Disposición de células de combustible, que comprende al menos dos cuerpos (1,

2) conectados por medio de un material de unión (5), en la que la resistencia al cizallamiento del material de unión (5) es mayor que su resistencia a la tracción y una parte del material de unión (5) está dispuesta entre los dos cuerpos (1, 2), caracterizada porque:

- un elemento de conexión (6, 7, 8) está dispuesto de una manera no coplanar con respecto al menos a una parte del material de unión (5) dispuesto entre los cuerpos, y

- otra parte (5c, 5d) del material de unión (5) está dispuesta entre el elemento de conexión (6, 7, 8) y al menos uno de los dos cuerpos (1, 2)

Disposición de células de combustible constituida por cuerpos conectados por medio de material de unión.

La invención se refiere a una disposición de células de combustible constituida por cuerpos conectados por medio de un material de unión, especialmente una pila de células de combustible de alta temperatura. Tales disposiciones se conocen a partir de los documentos EP 1 246 283 y DE/7718687.

Estado de La técnica

Una pila de células de combustible de alta temperatura con células de combustible planas está constituida por una superposición de células e interconectores. En la zona marginal las células y los interconectores están conectados mecánicamente, en general, con soldadura de vidrio, de manera que se obturan al mismo tiempo de forma hermética al gas y aislante de electricidad.

A tal fin, se calienta la pila de células de combustible aproximadamente a 900ºC y se prensa conjuntamente a través de una fuerza exterior. A través del calentamiento se ablanda la soldadura de vidrio y rellena las junturas entre células, interconectares y carcasa de una pila de células de combustible. Al mismo tiempo, la fuerza de presión de apriete provoca también el contacto eléctrico de las células e interconectares en la zona interior de trabajo de las células.

De manera desfavorable, la soldadura de vidrio cristaliza ya después de algunas horas de tiempo de funcionamiento, con lo que se fragiliza. De esta manera, se vuelve sensible a la rotura. En particular, la soldadura de vidrio fragilizada no puede absorber tensiones de tracción. Por lo tanto, la fuerza que comprime la pila de células de combustible juntas, debe mantenerse permanentemente. Esto es un problema especialmente durante el transporte de la pila y representa al mismo tiempo un factor de limitación para la duración de la vida útil. El dispositivo tensor, que ejerce la fuerza, es, además, caro y necesita espacio de montaje adicional, que no está disponible regularmente durante el empleo móvil en vehículos.

Cometido y Solución

Por lo tanto, el cometido de la invención es proporcionar una disposición de cuerpos conectados con material de unión, que son más insensibles contra tensiones de tracción que en el caso del estado de la técnica.

Este cometido se soluciona de acuerdo con la invención por medio de disposiciones de células de combustible de acuerdo con la reivindicación principal así como por medio de procedimientos de fabricación de acuerdo con otras reivindicaciones dependientes. Otras configuraciones ventajosas se deducen, respectivamente, a partir de las reivindicaciones dependientes relacionadas con ellas.

Objeto de la invención

En el marco de la invención, ha sido desarrollada una disposición de células de combustible, que comprende al menos dos cuerpos conectados por medio de un material de unión, por ejemplo células de combustible o pilas de células de combustible.

Por una conexión con material de unión en el sentido de esta invención se entiende que entre los dos cuerpos está presente un intersticio estrecho, que está ocupado al menos en parte con un material de unión. Tal conexión se puede establecer, por ejemplo, aplicando sobre uno de los dos cuerpos un material de unión en primer lugar líquido y prensando a continuación los cuerpos juntos. Pero el material de unión, como por ejemplo una soldadura de vidrio, se puede aplicar también en forma sólida sobre uno de los dos cuerpos y se puede licuar mediante calentamiento antes del prensado conjunto. Durante el prensado conjunto se configura entonces una capa fina de material de unión en el intersticio. Solidificando esta capa a continuación, se retienen los dos cuerpos juntos. La solidificación se puede realizar a través de la bajada de la temperatura o, como por ejemplo en el caso de una soldadura de vidrio, a través de cristalización. En el último caso, la conexión no se desprende ya en el caso de un nuevo calentamiento posterior de la disposición por encima de la temperatura de reblandecimiento del material de unión.

La resistencia al cizallamiento del material de unión es mayor que su resistencia a la tracción. La disposición es tal que al menos una primera parte del material de unión no está dispuesta coplanar con una segunda parte del material de unión. En este caso, la segunda parte del material de unión no ha sido introducida al mismo tiempo que la primera parte en la disposición.

A través de esta disposición se consigue que cualquier tensión de tracción exterior, que actúa ortogonalmente sobre la primera parte del material de unión, es absorbida (compensada), al menos parcialmente, por la segunda parte del material de unión. La segunda parte del material de unión es solicitada en este caso, al menos parcialmente, con una tensión de cizallamiento, contra la que es claramente más insensible que contra una tensión de tracción.

Cualquier componente de fuerza, que está ortogonalmente a la primera parte del material de unión y, por lo tanto, la solicita con una tensión de tracción, no está ortogonalmente a la segunda parte, puesto que las dos partes no están dispuestas coplanares, de acuerdo con la invención. Se puede descomponer vectorialmente en una componente paralela a la segunda parte y una componente ortogonal a esta parte. De esta manera, la segunda parte del material de unión es solicitada, en principio, al menos parcialmente, con una tensión de cizallamiento, lo que contrarresta la solicitación a tracción de la primera parte. La superficie de contacto de la segunda parte del material de unión con los cuerpos determina qué fuerza puede ser absorbida como máximo por esta parte, sin que la primera parte sea solicitada con una tensión de tracción. En caso de empleo de la disposición en pilas de células de combustible de alta temperatura, está superficie de contacto está delimitada, condicionada por el diseño, por la altura de construcción plana de las células e interconectores, pretendida en interés de una alta densidad de potencia.

