pluralidad de celdas de combustible proporcionará una salida de potencia mayor. Para simplificar aún más el modelado del dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de la figura 3 ignoramos el espacio utilizado por las vías, vía galería y vía almohadillas. Adicionalmente, para propósitos de simplicidad, en vez de modelar un incremento de temperatura progresivamente continuo y gradual, sólo dos conjuntos de temperatura (700°C y 775°C) fueron utilizados para este modelo. Más específicamente, el modelo sometió la mitad de las celdas de combustible del dispositivo de combustible de óxido sólido ¡lustrado en la figura 3 a una temperatura de alrededor de 700°C y el resto de las celdas de combustible se sometieron a la temperatura de 775°C. El gradiente de temperatura de función de paso se muestra en la figura 4. Primero, consideraremos la salida de potencia de cada grupo como si estuvieran operando independientemente. Para simplificar los cálculos empezaremos con una celda de combustible "unitaria" que tiene un centímetro de largo por un centímetro de ancho, con un área activa de 1 cm2. Cada una de las cinco celdas de combustible unitarias ubicadas en el área más caliente (775°C) producirían 0.5 watts/cm2 de potencia eléctrica a alrededor de 0.5 voltios y 1 amp/cm2 de potencia pico. La figura 5 ilustra que la curva que ilustra densidad de potencia contra densidad de corriente para estas celdas de combustible es una parábola. En el área más fría (700°C) del dispositivo cada una de las cinco celdas unitarias (ubicadas en el lado izquierdo de la figura 3) pueden producir 0.25 watts/cm2 a alrededor de 0.5 voltios y 0.5 amp/cm2 de potencia pico. La curva de densidad de potencia contra densidad de corriente para estas celdas también es una parábola (ver figura 5). Como una primera aproximación, la parábola de densidad de potencia de la disposición de diez celdas conectadas en serie puede aproximarse al promedio de densidad de potencia de las dos disposiciones de celdas de combustible 5 independientes. La densidad de potencia en área P(Watts/cm2) de una celda de combustible individual puede calcularse a partir de la siguiente ecuación: P=(Pma?/aCelda) (1 -((l/amps-lpma?/amps(aCelda)2) /lma?/ampS (ace?da). ßn donde P max es la densidad de potencia máxima de la celda, aceida es el área de la celda, I la corriente en la celda, lpmax es la densidad de corriente a máxima potencia e lmax es la densidad de corriente máxima de la celda. La ecuación 1 calcula la densidad de potencia máxima promedio (W/cm2) lograda por el conjunto de celdas de combustible que se muestra en la figura 3. Toma en cuenta que hay (i) cinco celdas de combustible ubicadas en un área relativamente fría de la lámina de electrolito, e (ii) cinco celdas de combustible ubicadas en un área relativamente caliente de la lámina de electrolito. La potencia total del dispositivo de celda de combustible es el producto de la densidad de potencia por celda y el área de celda (aceida)- El promedio de densidad de potencia en área de todas las celdas de combustible simplemente es la suma de las potencias generadas por las celdas ubicadas tanto en las regiones calientes como más frías, dividida por el área activa total de las dos regiones de temperatura A1 y A2. Como se muestra en la figura 5, la curva de densidad de potencia contra densidad de corriente para estas celdas de combustible es parabólica. Por ello, la ecuación que determina la contribución de potencia de cada una de las celdas es una ecuación parabólica. El término I se lee como corriente y los términos Ipmaxl , Imaxl e Ipmax2, Imax2, son densidades de corriente para las celdas de combustible ubicadas en las áreas más frías y más calientes (área 1 y área 2), respectivamente. Como se muestra en la figura 5, la densidad de corriente óptima para potencia máxima (Ipmax2), de las celdas de combustible ubicadas en el área caliente es 1A/cm2, mientras que la cantidad óptima de densidad de corriente para potencia máxima (Ipmaxl) para las celdas de combustible más frías es 0.5 A/cm2. La cantidad máxima de potencia por cm2 generada por las celdas de combustible más calientes es 0.5 watts/cm2, mientras que la cantidad máxima de potencia por cm2 generada por las celdas de combustible ubicadas en un área relativamente fría de la lámina de electrolitos es 0.25 watts/cm2. N1 y N2 son los números de celdas en las áreas más frías y más calientes, respectivamente.
Ecuación 1 P prom. = (N1 x aceldal )/A-¡ [Pmax {1-(l/amps — ((Ipmax1/amps)x aceldal )))2/(lmax1/amps) x aceldal }] *(N2 x acelda2)/A2[Pmax2{1-(l/amps-((lpmax2/amps) x acelda2))}2/(lmax2/amps( x aceida2}] En este ejemplo el área de cada celda es 1 cm2 y el área activa total provista por las diez celdas (5 celdas de la región caliente y 5 celdas de la región más fría) es 10 cm2 (5 cm2 + 5 cm2). Sustituyendo 0.25 watt/cm2, 0.5 amp/cm2, 1 amp/cm2 y 0.5 watt/cm2, 1 amp/cm2 y 2 amps/cm2 por, respectivamente Pmaxl , Ipmaxl , Imaxl y Pmax2, Ipmax2, Imax2, y 1 cm2 para tanto aceldal y acelda2, con áreas activas A1 y A2 ambas siendo 5 cm2, uno llega a la ecuación V Ecuación 1' P prom. = [0.25 watts/cm2 {1-(l/amps-0.5)2/1}] + [0.5 watts/cm2{1-(l/amps-(1 ))2/2}] El cuadro 1 representa diferentes cantidades de densidad de potencia real promedio (W/cm2) generada por las celdas para una corriente de celda dada, I. La primera columna ilustra densidades de potencia y la segunda columna ilustra la corriente I. El cuadro 1 ilustra que conforme la corriente aumenta de 0.025 A a 0.7 A, la densidad de potencia promedio aumenta de 0 a 0.333 W/cm2. Sin embargo, conforme la corriente aumenta más allá de 0.7 A, la densidad de potencia empieza a disminuir.
