ES2430320T3

ES2430320T3 - Aparato compacto de pila de combustible de óxido sólido

Info

Publication number: ES2430320T3
Application number: ES06758699T
Authority: ES
Inventors: Samuel B. Schaevitz; Aleksander Franz; Roger W. Barton
Original assignee: Lilliputian Systems Inc
Current assignee: Lilliputian Systems Inc
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: WO2006116638A3; US7947407B2; EP1886369A2; US20060246333A1; CA2606957A1; WO2006116638A2; JP2008539560A; EP1886369B1; CN101194386A; CN101194386B; MX2007013484A; KR20080017312A

Abstract

Aparato (5) que comprende un alojamiento (18), integrando el alojamiento: una pila de combustible (14, 16); y un quemador de gas de cola (12) en comunicación térmica con la pila de combustible (14, 16), un volumen de aislamiento (28) dispuesto adyacente a un exterior del alojamiento (18); una pared exterior (30) que envuelve el alojamiento (18) y el volumen de aislamiento (28), en el que el alojamiento (18) define una zona sustancialmente isotérmica; caracterizado por el hecho de que el aparato también comprende: un elemento de conexión de fluido de baja conductividad térmica comunicado mediante fluido con el quemador de gas de cola (12) y dispuesto dentro del volumen de aislamiento (28) entre el quemador de gas de cola (12) y la pared exterior (30), comprendiendo el elemento de conexión de fluido de baja conductividad térmica uno de entre: un tubo de conducción de fluido micromecanizado, un tubo concéntrico, o un tubo capilar de vidrio.

Description

Aparato compacto de pila de combustible de óxido sólido

Sector técnico

[0001] La invención se refiere a un aparato y a procedimientos que mejoran la eficiencia de una pila de combustible. Según una realización, la invención se refiere a pilas de combustible adaptadas para mejorar el balance de energía mediante la integración de varios componentes de pila de combustible en una zona isotérmica.

Antecedentes

[0002] Las pilas de combustible que funcionan junto con bombonas de combustible reemplazables rellenadas con, por ejemplo, hidrógeno gaseoso, metanol, butano o combustible diesel, son una tecnología en desarrollo. Estos tipos de pilas de combustible están diseñadas para competir con las diversas soluciones de baterías que dan energía a productos de consumo. La competitividad de estas pilas de combustible con respecto a las baterías depende de un número de factores, tales como la densidad de energía del combustible en la bombona; la capacidad de la pila de combustible para convertir energía química en energía eléctrica con determinadas eficiencias; y la necesidad de mantener el apilamiento de pila de combustible, junto con el bombeo de fluido y los componentes de control de potencia asociados, no mayores que los de una batería competitiva.

[0003] Las mejoras en densidad de energía y eficiencia de conversión química se han logrado con pilas de combustible de óxido sólido (SOFCs), que utilizan membranas de cerámica en lugar de membranas de polímero. Debido a que las pilas de combustible de óxido sólido pueden convertir una variedad de diferentes tipos de combustibles moleculares en electricidad, por ejemplo, diversos hidrocarburos, una pila de combustible de óxido sólido puede utilizar combustibles líquidos con gran densidad de energía y aún así lograr eficiencias de conversión de energía adecuadas.

[0004] Sin embargo, las pilas de combustible de óxido sólido, requieren funcionamientos de membrana y catalítica a temperaturas por encima de 600°C, a menudo por encima de 750°C. En consecuencia, los diseñadores de pilas de combustible de óxido sólido para aplicaciones de potencia portátiles deben proteger al usuario final del calor extremo y sin añadir en exceso tamaño al sistema global. Además, a día presente, una pila de combustible de óxido sólido que funciona a 800°C puede fácilmente radiar o transmitir diez veces más energía al medio ambiente en forma de calor que la energía eléctrica entregada al usuario. Este sistema no puede tener más de 10% de eficiencia, es decir, el sistema utiliza más del 90% de la energía del combustible con el único propósito de mantener la temperatura de funcionamiento del reactor a 800°C. Por lo tanto, con tan baja eficiencia, es poco probable que las pilas de combustible de óxido sólido actuales compitan con las baterías.

[0005] Las pilas de combustible de óxido sólido portátiles del estado de la técnica no han sido capaces de lograr volúmenes similares a las baterías. El generador de pila de combustible de óxido sólido, sin aislamiento, rara vez supera los 0,35 vatios por centímetro cúbico (W / cc). Tras la adición de capas de aislamiento con un espesor suficiente para el funcionamiento energéticamente eficiente, las pilas de combustible de óxido sólido más convencionales proporcionan relaciones energía volumen por debajo de 0,1 W / cc.

[0006] Además, los diseños de aparatos y sistemas de pilas de combustible existentes proporcionan elementos calentados (distintos del apilamiento de pilas de combustible de óxido sólido) para mejorar la eficiencia del sistema. Sin embargo, cada componente calentado añade volumen del aparato y la cantidad de aislamiento necesaria para evitar la disipación de calor excesiva.

[0007] Como resultado, existe una necesidad de construir un aparato de pila de combustible en miniatura, que cuando se combina con una bombona de combustible portátil, pueda proporcionar capacidades de almacenamiento de energía similares o superiores a las de las baterías recargables, por ejemplo, mayores que 200 vatios - hora por litro (W-h / L), y preferiblemente mayor que 400 W-h / L.

[0008] Sería de gran valor una pila de combustible para la alimentación de dispositivos electrónicos portátiles, cuyas funciones están actualmente a menudo limitadas por la capacidad de energía de las baterías.

[0009] EP 0355420 divulga un aparato que comprende un alojamiento, integrando el alojamiento: una pila de combustible y un quemador de gas de cola en comunicación térmica con la pila de combustible, un volumen de aislamiento dispuesto adyacente a un exterior del alojamiento, una pared exterior que contiene el alojamiento y el volumen de aislamiento, en el que el alojamiento define una zona sustancialmente isotérmica.

[0010] La presente invención proporciona un aparato según la parte característica de la reivindicación 1.

