ES2587427T3 - Bloque de SOFC con placa separadora corrugada - Google Patents

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Abstract

Bloque de células SOFC que comprende unidades de célula de diseño rectangular (1), una unidad de célula que comprende un ánodo (8), un electrolito (9) y un cátodo (10), el bloque que comprende además placas separadoras (3) que son comunes a unidades de célula adyacentes, una placa separadora (3) que comprende una corrugación (17) en la sección central de la misma, donde aberturas en la placa separadora y sellados en ella proporcionan una entrada de gas de ánodo y una salida de gas de ánodo en lados opuestos de la unidad, y una entrada de gas de cátodo y una salida de gas de cátodo en lados de la unidad que son diferentes de los lados donde se proporcionan la entrada y salida de gas de ánodo, donde dicha corrugación comprende un patrón ondulatorio que se extiende desde el centro de la placa separadora a ambos lados de la placa separadora, sirviendo los conductos de dicha corrugación para transportar gas de ánodo y gas de cátodo a lo largo del cátodo y ánodo, respectivamente, donde dicha corrugación resiste directamente contra el ánodo y donde la entrada de gas de ánodo, la entrada de gas de cátodo y la corrugación está dispuestas de manera que se consigue un co-flujo de gases de ánodo y de cátodo.

Description

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Bloque de SOFC con placa separadora corrugada
[0001] La presente invencion se refiere a un bloque de celulas SOFC.
Bloques de celulas SOFC son, por ejemplo, conocidos por la patente NL1026861 o WO 2004/049483 A2.
[0002] Aunque tal bloque de celulas tiene ventajas comparado con lo que es conocido de la otra tecnica anterior, hay limitaciones con respecto a la capacidad de tales bloques.
[0003] Es un objeto de la presente invencion aumentar la capacidad de bloques de celulas y simplificar el bloque de celulas.
[0004] Empezando por una celula propiamente dicha que comprende anodo, electrolito y catodo, una estructura, en el lado del anodo, consistente en dos placas de ranura se usa en esta para proporcionar conductos de gas para el gas de anodo cuando se colocan dichas ranuras unas encima de otras de una manera escalonada.
[0005] Con esta conocida estructura, una estructura de rejilla se usa en el lado del catodo que consiste en dos placas que comprenden un colector de corriente y un elemento de distribucion de gas (metal expandido).
Ademas, se hace uso de una placa auxiliar en la que se proporcionan ranuras para suministrar lateralmente gases de catodo y aberturas para el flujo vertical de gases de anodo.
[0006] Aunque esta unidad de celula es satisfactoria en principio, tiene un numero de inconvenientes.
En primer lugar, el numero de componentes es relativamente grande.
Ademas de resultar un aumento en los costes de produccion, tambien crea problemas con respecto al sellado, ya que cada componente tiene una tolerancia y, si un numero de componentes son amontonados unos encima de otros, la tolerancia total puede volverse tal que el sellado ya no sea simple.
[0007] Es un objeto de la presente invencion proporcionar una unidad de celula simplificada por medio de la cual es posible conseguir excepcionalmente una alta eficiencia bajo condiciones que se pueden controlar muy bien.
Ademas, es un objeto de la invencion mejorar el numero de uniones electricas y asf mejorar la resistencia del bloque de celulas.
Tambien se pretende conseguir distribucion de gas mejorada, en particular distribucion mejorada del gas de anodo y gas de catodo.
Ademas, se pretende producir un sellado que sea de una forma de realizacion mas simple, reduciendo asf el riesgo de filtraciones, en particular en un bloque de celulas.
[0008] Este objeto se consigue por un bloque de celulas que tienen las caracterfsticas segun la reivindicacion 1.
[0009] Mediante la presente invencion, es posible arreglar el anodo y catodo abriendo en una posicion perpendicular uno respecto al otro, como resultado de lo cual la seccion transversal de la abertura para cada una de estas aberturas puede ser hecha tan grande que resulte en una resistencia al flujo lo mas pequena posible, y una distribucion uniforme de gases es posible.
Preferiblemente, el flujo de gas de anodo y catodo tiene lugar en la misma direccion (co-flujo), como resultado de lo cual la accion de la celula es optimizada.