CUADRO 1 Un dispositivo de celda de combustible de óxido sólido puede tener, por ejemplo, 80 cm2 de área activa total. Así en este dispositivo de celda de combustible la salida de potencia máxima para todas las 10 celdas de tamaño igual conectadas en serie es de alrededor de 26.664 Watts (0.333 W/cm2 x 80cm2 (área activa por dispositivo) = 26.664 watts).
La figura 6 ilustra un dispositivo de celda de combustible de ejemplo de conformidad con la presente invención. El área activa total del dispositivo también es de 80 cm2. Para modelar el desempeño de este dispositivo utilizamos el mismo modelo de temperatura que se describió arriba (figura 4). Sin embargo, el dispositivo de la figura 6 es diferente del dispositivo de la figura 3 porque en este dispositivo de celda de combustible de ejemplo dividimos la mitad más fría del área de lámina de electrolito 22 en cuatro celdas de combustible en vez de cinco, mientras dividiendo la mitad más caliente del área de electrolito activa en seis celdas de combustible en vez de 5. Así aún tenemos un dispositivo de 10 celdas, pero las celdas de combustible ahora tienen áreas desiguales. El modelado de desempeño del dispositivo de la figura 6 mostró que la potencia máxima producida por este dispositivo aumenta en relación con el dispositivo con el área activa total equivalente pero con celda de igual tamaño. Más específicamente, la ecuación 2 calcula densidad de potencia máxima promedio lograda por la disposición de celdas de combustible que se muestra en la figura 6. La ecuación 2 toma en cuenta que hay cuatro celdas ubicadas en un área relativamente fría y seis ubicadas en un área relativamente caliente de la lámina del electrolito 22. Como se discutió antes y como se muestra en la figura 5, la densidad de potencia contra curva de corriente para las celdas de combustible es una curva parabólica. Por ello, la ecuación que determina la contribución de energía de cada una de las celdas es una ecuación parabólica. Como en el ejemplo previo, el término I representa corriente. La corriente óptima para producir la cantidad máxima de energía por las celdas de combustible ubicadas en el área relativamente caliente es 0.8333 A. La corriente óptima para producir la cantidad máxima de energía por las celdas de combustible ubicadas en el área relativamente fría es 0.625 A. Aquí las curvas de potencia de las celdas se multiplican por su área relativa. Es decir, las celdas de combustible ubicadas en las región más fría son más grandes que las celdas originales por la relación de 5/4 y son 1.25 cm de ancho, mientras que las celdas de combustible ubicadas en la región más caliente son más pequeñas ahora por el factor 5/6, y son 0.833 cm de ancho. Así, el máximo de la curva de potencia para las celdas de combustible más fría cambia y ahora corresponde a una corriente de 0.625 A, (es decir 0.5 A por 5/4), más corriente debido al mayor tamaño de la celda de combustible individual, mientras que la corriente que corresponde a la potencia máxima de las celdas de combustible más caliente es de 0.833 A, (es decir 1 A por 5/6), menores corrientes debido al tamaño menor de la celda. Note que las densidades de corriente a potencia máxima no están cambiando y que el desempeño intrínseco de las celdas no cambia. La corriente máxima cambia a 1.25 A para las celdas en la región más fría y a 1.666 A para las celdas en la región caliente. El cuadro 2 representa cantidades diferentes de densidad de energía (W/cm2) generadas por las celdas de combustible de esta modalidad para una cantidad dada de corriente, I. La primera columna ilustra densidades de potencia y la segunda columna ilustra la corriente correspondiente (Amp). El cuadro 2 ilustra que conforme la corriente aumenta de 0.025A a 0.75 A, la densidad de potencia aumenta de 0 a 0.3686 W/cm2. Sin embargo, conforme a la corriente aumenta de 0.75 A, la densidad de potencia empieza a disminuir. Para simplificar cálculos iniciales todas las celdas son inicialmente modeladas como de 1 cm de largo. Es decir, las celdas de combustible ubicadas en el área más fría son 1.25 cm de ancho y un centímetro de largo, mientras que en las áreas más calientes son 0.833 cm de ancho y 1 cm de longitud. Así, en este ejemplo, el área de cada celda en el lado más frío es 1.25 cm2, el área de cada celda en el lado más caliente 0.8333 cm2 y el área total de las celdas calientes y frías es 10 cm2 (5 cm2 + 5 cm2). Sustituyendo 0.25 watt/cm2, 0.5 amp/cm2, 1 amp/cm2 y 0.5 watt/ cm2 y 2 amps/cm2 respectivamente Pmax?, lpma?i, Imaxi y P ax2, IPmax, Imax2, y 1.25 cm2 para acelda y 0.8333 cm2 para acelda2, con A1 y A2 ambas siendo 5 cm2 en la ecuación 1 , uno ahora llega a la ecuación 2. La densidad de potencia máxima promedio por área unitaria fue calculada como de 0.3685watt/cm2 (para el dispositivo de 10 celdas con la longitud de celda de 1 cm). Por ello, la potencia máxima generada por estas celdas de tamaño diferentes (conectadas en serie) en un dispositivo de celda de combustible que tiene 80 cm2 de área activa es 0.3685 watts por 80cm2, ó 29.48 Watts, un incremento de 10% sobre la potencia generada por el dispositivo de celda de combustible con el área activa global idéntica pero los tamaños de celda ¡guales. (Ver ecuación 2' y cuadro 2).
Ecuación 2 P prom. = (4 x acelda)/A? [0.25 watts/cm2 {l/amps-0.625)2/1.25}] + (6 x acelda2)/A2 [0.5 watts/cm2{1-(l/amps-(0.833))2/1.666}] Ecuación 2' P = prom. = [0.25 watts/cm2 {1 -(l/amps-0.625)2/1.25}] + [0.5 watts/cm2{1-(l/amps-(833))2/1.666}] CUADRO 2 La densidad de potencia máxima promedio por área unitaria fue calculada como de 0.3685 watt/cm2 (para el dispositivo de 10 celdas). Por ello, la máxima potencia generada por estas celdas de tamaño diferente (conectadas en serie) es de alrededor de 0.3685 watts por 80 cm2, o 29.48 Watts, un ¡ncremento de 10% sin incremento de área de generación de potencia. (Ver ecuaciones 2 y 2' y cuadro 2).