[0011] Tal como se utilizan aquí, "aparato de pila de combustible" y "sistemas de pila de combustible" se refieren a un aparato o dispositivo que puede contener algunos o todos de los siguientes componentes: un reformador de combustible, un quemador de gas de cola, elementos ánodo/electrolito/cátodo, bombas, y controles. Sin embargo, "pila de combustible" se refiere a la estructura de membrana ánodo/electrolito/cátodo. Además, "densidad de potencia" se refiere a una relación entre la potencia generada en un volumen dado y tal como se entiende de otro modo en la técnica de pilas de combustible. Aunque la invención se refiere a diferentes aspectos y formas de realización, se entiende que los diferentes aspectos y formas de realización descritos en este documento pueden ser integrados juntos como un todo o en parte, según sea apropiado. Por lo tanto, cada forma de realización descrita en este documento puede ser incorporada en cada uno de los aspectos en diversos grados según sea apropiado para una aplicación dada. Además, aunque algunos aspectos y formas de realización se describen utilizando la terminología "medios para", se entiende que todos los aspectos, realizaciones, y otros conceptos descritos en este documento pueden servir como soporte para las reivindicaciones de medios y función, incluso si el término específico "medios para" no se utiliza en una parte específica de la descripción escrita.

[0012] Debe entenderse que los términos "un", "una" y "el" significan "uno o más", salvo que se especifique expresamente lo contrario.

[0013] Lo anterior y otras características y ventajas de la invención, así como la propia invención, se comprenderán más plenamente a partir de la descripción, los dibujos y las reivindicaciones que siguen.

Breve descripción de los dibujos

[0014] La referencia a las figuras en este documento está destinada a proporcionar una mejor comprensión de los procedimientos y aparatos de la invención pero no se pretende que limiten el alcance de la invención a las formas de realización descritas específicamente. Los dibujos no están necesariamente a escala, sino que en cambio se pone énfasis en ilustrar los principios de la invención. Los caracteres de referencia similares en las figuras respectivas suelen indicar partes correspondientes.

La figura 1 es una vista lateral en sección transversal de un aparato de pila de combustible de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención;

La figura 2 es una vista en perspectiva de un componente de aparato de pila de combustible que tiene conexiones de fluidos y un recuperador de calor de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención;

La figura 3 es un dibujo esquemático de ánodos, cátodos, y electrolitos dispuestos en una configuración adecuada para su uso en el aparato de pila de combustible de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención;

La figura 4 es una vista lateral en sección transversal de otro aparato de pila de combustible de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención; y

La figura 5 es un dibujo esquemático de la capa de circulación de flujo adecuada para su uso con un aparato de pila de combustible de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención.

Descripción detallada

[0015] La siguiente descripción se refiere a los dibujos adjuntos que ilustran ciertas realizaciones de la presente invención. Por lo tanto, la siguiente descripción detallada no tiene la intención de limitar la presente invención. Más bien, el alcance de la presente invención se define por las reivindicaciones adjuntas.

[0016] Se debe entender que el orden de las etapas de los procedimientos de la invención es irrelevante, siempre y cuando la invención siga funcionando. Por otra parte, dos o más etapas pueden llevarse a cabo al mismo tiempo a menos que se especifique lo contrario.

Aparato de pila de combustible, empaquetamiento, y conexiones

[0017] Las realizaciones de aparatos de pilas de combustible descritos en este documento pueden producir energía eléctrica por encima de 2 W / cc y más de 3 W / cc. Estos aparatos de pila de combustible son los únicos capaces de producir tamaños de empaquetamiento aislados lo suficientemente pequeños como para aplicaciones portátiles, a pesar de que las potencias están por debajo de 100 vatios, por debajo de 20 vatios o menos de 5 vatios. En contraste, los diseños de pilas de combustible existentes sólo generan densidades de potencia normalmente inferiores a 0,5 W / cc. Como resultado, las pilas de combustible de baja densidad de potencia son demasiado grandes y no lo suficientemente eficaces para muchas aplicaciones tales como, por ejemplo, sustitutos de la batería de productos de consumo.

[0018] La densidad de potencia (W / cc) depende principalmente del diseño del aparato de pila de combustible integrado y la pila de combustible individual o apilamiento de pilas de combustible (pluralidad de pilas de combustible individuales). En particular, el nivel de integración proximal de los diversos componentes del aparato de pila de combustible dentro de la carcasa es un factor de diseño importante. Como resultado, la eficiencia del aparato de pila de combustible puede ser una función de la proximidad con que las membranas de las pilas de combustible pueden ser colocadas con sujeción a las limitaciones de resistencia mecánica y de circulación de fluido. Muchos de los aspectos y formas de realización descritos en este documento se refieren a la integración de componentes dentro de una zona térmica y las técnicas relacionadas para controlar las pérdidas térmicas. El uso de estructuras de semiconductores en muchas de las realizaciones descritas en la presente memoria permite pequeños tamaños y altas densidades de energía que permiten un aparato de pila de combustible que puede competir con diferentes tipos de baterías.

[0019] La figura 1 muestra un ejemplo de un aparato de pila de combustible 5, en sección transversal. La figura 1 ilustra un reformador de combustible 10, un par de membranas de pilas de combustible de óxido sólido 14 y 16, y un quemador de gas de cola 12 todos contenidos dentro de un único alojamiento 18. El alojamiento está hecho de un material térmicamente conductor de tal manera que todos los componentes dentro de la alojamiento pueden funcionar sustancialmente a la misma temperatura. Por lo tanto, el alojamiento facilita la formación de una zona que es sustancialmente isotérmica.

[0020] El alojamiento 18 en la figura 1 incluye en su interior todos los medios de flujo para distribuir combustible y aire a la o las pilas de combustible (s). La corriente de combustible 20 pasa fuera del reformador de combustible 10, a lo largo del lado del ánodo de la primera célula de combustible 16. La corriente de combustible 20 pasa a continuación a lo largo del lado del ánodo 22 de la segunda célula de combustible 14 y, finalmente, en el quemador de gas de cola 12. La corriente de aire 26 pasa (mediante canales de circulación internos que no se muestran) a lo largo del lado del cátodo 24 de las pilas de combustible 14, 16 y acaba en el quemador de gas de cola 12, donde el exceso de aire está disponible para la combustión del combustible agotado no utilizado. (La entrada de aire al quemador de gas de cola no aparece en la Figura 1.)

