PILA DE COMBUSTIBLE DE ALTA TEMPERATURA APILABLE.

Pila de combustible de alta temperatura apilable con una unidad de electrodos (1,

2, 3), que por el lado del ánodo está conectada a una alimentación de combustible y por el lado del cátodo a una alimentación de agente oxidante y el cátodo (2) está unido de manera eléctricamente conductora a un interconector (5) por medio de como mínimo un elemento de contacto (6) elástico, estando formado(s) uno o varios elemento(s) de contacto (6) elástico(s) de un material cerámico eléctricamente conductor que ejerce(n) una fuerza de presión sobre zonas del cátodo (2) y zonas del interconector (5), caracterizada porque el/los elemento(s) de contacto está(n) configurado(s) como un material no tejido de fibras sinterizado de una cerámica eléctricamente conductora, presentando el material no tejido de fibras zonas más compactadas con fibras situadas juntas de manera más densa y zonas no compactadas o menos compactadas que las zonas muy compactadas y que forman una estructura superficial con elevaciones o nervaduras

Pila de combustible de alta temperatura apilable.

La invención se refiere a pilas de combustible de alta temperatura apilables, que se pueden combinar para dar las llamadas pilas de pilas de combustible (Stacks), y las pilas de combustible individuales de este tipo pueden combinarse en serie y/o en paralelo entre sí de manera eléctrica y mecánica para obtener en especial potencias de salida eléctricas más altas.

Además de los elementos obligatoriamente requeridos de una pila de combustible individual y aquí en especial de la unidad electrodos de membrana, las pilas de combustible disponen a menudo de cómo mínimo un denominado interconector. Los interconectores separan las cavidades de gas a través del ánodo o el cátodo y constituyen la conexión eléctrica entre el cátodo de una pila de combustible y el ánodo de otra pila de combustible.

En una pila de combustible de alta temperatura apilable conforme a la invención pueden existir también dos interconectores dispuestos opuestos.

El interconector está conformado de tal manera que en el lado del ánodo existen cavidades de gas para la alimentación de combustible y en el lado del cátodo cavidades de gas para la alimentación de agente oxidante.

Sin embargo, para el funcionamiento propiamente dicho de los interconectores es necesario que pueda establecerse una conexión eléctricamente conductora entre el ánodo (o el cátodo) de una pila con el cátodo (o el ánodo) de otras pilas.

Aquí crean problemas en especial las condiciones químicas y térmicas de la atmósfera oxidante en el área de los cátodos.

De este modo se han presentado propuestas en el pasado sobre cómo se puede establecer una conexión eléctricamente conductora en esta área.

Así, por ejemplo, se ha propuesto disponer en esta área enrejados o trenzados de metales que deberán garantizar un puenteo eléctricamente conductor entre el cátodo y el correspondiente interconector. Así, por ejemplo, en el documento DE 100 27 311 A1 se ha propuesto el uso de plata y en el documento DE 196 49 457 el uso de níquel en esta for-ma.

Sin embargo, en el caso de estos metales existe el problema de que con la plata puede producirse una evaporación, depositándose la plata en el cátodo y afectando con ello de manera muy intensa la eficiencia de la correspondiente pila de combustible.

Otros metales tales como el níquel tienden a la oxidación, lo cual naturalmente conduce también de un modo no deseable a la reducción de la conductibilidad eléctrica.

Del documento DE 100 33 898 A1 se sabe disponer entre un cátodo y un interconector una lámina metálica perforada, para la que se debe usar en esencia una aleación a base de hierro. Una lámina perforada de este tipo debe estar abombada en varias ondas, de tal modo que las crestas de onda o los valles de onda entren en contacto con el cátodo o con el correspondiente interconector y de este modo pueda establecerse la conexión eléctricamente conductora.

También aquí las altas temperaturas causan problemas en relación al oxígeno necesario para el funcionamiento de la pila de combustible, que conducen a una oxidación o a una evaporación de elementos de la aleación que reducen las propiedades eléctricas y mecánicas y, especialmente aquí, la solidez y la resistencia a la fluencia.