Ademas, es posible de esta manera simplificar la forma de realizacion de los varios sellados el maximo posible y limitar el numero de sellados y su longitud, aumentando asf la fiabilidad operativa.
[0010] Segun la presente invencion, se propone como un primer paso no hacer ya las placas separadoras conocidas del estado de la tecnica anterior, sino proveerlas con una ondulacion o corrugacion.
El espacio entre las corrugaciones funciona como un conducto tanto para el gas de anodo como el gas de catodo. Segun la presente invencion, esta corrugacion se realiza de tal manera que puede resistir directamente contra el anodo o el catodo.
Como resultado de esto, un numero de partes del concepto existente se convierten en redundantes, es decir las dos placas de ranura descritas anteriormente en el lado del anodo y el metal expandido en el lado del catodo.
Esto resulta en una unidad de celula mucho mas compacta que se puede sellar mas sencillamente debido a que las tolerancias que el sellado tiene que acomodar son menores.
Ademas, hay menos uniones electricas, dando como resultado un rendimiento mas alto de la unidad de celula.
[0011] Ademas, al mover el conducto de suministro de gas de anodo al lado de la celula, la distribucion de gas de anodo y de catodo a traves de la celula se mejora.
[0012] En esta forma de realizacion particular, gas de anodo y gas de catodo (y su descarga, respectivamente) se suministran a lados diferentes de la celula sustancialmente rectangular, pero el flujo sigue esta corrugacion.
Mas particularmente, este desplazamiento tiene lugar en el co-flujo de modo que se puede conseguir una eficiencia optima de la celula.
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Esto significa que la distribucion de temperature se optimiza al igual que el grado de disminucion (uniforme) del gas (de anodo) usado.
Como resultado de esto, se puede conseguir un grado alto de conversion y asf una alta eficiencia.
El suministro de gas de catodo puede ocurrir en ambos (con pequenos bloques de celulas) via aberturas que se ponen en las placas separadoras y situadas una encima de otra y (con bloques de celulas grandes) mediante un suministro/descarga situado fuera de la unidad de celula.
En este ultimo caso (con colector externo), una cantidad particularmente grande de gas de catodo se puede pasar a traves de la celula, como resultado de lo cual el gas de catodo no solo tiene una funcion electroqufmica, sino tambien una funcion de enfriamiento.
Gas de catodo se puede suministrar en exceso.
La celula descrita anteriormente puede tener tanto soporte de anodo como soporte de electrolito.
[0013] Segun una forma de realizacion particular de la presente invencion, la corrugacion del conducto de entrada y/o de salida del anodo y/o catodo se extiende y soporta un sellado del mismo.
Es decir, la corrugacion proporciona un gran numero de conductos paralelos mientras, por otro lado, el envasado es soportado por la corrugacion.
Si el bloque de celulas es relativamente grande, esto supondra problemas con el sellado.
Se ha descubierto que esto es causado por el hecho de que la presion en los envases respectivos es insuficiente. Esto es causado por el hecho de que un embalaje funciona de hecho entre dos partes (de chapa metalica), pero que una cavidad que esta definida por la estructura esta presente bajo una de esas partes para el suministro y/o descarga de un gas.
Como resultado de ello, la serie de embalajes que se apilan uno detras de otro no forman una unidad rfgida ya que hay siempre una abertura presente y no es posible producir una presion de embalaje suficientemente grande para proporcionar un sellado sin cerrar la abertura respectiva y/o conductos, como en la WO 2004/049483 A.
En contraste, segun la invencion, cada embalaje es soportado en la direccion del apilamiento por un embalaje subyacente, como resultado de lo cual se consigue una presion de embalaje suficientemente grande para asegurar un sellado satisfactorio.
[0014] Segun otra forma de realizacion de la presente invencion, un colector de corriente es evitado organizando el catodo de manera que este resista directamente contra la placa separadora.
En este caso, la placa donde la celula es colocada (placa de suministro de gas de catodo) es preferiblemente hecha como una placa plana, es decir no provista de conductos.
En esta forma de realizacion, los conductos que proporcionan la conexion entre el catodo y la entrada y/o salida del
catodo estan dispuestos en la placa separadora que, con este fin, dispone de corrugacion adicional y es
preferiblemente producida por presion.
Ademas, segun otra forma de realizacion ventajosa, la placa separadora dispone de elevaciones adicionales asumiendo el papel de colector de corriente.