[0021] También se muestra en la Figura 1 un volumen de aislamiento 28, que separa la alojamiento 18 de una pared exterior 30 del aparato 5. La pared exterior se mantiene sustancialmente a una temperatura que se encuentra en o cerca de la temperatura ambiente del dispositivo eléctrico alimentado por el aparato de pila de combustible. Para un funcionamiento eficiente de un aparato de pila de combustible de óxido sólido, la temperatura dentro del alojamiento debe ser mayor que 400 ºC, con mejores eficiencias operativas obtenidas si la temperatura se mantiene por encima de 550 º C, 600 ºC, o 750 ºC. Las temperaturas ambientes de circuitos eléctricos externos y la pared exterior 30 de un aparato de pila de combustible estarán típicamente en el intervalo de 0 ºC a aproximadamente 60 ºC. Por lo tanto, en esta forma de realización, un gradiente térmico grande por encima de 300 ºC se mantiene deseablemente no sólo a través del espesor del volumen aislante intermedio 28, sino también a lo largo de las conexiones de fluido 32, las conexiones eléctricas 36, y a lo largo de los apoyos mecánicos 38.

[0022] El volumen aislante puede incorporar aislamiento para reducir sustancialmente la disipación de calor del alojamiento. Por lo tanto, se puede formar un vacío parcial dentro del volumen de aislamiento o se puede añadir un material de baja conductividad térmica al volumen de aislamiento. También puede disponerse un escudo de radiación infrarroja 40 dentro o sobre el aparato de pila de combustible. Es beneficioso mantener el bajo nivel de presión de gas total en el volumen de aislante requerido al fabricar una realización con aislamiento a baja presión o de vacío. Para este propósito, es útil añadir un captador de material 42 que tiene la capacidad de absorber gases de fondo y mantener altos niveles de vacío durante la vida de funcionamiento del dispositivo. Un captador no evaporable, que puede ser activado por calentamiento eléctrico, que es útil para este propósito, es el dispositivo captador del tipo captadores SAES ST 171 (www.saesgetters.com).

[0023] La pila de combustible integrada contenida dentro de un alojamiento puede tener un espesor total de 2,5 mm. En la figura 1, hay dos capas de células de combustible 14 y 16, y tres capas de circulación 46, 48, y 50, cada una con 0,5 mm de espesor. Cada una de las dos capas de células de combustible es capaz de producir 0,4 W / cm 2 de energía eléctrica. Como resultado, un ejemplo de aparato de pila de combustible integrado es capaz de entregar (2 * 0,4) / 2,5 = 3,2 W / cc de densidad de potencia.

[0024] El alojamiento, que integra las funciones de un reformador de combustible, un conjunto de membranas de pilas de combustible, un quemador de gas de cola, y todos los colectores de fluidos internos en una zona térmica, se puede fabricar mediante cualquier técnica de fabricación. En particular, las realizaciones de la invención se pueden fabricar usando técnicas de MEMS (sistemas micro-electro-mecánicos) o técnicas de micromecanizado. Estas técnicas hacen posible la integración de materiales de película delgada (por ejemplo, electrolitos, ánodos, cátodos y / o conexiones eléctricas de película delgada) junto con microcanales grabados al agua fuerte para el control del flujo de fluido sobre un sustrato común que es térmicamente conductor y mecánicamente robusto. Unos elementos de soporte estructurales se incluyen en algunas formas de realización, ya que son útiles para realizar el patrón de los ánodos o cátodos en zonas discretas.

[0025] Los conjuntos de membranas y electrodos individuales y los colectores de fluidos pueden apilarse conjuntamente entre sí mediante una variedad de técnicas de unión, para crear “sistemas” de procesamiento de fluidos.

[0026] Por ejemplo, se puede montar un alojamiento integrado a partir de un grupo de estructuras de semiconductores sustancialmente planas o no planas. Específicamente, se pueden unir cinco sustratos de silicio entre sí para formar la "caja" en cuyo interior están integrados diversos componentes del aparato de pila de combustible. La unión entre sí de los cinco sustratos de silicio, da como resultado una configuración apilada. En una forma de realización, los sustratos pueden ser apilados de la siguiente manera: (1) sustrato procesador de combustible que incluye interconexiones de fluido; (2) conjunto de membranas electrodo, (3) una capa de circulación de fluido, (4) otro conjunto de membrana electrodo, y (5) una capa de circulación de fluido superior que incluye un quemador de gas de cola. Por lo tanto, una pila de capas puede formar una parte o la totalidad del aparato de pila de combustible integrado.

[0027] En una forma de realización preferida, se elige el silicio como el sustrato para la construcción de las membranas de las pilas de combustible y otras estructuras de distribución. Sin embargo, también existen técnicas de micromecanizado para la construcción de canales de circulación de fluido en obleas rígidos de vidrio y de cerámica, todos ellos materiales que poseen alta resistencia a la temperatura requerida para las pilas de combustible de óxido sólido. Con el fin de evitar el cortocircuito eléctrico entre diferentes puntos del conjunto de membrana, se puede recubrir un sustrato de silicio con capas de óxido de silicio o nitruro de silicio para que sea eléctricamente aislante.

[0028] Los microcanales grabados al agua fuerte de fluidos se forman en los sustratos superiores mediante una variedad de técnicas, incluyendo los grabados químicos húmedo y seco, la ablación con láser, el fresado con diamante, el moldeo de cinta, o moldeo por inyección. Una variedad de técnicas de unión de sustrato o de oblea están disponibles, incluyendo la unión por fusión, la unión anódica, el sellado con materiales de soldadura eutécticos

o películas delgadas, o el sellado con fritas de vidrio.

[0029] Los conjuntos de pilas de combustible, incluyendo ánodo, cátodo y electrolito pueden ser depositados por una variedad de técnicas de deposición de película delgada y gruesa incluyendo pulverización catódica, evaporación, deposición química de vapor, ablación por láser, serigrafía, recubrimiento por inmersión, o técnicas de pulverización de vapor.

[0030] El material preferido para el electrolito es el zirconio estabilizado con itria (YSZ), aunque hay disponible una variedad de materiales de óxido de cerio dopado para este propósito. El material preferido para el ánodo de la pila de combustible es un cermet de níquel e YSZ, aunque se pueden emplear otros metales catalíticos tales como Pt, Pd, Fe o Co, y se pueden emplear otros materiales de matriz de óxido tales como el óxido de cerio. El material preferido para el cátodo de la pila de combustible es manganato de lantano (estroncio) (LSM), aunque se han descrito otros materiales de cátodo que incluyen lantano (estroncio) cobaltita (LSC) y lantano (estroncio) de cobaltoferrita (LSCF). El material preferido para las conexiones eléctricas de película delgada en la pila de combustible es el platino, aunque también se ha descrito la cromita de lantano para esta aplicación.

