Aparato de pila de combustible de alta temperatura y su gestión térmica, de reactivos y de seguridad.

Un aparato (200), que comprende un alojamiento de pila de combustible (208),

una pila de combustible (202)dispuesta dentro del alojamiento de pila de combustible, y un volumen de aislamiento (210) dispuesto adyacente aun exterior del alojamiento de pila de combustible y que define una región que tiene una presión reducidaseleccionada para proporcionar aislamiento térmico cerca del exterior del alojamiento de pila de combustible,caracterizado por el hecho de que dicho aparato comprende además: un conducto de parada de llamas encomunicación de fluido con la pila de combustible y un exterior del volumen de aislamiento, en el que el conducto deparada de llamas cubre una parte del volumen de aislamiento y tiene un diámetro que va de 0.05 mm a 1.65 mm.

Aparato de pila de combustible de alta temperatura y su gestión térmica, de reactivos y de seguridad

Sector técnico [0001] La invención se refiere a aparatos y procedimientos que mejoran la eficiencia y la seguridad de la pila de combustible. En una forma de realización, la invención se refiere a las pilas de combustible adaptadas para mejorar el balance energético mediante la integración de múltiples componentes de pila de combustible en una zona isotérmica.

Antecedentes [0002] Las pilas de combustible que operan en conjunción con depósitos de combustible reemplazables llenos de, por ejemplo, hidrógeno gaseoso, metanol, butano o diesel combustible, son una tecnología en desarrollo. Estos tipos de pilas de combustible están diseñados para competir con las diversas soluciones de batería que dan potencia a productos de consumidor. 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 el depósito, la capacidad de la pila de combustible para convertir la energía química en energía eléctrica con determinadas eficiencias, y la necesidad de que la pila de combustible, junto con los componentes de bombeo de líquido y de control de potencia asociados, no sea más grande que una batería competitiva.

Se han logrado mejoras en la densidad de energía y la eficiencia de conversión química con pilas de combustible óxido-sólido (SOFC) , que utilizan membranas de cerámica en lugar de membranas de polímero. Dado 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 alta densidad de energía y aún así lograr eficiencias de conversión de energía adecuadas.

Sin embargo, las pilas de combustible de óxido sólido, requieren operación de membrana y de catalización a temperaturas por encima de 600 ºC, a menudo por encima de 750 º C. Por consiguiente, los diseñadores de pilas de combustible de óxido sólido para aplicaciones de potencia portátiles deben proteger al usuario final del calor elevado y sin añadir demasiado tamaño al conjunto. Además, a día de hoy, una pila de combustible de óxido sólido que funciona a 800 º C puede irradiar o transmitir fácilmente diez veces más energía al medio ambiente en forma de calor perdido que la energía eléctrica entregada al usuario. Tal 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 ºC. Por lo tanto, con tan baja eficiencia, es poco probable que las pilas de combustible de óxido sólido actuales puedan competir con las baterías.

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 eficiente energéticamente, las pilas más convencionales de combustible de óxido sólido proporcionan relaciones potencia volumen por debajo de 0, 1 W / cc.

Además, el aparato de pila de combustible existente y diseños de sistemas proporcionan los elementos calentados (distintos de las pilas de combustible de óxido sólido) para mejorar la eficiencia del sistema. Sin embargo, cada componente calefactado añade volumen al aparato y la cantidad de aislamiento necesaria para evitar la disipación de calor excesiva.

US 6, 682, 841 describe un aparato que comprende un alojamiento de pila de combustible, una pila de combustible dispuesta dentro del alojamiento de pila de combustible, un camino de circulación de fluido capaz de llevar combustible desde una fuente de combustible a la pila de combustible, un circuito de control para garantizar la operación segura del aparato de pila de combustible, y un volumen de aislamiento dispuesto adyacente a un exterior del alojamiento de pila de combustible y que define una región que tiene una presión seleccionada para proporcionar aislamiento térmico cerca del exterior del alojamiento de pila de combustible.

Existe una necesidad de construir un aparato de pila de combustible en miniatura, que cuando se combina con un recipiente de combustible portátil, pueda proporcionar capacidades de almacenamiento de energía similares a o superiores a las de las baterías recargables, por ejemplo, mayor que 200 vatios - hora por litro (W-hr / L) , y preferiblemente mayor que 400 W-h / L. Una pila de combustible sería de gran valor para la alimentación de dispositivos electrónicos portátiles, cuyas funciones están actualmente a menudo limitadas por la capacidad de la energía de las baterías. Además, habida cuenta de las muchas posibles aplicaciones de suministro de energía de interés para los consumidores individuales, una pila de combustible segura para los usuarios individuales también es de gran valor.

Resumen de la invención [0009] La presente invención proporciona un aparato según la reivindicación 1 y un procedimiento de fabricación de un aparato de pila de combustible según la reivindicación 6.