[0015] La invencion tambien se refiere a un bloque de celulas SOFC donde un numero de unidades de celula son apiladas unas encima de otras como se ha descrito anteriormente y que comprenden placas separadoras comunes.
[0016] La invencion se describira bajo con referencia a una forma de realizacion ejemplar que se ilustra en el dibujo, donde:
Fig. 1 muestra esquematicamente las diferentes partes para la formacion de una unidad de celula;
Fig. 2 muestra una placa separadora con celula y sellados con mas detalle;
Fig. 3 muestra una vista desde arriba de la placa de suministro de gas de catodo con detalle;
Fig. 4 muestra una vista desde abajo de la placa de suministro de gas de catodo;
Fig. 5 muestra una variante de la estructura mostrada en las figuras precedentes;
Fig. 6 muestra una forma de realizacion particular de la variante mostrada en la fig. 5,
Fig. 7 muestra otra variante de la estructura mostrada en la fig. 1,
Fig. 8 muestra un detalle de la fig. 7 y Fig. 9 muestra otra variante de la fig. 6.
[0017] En la fig. 1, una unidad de celula se indica en general con el numero de referencia 1.
Como esta claro por la fig. 6, la ultima es preferiblemente combinada con un gran numero de otras unidades de celula para asf formar un bloque de celulas.
[0018] La celula propiamente dicha se forma por electrolito 9 que se delimita en un lado por anodo 8 y se delimita por otro lado por catodo 10.
Segun la invencion, placas separadoras 3 estan presentes a cada lado de la unidad de celula propiamente dicha, con la placa separadora superior 3 directamente adyacente al catodo 10 y la placa separadora ultima 3 directamente adyacente al anodo 8.
Esto significa que no hay otros componentes entre la placa separadora y el anodo y catodo, respectivamente.
Si se desea, una placa colectora de corriente 35 esta presente entre el catodo 10 y la placa separadora respectiva 3. La superficie del catodo 10 y mas particularmente la circunferencia externa de la misma es menor que la del electrolito 9 y/o la del anodo 8.
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Como resultado de esto, un envase 11 puede estar dispuesto en el electrolito 9, estando el catodo 10 allf encerrado. Si una placa colectora de corriente 35 esta presente, esta ultima es tambien encerrada por el sellado 11.
Este sellado 11 proporciona un sellado de gas entre el gas de anodo y el gas de catodo.
[0019] Para permitir que gas y electrones sean transportados, la placa separadora 3 segun la invencion se disena de una forma particular.
En la forma de realizacion mostrada en las figuras 1-4, la ultima consiste en una placa que es plana a lo largo de la periferia y tiene una corrugacion 17 en su centro.
La superficie de la corrugacion 17 corresponde a la superficie del anodo.
Debido a que la superficie del catodo es menor que la del anodo y la corrugacion se extiende en ambos lados de la placa separadora 3, la superficie de la corrugacion sera mayor que la del catodo.
En la periferia de la placa separadora 3, hay aberturas de suministro/descarga de gas de anodo 4 y en angulos rectos a las mismas, es decir en la direccion en lfnea con las corrugaciones 17, aberturas de suministro/descarga de gas de catodo 14.
Una placa de suministro de gas de catodo 15 es colocada entre dos placas separadoras.
Esta provista de una abertura interna 36 para permitir que se aloje dentro un colector de corriente 35.
[0020] Como se puede observar en la vista desde arriba de la fig. 3, esta provista de conductos de gas de catodo 57 en un lado mientras, como se puede observar en la fig. 4, el lado inferior de esta placa de suministro de gas de catodo 15 es de un diseno plano.
Como se puede observar en las figuras 1 y 2, un numero de sellados estan presentes.
Sellados anulares 12 sellan los conductos de gas de catodo 14.
Otro sellado 37 esta presente para sellar los conductos de gas de anodo 4.
Sin embargo, para hacer posible un flujo de gas de anodo, una parte interna de este sellado, marcado por la referencia numerica 38, se disena para terminar de un modo suelto.
Se transporta gas de anodo de acuerdo con las flechas 7.