[0031] La Figura 2 es una ilustración adicional del aparato de pila de combustible de la figura 1, haciendo hincapié en la disposición de las conexiones de fluidos y un recuperador de calor 34. El aparato de pila de combustible integrado 18 se muestra sólo en su aspecto externo, con sub-zonas que indican la colocación sugerida de un reformador de combustible 10, y un quemador de gas de cola (o catalizador) 12. Una mezcla de combustible y aire entra a lo largo de un tubo de entrada 60 directamente al reformador de combustible 10. Después de lo cual, por medio de canales internos de circulación, el carburante reformado pasa por el ánodo de la pila de combustible, eventualmente acabando en la zona del quemador de gas de cola 12. El aire para el cátodo de la pila de combustible entra a través de un tubo 62 de entrada y fluye internamente a través de una ruta controlada al cátodo de la pila de combustible. Ambas corrientes de aire y combustible se reúnen finalmente en el quemador de gas de cola 12 para la extracción de cualquier calor residual de oxidación antes de salir de la zona caliente a través de un tubo de salida 64.

[0032] Los tubos de entrada y salida hacen de puente en la zona entre el alojamiento y la pared exterior fría y se proyectará con baja conductividad térmica. A modo de ejemplo, estos tubos pueden estar compuestos de nitruro de silicio, preferentemente con espesor de pared de 5 micrómetros o menos, tal como se describe en la Publicación Internacional N º WO 03/013729. Como alternativa, los tubos se pueden hacer con capilares de vidrio de sílice. Por ejemplo, los capilares de vidrio están disponibles con 1 mm de diámetro exterior y espesores de pared de sólo 125 micras. La energía térmica que se transportará a lo largo de tales capilares si son 5 mm de largo y se extienden con un gradiente de temperatura de 800 ºC es de sólo 0,05 vatios.

[0033] Los expertos en la materia reconocerán que otras disposiciones del reformador de combustible y quemador de gas de cola dentro del alojamiento están dentro del alcance de esta invención. Del mismo modo, son posibles otras disposiciones y diferentes números de tubos de entrada y salida distintas de las que se ilustran en la Figura 2. Por ejemplo, para un aparato de pila de combustible más grande, puede ser preferible añadir un cuarto tubo para la distribución de flujos independientes de combustible y aire de un sistema de regulación de flujo externo directamente en el reformador de combustible. También puede ser preferible proporcionar dos fuentes independientes de aire en la zona del cátodo, de tal manera que las caídas de presión de fluido sean gestionadas más eficazmente dentro del aparato de pila de combustible y / o como un medio para controlar la tensión de las pilas de combustible en las zonas locales de las membranas de las pilas de combustible. Además, se pueden utilizar tubos concéntricos en alguna realización.

Recuperador de calor

[0034] Volviendo a hacer referencia a la figura 2, el recuperador de calor 34, que se muestra como dos barras, es un medio para la recuperación de calor y puede ser construido como una parte integral del conjunto de tubo de fluido. El recuperador de calor se hace típicamente con un material térmicamente conductor, tal como silicio, de tal manera que el calor de los gases de escape que pasa a través del tubo de salida 64 pueda ser absorbido y se transfiera a las corrientes de gas entrantes en los tubos de entrada 60 y 62.

[0035] Tal como se muestra en la figura 1, es posible mejorar el rendimiento mediante la colocación del recuperador de calor 34 dentro del volumen de aislamiento 28. En esta posición, las diversas temperaturas internas del 5 recuperador de calor se pueden mantener intermedias entre la temperatura del aparato de pila de combustible integrada y la pared exterior. La colocación del recuperador de calor dentro del volumen de aislamiento existente también reduce el tamaño global del sistema mediante la eliminación de aislamiento separado alrededor del recuperador de calor. Además, la alineación del gradiente térmico del recuperador de calor con el gradiente térmico que hay entre el aparato de pila de combustible integrado y la pared exterior disminuye la pérdida de calor del

10 recuperador de calor, porque hay poca o ninguna diferencia de temperatura entre una sección dada del recuperador de calor y el volumen aislante adyacente.

[0036] Son posibles varios medios de recuperación de calor, aparte de la disposición de tubos en paralelo que se muestra en la figura 2. Por ejemplo, una disposición de tubo-en-tubo en contracorriente es apropiado o una pila de hojas metálicas delgadas formadas para permitir una contracorriente por medio de microcanales mecanizados o

15 formados. Muchas otras disposiciones entran dentro del alcance de esta invención, siempre y cuando la ubicación física del recuperador de calor se encuentre dentro de la zona intermedia entre la zona isotérmica ("caliente") del aparato de pila de combustible y la pared exterior fría.

Conexión de fluido de baja conductividad térmica

[0037] Un objetivo general de la invención es la gestión de la disipación total de calor lejos del alojamiento. En un

20 elemento particular, para gestionar la pérdida de calor a través de los tubos, (Qtubes), que representa la conducción de calor por sólido a lo largo de la longitud de los tubos de entrada y salida de fluido, la pérdida de calor a través de los tubos se puede calcular a partir del producto de

a) la conductividad térmica del material de la pared del tubo,

b) el descenso de la temperatura a lo largo del tubo, y

25 c) el área de la sección transversal del material de la pared del tubo, dividida por

d) la longitud del tubo.

[0038] Para los pequeños sistemas de aparatos de pilas de combustible, una pérdida de calor máxima permitida a través de los tubos de fluidos se determina para mejorar la eficiencia del sistema. Esta pérdida de calor, Qtubes, se mantiene deseablemente por debajo de 0,1 vatios por tubo, preferiblemente menos de 0,05 vatios por tubo. Este

30 valor de la pérdida de calor está significativamente por debajo de las formas de realización conocidas en la técnica, sin embargo, la eficiencia del sistema mejora mucho cuando los tubos de conexión de fluido se construyen con la pérdida de calor por debajo de este valor crítico. La Tabla 2 muestra ejemplos de materiales de tubo típicos conocidos y el diseño y tubos de formas de ejemplos de realización (3 y 4) adecuados para su uso con las presentes formas de realización que se construyen para satisfacer la condición de pérdida de calor crítica.