Ecuación 2 P prom. = (4 x celda)/A1 [0.25 watts/cm2 {l/amps-0.625)2/1 .25}] + (6 X celda2)/A2 [0.5 watts/cm2 {1-(l/amps-(833))2/1.666}] Ecuación 2' P prom. = [0.25 watts/cm2 {1-(l-/amps-0.625)2/1.25}] + [0.5 watts/cm2 {1-(l/amps -(833))2/1.666}] CUADRO 2 10 15 EJEMPLO 2 Otro dispositivo de celda de combustible de óxido sólido ejemplar se ilustra esquemáticamente en la figura 7. Este dispositivo tiene un total de 12 celdas de combustible, mientras retiene el área activa total de 80 cm2. Para modelar el desempeño de este dispositivo, se utilizó el mismo modelo de temperatura antes descrito (figura 4). Sin embargo, en este dispositivo ejemplar se mantuvo el número de celdas de combustible más frías en cuatro y se incrementó el número de celdas en el área más caliente a ocho. Como en el ejemplo anterior, las celdas en las dos regiones de temperatura son de tamaños diferentes. La modelación de desempeño del dispositivo de la figura 7 mostró que la potencia máxima producida por este dispositivo incrementa con respecto al dispositivo del ejemplo anterior y aquella del dispositivo de celda de igual tamaño ilustrado en la figura 3. De manera más específica, la salida máxima de densidad de potencia promedio (es decir, promediada entre 12 celdas), cuando las celdas de combustible están conectadas en serie, sería de aproximadamente 0.375 watts/cm2, aproximadamente un incremento de 12.5%, con respecto al dispositivo con el área activa total equivalente pero celdas de igual tamaño. La ecuación 3 es la ecuación utilizada por los solicitantes para obtener los resultados ilustrados en el cuadro 3. Específicamente, la ecuación 3 calcula la densidad de potencia promedio máxima obtenida a través de la disposición de las celdas de combustible mostrada en la figura 7. Como se indicó anteriormente, este modelo toma en cuenta que existen 4 celdas de combustible localizadas en un área relativamente fría y 8 celdas de combustible localizadas en un área relativamente caliente de la lámina de electrolito 22. Nuevamente se modeló la densidad de potencia con respecto a la corriente a través de una ecuación parabólica. Esto es, la ecuación que determina la contribución de potencia a partir de cada una de las celdas es una ecuación parabólica. El término I representa la corriente y, como se discutió anteriormente, la corriente óptima para potencia máxima de las celdas localizadas en el área caliente es 0.625 A, mientras que la corriente óptima para potencia máxima disponible para las celdas más frías también es 0.625 A. Aquí, las curvas de potencia de las celdas se multiplican por su área relativa, es decir, el máximo de la potencia de las celdas más frías corresponde a 0.625 A, (5/4 cm2 x 0.5 amp/cm2), más corriente debido al tamaño más grande de la celda individual, mientras que la potencia máxima de las celdas más calientes ahora corresponde también a 0.625 A, (5/8 cm2 x 1 amp/cm2), una menor corriente debido al tamaño menor de la celda. Nótese que una vez más las densidades de corriente en potencia máxima no cambian, el desempeño intrínseco de la celda no cambia, solamente el tamaño de las celdas. El cuadro 3 representa cantidades diferentes de densidad de potencia (watts/cm2) generadas por las celdas para una cantidad determinada de corriente I. La primera columna ¡lustra densidades de potencia y la segunda columna ilustra la corriente. El cuadro 3 ilustra que a medida que la corriente incrementa de 0.025 A, a 0.625 A, la densidad de potencia incrementa de aproximadamente 0 a 0.375 watts/cm2. Sin embargo, a medida que la corriente incrementa de 0.625 A, la densidad de potencia empieza a disminuir. Las celdas ahora tienen 1.25 cm de ancho en el área más fría y 1 cm de longitud, mientras que en las áreas más calientes tienen 0.6125 cm de ancho y 1 cm de longitud. Sustituyendo 0.25 watt/cm2, 0.625 amp/cm2, 1.25 amp/cm2 y 0.5 watt/cm2, 0.625 amp/cm2 y 1.25 amp/cm2 por, respectivamente, Pmax, Ipmaxl , Imaxl , y Pmax2, Ipmax2, Imax2, y 1.25 cm2 para aceldal y 0.6125 cm2 para acelda2 con A1 y A2 siendo 5 cm2, se llega a: CUADRO 3 EJEMPLO 4 Un modelo más preciso subdivide la lámina de electrolito en más de dos zonas de temperatura. Si la temperatura a través de lámina de electrolito 22 se divide en cuatro áreas (como se muestra en la figura 8) en lugar de dos áreas (como se ilustra en la figura 4), la distribución de las celdas de combustible en la lámina de electrolito se parecerá a la ilustrada en la figura 9, con celdas progresivamente más pequeñas estando en zonas progresivamente más calientes.
EJEMPLO 5 De manera similar, bajo condiciones isotérmicas, si parte de la lámina de electrolito se localiza en el área de menor concentración de combustible (debido a agotamiento de combustible gradual), la lámina de electrolito 22 contendrá celdas de combustible progresivamente más grandes en las áreas con menos concentración de combustible. (Ver figuras 10 y 11). Desde luego, se puede tener que considerar tanto el agotamiento de combustible así como un gradiente de temperatura del dispositivo de celda de combustible. La configuración final del dispositivo de celda de combustible depende de qué efecto predomina en un área específica de la lámina de electrolito y esto, a su vez, se determina por el tamaño global del dispositivo, por velocidades de flujo del reactivo, resistencia de celda o celdas (que también se determina por materiales específicos y grosores de capa) y la dirección del flujo del reactivo.