[0021] Debido a la presencia de un numero de conductos de gas de catodo separados entre si 57 y los tejidos situados entremedias, la presion de envase que es transmitida desde los extremos a un bloque de celulas se transfiere al componente siguiente del bloque de celulas via estos tejidos que estan situados entre los conductos 57. Como resultado de esto, es posible asegurar que hay en cada caso presion de envase suficiente en cada envase y asf sellado a traves de un bloque de celulas relativamente grande.
[0022] Un colector 6 en cada caso limita con las aberturas 4.
Esto significa que el gas de anodo se mueve en angulos rectos hacia la direccion en la que es suministrado por las corrugaciones 57 descritas anteriormente a lo largo del lado de anodo de la celula.
Como la placa separadora 3 es preferiblemente una placa metalica dentro de la cual las corrugaciones son presionadas, las corrugaciones sustancialmente tienen la misma posicion y la misma direccion (por ejemplo direccion longitudinal) en ambos lados de la placa.
Es posible hacer la dimension de la seccion transversal de los conductos de gas de catodo ligeramente mayor (por ejemplo 10-50% mayor) que la dimension de la seccion transversal de los conductos de gas de anodo al influir en la forma de la corrugacion.
Esto se debe al hecho de que el gas de catodo puede tambien tener la funcion de un gas refrigerante ademas de su funcion electroqufmica.
[0023] El gas de catodo se puede mover en la misma direccion que el gas de anodo.
El material de sellado usado puede ser cualquier material conocido de la tecnica anterior. Segun una forma de realizacion ejemplar de la invencion, un material de vidrio, y mas particularmente un material de vidrio/ceramica, se usa para este proposito.
Si se desea, combinaciones con mica son posibles.
[0024] Fig. 5 muestra esquematicamente un numero de posibilidades para el chorro de gas de anodo.
[0025] Fig. 5a muestra la forma de realizacion ilustrada en las figuras 1-4 donde el gas de anodo fluye a traves del ancho completo de la placa separadora, distribuido via un colector unico 6 a traves de las corrugaciones 17 via una abertura unica 4, a un colector 6 opuesto y se descarga nuevamente via la abertura asociada 4.
[0026] Fig. 5b muestra una variante donde el conducto 4 se divide en dos conductos 44 y 45 con conducto 44 siendo un conducto de suministro y conducto 45 siendo un conducto de descarga.
En esta forma de realizacion, el gas se suministra y se descarga simetricamente via colector 6, como resultado de lo cual la distribucion constante del gas de anodo a traves de la celula puede ser mejorada.
[0027] Con bloques de celulas relativamente grandes, es posible realizar el suministro de gas de catodo via un colector externo.
En el caso de tal forma de realizacion, las aberturas de gas de catodo 14 mostradas en las figuras precedentes ya no estan incorporadas en la placa separadora 3.
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Esto significa, por ejemplo con la forma de realizacion como se ilustra en la fig. 1, que el lfmite externo de la placa separadora es formado por el lfmite externo del sellado 37.
Como resultado de esto, una unidad de celula particularmente compacta puede ser producida, donde el gas de catodo es suministrado via un colector externo.
Tal variante tambien puede usarse con el flujo ilustrado en la fig. 5b.
Esto se muestra por medio de ejemplo en la fig. 6.
En este caso, un sellado esta presente en el lado del anodo entre la unidad de celula mas abajo y la abertura de suministro de gas de anodo 21 y la abertura de descarga de gas de anodo 22.
En el lado del catodo, las corrugaciones estan abiertas al entorno via conductos 57 (ver fig. 1).
[0028] Un gran numero de unidades de celula son apiladas una encima de otra y forman un bloque de celulas 27.
Los gases de catodo se suministran mediante una taquilla cerrada 26.
El bloque de celulas 27 divide esta taquilla en un espacio de distribucion de suministro de gas de catodo 29 y un espacio de distribucion de descarga de gas de catodo 29 siendo provisto el espacio ultimo con una abertura de descarga 24.
Gas de anodo es suministrado via abertura 21 y descargado via abertura 22.
Estas aberturas acaban en aberturas 4 como se ha descrito anteriormente.
La forma de realizacion de la fig. 6 tiene la ventaja de que grandes cantidades de gas de catodo (aire) se pueden alimentar de una manera simple, de modo que esto pueda tener una funcion de enfriamiento.
[0029] Fig. 7 muestra otra variante de la presente invencion.