35 Tabla 2: Comparación de los materiales del tubo de conexión de fluidos (La pérdida de potencia Q supone un descenso de temperatura total de 700°C.)

material del tubo: conductividad térmica (W/cmk) espesor de pared (micras) longitud del tubo /diámetro (mm / mm) pérdida de potencia por tubo: Q (vatios)

realización 1: tubo de acero inoxidable de1/8" 0.25 325 30/3 1.9

realización 2: capilar de acero inoxidable 0.25 125 20 / 1. 0.35

realización 3: nitruro de sílice de pared delgada 0.4 2 3/0.5 0.03

realización 4: capilar de vidrio 0.01 125 5 / 1 0.05

[0039] En un aparato generador de pila de combustible de 33% de eficiencia de 2 vatios, se espera que el aparato de pila de combustible queme el equivalente de 6 vatios de combustible y una pérdida térmica de 0,1 vatios por 40 metro representaría sólo el 5% de la potencia total consumida. Para un aparato de pila de combustible más grande en el intervalo de 5 a 30 vatios, pueden ser necesarios ya sea más tubos o tubos con sección transversal mayor para gestionar mayores cantidades de flujo de fluido. Mediante el mantenimiento de la pérdida térmica de cada tubo

por debajo de 0,5 vatios, y preferentemente por debajo de 0,1 vatios, el porcentaje de pérdida de calor debido a las conexiones de fluido se puede mantener en o por debajo de 10%, y preferentemente por debajo de 5%, de la potencia total quemada como combustible en el dispositivo.

Conexión eléctrica de baja conductividad térmica

5 [0040] Otro objetivo general de la invención es reducir la pérdida de calor representada por conducción en sólidos a lo largo de las conexiones eléctricas. En una realización preferida, el valor de la pérdida de calor por cable eléctrico debe ser inferior a 0,5 vatios, y más preferentemente menos de aproximadamente 0,1 vatios. Una pérdida eléctrica de 0,1 vatios o menos por cable, sin embargo, requiere el uso de una mayor resistencia y conexiones con cables de diámetro más fino. La Tabla 3 muestra la correlación entre el diámetro del cable, la resistencia del cable, y la pérdida

10 de calor de los cables conocidos y los que son útiles en la invención (realizaciones 3 y 4). Nótese la correlación inversa entre la resistencia del cable y la pérdida de energía térmica a lo largo del cable, que es típica de conductores metálicos. Para los sistemas de pilas de combustible conocidas, donde las potencias de pila suelen sobrepasar 100 vatios y el calor total disipado es mayor que 300 vatios, una pérdida de 1 vatio por cable no es excesiva. Para un aparato de pila de combustible nominal de 20 vatios o menos, es deseable reducir la pérdida de

15 calor debida a los cables. El procedimiento empleado en esta invención para controlar la pérdida de calor es elegir las conexiones eléctricas en las que la resistencia eléctrica sobrepase 0,1 ohmios y preferentemente mayor que 0,5 ohmios.

Tabla 3: Comparación de los cables de conexión eléctrica. (La caída de temperatura a lo largo de la longitud del cable se supone que es de 700 ºC.)

Material del cable: diámetro del cable (micras) longitud del cable (mm) resistencia del cable (ohmios) pérdida de potencia por cable (vatios)

realización 1: Aleación Cr/Ni alloy 800 30 0.1 0.34

realización 2: Pt 800 30 0.02 1

realización 3: Aleación Cr/Ni 100 5 1.27 0.03

realización 4: Pt 50 5 0.81 0.02

[0041] A partir de la Tabla 3 es ventajoso escoger cables de conexión para puentear el espacio de aislamiento, donde la resistencia de los cables excede 0,5 ohmios. Para lograr un aparato de pila de combustible eficiente con esta limitación, sin embargo, se requieren otros cambios en los parámetros de funcionamiento del aparato de pila de combustible y en la construcción del apilamiento de pilas de combustible. Por ejemplo, las corrientes de salida deben 25 mantenerse a un nivel lo suficientemente bajo como para evitar la excesiva pérdida de potencia eléctrica por la resistencia en los cables de conexión. Por lo tanto, usando las técnicas descritas en este documento, se pueden reducir las corrientes hasta cualquier nivel de potencia dada mediante el aumento de la tensión de la célula de combustible. Sin embargo, en el pasado, este objetivo se lograba mediante la conexión o apilamiento de pilas de combustible individuales en serie de modo que los voltajes de sumaban. Para esta invención, que emplea cables de

30 conector por encima de 0,5 ohmios, se requiere una tensión de salida de apilamiento por encima de 10 volts, preferentemente por encima de 15 volts.

[0042] Un procedimiento para el apilamiento de voltajes es un apilamiento en el plano, disposición en la que las capas de membranas de pilas de combustible se apilan verticalmente de tal manera que el ánodo de una célula hace contacto eléctrico con el cátodo de la célula directamente por encima de ella. Un requisito de voltaje de salida

35 de 10 voltios para el apilamiento de pilas de combustible requeriría doce a veinte capas de membrana de pilas de combustible apiladas en la pila vertical. La forma de realización ilustrada en la figura 1, sin embargo, representa sólo dos capas de la membrana debido a la eficiencia de volumen. Sin embargo, es posible una tensión de salida ventajosa usando un concepto de apilamiento en el plano descrito en este documento.

[0043] La figura 3 ilustra el concepto de apilamiento en el plano. El apilamiento en el plano requiere la capacidad de

40 realizar patrones de ánodos, cátodos, y electrolitos de modo que se puedan hacer las conexiones de tensión de tipo serie. En la figura 3, un ánodo 22 del electrolito de la pila de combustible 23 puede ponerse en contacto eléctricamente con un cátodo 24 que está dispuesto detrás de un electrolito de pila de combustible de 23B adyacente. Un material de interconexión 25 permite una conexión eléctrica de baja resistencia entre el ánodo 22 y el cátodo 24. Unos elementos de soporte estructurales que se muestran en la figura 1 también son útiles para realizar

45 el patrón de los ánodos o cátodos en zonas discretas.

[0044] Teniendo en cuenta la naturaleza compacta del aparato de pilas de combustible integrado mostrado en la figura 1, y el objetivo de que las conexiones eléctricas puedan lograrse con cables de calibre estrechos (diámetros de menos de aproximadamente 100 micrómetros), también es deseable proporcionar un procedimiento fiable para unir los cables de conexión sin necesidad de utilizar tornillos voluminosos o conectores de crimpado. En una forma de realización, los cables de vía estrecha deben estar unidos tanto al aparato de pila de combustible integrado como a la tira de conector en la pared exterior por medio de una aleación de soldadura de alta temperatura o, preferentemente, por métodos de unión, tales como una unión termo-mecánica.