EJEMPLO 6 La figura 12 es un esquema de un dispositivo de celda de combustible de flujo radial en donde el electrolito y electrodos se dividen en cuatro cuadrantes con cinco celdas de igual área en cada cuadrante (con vías, vía galería, vía almohadillas, conductos, y entrada/salida de gas omitidos del dibujo). La figura 13 es un esquema de un dispositivo de celda de combustible que utiliza celdas de combustible de flujo radial de acuerdo con la presente invención, el tamaño de las celdas de combustible incrementa hacia el centro, siendo el ¡ncremento de área de 10% por celda. El flujo de corriente en este dispositivo también está en la dirección radial. Si el dispositivo de celda de combustible opera bajo el gradiente de temperatura tal como el que se muestra en la figura 14, esta disposición daría como resultado que cada celda funcione en un potencial más similar que el dispositivo ¡lustrado en la figura 12. De esta manera, la configuración de la figura 13 da como resultado una mayor producción de potencia que aquella de la figura 12.
EJEMPLO 7 Los dispositivos de celda de combustible con múltiples celdas pueden utilizar diversas combinaciones y permutaciones para interconectar las celdas individuales una con otra. La figura 15 ilustra esquemáticamente un dispositivo de celda de combustible de flujo radial con vías, vía galerías y vía almohadillas. En este dispositivo de celda de combustible, el flujo de corriente es circunferencial. Este dispositivo de celda de combustible también incluye celdas de combustible con área de tamaño diferente.
EJEMPLO 8 Como se ilustra en la figura 16, el dispositivo de celda de combustible de óxido 20 de este ejemplo incluye una lámina de electrolito de cerámica flexible, con celdas/electrodos de área activa diferente. El electrolito es una lámina de electrolito 3YSZ de autosoporte 22 que contiene una pluralidad de electrodos 24 que forman una pluralidad de celdas de combustible. Para dimensionar las celdas individuales 25 para una potencia máxima total, los tamaños de celda se ajustan para que cada celda de combustible de este dispositivo ejemplar esté conectada en serie a por lo menos otra celda de combustible y produzca aproximadamente la misma potencia durante operación a potencia máxima. La figura 16 ¡lustra esquemáticamente que este dispositivo de celda de combustible ejemplar incluye trece celdas de combustible (es decir, 13 pares de ánodo/cátodo). La figura 17 representa esquemáticamente un gradiente de temperatura ilustrativo al que está sometida la lámina de electrolito 22 durante operación normal del dispositivo. En el ejemplo de operación real, el gradiente de temperatura es continuo, un modelo de temperatura más preciso tendría más de cinco zonas de temperatura, o modelaría la distribución de calor como un gradiente continuo. Sin embargo, el modelo presente es suficiente para ilustrar el método de diseño de los dispositivos de celda de combustible ejemplares de la presente invención. Este gradiente de temperatura se produjo debido a que los gases de hidrógeno (combustible) y oxigeno fluían en direcciones opuestas. (El hidrógeno fluía de izquierda a derecha y el oxigeno fluía de derecha a izquierda. De esta manera, la celda #1 se sometió a la cantidad más elevada de combustible y la celda #13 se sometió a la cantidad más elevada de oxigeno). Como una celda determinada consume hidrógeno y genera energía eléctrica, también genera calor debido a su resistencia interna. El calor incrementa de celda a celda, con combustible calentado y gases de producto de reactivo calentado portando el calor de la celda #1 hacia la celda #13. De esta manera, las celdas 1 a 4 son relativamente frías, pero las celdas localizadas cerca de la mitad de la lámina de electrolito 22 son más calientes. En este ejemplo, el flujo de aire (que porta O2) está en dirección opuesta al flujo de combustible y la velocidad de flujo de aire es aproximadamente 4-5 veces mayor que el flujo de combustible. De esta manera, el aire relativamente frío aleja el calor en dirección opuesta al flujo de combustible, pero se calienta en el proceso en el que llega la celda localizada a la mitad de la lámina de electrolito 22. Por lo tanto, las últimas celdas (celdas 11 , 12 y 13) son relativamente frías y las celdas en la mitad de la lámina de electrolito 22 son calientes. Como se ilustra en la figura 16, el dispositivo de celda de combustible 20 tiene celdas de combustibles más pequeñas en el área más caliente (mostrado con la variación de tamaño exagerado). Se puede utilizar un diseño similar para los dispositivos utilizados bajo condición isotérmica (cuando las celdas experimentan las mismas temperaturas) para compensar la concentración de reactivo menor en algunas áreas del dispositivo. De preferencia, la lámina de electrolito flexible debe tener flexibilidad suficiente para permitir un alto grado de flexión sin ruptura bajo una fuerza aplicada. La flexibilidad en las láminas de electrolito es suficiente para permitir flexión en un radio efectivo de curvatura de menos de 20 centímetros o alguna medida equivalente, de preferencia menos de 5 centímetros o alguna medida equivalente, preferiblemente menos de 1 centímetro o alguna medida equivalente. Por un radio "efectivo" de curvatura se entiende el radio de curvatura que puede ser localmente generado al flexionar un cuerpo sinterizado además de cualquier curvatura natural o inherente provista en la configuración sinterizada del material. De esta manera, las láminas de electrolito curvas resultantes pueden ser adicionalmente flexionadas, enderezadas, o flexionadas a curvatura inversa sin ruptura. La flexibilidad de la lámina de electrolito dependerá, en gran medida, en su grosor, y por lo tanto, se puede ajustar como tal para un uso específico. Generalmente, mientras más gruesa sea la lámina de electrolito será menos flexible. Las láminas de electrolito delgadas son flexibles hasta el punto en donde la lámina de electrolito de cerámica sinterizada atiesada y endurecida se pueda flexionar sin ruptura al radio de flexión de menos de 10 milímetros. Dicha flexibilidad es ventajosa cuando la lámina de electrolito se utiliza junto con electrodos y/o marcos que tienen coeficientes distintos de expansión térmica y/o masas térmicas.