Para poder actuar en contra de estos efectos, en el documento DE 100 33 898 A1 también se proponía recubrir la superficie de una lámina de este tipo con una aleación de níquel-aluminio o con alumínido de níquel, con el fin de aumentar la resistencia térmica y química en las condiciones que imperan en esta área.

Resulta evidente que una capa protectora de este tipo provoca un considerable esfuerzo de preparación adicional. Además, las aleaciones de níquel de este tipo, y en particular el alumínido de níquel, resultan difícilmente deformables con posterioridad de tal manera que también aquí aparecen los correspondientes problemas.

De este modo, por regla general es necesario configurar primero de manera correspondiente la forma ondulada de una lámina metálica de este tipo y a continuación aplicar sobre la correspondiente superficie la aleación o el intermetal.

Del estado de la técnica (documento US 6,492,053 B1) se conocen además pilas de combustible de alta temperatura apilables con unidades de electrodos e interconectores, en las que entre el ánodo y el interconector y/o entre el cátodo y el interconector puede disponerse un elemento elástico para garantizar el contacto eléctrico. Este último puede ser de un material cerámico y presentar una porosidad.

El estado de la técnica conoce además (documento DE 42 37 602 A1) capas funcionales de fibras como elementos de conexión conductores, que son fácilmente deformables y que pueden estar configurados como una denominada lámina verde con material de contacto sin sinterizar como capa funcional o como material no tejido cerámico.

Por último, el estado de la técnica (documento EP 0 410 159 A) da a conocer elementos de contacto elásticos de material cerámico eléctricamente conductor, siendo posibles diferentes ejecuciones, en forma de alambres, cintas o trenzados, que están configurados como triángulos, rectángulos, trapecios, ondas oblicuas o también como espira-les.

Además, a partir del documento DE 40 16 157 A1 se conoce un dispositivo para transformar energía química en energía eléctrica por medio de pilas de combustible de alta temperatura conectadas en serie. Hay para ello un electrolito sólido con módulos conectados entremedio en forma de placas separadoras planas, eléctricamente conductoras e impermeables al gas y colectores de corriente totalmente elásticos y eléctricamente conductores que están dispuestos a ambos lados y que ejercen una presión perpendicular al plano de la placa.

Es objetivo de la invención, por lo tanto, proponer una posibilidad con la que crear una conexión eléctricamente conductora entre un cátodo y un interconector en una pila de combustible de alta temperatura apilable, que presente también a temperaturas por encima de los 800ºC y en la atmósfera oxidante que impera con el funcionamiento de la pila de combustible una conductibilidad eléctrica suficientemente alta y una resistencia y estabilidad química y mecánicamente suficiente.

Conforme a la invención, este objetivo se logra con una pila de combustible de alta temperatura apilable que presente las características de la reivindicación 1. Formas de configuración y perfeccionamientos ventajosos de la invención pueden conseguirse con las características indicadas en las reivindicaciones subordinadas.

La pila de combustible de alta temperatura apilable conforme a la invención presenta, tal como se sabe a partir del estado actual de la técnica, una unidad de electrodos que en el lado del ánodo está conectada a una conducción de combustible y en el lado del cátodo a una conducción de agente oxidante, así como un interconector que lleva a cabo la distribución de gas a través de los electrodos y realiza el contacto eléctrico. Entre el cátodo y este interconector hay dispuesto un elemento de contacto elástico eléctricamente conductor, que presenta una forma con la que se garantiza que secciones del elemento de contacto tocan tanto el cátodo como también secciones del interconector, con lo cual al dar forma al elemento de contacto y mediante la disposición del cátodo y del interconector en estas secciones se ejerce una fuerza de presión de tal manera que, a pesar de las variaciones de separación que se producen durante el funcionamiento de la pila de combustible entre el electrodo y el interconector, puede garantizarse a largo plazo la conexión eléctricamente conductora entre cátodo e interconector.

Sin embargo, existe también la posibilidad de disponer conforme a la invención entre cátodo y el interconector varios elementos de contacto eléctricamente conductores y elásticos de este tipo.