Naturaleza isotérmica del Aparato de Pilas de Combustible integrado

[0045] La eficiencia de un aparato de pila de combustible de óxido sólido mejora cuando todas las funciones del reformador, pila de combustible de combustible y quemador de gas de cola se integran en un solo alojamiento con la superficie mínima. La eficiencia también mejora cuando el alojamiento está diseñado con la suficiente conductividad térmica como para permitir una distribución eficiente de calor o intercambio de energía térmica entre los componentes. En particular, el quemador de gas de cola puede ser usado para compartir calor adicional lo cual mejora la eficiencia global. Por lo tanto, la energía térmica generada en el quemador de gas de cola mantiene una temperatura de funcionamiento más alta y más eficiente en el aparato de pila de combustible. De esta manera, se reducen las tensiones térmicas y costes asociados a calentar o enfriar el dispositivo.

[0046] Por otra parte, la mejora de eficiencia de la célula de combustible es posible mediante el funcionamiento de la célula de combustible a voltajes más altos, más cerca de un potencial electroquímico de equilibrio. Esta condición de funcionamiento implica la generación de menos calor residual cuando se compara con el funcionamiento a un voltaje de la célula de combustible más bajo. La cantidad necesaria de energía térmica para mantener la temperatura de funcionamiento es alcanzable mediante la extracción de calor de la combustión de combustibles infrautilizados en el quemador de gas de cola.

[0047] Se pueden emplear varios procedimientos para mantener la suficiente conductividad térmica y el funcionamiento casi isotérmico entre los componentes dentro del aparato de pila de combustible integrado. El silicio, utilizado como un material de sustrato es un excelente conductor térmico a temperaturas elevadas. Los sustratos de vidrio o de cerámica son una elección de materiales adecuados basados en conductividad térmica, siempre y cuando sus espesores de pared resultantes estén sustancialmente por encima de 100 micrómetros, y preferentemente por encima de 300 micras. La conductividad térmica de los sustratos de vidrio se ve reforzada por la deposición de películas delgadas metálicas en las zonas que no son eléctricamente activas, tales como las superficies exteriores del alojamiento. Algunos candidatos a recubrimientos metálicos térmicamente conductores incluyen el cromo, el oro, y el platino.

[0048] Como un medio para permitir el funcionamiento substancialmente isotérmico del sistema, es útil que el diseño del alojamiento integrado sea de tal manera que los componentes separados (reformador de combustible, quemador de gas de cola y membranas de las pilas de combustible) compartan entre cualquier par de ellos al menos una pared estructural común. Esta pared podría ser una pared exterior del alojamiento o podría ser una pared interna formada, por ejemplo mediante la unión de sustratos individuales.

[0049] Al compartir paredes estructurales y proporcionando sustratos con la suficiente conductividad térmica, es posible mantener las diferencias de temperatura entre los componentes durante el funcionamiento a menos de 150 º

C, preferentemente menos de 50 ºC.

Densidad de potencia

[0050] En el diseño de un aparato de pila de combustible de óxido sólido portátil, es importante determinar un espesor mínimo de material de aislamiento que seas adecuado para el mantenimiento de altas temperaturas de funcionamiento y sin consumo excesivo de energía del combustible. La cantidad de calor que se disipará desde un aparato de pila de combustible integrado es proporcional a su superficie. Un aparato de pila de combustible integrado diseñado para una aplicación de 5 vatios, por lo tanto, llega a ser difícil de aislar de manera eficiente debido a que su relación de superficie a volumen es mucho más alta que en un aparato de pila de combustible integrado, diseñado para aplicaciones a 20 vatios o más.

[0051] La densidad de potencia del aparato de pila de combustible integrado es un parámetro de diseño importante.

En particular, la densidad de potencia puede ser el parámetro de diseño que más influya en la eficiencia y el tamaño final del empaquetamiento de aislamiento. La densidad de potencia del aparato de pila de combustible integrado, expresada en vatios por centímetro cúbico (W / cc), determina la cantidad de superficie expuesta para cada vatio de electricidad producida. Como resultado, la influencia de la densidad de potencia eléctrica del aparato de pila de combustible integrado en el tamaño definitivo del empaquetamiento es grande y desproporcionada. Por ejemplo, un aparato integrado de pilas de combustible que es capaz de producir energía a 5 vatios y 1 w / cc requerirá un tamaño de empaquetamiento, incluyendo el aislamiento, de 66 cc. Por el contrario, un aparato de pila de combustible integrado con una potencia de 5 vatios y 2 W / cc puede estar aislado en el interior de un empaquetamiento de sólo 17,8 cc. Por lo tanto, un aumento de dos veces en los resultados de la densidad de potencia resulta en una reducción de 3,7 veces el tamaño de empaquetamiento sin pérdida en la eficiencia térmica.

(En este ejemplo se supone el uso de un aislamiento de aerogel (TM) nominal de 0,04 W / mK, manteniendo una caída de temperatura de 800 ºC)

[0052] La figura 4 muestra otra forma de realización de la presente invención, en este caso un aparato de pila de combustible más grande 105 que emplea cuatro capas de membrana diferentes. Cada capa, ya sea una membrana de la célula de combustible 114, una capa de distribución de aire u oxígeno 148, o capa de circulación de combustible 147, 149, 150, es de aproximadamente 0,5 mm o menos de espesor, de tal manera que la pila total es de aproximadamente 4,8 mm de altura. La figura 4 también incluye dentro de su alojamiento un reformador de combustible 110 y un quemador de gas de cola 112 construido como parte de la capa 146. Las capas de circulación de combustible llevan combustible del reformador de combustible más allá de sus respectivas membranas de pilas de combustible y / o llevan gases de escape al quemador de gas de cola después de pasar sus respectivas membranas de pilas de combustible. Utilizando la figura 4, se puede calcular el espacio promedio entre las capas de membrana, definida como la altura total del aparato de pila de combustible integrado (4.8 mm) dividida por el número de capas de la membrana (4). La separación media de membrana de la figura 4 es por lo tanto de aproximadamente 1,2 mm. En este caso, la densidad de potencia se puede obtener dividiendo la densidad de potencia media de cada capa de pilas de combustible (0,4 W/cm2) por el espacio promedio de membrana, lo que resulta en una densidad de potencia de aproximadamente 3,3 W / cc.

