Estructura de fijación para una pila de celdas de combustible de óxidos sólidos planas incluyendo una hoja flexible y un bloque de extremo rígido térmicamente aislante,

siendo capaz la hoja flexible de curvarse a una forma primariamente convexa, estando conformado el bloque de extremo rígido térmicamente aislante, como una base rectangular con una superficie plana para contacto con una chapa de extremo de la pila de celdas de combustible de óxidos sólidos planas, y una superficie opuesta que es de forma primariamente convexa, colocándose la hoja flexible en la superficie opuesta del bloque de extremo rígido térmicamente aislante, curvándose por ello la hoja flexible para obtener una forma que es primariamente convexa a la compresión

Estructura de fijación para una pila de celdas de combustible y pila de celdas de combustible de óxido sólido.

La invención se refiere a una estructura de fijación para una pila de celdas de combustible de óxidos sólidos. Más en concreto, la invención se refiere a una pila de celdas planas de combustible de óxidos sólidos que se comprime usando una estructura de fijación que incluye una hoja flexible plana de cuatro lados.

Antecedentes de la invención

Una pila de celdas de combustible de óxidos sólidos (SOFC) consta de una secuencia repetida de celdas de combustible de óxidos sólidos a través de la que se crea un voltaje eléctrico con interconexiones.

La pila incluye típicamente de 5 a 200 celdas de combustible y consta de una secuencia de celdas de combustible incluyendo un ánodo, un cátodo y un electrolito de óxido sólido, alternando cada celda de combustible con la interconexión. A las celdas de combustible les suministra combustible y oxidante un sistema colector mediante un sistema interno de canales. El combustible y el oxidante son distribuidos de una capa a otra en la pila de celdas de combustible por un sistema de canales. Durante la operación, se crea un voltaje electroquímico a través de las celdas de combustible individuales. La interconexión sirve para introducir oxidante y combustible en las celdas de combustible en canales separados y para recoger electrones de una celda de combustible y transmitirlos y distribuirlos a una celda de combustible adyacente.

Las paredes del sistema interno de canales deben ser estancas a los gases con el fin de evitar fugas de gas al entorno externo o la mezcla a destiempo de oxidante y combustible. Esto se asegura usando un material de sellado, por ejemplo, de vidrio, y/o proporcionando una unión íntima y directa entre la celda de combustible e interconexión en las superficies de sellado disponibles.

El comportamiento estanco a los gases y el contacto eléctrico deseado entre las celdas de combustible y las interconexiones se aseguran en una pila SOFC comprimiendo las celdas de combustible e interconexiones conjuntamente con una fuerza de compresión definida usando una estructura de fijación. En algunos casos la fuerza de compresión requerida puede ser de hasta 100 N/cm² a través de cada superficie de celda de combustible durante la operación de la pila de celdas de combustible. La magnitud de la fuerza de compresión depende del diseño real de la interconexión y la celda de combustible y de la presión de gas durante la operación. La fuerza de compresión tiene lugar en las superficies de extremo de la pila.

Una pila SOFC opera típicamente a temperaturas de 600-850ºC. Dichas altas temperaturas representan un reto al diseño de la estructura de fijación mecánica requerida para generar fuerzas de compresión de tal magnitud.

Es importante que la fuerza de compresión se ejerza en un área superficial correspondiente al área superficial de las celdas de combustible en la pila. Las secciones interiores de las superficies de extremo de la pila deben ser comprimidas con el fin de mantener el contacto eléctrico, y las periferias de las superficies de extremo deben ser comprimidas con el fin de hacer la pila estanca a los gases. Convencionalmente, las celdas de combustible tienen áreas superficiales de 80-1000 cm² y pueden ser necesarias fuerzas de compresión de hasta 100.000 N.

Se conocen varios tipos de estructuras o conjuntos de fijación, por ejemplo, conjuntos que usan bandas para comprimir pilas de celdas de combustible planas. La Patente de Estados Unidos número 5993987 describe una pila de celdas de combustible incluyendo al menos una banda que circunscribe chapas de extremo y celdas de combustible electroquímicas interpuestas. Un elemento elástico que coopera con la banda empuja las chapas de extremo una hacia otra, aplicando por ello fuerza de compresión a las celdas de combustible para promover el sellado y el contacto eléctrico entre las capas que forman la pila de celdas de combustible.