EJEMPLOS 9-17 Puede ser conveniente que el dispositivo de celda de combustible de óxido sólido cumpla múltiples objetivos. Uno de esos objetivos es la generación de máxima potencia. Otro objetivo es mantener todas las celdas en un nivel equipotencial, es decir, asegurar que cada una de las celdas de combustible (si las celdas de combustible están dispuestas en serie) situadas en una lámina de electrolito determinada generen aproximadamente el mismo voltaje. Las configuraciones de diseño que cumplen estos dos objetivos pueden no ser las mismas. Un tercer objetivo, para mantener la operabilidad general del dispositivo de celda de combustible de óxido sólido (incluyendo la lámina de electrolito, el diseño de la cámara, velocidades de flujo de gases, diseños de entrada y salida, etc.) es poder manejar el calor desarrollado y mantener todas las celdas de combustible tan cercanas a las condiciones isotérmicas como sea posible. Las condiciones isotérmicas son convenientes, por ejemplo, para reducir al mínimo la tensión termomecánica. La disposición óptima de las celdas de combustible puede ser un compromiso aceptable entre la maximización de salida de potencia del dispositivo y el mantenimiento de las celdas en una disposición isopotencial.
Al examinar el desempeño del dispositivo ilustrado en la figura 3 y los siguientes ejemplos, los solicitantes encontraron que se obtiene el requisito de potencia máxima a través de celdas de área uniforme, mientras que el requisito de voltaje balanceado entre celdas requiere que las celdas sean de un área algo escalonada: la celda cercana a ía entrada de H2 que tenga la menor área. A través de la modelación, se ha descubierto que es posible tener una geometría óptima la cual es buena desde ambas perspectivas. Por ejemplo, un dispositivo con áreas de celda que incrementan en una progresión aritmética es uno de esos diseños. Esta disposición también ofrece benéficos desde un punto de vista de manejo térmico como se describe más adelante. Bajo condiciones isotérmicas de operación (modo deseado de operación), las ventajas de variar las áreas de celda (mantener el área activa total y número de celdas fijas, y para una velocidad fija de flujo de combustible (H2) y aire), son: 1.) Sin sacrificar demasiado la salida de potencia total de la lámina de electrolito se pueden mantener las diferentes celdas muy cercanas a las condiciones de isovoltaje (es decir, el voltaje generado por cada celda de combustible es el mismo o está limitado dentro de un pequeño margen); 2.) Esto permite una ventaja secundaria ya que el calor generado de cada celda de combustible también está dentro de un objetivo especificado y por lo tanto mantiene un ambiente de temperatura más uniforme (o un perfil de temperatura deseado) en la lámina de electrolito. Esto es claramente conveniente a partir de un punto de vista de manejo de sistema. Además, esto puede ayudar a las características de envejecimiento de la lámina de electrolito. Considérese el dispositivo de celda de combustible de óxido sólido mostrado en la figura 3. Su desempeño se modeló bajo condiciones isotérmicas (725°C). El modelo combina balances molares de reactivo y producto (H2, O2, H2O), dependencia en voltaje reversible de una celda dada como una función de temperatura y presiones parciales a través de la ecuación de Nernst y comportamiento de densidad de voltaje - corriente (V-i) de la lámina de electrolito/electrodo obtenida a partir de experimentos de una sola celda. Como se describió anteriormente, la figura 3 ilustra una vista esquemática de la lámina 22 de celda de combustible de óxido sólido con 10 celdas individuales de tamaño constante (área constante). En este ejemplo, los gases del reactivo se introducen en una disposición de contraflujo, es decir, flujo de combustible (H2) y aire en direcciones opuestas. La lámina de electrolito 22 de la figura 3 incluye 80 cm2 de área activa total, con 10 celdas de combustible cada una teniendo un área de 8 cm2. La corriente a través del sistema se fija en 4 Amps, la presión de combustible es de 1.0135 bar y la presión de aire es de 1.0137 bar. La velocidad de flujo de combustible es 3 L/min mientras que la velocidad de flujo de aire es 6 L/min. El combustible es 70% H2 en la entrada (gas de formación), mientras que existe 21 % 02 en la entrada de aire de ingreso. En esta disposición de contraflujo, el combustible es fresco en la celda #1 (la celda más a la izquierda, que corresponde a los puntos de datos más a la izquierda en las figuras 18a-18f) y el aire es fresco en la celda #10. Las figuras 18a-18f muestran la variación de importantes parámetros de operación a través de la disposición de celda, bajo condiciones isotérmicas (725°C). Un total de 26.37W de potencia se genera a través de este dispositivo de celda de combustible de óxido sólido. La fracción molar de H2 cae de la celda número 1 a la celda número 10, a medida que se consume cada vez más H2 por la reacción electroquímica en la lámina de electrolito 22. El voltaje (primera figura pequeña) cae significativamente de la celda número 1 a la celda número 10, debido a la reducción de la presión parcial de H2. Esta variación es cuantificada por la desviación estándar reportada en voltaje para ser de 0.0346 V, lo que conduce a una desviación estándar en potencia de 0.139 W. De esta manera, la potencia global es alta pero las celdas no son isopotenciales, lo cual no es una situación aconsejable. Posteriormente se modificó el dispositivo de celda de combustible de 10 celdas de la figura 3. El dispositivo modificado de acuerdo con esta modalidad de la presente invención se ¡lustra esquemáticamente en la figura 19. Se retiene el área de la lámina de electrolito activa total, pero los 4 cm2 de área se separan de la primera celda (celda #1) y se añaden a la última celda (celda #10). (Como se describió anteriormente, el combustible es fresco en la celda #1 (que corresponde al punto más a la izquierda en las figuras 20a - 20f) y el aire es fresco en la celda # 10). La fracción molar de H2 cae de la celda número 1 a la 10, a medida que se consume cada vez más H2 por la reacción electroquímica en la lámina de electrolito 22. Las figuras 20a - 20f ilustran el desempeño del dispositivo de celda de combustible modificado ilustrado en la figura 19. La misma cantidad de corriente fluye a través de todas las celdas, cuando las celdas de combustibles están conectadas en serie. La potencia total provista por este dispositivo cae un poco, a 25.87 W. Esto sucede debido a que (i) en la primera celda (área activa de 4 cm2), la densidad de corriente se eleva debido a la reducción en área activa de 8 cm2 a 4cm2, y por lo tanto disminuye el