[0053] Es preferible la construcción del apilamiento de pilas de combustible que permita más de aproximadamente 2 vatios de energía eléctrica por centímetro cúbico de volumen del aparato de pila de combustible integrado. También es deseable hacer funcionar un apilamiento de pilas de combustible determinado de tal manera que produzca más de 2 W / cc. La energía producida por una célula de combustible puede ser controlada mediante la variación de la tensión, así como mediante la variación de la temperatura de la pila de combustible. Las pilas de combustible más grandes se hacen funcionar típicamente a tensiones superiores a la máxima potencia con el fin de aumentar la eficiencia de la conversión de energía química a eléctrica. Las densidades de potencia superiores a 1 W / cc, 1,5 W / cc, o preferentemente 2 W / cc, se incluyen en la presente invención.

[0054] El aumento de la tensión a un nivel que reduce la potencia de salida por debajo de aproximadamente 2 W / cc reduce de hecho la eficiencia global del sistema en los sistemas pequeños ya que el calor producido es insuficiente para mantener las temperaturas requeridas. La integración de un convertidor catalítico o quemador de gas de cola permite una cierta disminución en la producción de energía de pilas de combustible.

[0055] Una mejora significativa de la densidad de potencia se consigue mediante una reducción del espaciamiento vertical entre membranas. La separación media entre las membranas en la técnica existente está en el intervalo de 2,5 a 4 mm, mientras que la separación media en la invención es de típicamente menos de aproximadamente 1,5 mm, cercanos a valores tan pequeños como 1,0 mm. La ventaja de la menor separación entre la membrana se deriva de dos ventajosas características estructurales: a) el uso de diseños de membrana de material compuesto mecánicamente robustos, y b) el uso capas de circulación de flujo estructuralmente simples que están habilitadas para su en apilamiento en el plano. En esta forma de realización, también se hace un uso ventajoso de la arquitectura de pila de combustible en el plano de apilamiento. El apilamiento de pila de combustible en el plano hace posible una serie de ventajas estructurales que actúan conjuntamente para reducir el espacio entre las membranas y aumentar la densidad de potencia a valores muy por encima de 2 W / cc.

[0056] El uso de estructuras de membrana de material compuesto se ha descrito en la Publicación Internacional copropiedad N º WO 2005/030376. En pocas palabras, las estructuras de membrana compuestas hacen posible la combinación de un elemento de soporte estructural fuerte en combinación con capas de membrana delgada de YSZ (<2 μm). Esta estructura tiene fuerza para soportar las tensiones de ciclos térmicos sin necesidad de exceso de espesor del sustrato y se puede lograr utilizando obleas de silicio con espesores de alrededor de 0,5 mm o más delgadas. Las estructuras de materiales compuestos similares pueden ser construidas a partir de sustratos cerámicos densos, por ejemplo materiales Al2O3, independientemente del coeficiente de expansión térmica, en la medida en que obedecen a las reglas de diseño de la solicitud de patente anteriormente identificada.

[0057] En las técnicas de fabricación de capas conocidas, se requiere una placa bipolar impermeable a los gases para separar los flujos de gas de combustible y aire. Una pila plana vertical requiere que se haga contacto eléctrico entre el ánodo de una capa de membrana y el cátodo de la capa adyacente. Sin embargo, no se debe permitir que el combustible que pasa por el ánodo se mezcle con el aire que fluye por el cátodo. Por lo tanto, se suele emplear una placa bipolar eléctricamente conductora que no sólo realiza la conexión eléctrica entre las capas, sino que también distribuye el combustible al ánodo, el aire al cátodo, y realiza una separación hermética entre los flujos de gas.

[0058] Volviendo a la figura 1, no se requiere dicha separación de gas en las capas de circulación ya que el cátodo de la membrana de la célula de combustible 14 se enfrenta directamente al cátodo de la membrana de la célula de combustible 16. Ambas capas de la membrana comparten el mismo flujo de gas y no se requiere ninguna conexión eléctrica entre estas dos capas de pila de combustible. Por lo tanto, se simplifica el diseño de la capa de circulación de flujo y son posibles capas de circulación de flujo extremadamente delgadas, con espesores en el intervalo de 0,3 a 0,5 mm.

[0059] La figura 5 ilustra una de estas capas de circulación de flujo, que tiene la geometría compatible con el apilamiento de pilas de combustible de cuatro capas que se muestra en la figura 4. Las aberturas 180 proporcionan un paso vertical del combustible de una capa de la pila a capas dispuestas por encima o por debajo. Los canales 182 proporcionan el flujo de aire al cátodo. En la medida en que la capa de circulación de flujo 148 separa dos capas de cátodo enfrentadas, sólo es necesaria una estructura nervada simple para añadir tanto rigidez estructural a la pila como para proporcionar distribución de aire suficiente a todas las superficies del cátodo.

[0060] La capa de circulación de flujo puede estar compuesta por un material rígido tal como el silicio. La elección de silicio en esta forma de realización tiene la ventaja adicional de hacer coincidir los materiales estructurales entre todas las capas de la membrana y las capas de circulación de flujo. De esta manera, se pueden evitar las tensiones asociadas con diferentes coeficientes de expansión térmica entre estos dos materiales estructurales.

[0061] La capa de circulación de flujo puede ser mecanizada o estampada a partir de un material metálico. Sin embargo, el coeficiente de expansión térmica de la capa de circulación de flujo debe permanecer sustancialmente similar a la del material estructural de la capa de membrana. Las capas de circulación de flujo metálicas delgadas no serán tan rígidas como una capa de circulación construida a partir de silicio, pero el silicio u otro material cerámico empleado para la capa de membrana proporcionarán más que suficiente rigidez y proporcionará una resistencia global suficiente a la pila para resistir las tensiones de los ciclos térmicos.

Generación de calor / Aislamiento

[0062] Además, para mantener la salida de potencia eléctrica por encima de aproximadamente 2 W / cc, también se mejoran el rendimiento del sistema y el tamaño si el calor térmico generada se mantiene por encima de 2 W / cc. Debido a la superficie cada vez mayor en los pequeños tamaños, es deseable mantener una densidad suficientemente alta de calor con el fin de mantener la temperatura de funcionamiento del dispositivo. Si el aparato de pila de combustible por sí solo no produce suficiente calor, el uso de un quemador de gas de cola para quemar combustible adicional con el fin de mantener el calor por encima de 2 W por centímetro cúbico es ventajoso para un funcionamiento del dispositivo eficiente. Asegurarse de que el dispositivo funcionará con más de 2 W de calor por centímetro cúbico permite que el espesor de aislamiento se reduzca al mínimo, produciendo de este modo un dispositivo que es comercialmente competitivo con baterías existentes.

