MEJORAS EN CELDAS DE COMBUSTIBLE Y DISPOSITIVOS RELACIONADOS.

Un método de fabricación de un componente que tiene un ánodo, un cátodo y un electrolito sólido, comprendiendo el método usar moldeo de cinta para producir una cinta verde que es cohesiva pero flexible, manipular la cinta verde para producir una forma deseada y después calcinar la cinta verde para producir un componente rígido;

comprendiendo la cinta verde al menos tres capas, cada una de las cuales procede de una suspensión respectiva que comprende partículas metálicas/cerámicas dispersadas en un vehículo líquido; y en el que el paso de manipular la cinta verde para producir una forma deseada antes de calcinar la comprende el paso de bobinar la cinta verde para producir bucles dirigidos en direcciones opuestas en el centro del componente para formar canales longitudinales separados por una banda central, uno de los canales está encerrado por una superficie del ánodo de la cinta y el otro por una superficie del cátodo

Mejoras en celdas de combustible y dispositivos relacionados.

Esta invención se refiere a celdas de combustible de óxido sólido y a dispositivos similares a celdas de combustible para usar en electrocatálisis electrólisis en procesos basados en gas.

A pesar de la considerable investigación y esfuerzo de desarrollo, las celdas de combustible aún no se han comercializado satisfactoriamente. Se ha hecho un progreso gradual para desarrollar celdas de combustible de óxido sólido en dos disposiciones básicas, placa plana y tubular, pero los costes siguen siendo altos y hay problemas de sellado e interconexión.

La presente invención pretende proporcionar un medio radical para abordar estos problemas.

La presente invención proporciona, en un aspecto, un método de fabricación de un componente que tiene un ánodo, un cátodo y un electrolito sólido, de acuerdo con la reivindicación independiente 1.

Desde otro aspecto, la invención proporciona un componente para usar en una celda de combustible o un dispositivo electroquímico de acuerdo con la reivindicación independiente 13.

La invención proporciona adicionalmente celdas de combustible que comprenden componentes de acuerdo con o preparados por el método de la invención.

Las características preferidas de la invención y sus ventajas resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción y reivindicaciones.

Las realizaciones de la invención se describirán ahora, a modo de ejemplo únicamente, con referencia a los dibujos, en los que:

La Figura 1 ilustra la construcción y funcionamiento de un tipo conocido de celda de combustible;

La Figura 2 es una vista lateral esquemática que muestra un aparato usado para moldear una cinta;

La Figura 3 es una vista similar de un aparato usado en la invención;

La Figura 4 es una vista en perspectiva esquemática de un componente de una celda de combustible acuerdo con la invención;

La Figura 5A es una vista lateral de una forma modificada del componente de la celda de combustible;

La Figura 5B es una vista lateral del componente modificado después de un primer paso para producir un sello en un extremo; y

Las Figuras 5C y 5D son vistas laterales y en planta, respectivamente, del componente después de un segundo paso.

Antecedentes

Con referencia a la Figura 1, una celda de combustible de óxido sólido comprende un ánodo 10, un cátodo 12 y un electrolito sólido 14. La celda produce electricidad por combinación electroquímica de hidrógeno (que puede estar presente tal cual o en un combustible de tipo hidrocarburo) y oxígeno (que puede estar presente tal cual o en aire). El oxígeno se reduce en el cátodo 12, aceptando electrones del circuito externo para formar iones O^2- (ecuación (1)) que se conducen a través del electrolito sólido 14 al ánodo 10. En la interfaz ánodo/electrolito, el hidrógeno se oxida para formar H₂O, liberando electrones de vuelta al circuito externo (ecuación (2)).

