INTERCONECTOR DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE DE ALTA TEMPERATURA Y DE ELECTROLITO SÓLIDO.

Interconector para una pila de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido de una aleación de cromo sinterizada,

que presenta poros debidos a la sinterización, con Cr > 90 % en peso, entre el 3 y el 8 % en peso de Fe y, opcionalmente, entre el 0,001 y el 2 % en peso de al menos un elemento del grupo de los metales de tierras raros, caracterizado porque la aleación de cromo contiene entre el 0,1 y el 2 % en peso de Al, estando llenados los poros debidos a la sinterización al menos en parte con un compuesto oxídico que contiene Al y Cr

La invención se refiere a un interconector de una pila de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido de una aleación de cromo sinterizada, con poros debidos a la sinterización, con Cr > 90 % en peso, entre el 3 y el 8 % en peso de Fe y, opcionalmente, entre el 0,001 y el 2 % en peso de al menos un elemento del grupo de los metales de tierras raras. La invención se refiere, además, a un procedimiento para la fabricación de un interconector, así como a una pila de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido que contiene un interconector.

El interconector metálico (denominado también placa bipolar o colector de corriente) es un componente esencial de una pila de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido (denominada también pila de combustible de óxido sólido, pila de combustible de alta temperatura o SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).

Una pila de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido se hace funcionar habitualmente a una temperatura de servicio de 650ºC a 1.000ºC. El electrolito está formado por un material cerámico sólido, que es capaz de conducir iones de oxígeno, auque tiene un efecto aislante para los electrones. En K. Wincewicz, J. Cooper, “Taxonomies of SOFC material and manufacturing alternatives”, Journal of Power Sources (2005) están descritos como materiales de electrolito óxido de circonio dotado de itrio, escandio o calcio (YSZ, SSZ o CSZ), óxido de lantano dotado y óxido de cerio dotado. Para el cátodo y el ánodo se usan cerámicas que conducen iones y electrones, como por ejemplo manganato de lantano dotado de estroncio (LSM) para el cátodo y un cermet de níquel-YSZ (o SSZ, CSZ) para el ánodo.

El interconector está dispuesto entre las distintas células, apilándose células, capas de contacto opcionalmente previstas e interconectores formando un stack. El interconector conecta las distintas células en serie y acumula así la electricidad generada en las células. Además, apoya las células mecánicamente y se encarga de una separación y conducción de los gases de reacción en el lado del ánodo y del cátodo. El interconector está expuesto a altas temperaturas tanto a un medio oxidante como a un medio reductor. Esto requiere una resistencia a la corrosión correspondientemente alta. Además, el coeficiente de dilatación térmica del interconector desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de servicio máxima debe estar adaptado bien al coeficiente de dilatación térmica del material del electrolito, del ánodo y del cátodo. Otros requisitos son la estanqueidad a los gases, una capacidad de conducir electrones elevada, constante, así como una conductividad térmica lo más alta posible a la temperatura de servicio.

Por lo general, en las aplicaciones a altas temperaturas más diversas se usan sobre todo aleaciones que forman óxido de aluminio y óxido de cromo, en parte con partes de silicio, en vista de las buenas propiedades anticorrosivas a altas temperaturas. Debido a que Al2O3 y SiO2 no tienen la capacidad de conducir electrones, para los interconectores en pilas de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido se proponen preferiblemente aleaciones que forman óxido de cromo. Las aleaciones de cromo y hierro presentan aquí un comportamiento de dilatación térmica muy bien adaptado unido a una gran resistencia a la corrosión. La resistencia a la corrosión puede mejorarse aún más añadiéndose itrio. En el documento JPA-02258946 se da a conocer una aleación de cromo con entre el 5 y el 50 % en peso de Fe y un óxido de tierra rara de un metal del grupo Y, La, Ce, Nd con un tamaño de partículas entre 1 y 10 m. El documento EP-A-0510495 describe, entro otros, un material sinterizado, resistente al calor, reforzado por dispersión de óxido, que contiene entre el 0,2 y el 2 % en peso de Y2O3 en forma finamente dispersa con un tamaño de partículas de 0,1 m como máximo, pudiendo estar formado el material matriz entre otros materiales también por un material de base de cromo con entre el 0 y el 20 % en peso de Fe y entre el 0 y el 10 % en peso de un elemento del grupo Al, Mo, W, Nb, Ta, Hf y Al-Ti. El Fe se añade para aumentar la sinterabilidad. Al está presente en la matriz de una forma intermetálica precipitada para aumentar la resistencia. La fabricación se realiza mediante una aleación mecánica, indicándose como proceso de compresión sólo procesos de sinterización apoyados por presión, es decir, prensado en caliente, prensado isostático en caliente y extrusión de polvo en caliente.

El documento EP-A-0570072 describe una aleación de cromo con entre el 0,005 y el 5 % en peso de al menos un óxido del grupo de los metales de tierras raras, entre el 0,1 y el 32 % en peso de al menos un metal del grupo Fe, Ni y Co, hasta el 30 % en peso de al menos un metal del grupo Al, Ti, Zr, Hf, hasta el 10 % en peso de al menos un metal del grupo V, Nb, Mo, Ta, W, Re, hasta el 1 % en peso de al menos un elemento del grupo C, N, B y Si. La fabricación se realiza mediante mezcla del polvo, prensado, sinterización, envoltura de la placa sinterizada en chapa de acero y laminado en caliente de la placa envuelta.