[0063] El diseño del volumen de aislamiento en el sistema de pilas de combustible de óxido sólido es otra área para la mejora de eficiencia de la pila de combustible de sólido óxido. Las cerámicas fibrosas o micro-porosas se han utilizado para aislar el alojamiento de alta temperatura del empaquetamiento exterior y sus alrededores y reducir al mínimo la cantidad de calor residual que se pierde por conducción a través del aislamiento. Hay materiales Aerogel disponibles, por ejemplo, que poseen bajas conductividades térmicas tan bajas como 0,04 W / mK y que son estables para el funcionamiento a 800 ºC.

[0064] Tal vez el aislamiento más eficiente en espacio, en particular para los pequeños empaquetamientos, es un aislamiento por vacío. Esto permite que partes del aparato de pila de combustible funcionen como un termo con las paredes exteriores y el volumen aislante mantenga los componentes integrados dentro del alojamiento a una temperatura deseada. Mediante el mantenimiento de presiones totales de gas en el volumen de aislamiento de menos de 13,3 Pa (100 mtorr.), preferentemente menos de 2,67 Pa (20 mtorr.), más preferentemente menos de 1,33 Pa (10 mtorr.), es posible eliminar sustancialmente cualquier pérdida térmica por conducción desde el alojamiento a través de la fase de gas. Se puede formar un vacío parcial dentro del volumen de aislamiento delimitado por la pared exterior por evacuación con una bomba de vacío, a través de un puerto de salida de gases, o como alternativa, mediante la realización del proceso de sellado conjunto de los elementos de la pared exterior dentro de una atmósfera evacuada.

[0065] Cuando se utiliza la realización de un empaquetamiento en vacío, y eliminando el uso de un material de aislamiento sólido grueso, tales como aerogel, un nuevo tipo de pérdida térmica de la alojamiento se convierte en un problema en la forma de pérdida de calor por medio de radiación infrarroja. La radiación infrarroja que emana de las superficies del alojamiento puede ser, de hecho, el mecanismo de pérdida de calor dominante para el empaquetamiento de aislamiento ilustrado en la figura 1.

[0066] Hay por lo menos tres métodos para reducir la pérdida de calor por radiación, cualquiera que se pueden utilizar solos o en combinación. Estos se pueden ver volviendo a la figura 1. En primer lugar, se aplica una capa reflectante a las superficies exteriores del aparato de pila de combustible integrada, reduciendo de este modo la emisividad infrarroja y la pérdida de potencia de la superficie caliente. En segundo lugar, se puede proporcionar un reflector de la radiación 40 a lo largo de las superficies interiores de la pared exterior de vacío 30 a los efectos de devolver la radiación infrarroja de vuelta al aparato de pila de combustible integrado. Este reflector de radiación puede ser construido por medio de un recubrimiento metálico que se deposita sobre las superficies interiores de la pared exterior 30, o por medio de un material reflectante metálico o de infrarrojos que está unido mecánicamente a las superficies internas de la pared de vacío. Además, puede disponerse una serie de reflectores de infrarrojos paralelos entre la superficie caliente y la superficie fría de la pared exterior.

[0067] Por lo tanto, las realizaciones anteriores deben considerarse en todos los aspectos como ilustrativas antes que limitantes de la invención descrita en este documento. El alcance de la invención está por lo tanto definido por las reivindicaciones adjuntas en lugar de por la descripción anterior, y todos los cambios que entren dentro del significado y rango de equivalencia de las reivindicaciones están destinados a ser abarcados por las mismas.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Aparato (5) que comprende un alojamiento (18), integrando el alojamiento: una pila de combustible (14, 16); y un quemador de gas de cola (12) en comunicación térmica con la pila de combustible (14, 16), un volumen de aislamiento (28) dispuesto adyacente a un exterior del alojamiento (18); una pared exterior (30) que envuelve el alojamiento (18) y el volumen de aislamiento (28), en el que el

alojamiento (18) define una zona sustancialmente isotérmica; caracterizado por el hecho de que el aparato también comprende: un elemento de conexión de fluido de baja conductividad térmica comunicado mediante fluido con el quemador de gas de cola (12) y dispuesto dentro del volumen de aislamiento (28) entre el quemador de gas de cola (12) y la pared exterior (30), comprendiendo el elemento de conexión de fluido de baja conductividad térmica uno de entre: un tubo de conducción de fluido micromecanizado, un tubo concéntrico, o un tubo capilar de vidrio.
2.

El aparato según la reivindicación 1, en el que el alojamiento (18) integra un reformador de combustible (10) y el reformador de combustible está en comunicación térmica con la pila de combustible (14, 16).
3.

El aparato según la reivindicación 1, en el que la pila de combustible (14, 16), un reformador de combustible (10), y el quemador de gas de cola (12) están integrados dentro del alojamiento y operan a la misma temperatura, produciendo de este modo una densidad de potencia eléctrica para el aparato que es mayor que o igual a aproximadamente 2 W/cc.
4.

El aparato según la reivindicación 1, en el que la pila de combustible (14, 16) es una pila de combustible de óxido sólido.
5.

El aparato según la reivindicación 4, en el que la pila de combustible de óxido sólido (14, 16) comprende una capa de membrana que tiene un espesor menor que o igual a aproximadamente 500 mm.
6.

El aparato según la reivindicación 5, en el que la pila de combustible de óxido sólido (14, 16) comprende una pluralidad de pilas de combustible que definen un plano de modo que se crea un apilamiento de pila de combustible en el plano.
7.

El aparato según la reivindicación 6, en el que el alojamiento (18) comprende dos apilamientos de pila de combustible en el plano que son sustancialmente paralelos.
8.

El aparato según la reivindicación 1 que comprende además un elemento eléctrico de baja conductividad térmica en comunicación eléctrica con la pila de combustible (14, 16), en el que el elemento eléctrico de baja conductividad térmica tiene un diámetro menor que o igual a aproximadamente 50 mm.
9.

El aparato según la reivindicación 1, en el que el volumen de aislamiento comprende una presión reducida, una espuma aislante, un reflector térmico, o combinaciones de estos.
10.

El aparato según la reivindicación 1 que comprende además un recuperador de calor en comunicación térmica con el quemador de gas de cola (12).
11.

El aparato según la reivindicación 10, en el que el recuperador de calor está localizado en el volumen de aislamiento.