(1)O₂ + 4e^- rightleftharpoons 2O^2-

(2)2H₂ + 2O^2- rightleftharpoons 2H₂O + 4e^-

Cada uno de los tres componentes no debe reaccionar con ningún otro componente con el que esté en contacto, debe ser estable a las temperaturas operativas y los tres deben tener expansiones térmicas similares. El ánodo 10 y el cátodo 12 necesitan una alta conductividad electrónica y suficiente porosidad para permitir que los gases alcancen la interfaz de electrodo/electrolito. En comparación, el electrolito debe ser denso, evitando el flujo de gas, tiene una alta conductividad de ión oxígeno, permitiendo que los iones O^2- permeen con una resistencia mínima y un número de transporte de electrones tan pequeño como sea posible.

Una familia conocida de celdas de combustible usa zirconia estabilizada con itria (YSZ). El ánodo consiste en YSZ mezclada con Ni y el cátodo de YSZ mezclado con LaMnO₃ dopado con Sr. Esto sirve para obtener una expansión térmica similar a la del electrolito, y actúa también para aumentar el límite de fase triple (el área de contacto entre el material anódico/catódico, material electrolítico y la fase gas).

Actualmente existen dos tipos principales de celda de combustible. Una es la celda plana, en la que placas planas de la geometría mostrada en la Figura 1 se apilan unas encima de otras separadas por un elemento de interconexión. La otra es tubular, en la que los materiales se forman en tubos con la superficie interior como cátodo y la superficie exterior como ánodo. El aire y el combustible (fuente de hidrógeno) se hacen pasar sobre los electrodos correspon- dientes.

Realizaciones preferidas

Volviendo a la Figura 2, la presente invención hace uso de un proceso de moldeo de cinta para formar las estructuras del electrodo y el electrolito. El moldeo de cinta es un proceso conocido per se, véase, por ejemplo de "Tape Casting Theory and Practice" de Richard E Mistler y Eric R Twiname, aunque se ha usado previamente en el campo de las celdas de combustible únicamente para fabricar capas sencillas tales como ánodo o cátodos.

El moldeo de cinta es la producción de láminas finas de material cerámico y/o metálico. Los polvos cerámicos/metálicos se mezclan mediante un molino de bolas junto con diversos materiales orgánicos: disolvente, agente de dispersión, aglutinante y plastificante que mantienen las partículas individuales en una distribución homogénea por toda la suspensión.

Como se observa en la Figura 2, la suspensión 20 se moldea sobre una superficie de soporte móvil 22 mediante una rasqueta 24. La superficie de soporte 22 puede ser adecuadamente una placa de vidrio o una lámina de Mylar. Tras la evaporación del disolvente, se produce una cinta flexible "verde" que puede manejarse y manipularse. La cinta verde se calcina posteriormente retirando el material orgánico restante y produciendo un material sinterizado rígido y duro.

La fase de molienda en Molino de bolas es importante para asegurar que todos los aglomerados blandos se rompen y que el polvo se dispersa bien. La molienda en molino de bolas normalmente se realiza sobre el polvo, disolvente y dispersante; el aglutinante y plastificante se añaden posteriormente y la mezcla completa puede experimentar una molienda en Molino de bolas adicional pero a una velocidad más lenta. La desaireación de la suspensión y el mantenimiento de una velocidad de moldeo constante aseguran un espesor constante y un acabado superficial suave de las cintas verdes.

La Figura 3 muestra un aparato en el que tres suspensiones 20a, 20b, 20c se moldean secuencialmente en una sola superficie de soporte 22, produciendo de esta manera una cinta verde de tres capas que puede manejarse como una sola unidad y calcinarse para producir una estructura unitaria rígida. Usando los materiales adecuados en las tres suspensiones, se produce un componente de la celda de combustible que comprende ánodo, cátodo y electrolito sólido. Una composición preferida es:

        ánodo YSZ y NiO que se reduce a Ni en condiciones de combustible

        cátodo YSZ y LaMnO₃ dopado con Sr

        electrolito YSZ (8-10% en moles de itria, zirconia hasta el equilibrio).