La Solicitud de Patente de Estados Unidos número 2006093890 describe una pila de celdas de combustible mantenida en compresión por un conjunto de tiras que incluye una banda de compresión que se extiende alrededor de las chapas de extremo de la pila de celdas de combustible.

Las estructuras de fijación tradicionales se basan en la compresión de una pestaña de chapa de extremo metálica plana colocada en cualquier superficie de extremo de la pila SOFC y que se extiende más allá del área superficial definida por las celdas de combustible en la pila. Las dos pestañas de chapa de extremo están conectadas una a otra en su periferia externa a las celdas de combustible por una estructura de fijación de vástagos de unión, secciones de tubo, muelles y tuercas para crear una fuerza de compresión en la pila.

Las fuerzas experimentadas en los vástagos de unión pueden ser establecidas con la ayuda de la elasticidad de los vástagos de unión usando muelles de disco, muelles helicoidales, muelles de gas o usando cilindros neumáticos o cilindros hidráulicos.

Las pilas SOFC operan típicamente a temperaturas de 600-850ºC. A esta temperatura la mayoría de los materiales metálicos, cuando se sometan a esfuerzo mecánico, se deformarán con el tiempo. Por lo tanto, es ventajoso mantener las secciones metálicas que experimentan esfuerzo mecánico a una temperatura lo más baja posible.

Los vástagos de unión se insertan típicamente a través de las dos pestañas de chapa de extremo plana, a continuación a través de secciones de tubo de una longitud especificada que se extiende más allá de la pila SOFC y a través de muelles colocados en los extremos de las secciones de tubo. Las secciones de tubo funcionan como espaciadores para distanciar los muelles de la pila de celdas de combustible de tal manera que los muelles se mantengan a una temperatura operativa menos severa que la temperatura alta experimentada durante la operación de la pila. Se usan tuercas colocadas después de los muelles para montar estos componentes y por ello ajustar la fuerza de compresión en la pila SOFC.

Durante la operación de la pila SOFC, los vástagos de unión están a una temperatura aproximadamente equivalente a la temperatura operativa de las pilas. La tensión creada por ello en los vástagos de unión da lugar a una tendencia de los vástagos de unión a la fluencia.

Durante la operación de la pila SOFC las pestañas de chapa de extremo plana también se someten a tensión mecánica durante la influencia de las fuerzas de ambos vástagos de unión en el sistema de fijación y la pila deformando las pestañas planas. Por lo tanto, las pestañas planas tienden a ser de forma convexa.

En una estructura alternativa de fijación, los vástagos de unión y las pestañas de chapa de extremo plana están, durante la operación, a una temperatura muy inferior a la temperatura operativa de la pila SOFC. Esto es posible aislando térmicamente la pila SOFC en los lados de la pila usando material aislante. Colocar material aislante adicional en ambos extremos de la pila junto a las chapas de extremo planas permite transferir la fuerza de compresión obtenida durante la fijación a través del material aislante adicional. Los vástagos de unión y las pestañas de chapa de extremo plana pueden experimentar así una tensión más grande antes de la fluencia indeseable. La desventaja de estos tipos de estructuras de fijación que usan vástagos de unión están asociadas con la pestaña de chapa de extremo plana colocada en cada superficie de extremo de la pila SOFC y que se extiende más allá del área superficial definida por las celdas de combustible en la pila. Cada pestaña de chapa de extremo plana experimenta una fuerza de curvado cuando se expone a las fuerzas mecánicas que se originan en los vástagos de unión y la pila.

Estos efectos indeseables dan lugar a una reducción de la fuerza de compresión en toda la pila o a una distribución no uniforme de la fuerza de compresión en la pila, dando lugar a un contacto eléctrico más pobre y/o la pila es menos estanca a los gases, y no se puede evitar el escape de gas al entorno externo.

Por lo tanto, las pestañas usadas son de un grosor considerable, típicamente 5-20 mm, con el fin de absorber estas fuerzas y de minimizar la deformación de las pestañas, evitando simultáneamente el escape de gas y la pérdida de contacto eléctrico en la pila.

La Solicitud de Patente WO número 2006/012844 describe una pila de celdas de combustible para celdas...