Siempre y cuando sea aplicable, los numeros de referencia usados en el ultimo corresponden a aquellos usadas en la fig. 1 excepto que ellos han sido incrementados en 60.
Esto significa que la unidad de celula se indica en general con la referencia numerica 61, con la celula propiamente dicha siendo formada por electrolito 69 que se delimita en un lado por un anodo 68 y por otro lado por un catodo 70. En esta variante, las placas 63 y 75 son realizadas diferentemente.
Aquf, la placa 75 es una placa lisa, es decir que los conductos ilustrados en la fig. 3 no estan presentes en ella.
Ni hay un colector de corriente presente en esta forma de realizacion.
[0030] Para permitir que gas sea transportado, la placa 63 dispone de un acanalamiento o corrugacion 77.
En el lado superior ilustrado, el ultimo es sellado por los envases y en el lado inferior esta funcion se realiza por los conductos 57 que han sido ilustrados en la Fig. 3.
Ademas, la corrugacion 77 dispone de una elevacion local en la ubicacion del catodo, como se puede observar en el detalle ilustrado de la fig. 8, como resultado de lo cual ningun colector de corriente separado es requerido.
[0031] Fig. 9 muestra un bloque de celulas con colector externo, donde una parte se fragmenta en el lado superior para mostrar que, en comparacion con la fig. 7, conductos 64 estan presentes y conductos 74 no lo estan.
[0032] Tras leer lo anterior, expertos en la tecnica seran capaces inmediatamente de pensar en variantes que caen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y son obvias siguiendo la lectura de lo anterior.

Claims (9)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. Bloque de celulas SOFC que comprende unidades de celula de diseno rectangular (1), una unidad de celula que comprende un anodo (8), un electrolito (9) y un catodo (10), el bloque que comprende ademas placas separadoras (3) que son comunes a unidades de celula adyacentes, una placa separadora (3) que comprende una corrugacion (17) en la seccion central de la misma, donde aberturas en la placa separadora y sellados en ella proporcionan una entrada de gas de anodo y una salida de gas de anodo en lados opuestos de la unidad, y una entrada de gas de catodo y una salida de gas de catodo en lados de la unidad que son diferentes de los lados donde se proporcionan la entrada y salida de gas de anodo, donde dicha corrugacion comprende un patron ondulatorio que se extiende desde el centro de la placa separadora a ambos lados de la placa separadora, sirviendo los conductos de dicha corrugacion para transportar gas de anodo y gas de catodo a lo largo del catodo y anodo, respectivamente, donde dicha corrugacion resiste directamente contra el anodo y donde la entrada de gas de anodo, la entrada de gas de catodo y la corrugacion esta dispuestas de manera que se consigue un co-flujo de gases de anodo y de catodo.
  2. 2. Bloque de celulas segun la reivindicacion 1, donde tanto el anodo como el catodo se apoyan directamente contra la corrugacion.
  3. 3. Bloque de celulas segun la reivindicacion 1, donde un colector de corriente (35) esta dispuesto entre el catodo y la corrugacion.
  4. 4. Bloque de celulas segun una de las reivindicaciones anteriores, donde la entrada de gas de catodo y salida de gas de catodo (29) son separadas de la unidad de celula.
  5. 5. Bloque de celulas segun una de las reivindicaciones anteriores, donde la dimension de la seccion transversal de los conductos de gas de catodo delimitada por la corrugacion es al menos 10% mayor para los conductos de gas de catodo que la dimension de la seccion transversal de los conductos de gas de anodo.
  6. 6. Bloque de celulas segun una de las reivindicaciones anteriores, donde la unidad de celula comprende un sellado (11) que actua entre el catodo (8) y la placa separadora (3).
  7. 7. Bloque de celulas segun una de las reivindicaciones anteriores, que comprende una placa de suministro de gas (15) dispuesta entre dos placas separadoras (3) y que aloja el anodo, el electrolito y el catodo dentro.
  8. 8. Bloque de celulas segun la reivindicacion 7, donde la unidad de celula comprende un sellado (37) que solo actua entre la placa separadora (3) y la placa de suministro de gas de catodo (15).
  9. 9. Bloque de celulas segun una de las reivindicaciones anteriores, alojado en una carcasa (27) provista de un colector de suministro de gas de catodo (29) y un colector de descarga de gas de catodo (29).
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