voltaje; mientras que (ii) en la última celda (área activa de 12 cm2) el voltaje se eleva en una cantidad compatible. Por consiguiente, el perfil de voltaje a través de ia disposición de celda es más uniforme. Las figuras 21a -21 f ilustran el desempeño de otra modalidad del dispositivo de celda de combustible. En este dispositivo modificado, cada una de las primeras cinco celdas de combustible (contando a partir del punto de entrada de combustible) tiene el área activa de 4 cm2, mientras que el área activa de cada una de las otras cinco celdas de combustible es de 12 cm2. Nuevamente, se percibe una disminución en potencia máxima. Además, la desviación estándar de voltaje por celda es mucho más alto, como se muestra en la figuras 20 y 21 , que aquel que se muestra en la figura 18, el cual no es aconsejable. Las figuras 22a- 22f ilustran el desempeño de otra modalidad del dispositivo de celda de combustible. En este dispositivo, las áreas de celda han sido variadas en progresión aritmética con la primera celda teniendo un área activa de 3.5 cm2 y la última celda siendo de 12.5 cm2, con cada celda intermedia teniendo 1 cm2 más de área activa en comparación con su antecesora inmediata. Las figura 22 ilustra (en comparación con la figura 18), que el perfil de voltaje ha sido invertido, la primera celda está al voltaje más bajo y la ultima celda está al voltaje más alto. Esto es motivo para buscar una situación intermedia, entre las figuras 18 y 22, en donde la variación de voltaje a través de todas las celdas de combustible se reduce al mínimo. Además, se desea estar cerca de una potencia máxima que se pueda extraer a partir de de la lámina de electrolito. Las figuras 23a - 23f ilustran el desempeño de otro dispositivo de celda de combustible modificado en el cual las áreas de celda han sido variadas en progresión aritmética, con la primera celda teniendo 6.3125 cm2 de área activa, la última celda teniendo 9.6875 cm2 de área activa, y la diferencia estándar entre áreas de celdas sucesivas es de 0.375 cm2. La potencia total generada por este dispositivo es 26.214 W, la cual está muy cercana al valor posible máximo de 26.37 W en este modelo isopotencial. Además, la variación de voltaje de celda a celda es mínima, con la desviación estándar en voltaje de celda siendo solamente de 0.0054 V. De esta manera, las celdas de combustible operan en potencial casi igual (son de voltaje balanceado) además de generar buena potencia. Este es un escenario deseable desde un punto de vista de operabilidad real, debido a que típicamente la pila de celda de combustible operará bajo cargas externas variables las cuales consumirán diferentes corrientes del sistema. Ya que la corriente que fluye a través del sistema varía, el consumo de H2 también varía y dependiendo de las otras condiciones de operación, algunas celdas pueden producir voltaje muy alto y algunas muy bajo. El escalonamiento de las áreas de celda asegura que el desempeño del dispositivo sea estable y que todas las celdas pueda producir casi el mismo voltaje, en cualquier condición de operación determinada. Existe un beneficio agregado a dicha disposición. Para cada mol de combustible (H2) convertida, alguna parte de trabajo útil (voltaje eléctrico) se produce y alguna parte se convierte en calor. Cuando los voltajes son balanceados y uniformes de celda a celda a través de la lámina de electrolito, el calor producido por cada celda también es uniforme. Esto es porque en una disposición en serie de las celdas (como es el caso), la corriente es la misma a través de todas las celdas y por lo tanto el consumo de H2 por celda es fijo. De esta manera, el tener celdas isopotenciales conectadas en serie da como resultado casi la misma cantidad de calor, que también se produce por cada celda. Esto puede ser aconsejable desde una perspectiva de manejo térmico global. Esto último, desde luego, depende del diseño exacto de componentes internos, aletas, etc. así como velocidades de flujo de combustible y aire (lo cual afecta la transferencia térmica de convección), sin embargo, tener aproximadamente la misma evolución de calor en cada celda significa que se simplifican los objetivos de diseño para el manejo térmico. La figura 24 ilustra otro dispositivito celda de combustible de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Este dispositivo utiliza la capacidad del método de diseño de celda múltiple, celda de combustible libre de placa bipolar para ajustar de manera ventajosa la geometría de celda y las interconexiones de celda a celda para cumplir mejor los requisitos de diseño específicos. En esíe ejemplo, las interconexiones de celda a celda se utilizan para hacer coincidir de mejor manera el área de celda activa con las condiciones de operaciones locales. En este dispositivo ejemplar, pequeñas celdas de combustible de igual área están conectadas en serie en direcciones paralelas y perpendiculares al flujo de gas para formar un "subgrupo conectado en serie". Esto es, cada subgrupo tiene una pluralidad de celdas conectadas en serie y los diferentes subgrupos están conectados en paralelo. Para una corriente de operación determinada, el voltaje promedio por celda se determinará a través de las condiciones de operación locales, que incluyen temperatura y concentración de combustible. Para condiciones de operación típicas, las celdas de combustible localizadas cerca de la entrada de combustible tendrán un mayor voltaje promedio debido a la concentración de combustible localmente superior. El voltaje promedio por celda y el número de de celda en el subgrupo determinará el voltaje de subgrupo neto para una carga determinada (consumo de corriente). Una condición de diseño aconsejable es obtener una salida de voltaje neto similar entre subgrupos conectados en paralelo, evitando así cualquier corriente interna ineficiente debido a gradientes de voltaje entre los subgrupos. Como se muestra esquemáticamente en la figura 24, se obtienen dos subgrupos de una salida de 20V cada uno al conectar 20 celdas de combustible (primer subgrupo) que operan a un promedio de 1 V/ceida en la región de combustible "fresco", y conectar 25 celdas de combustible (segundo subgrupo) que operan a un promedio de 0.8 V/celda en la región de combustible "agotado". Nótese que el área activa presente en el segundo subgrupo es 25% mayor al área activa del primer subgrupo debido al número más grande de celdas en el segundo subgrupo. Otra manera de observar este método de diseño es reemplazar cada subgrupo de celdas con una celda mayor de área activa equivalente, y posteriormente interconectar estas celdas mayores entre sí. Además, aunque no se muestra en la figura 24, puede ser benéfico