Una alternativa a la disposición de moldeo múltiple de la Figura 3 es la siguiente. La capa de electrolito se deposita en primer lugar y una capa de electrodo se deposita encima, una vez que la capa de electrolito se haya secado parcialmente. Se permite que este material compuesto se seque en parte, después de lo cual el material compuesto de dos capas se da la vuelta y la segunda capa de electrodo se deposita encima.

Otra alternativa es producir tres tiras separadas por moldeo de cinta y combinarlas apilándolas y aplicando presión, por ejemplo haciéndolas pasar entre rodillos. Esto tiene la ventaja de reducir adicionalmente el espesor del electrolito.

La estructura de tres capas producida por cualquiera de los métodos anteriores forma un solo componente que puede manejarse...

1. Un método de fabricación de un componente que tiene un ánodo, un cátodo y un electrolito sólido, comprendiendo el método usar moldeo de cinta para producir una cinta verde que es cohesiva pero flexible, manipular la cinta verde para producir una forma deseada y después calcinar la cinta verde para producir un componente rígido; comprendiendo la cinta verde al menos tres capas, cada una de las cuales procede de una suspensión respectiva que comprende partículas metálicas/cerámicas dispersadas en un vehículo líquido; y en el que

el paso de manipular la cinta verde para producir una forma deseada antes de calcinar la comprende el paso de bobinar la cinta verde para producir bucles dirigidos en direcciones opuestas en el centro del componente para formar canales longitudinales separados por una banda central, uno de los canales está encerrado por una superficie del ánodo de la cinta y el otro por una superficie del cátodo.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el componente es un componente de una celda de combustible.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el componente es un componente para usar en electrolisis o electrocatálisis de corrientes de gas.

4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la cinta verde se forma por moldeo al menos de tres suspensiones, una encima de la otra, y permitiendo que el vehículo líquido se evapore.

5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la cinta verde se forma por moldeo de al menos tres tiras diferentes y presionando éstas juntas, preferiblemente haciéndolas pasar a través de rodillos.

6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que uno o ambos del ánodo y el cátodo se forman mediante múltiples capas moldeadas a partir de suspensiones de diferente composición.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que entre dicha pluralidad de capas se interpone una banda o malla de un material que se quema durante la calcinación para dejar pasajes para el flujo de gas en el electrodo formado.

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el vehículo líquido comprende un disolvente opcionalmente combinado con uno o más de un dispersante, un aglutinante y un plastificante.

9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las partículas en cada de la suspensiones están basadas en zirconia estabilizada con itria (YSZ).

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la suspensión de ánodo comprende partículas de YSZ y partículas de Ni o NiO y la suspensión de cátodo comprende partículas de YSZ y partículas de LaMnO₃ dopado con Sr.

11. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la cinta verde se forma con una capa de electrolito más ancha que las capas de electrodo y que sobresale desde un lado de la misma y, en el que, antes de la calcinación, la cinta verde se enrolla en una forma cilíndrica y la capa de electrolito que sobresale se cierra sobre sí misma para formar un sello en un extremo del componente.

12. Una celda de combustible que comprende un número de componentes preparados por el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.

13. Un componente para usar en una celda de combustible o un dispositivo electroquímico, teniendo el componente una forma tubular generalmente alargada dividida por una banda central en dos canales, presentando uno de los canales una superficie de ánodo para el material que fluye a su través y presentando el otro canal una superficie de cátodo para el material que fluye a su través, comprendiendo adicionalmente el componente un electrolito sólido entre dicho ánodo y cátodo; formándose dicho componente al enrollar una cinta flexible que tiene una capa de ánodo, una capa de electrolito y una capa de cátodo para producir bucles en direcciones opuestas en el centro del componente para formar dichos canales longitudinales separados por dicha banda central.

14. Un componente de acuerdo con la reivindicación 13, en el que la cinta flexible es una cinta verde formada por moldeo de la suspensión y evaporación del disolvente; y después de enrollarlo el componente se calcina para producir un componente rígido.

15. Una celda de combustible que comprende un número de componentes de acuerdo con la reivindicación 13 o la reivindicación 14.