El uso de una aleación de Cr-Fe para pilas de combustible está descrito por primera vez en el documento US 3,516,865. El contenido de Cr está situado entre el 15 y el 85 % en peso. Opcionalmente, la aleación puede contener Y, Hf, Zr

o Th. El documento EP-A-0578855 describe un componente metálico de una aleación de cromo con entre el 3 y el 10 % atómico de Fe, así como entre el 0,5 y el 5 % atómico de un metal de tierra rara y/o de un óxido de tierra rara para pilas de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido, que están provistas de un electrolito sólido cerámico de YSZ.

El documento WO 95/026576 A1 describe una placa bipolar de una aleación que forma óxido de cromo, por ejemplo Cr-5Fe-1Y2O3 con una capa superficial enriquecida con Al en la zona de los canales de gas. La zona enriquecida con Al se obtiene mediante calorizado formándose las fases intermetálicas Cr5Al8 o Cr4Al9. En la zona de las superficies de contacto eléctricas, la zona enriquecida con Al vuelve a eliminarse mediante un proceso costoso de amolado para impedir una reducción de la conductividad mediante la formación de Al2O3. Durante el servicio, se forma Al2O3 en las paredes de los canales de gas.

Puesto que para el ajuste de una corriente definida, el interconector presenta una geometría de superficie compleja, son ventajosos procedimientos de la metalurgia de los polvos, que generan la forma final sin un mecanizado posterior. El documento WO 02/055747 A1 describe un procedimiento de la metalurgia de los polvos para la fabricación de cuerpos moldeados de alta densidad de una aleación con al menos el 20 % en peso de Cr, Fe, así como con una o varias partes de aleación metálicas y/o cerámicas adicionales, prensándose y sinterizándose el interconector con una forma cercana a la forma final usándose una preparación de polvos con polvo de cromo elemental y un polvo de aleación madre de hierro y las partes adicionales de la aleación. Los interconectores fabricados de este modo pueden unirse mediante soldadura indirecta sin mecanizado posterior para formar interconectores listos para ser instalados. Una fabricación económica es en general una condición previa importante para una introducción amplia de aleaciones de cromo como interconectores en pilas de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido. Resultan costes de fabricación elevados por el uso de polvo de cromo muy puro (2N5). Se da especial importancia a los elementos que reducen la conductividad de la capa de óxido de cromo. La alta pureza requiere el uso de minerales de alta calidad y de procedimientos especiales de limpieza. Puesto que para una fabricación industrial de la pila de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido es necesaria una reducción de los cotes del sistema y en vista de que el interconector representa una parte considerable de los costes totales, sería ventajoso el uso de polvos más económicos.

**(Ver fórmula)**

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El documento WO 2004/012885 A2 describe un procedimiento para la fabricación de una pieza moldeada, por ejemplo un interconector, formado por un cuerpo base en forma de disco o de placa con una multitud de elevaciones en forma de botones y/o almas, que se convierten con superficies laterales inclinadas en el cuerpo base, mediante un prensado y una sinterización en una forma cercana a la forma final de materiales de partida en forma de polvo, realizándose la conformación en un proceso... [Seguir leyendo]

1. Interconector para una pila de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido de una aleación de cromo sinterizada, que presenta poros debidos a la sinterización, con Cr > 90 % en peso, entre el 3 y el 8 % en peso de Fe y, opcionalmente, entre el 0,001 y el 2 % en peso de al menos un elemento del grupo de los metales de tierras raros, caracterizado porque la aleación de cromo contiene entre el 0,1 y el 2 % en peso de Al, estando llenados los poros debidos a la sinterización al menos en parte con un compuesto oxídico que contiene Al y Cr.

2. Interconector según la reivindicación 1, caracterizado porque la relación de Al / Cr (% atómico / % atómico) del compuesto oxídico que contiene Al y Cr es superior a 1.

3. Interconector según la reivindicación 2, caracterizado porque la relación de Al / Cr (% atómico / % atómico) del compuesto oxídico que contiene Al y Cr es superior a 2.

4. Interconector según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el compuesto oxídico que contiene Al y Cr es un óxido mixto de Al-Cr.

5. Interconector según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el compuesto oxídico que contiene Al y Cr es un xAl2O3·yCr2O3.

6. Interconector según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la aleación de cromo contiene entre el 2 y el 20 % en volumen de poros debidos a la sinterización.

7. Interconector según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque al menos un 50 % en volumen del volumen total de los poros debidos a la sinterización de la aleación de cromo está llenado con el compuesto oxídico que contiene Al y Cr.

8. Interconector según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque < 0,05 % en peso de Al está disuelto en la matriz de la aleación de cromo y/o se presenta en forma de una fase intermetálica.

9. Interconector según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la aleación de cromo contiene entre el 0,005 y el 0,5 % en peso de Y.

10. Interconector según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la superficie exterior está libre de óxidos

o presenta una capa de óxido que contiene al menos un 90 % en peso de óxido de cromo.

11. Pila de combustible de alta temperatura y de electrolito sólido, que comprende un electrolito sólido cerámico formado por óxido de circonio estabilizado y un interconector según una de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Procedimiento para la fabricación de un interconector según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque presenta las siguientes etapas de procedimiento: -Realización de una preparación de polvo usándose polvo mezclado, parcialmente prealeado y/o completamente prealeado; -compresión con matriz para conformar con una presión p, con 500 < p < 1000 MPa; - opcionalmente, sinterización previa a una temperatura T, con 700ºC < T < 1200ºC en una atmósfera reductora y opcionalmente compresión para calibrar con una presión p, con 500 < p < 1000 MPa; -sinterización a una temperatura T, con 1200ºC < T < temperatura de solidus en una atmósfera reductora;

- tratamiento oxidante, preferiblemente a una temperatura T, con 700ºC < T < 1.200ºC; - opcionalmente, tratamiento con chorro de arena.