De esta manera se reduce fuertemente, de forma especialmente ventajosa, el peligro de rotura de la conexión entre los dos cuerpos que deben unirse entre sí. De acuerdo con el estado de la técnica, esta unión fallaba, en general, a través de una solicitación del material de unión con una tensión de tracción. Puesto que esta tensión de tracción es convertida, al menos en parte, en una tensión de cizallamiento no crítica, la disposición resiste fuerzas de tracción claramente mayores. Un dispositivo tensor externo con tornillos tensores, que solicita permanentemente a la disposición con fuerzas de compresión y que contrarresta de esta manera las tensiones de tracción ya en el campo previo, es innecesario. La estabilidad mecánica de un dispositivo tensor externo no es ya, por lo tanto, el factor de limitación para la estabilidad de toda la disposición. Además, el empleo y el transporte de la disposición sin un dispositivo tensor externo son claramente menos complicados, y la disposición requiere menos espacio de montaje.

Por cuerpos en el sentido de esta invención se entienden especialmente cuerpos en forma de placas. Éstos son cuerpos, que presentan, en un sistema de coordenadas cartesianas en una dimensión espacial, una dilatación esencialmente menor que en las otras dos dimensiones espaciales, especialmente aquéllas, que presentan en una dimensión espacial una dilatación inferior a 1/5 de la dilatación en las otras dos dimensiones espaciales. Cada cuerpo puede presentar refuerzos o nervaduras, que encajan en refuerzos o nervaduras correspondientes del otro cuerpo.

Los materiales del cuerpo y del material de unión están seleccionados de manera ventajosa para que se garantice una buena adherencia entre ellos y el material de unión. De manera ventajosa, la adhesión es tan buena que en el caso de una solicitación mecánica demasiado fuerte, el material de unión se rompe en el interior del intersticio y no se desprende de la superficie de los dos cuerpos. Si los cuerpos están constituidos de aceros resistentes al calor que forman óxido de aluminio u óxido de cromo, en el caso de una solicitación demasiado grande de la conexión de unión, en general, la capa de óxido superior del acero se desgarra del resto del cuerpo.

La compensación de una tensión de tracción a través de una tensión de cizallamiento se utiliza también en la disposición de acuerdo con la invención según la reivindicación principal, que ha sido hallada en el marco de la invención. Esta disposición comprende al menos dos cuerpos conectados por medio de un material...

1. Disposición de células de combustible, que comprende al menos dos cuerpos (1, 2) conectados por medio de un material de unión (5), en la que la resistencia al cizallamiento del material de unión (5) es mayor que su resistencia a la tracción y una parte del material de unión (5) está dispuesta entre los dos cuerpos (1, 2), caracterizada porque:

- un elemento de conexión (6, 7, 8) está dispuesto de una manera no coplanar con respecto al menos a una parte del material de unión (5) dispuesto entre los cuerpos, y

- otra parte (5c, 5d) del material de unión (5) está dispuesta entre el elemento de conexión (6, 7, 8) y al menos uno de los dos cuerpos (1, 2).

2. Disposición de células de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el elemento de conexión (6, 7, 8) está dispuesto ortogonalmente a una superficie de uno de los dos cuerpos (1, 2), que está dirigida hacia el otro cuerpo.

3. Disposición de células de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizada por un espacio hermético al gas formado por los dos cuerpos (1, 2) y el material de unión (5).

4. Disposición de células de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por cuerpos metálicos (1, 2).

5. Disposición de células de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por cuerpos (1, 2), que pueden resistir temperaturas hasta 1000ºC durante al menos 10.000 horas.

6. Disposición de células de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque los coeficientes de dilatación térmica de los dos cuerpos (1, 2) y del material de unión (5) no se diferencian entre sí más de 5*10^-6 K^-1.

7. Disposición de células de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, con un material de unión (5) con un punto de reblandecimiento por encima de 700ºC.

8. Disposición de células de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por una soldadura de vidrio como material de unión (5).

9. Disposición de células de combustible de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada por una soldadura de vidrio con un punto de reblandecimiento entre 700ºC y 1000ºC.

10. Procedimiento para la fabricación de una disposición de células de combustible de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, con las etapas:

- sobre al menos un elemento superficial de al menos un cuerpo (1, 2) o del elemento de conexión (6, 7, 8) se aplica material de unión (5);

- se unen juntos los cuerpos (1, 2) y el elemento de conexión (6, 7, 8);

- a través de la aplicación de fuerza durante la unión conjunta se introduce a presión material de unión (5c, 5d) en al menos un intersticio entre al menos un cuerpo (1, 2) y el elemento de conexión (6, 7, 8).

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque los cuerpos (1, 2) se unen fijamente entre sí ya antes de la aplicación del material de unión (5).

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque para la conexión fija se selecciona otro material de unión (5).

13. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque se selecciona una soldadura de vidrio como material de unión (5).

14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque se selecciona una soldadura de vidrio con un punto de reblandecimiento entre 700ºC y 1000ºC como material de unión (5).

15. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 13 a 14, caracterizado porque se selecciona un silicato de magnesio aluminio como soldadura de vidrio.