que dentro de cada subgrupo exista un "ajuste" adicional a través de la variación de tamaños de celda individuales para que las celdas más grandes, por ejemplo, se localicen en las regiones de combustible relativamente agotado. Los dos subgrupos equipotenciales están conectados en paralelo. Las figuras 25 y 26 ilustran otra modalidad del dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de acuerdo con la presente invención. Este dispositivo ejemplar incluye por lo menos un substrato poroso 31 que soporta una pluralidad de celdas de combustible 25. Los electrodos (ánodos) se aplican o imprimen directamente en el substrato poroso. Esto es, cada una de las celdas de combustible comprende un ánodo 26 situado directamente sobre el substrato poroso, un electrolito 22 situado sobre el ánodo y un cátodo 28 situado sobre y soportado por el electrolito 22. Las celdas de combustible 25 están conectadas entre sí mediante interconexiones 30, las cuales en este ejemplo, están en forma de cintas. Los electrolitos de 22 pueden ser circonas impurificadas, óxido de bismuto (BÍ2O3), bióxido de cerio (CeO2), o galatos (Ga2O3). Tales composiciones de electrolitos son conocidas. Como en las modalidades anteriores, las celdas 25 tienen diferentes tamaños. Desde luego, el dispositivo de celda de combustible de óxido sólido puede incluir una pluralidad de substratos porosos apilados 31 , cada substrato 31 soporta una pluralidad de celdas de combustible 25. La figura 27 ¡lustra otra modalidad del dispositivo de celda de combustible de óxido sólido de acuerdo con la presente invención. Este dispositivo ejemplar incluye una pluralidad de celdas de combustible 25 conectadas a través de las interconexiones 30. En esta modalidad, los electrolitos 22 son electrolitos de autosoporte (es decir, no requieren ser soportados por un substrato). Los electrolitos de este ejemplo no son flexibles. Como en los ejemplos previamente descritos, los electrodos se aplican en lados opuestos de cada electrolito, formando así una pluralidad de celdas de combustible 25. Las celdas de combustible 25 están conectadas en serie una con otra a través de las interconexiones 30, las cuales en este ejemplo, están en forma de cintas que corren a lo largo de la longitud de la celda (o a lo lancho). Los electrolitos 22 pueden ser a base de circona, a base de óxido de bismuto (B¡2O3), a base de bióxido de cerio (CeO2), o puede ser a base de galato (Ga2O ). Como en las modalidades anteriores, las celdas 25 tienen diferentes tamaños.
La figura 28 es una ilustración esquemática de la distribución de temperatura en un dispositivo de celda de combustible rectangular que opera bajo operación de flujo cruzado. Los gradientes térmicos no son uniformes y crean áreas más calientes en el lado corriente abajo del flujo de aire pero las áreas más calientes están más cercanas a la entrada del combustible (H2). La figura 29 ilustra un esquema de la densidad de corriente en una lámina de celda de combustible rectangular que corre con combustible de flujo cruzado (H2) y oxidante (aire). La distribución de densidad de corriente se complica un poco debido a la combinación de los efectos de concentración de reactivo y temperatura. La densidad de corriente se desplaza hacia el lado de entrada del combustible y el lado de entrada del oxidante. Para obtener máxima potencia, el área activa de las celdas se divide en áreas múltiples que producen aproximadamente (dentro de 10%) la misma cantidad de potencia. La figura 30 ilustra esquemáticamente el diseño de este dispositivo de celda de combustible. El dispositivo de celda de combustible incluye celdas rectangulares múltiples las cuales subdividen el área activa total en trece grupos de celdas de combustible, de acuerdo con la distribución de densidad de corriente. Dentro de cada grupo de celdas individuales, las celdas de combustible están conectadas en paralelo, de manera que todas las celdas están en un potencial casi igual (dentro de 5% o 10%). Entre los grupos de celdas, las celdas de combustible están conectadas en serie, por ejemplo, utilizando vías de metales preciosos. A medida que la potencia producida por cada grupo de celdas de combustible coincide adecuadamente (10% o menos variabilidad), la potencia derivada de agrupar las celdas en 13 grupos de áreas activas diferentes puede optimizar la potencia total máxima. Si se desea manejo térmico, se puede utilizar una configuración diferente de área activa. Por ejemplo, si el objetivo es aplanar los gradientes térmicos (operación isotérmica), entonces se debe utilizar un área activa total un poco más pequeña en los grupos de celdas en las regiones más frías de la lámina de electrolito para generar más calor. En las regiones más calientes, un área activa poco más grande (para los grupos de celda que generarían menos calor, cuando el área activa de los grupos de celda se compara con el área activa para el caso de potencia máxima). Como se describió anteriormente, un dispositivo de celda de combustible de acuerdo con la presente invención pueden incluir más de una lámina de electrolito 22, con cada lámina formando una o más celdas de combustible 25. La figura 31 ilustra un dispositivo de celda de combustible ejemplar 20 que tiene múltiples láminas de electrolito 22. Cada una de las láminas de electrolito 22 soporta una pluralidad de celdas de combustible 25. Las celdas de combustible 25 tienen diferentes tamaños. En esta modalidad, cada marco 32 soporta dos láminas de electrolito 22, de manera que las celdas de combustible de las dos láminas de electrolito adyacentes 22 están separadas entre sí, formando una cavidad de combustible 34. Las celdas de combustible 25 están orientadas para que los ánodos 26 de las dos láminas de electrolito adyacentes soportadas por el marco 32 miren una a la otra y a la cavidad de combustible 34. El combustible (gas de hidrógeno) se provee en la cavidad 34 a través de las entradas de combustible 35A formadas en el marco 34 y el combustible de "residuo" es expulsado por las salidas 35B situadas en el lado opuesto del marco 32. Los cátodos 28 miran hacia fuera, hacia las celdas de combustible (cátodos) situadas en la lámina o láminas de electrolitos soportadas por el marco adyacente. Las entradas de aire (oxígeno) 36A y las salidas de aire 36B también están situadas dentro del marco o marcos 32. Cabe señalar que cualquiera de las configuraciones de dispositivo de celda de combustible ejemplares antes descritas puede ser apilada para proveer un dispositivo de celda de combustible que utilice múltiples láminas de electrolito. Un dispositivo de celda de combustible de acuerdo con otra modalidad de la presente invención se muestra