1. Estructura de fijación para una pila de celdas de combustible de óxidos sólidos planas incluyendo una hoja flexible y un bloque de extremo rígido térmicamente aislante, siendo capaz la hoja flexible de curvarse a una forma primariamente convexa, estando conformado el bloque de extremo rígido térmicamente aislante, como una base rectangular con una superficie plana para contacto con una chapa de extremo de la pila de celdas de combustible de óxidos sólidos planas, y una superficie opuesta que es de forma primariamente convexa, colocándose la hoja flexible en la superficie opuesta del bloque de extremo rígido térmicamente aislante, curvándose por ello la hoja flexible para obtener una forma que es primariamente convexa a la compresión.

2. Estructura de fijación según la reivindicación 1, donde la hoja flexible se curva para obtener una forma que se curva en una dirección solamente.

3. Estructura de fijación según la reivindicación 1, donde la hoja flexible se curva para obtener una forma que se curva en todas las direcciones.

4. Estructura de fijación según las reivindicaciones 2 o 3, donde la superficie opuesta del bloque de extremo rígido, térmicamente aislante, se redondea suave o gradualmente hacia fuera a la forma primariamente convexa.

5. Estructura de fijación según la reivindicación 1, donde la hoja flexible se hace de metal.

6. Estructura de fijación según la reivindicación 5, donde el metal es acero o una aleación de titanio, aluminio o níquel.

7. Estructura de fijación según las reivindicaciones 1 o 5, donde la hoja flexible se hace de un tejido de fibras cerámicas, malla de alambre metálico o un material compuesto a base de vidrio, Kevlar® o fibras de carbono incrustado en poliéster o resina epoxi.

8. Estructura de fijación según la reivindicación 1, donde el bloque de extremo rígido, térmicamente aislante, tiene una conductividad térmica de 0,01-2,0 W/mK.

9. Estructura de fijación según la reivindicación 1, donde el bloque de extremo rígido, térmicamente aislante, se hace de material a base de alúmina, silicato de calcio o vermiculita.

10. Estructura de fijación según la reivindicación 4, donde la superficie opuesta del bloque de extremo rígido, térmicamente aislante, es de forma escalonada o piramidal.

11. Estructura de fijación según la reivindicación 1, donde la hoja flexible tiene una longitud y una anchura de 1-2 veces la longitud y anchura correspondientes de las celdas de combustible de óxidos sólidos en la pila.

12. Estructura de fijación según la reivindicación 1, donde la hoja flexible curvada tiene un radio de 0,6 a 5 veces la anchura de las celdas de combustible de óxidos sólidos.

13. Pila de celdas de combustible de óxidos sólidos incluyendo la estructura de fijación de la reivindicación 1, donde la pila incluye una o más celdas planas de combustible de óxidos sólidos interpuestas entre chapas de extremo, incluyendo al menos una chapa de extremo que está adyacente a la estructura de fijación una hoja flexible y un bloque de extremo térmicamente aislante, siendo capaz la hoja flexible de curvarse a una forma primariamente convexa, estando conformado el bloque de extremo térmicamente aislante como una base rectangular con una superficie plana y una superficie opuesta que es de forma primariamente convexa, colocándose la hoja flexible adyacente a la superficie opuesta del bloque de extremo térmicamente aislante, curvándose por ello la hoja flexible para obtener una forma que es primariamente convexa y estando la al menos única chapa de extremo en contacto con la superficie plana de la base rectangular del bloque de extremo térmicamente aislante.

14. Pila de celdas de combustible de óxidos sólidos de la reivindicación 13, donde la estructura de fijación se coloca en cada chapa de extremo.

15. Proceso para la compresión de la pila de celdas de combustible de óxidos sólidos de la reivindicación 13, incluyendo interponer una o más celdas planas de combustible de óxidos sólidos entre chapas de extremo, colocar junto a al menos una chapa de extremo una estructura de fijación incluyendo una hoja flexible y un bloque de extremo térmicamente aislante, siendo capaz la hoja flexible de curvarse a una forma primariamente convexa, estando conformado el bloque de extremo térmicamente aislante como una base rectangular con una superficie plana y una superficie opuesta que es de forma primariamente convexa, colocar la hoja flexible junto a la superficie opuesta del bloque de extremo térmicamente aislante, curvar la hoja flexible para obtener una forma que es primariamente convexa y colocar la al menos única chapa de extremo en contacto con la superficie plana de la base rectangular del bloque de extremo térmicamente aislante y ejerciendo una fuerza de compresión a través de cada superficie de celda de combustible de óxidos sólidos.

16. Proceso según la reivindicación 15, donde la fuerza de compresión se obtiene usando tuercas, muelles y vástagos de unión.