Conforme a la invención, los elementos de contacto eléctricos están hechos de un material cerámico eléctricamente conductor. Ha resultado de manera sorprendente que las cerámicas de este tipo se pueden fabricar en formas correspondientes adecuadas que en una medida suficiente son elásticas y estables de modo duradero.

Como material resultan adecuadas cerámicas eléctricamente buenas conductoras seleccionadas del grupo de las cerámicas de tipo perovskita u otras.

Así por ejemplo, cerámicas de tipo perovskita adecuadas...

1. Pila de combustible de alta temperatura apilable con una unidad de electrodos (1, 2, 3), que por el lado del ánodo está conectada a una alimentación de combustible y por el lado del cátodo a una alimentación de agente oxidante y el cátodo (2) está unido de manera eléctricamente conductora a un interconector (5) por medio de como mínimo un elemento de contacto (6) elástico, estando formado(s) uno o varios elemento(s) de contacto (6) elástico(s) de un material cerámico eléctricamente conductor que ejerce(n) una fuerza de presión sobre zonas del cátodo (2) y zonas del interconector (5), caracterizada porque el/los elemento(s) de contacto está(n) configurado(s) como un material no tejido de fibras sinterizado de una cerámica eléctricamente conductora, presentando el material no tejido de fibras zonas más compactadas con fibras situadas juntas de manera más densa y zonas no compactadas o menos compactadas que las zonas muy compactadas y que forman una estructura superficial con elevaciones o nervaduras.

2. Pila de combustible conforme a la reivindicación 1, caracterizada porque las zonas más compactadas presentan densidades en el intervalo de entre 3 y 6,5 g/cm³ y porque las zonas no compactadas o menos compactadas presentan una densidad en el intervalo de entre 1 y 4 g/cm³.

3. Pila de combustible conforme a la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque el material cerámico se selecciona del grupo de la cerámica de tipo perovskita o una cerámica con la forma de composición básica AB₂O₃, A₂BO₄ o A₂B₂O₇.

4. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque algún/algunos elemento(s) de contacto (6) está(n) configurado(s) como lámina con un grosor de pared en el intervalo de 20 a 150 µm.

5. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque el interconector (5) y el cátodo (2) están unidos mecánicamente entre sí por medio de un elemento marginal (4) externo de tal manera que el/los elemento(s) de contacto (6) está(n) pretensado(s).

6. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque algún/algunos elemento(s) de contacto (6) está(n) configurado(s) en forma de ondas, cuña o trapecio.

7. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque hay formado un elemento de contacto (6) con elevaciones y depresiones dispuestas puntualmente de modo discreto entre sí.

8. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque algunos elementos de contacto (6) están configurados como elementos tubulares abiertos o cerrados.

9. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque algunos elementos de contacto, en forma de tiras con ondas, están dispuestos sobre las nervaduras formadas en el interconector.

10. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque algunos elementos de contacto son elementos en forma de círculo primitivo abierto unilateralmente, trapecio o cuña.

11. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque elementos de contacto (6) están situados con aplicación de fuerza de presión de forma plana o lineal sobre nervaduras formadas en el interconector (5) que separan entre sí canales de agente oxidante.

12. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque el/los elemento(s) de contacto (6) está(n) fijados mediante el elemento marginal (4).

13. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque en el/los elemen-to(s) de contacto (6) hay formadas aberturas de paso.

14. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque el/los elemento(s) de contacto (6) presenta(n) una porosidad suficiente para una permeabilidad al agente oxidante.

15. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque la superficie del lado del cátodo del interconector (5) está configurada como superficie plana y la formación de las cavidades de gas la lleva(n) a cabo el/los elemento(s) de contacto (6).

16. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque en las zonas de contacto puntual o lineal del/de los elemento(s) de contacto (6) con el cátodo (2) y/o el interconector (5) hay formada una capa de contacto (9).

17. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque el elemento marginal (4) está hecho de una cerámica de vidrio.

18. Pila de combustible conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizada porque entre el ánodo (3) y el interconector (8) del lado del ánodo hay dispuesto como mínimo un elemento de contacto (6) cerámico elástico.