esquemáticamente en la figura 32. Este dispositivo ejemplar también utiliza más de una lámina de electrolito 22. Sin embargo, en esta modalidad, cada lámina de electrolito 22 corresponde a una sola celda de combustible. De manera más específica, este dispositivo incluye seis celdas de combustible 25 apiladas una sobre la otra. Una placa separadora 40 (también referida como una placa de interconexión bipolar) separa las celdas de combustible adyacentes 25. Cada celda de combustible 25 incluye un ánodo relativamente grande 26 (40 µm de espesor) situado en la placa separadora 40. El ánodo 26 forma una lámina o una placa y provee soporte para la lámina de electrolito 22. Una lámina de cátodo delgada (50 µm de espesor) 28 se asienta sobre la lámina de electrolito 22. La placa separadora 40 incluye entradas de combustible y aire 35A, 36A y salidas de combustible y aire 35B, 36B. En este ejemplo, el combustible y aire tienen flujo cruzado. Sin embargo, también se puede utilizar flujo radial de combustible/aire. Como en el ejemplo anterior, este dispositivo de celda de combustible utiliza celdas de combustible de tamaños diferentes. Sin embargo, debido a que este dispositivo se diseñó para someter celdas mayores a temperaturas más altas, las celdas superiores son más pequeñas que las celdas inferiores. Será evidente para los expertos en la técnica que se pueden hacer diversas modificaciones y variaciones a la presente invención sin apartarse del espíritu y alcance de la misma. Por ejemplo, dispositivos de celda de combustible con otras configuraciones también pueden incorporar por lo menos dos celdas de combustible de tamaño diferente. También se pueden utilizar celdas de combustible de área variable en otros dispositivos de celda de combustible con otros tipos de membrana de electrolito tales como membranas poliméricas conductoras de protones comúnmente empleadas para celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. De esta manera, se pretende que la presente invención abarque las modificaciones y variaciones de esta invención siempre que estén dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y sus equivalentes.

Claims (16)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES
1.- Un dispositivo de celda de combustible que comprende: (i) por lo menos una lámina de electrolito; (ii) una pluralidad de pares de electrodos dispuestos en lados opuestos de la lámina de electrolito, cada uno de los pares de electrodos incluye un ánodo y un cátodo, en donde por lo menos dos de la pluralidad de pares de electrodos son de diferente tamaño, de manera que la relación de área entre por lo menos dos de la pluralidad de pares de electrodos es al menos 1.1 :1 , en donde dicha al menos una lámina de electrolito contiene por lo menos 5 pares de electrodos y los pares de electrodos adyacentes a por lo menos un borde de la lámina de electrolito son ya sean más grandes o más pequeños que por lo menos algunos de los pares de electrodos localizados en el área media de la lámina de electrolito.
2.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha relación es por lo menos 1.2:1.
3.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque dicha relación es por lo menos 1.5:1.
4.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque: la potencia máxima del dispositivo de celda de combustible es por lo menos 5% mayor a aquella de un dispositivo de celda de combustible con un área activa total igual y celdas de igual tamaño.
5.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la potencia máxima del dispositivo de celda de combustible es por lo menos 10% mayor a aquella de un dispositivo de celda de combustible con un área activa total igual y celdas de igual tamaño.
6.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque comprende por lo menos dos conjuntos de celdas de combustible, cada conjunto contiene una pluralidad de celdas de combustible, en donde los dos conjuntos de celdas de combustible tienen diferentes áreas activas, en donde dichas celdas de combustible dentro de por lo menos un conjunto están interconectadas de manera diferente que los dos conjuntos.
7.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque comprende: por lo menos dos conjuntos de celdas de combustible, cada conjunto contiene por lo menos una celda de combustible, en donde los dos conjuntos de celdas de combustible tienen diferentes áreas activas, de manera que la relación de las áreas activas de dichos al menos dos conjuntos de celdas de combustible es al menos 1.1 :1 , en donde dicho dispositivo de celda de combustible o un sistema de celda de combustible incluye por lo menos 10 celdas de combustible, y el área total de por lo menos 5 de dicha pluralidad de celdas de combustible es mayor al área total de por lo menos 5 de otras celdas de combustible.
8.- Un dispositivo de celda de combustible que comprende: por lo menos dos conjuntos de celdas de combustible, cada conjunto contiene una pluralidad de celdas de combustible, en donde los dos conjuntos de celdas de combustible tienen diferentes áreas activas, de manera que la relación de las áreas activas de dichos al menos dos conjuntos de celdas de combustible es al menos 1.1 :1 , en donde dichas celdas de combustible en por lo menos un conjunto están conectadas de manera diferente que los dos conjuntos.
9.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 6, 7 u 8, caracterizado además porque dichos conjuntos están conectados en paralelo.
10.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 6, 7 u 8, caracterizado además porque dichos conjuntos están conectados en serie.
11.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 6, 7, 8, 9 o 10 caracterizado además porque las celdas dentro de cada uno de los conjuntos están conectadas en serie.
12.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque las celdas de combustible dentro de por lo menos uno de dichos conjuntos están situadas sobre una sola lámina de electrolito.
13.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con las reivindicaciones 6 y 8, caracterizado además porque las celdas de combustible dentro de por lo menos uno de dichos conjuntos están conectadas en serie, y un conjunto de celdas de combustible está conectado en paralelo a por lo menos otro de dichos conjuntos.
14.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque dicha relación es al menos 1.2:1.
15.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha relación es al menos 1.5:1.
16.- El dispositivo de celda de combustible de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque dicha lámina de electrolito es una lámina de electrolito a base de circona.
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