Preferentemente, la eficiencia del combustible se consigue, en parte, mediante la regulación de la eficiencia térmica. Específicamente, la mejora de la eficiencia térmica puede resultar, en parte, de cualquiera o una combinación de los siguientes factores: la integración del reformador de combustible, de la pila de combustible, y del quemador de gas de cola en una única zona de alta temperatura, esencialmente isotérmica, reduciendo sustancialmente el área de disipación de calor de la zona caliente mediante el aumento de la densidad de potencia en la pila de combustible, preferentemente a valores superiores a 2 W / cc, el uso de medios de aislamiento térmico eficientes (ya sea aerogel o de vacío) de tal manera que todos los componentes que requieren alta temperatura de operación están contenidos dentro de un único alojamiento y en el que dicho aislamiento térmico está dispuesto exterior a dicho alojamiento; la incorporación de conexiones de baja conductancia térmica para el intercambio de fluidos entre el aparato de pila de combustible y el mundo exterior y para la extracción de las corrientes eléctricas de la pila de combustible, y / o al incorporación de un recuperador de calor, preferiblemente situado dentro de la zona de aislamiento térmico, por ejemplo, de modo que el recuperador de calor pueda operar a una temperatura intermedia entre la temperatura de la zona caliente y el ambiente exterior.

Como se usa en este documento, "aparato de pila de combustible" y "sistemas de pilas 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 de 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 como se entiende de otro modo en la técnica de pilas de combustible.

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

Tal como se usa en este documento "en comunicación con" se refiere a la comunicación directa o indirecta, por ejemplo, contacto, directo o indirecto, tales como a través de conexiones apropiadas, tales como paredes, tubos, pistas y capas de semiconductores, cableado, y otros medios conocidos en la técnica, y combinaciones de estos.

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 siguientes Breve descripción de los dibujos [0015] 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 se pone énfasis en ilustrar los principios de la invención. Los caracteres de referencia similares en las figuras respectivas típicamente indican partes correspondientes.

La figura 1 es una vista lateral en sección transversal de un aparato de pila de combustible... [Seguir leyendo]

1. Un aparato (200) , que comprende un alojamiento de pila de combustible (208) , una pila de combustible (202) dispuesta dentro del alojamiento de pila de combustible, y un volumen de aislamiento (210) dispuesto adyacente a un exterior del alojamiento de pila de combustible y que define una región que tiene una presión reducida seleccionada para proporcionar aislamiento térmico cerca del exterior del alojamiento de pila de combustible, caracterizado por el hecho de que dicho aparato comprende además: un conducto de parada de llamas en comunicación de fluido con la pila de combustible y un exterior del volumen de aislamiento, en el que el conducto de parada de llamas cubre una parte del volumen de aislamiento y tiene un diámetro que va de 0.05 mm a 1.65 mm.

2. El aparato según la reivindicación 1, en el que el alojamiento de pila de combustible (208) tiene una cámara interior que tiene un volumen menor o igual a aproximadamente 100 cc.

3. El aparato según la reivindicación 1, en la que la presión reducida es menor o igual a aproximadamente 13.3322Pa.

4. El aparato según la reivindicación 1 en el que el conducto de parada de llamas tiene un diámetro que es menor o igual a 1.54 veces un Espacio de Seguridad Experimental Máximo para un fluido utilizado en el aparato.

5. El aparato según la reivindicación 1, que comprende además un sistema de control (224) asociado con la pila de combustible (202) , en el que el sistema de control se selecciona del grupo que consiste en un detector de caudal, un detector de presión, un circuito comparador, un detector de voltaje, un detector de corriente, un detector de flujo másico directo, un detector de flujo másico indirecto, un detector de flujo de volumen, a detector diferencial, un lazo de control, un detector de temperatura, un detector de radiación, una válvula, un dispositivo de flujo unidireccional, una junta, un sellado, una puerta, una membrana, un iris, un obturador, un orificio de ventilación, un conducto y combinaciones de estos.

6. Procedimiento de fabricación de un aparato de pila de combustible (200) , que comprende: proporcionar un alojamiento de pila de combustible (208) que tiene una cámara interior y disponer una pila de combustible (202) en su interior; disponer el alojamiento de pila de combustible (208) dentro de un alojamiento de dispositivo (212) para separar una pared exterior del alojamiento de pila de combustible de una pared interior del alojamiento de dispositivo para formar un volumen de aislamiento (210) capaz de soportar una presión reducida; y reducir una presión dentro del volumen de aislamiento para definir una región que tiene una presión seleccionada para proporcionar aislamiento térmico cerca del exterior del alojamiento de pila de combustible; caracterizado por: proporcionar un conducto de parada de llamas en comunicación de fluido con la pila de combustible y un exterior del volumen de aislamiento, en el que el conducto de parada de llamas cubre una parte del volumen de aislamiento y tiene un diámetro que va de

0.05 mm a 1.65 mm.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Figura 6