Conjunto de compresión, bloque de pilas de combustible de óxido sólido, un procedimiento para la compresión del bloque de pilas de combustible de óxido sólido y su utilización.

Un conjunto de compresión para distribuir una fuerza de compresión externa sobre un bloque de pilas de combustible deóxido sólido con una pluralidad de pilas (5) de combustible de óxido sólido y al menos una placa de extremidad (6),

dichoconjunto de compresión comprende una placa (1) de transmisión de fuerza y una capa de distribución de fuerza, dichoconjunto de compresión está montado junto con el bloque de pilas de combustible de óxido sólido y la fuerza de compresiónexterna es ejercida sobre dicha placa (1) de transmisión de fuerza y dicha capa de distribución de fuerza, dicha capa dedistribución de fuerza está dispuesta sobre una superficie de al menos una placa de extremidad (6) opuesta a la superficie dela placa de extremidad que mira a las pilas de combustible de óxido sólido, dicha capa de distribución de fuerza tiene unbastidor rígido (2) que se extiende junto a una región de un área de cierre hermético (17) del bloque de pilas de combustiblede óxido sólido, y estando colocados uno o varios elementos elásticos (3) dentro del espacio encerrado por dicho bastidorrígido (2) y estando posicionados sobre una superficie de la placa de extremidad (6) opuesta a la superficie de la placa deextremidad que mira a las pilas de combustible de óxido sólido, de manera que el área electromecánicamente activa (18) escomprimida con una presión que es menor que la presión presente en la región del área de cierre hermético (17), cuandodicho conjunto de compresión es montado con la pila de combustible de óxido sólido en uso.

Conjunto de compresión, bloque de pilas de combustible de óxido sólido, un procedimiento para la compresión del bloque de pilas de combustible de óxido sólido y su utilización El invento se refiere a un procedimiento para la compresión de un bloque de pilas de combustible y a un sistema de compresión particularmente útil en un bloque de pilas de combustible de alta temperatura tal como un bloque de pilas de combustible de óxido sólido.

ANTECEDENTES DEL INVENTO

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico en el que se produce electricidad. El combustible, típicamente hidrógeno, es oxidado en un ánodo de combustible y el oxígeno, típicamente aire, es reducido en un cátodo para producir una corriente eléctrica y formar como subproducto agua y calor. El hidrógeno puede ser derivado también por reforma interna de un hidrocarburo tal como metano en la pila de combustible. Se requiere un electrolito que esté en contacto con un ánodo y un cátodo y puede ser alcalino o ácido, líquido o sólido.

En pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) el electrolito es un material de óxido metálico, no poroso, sólido. Las SOFC son pilas de combustible de alta temperatura que funcionan a temperaturas de 650-1000º C. Son particularmente útiles para reformas internas de combustibles tales como metano.

El uso de las SOFC en generación de energía ofrece beneficios medioambientales potenciales comparados con la generación de energía a partir de fuentes tales como la combustión de combustibles fósiles en motores de combustión interna.

Un bloque de SOFC del tipo plano está construido de una pluralidad de pilas de combustible de óxido sólido de placa plana apiladas una sobre otra e insertadas entre dos placas de extremidad planas que consisten de una primera placa de extremidad adyacente a la primera pila de combustible de óxido sólido y una segunda placa de extremidad de placa adyacente a la última pila de combustible de óxido sólido. Las pilas de combustible de óxido sólido son cerradas herméticamente en sus bordes por cierres herméticos a los gases típicamente de vidrio u otro material frágil con el fin de impedir fugas de gas desde los lados del bloque. Situada entre cada pila de combustible de óxido sólido individual hay una interconexión para la recogida de corriente y la distribución de gas.

El bloque de SOFC es comprimido mecánicamente ejerciendo fuerzas sobre las dos placas de extremidad. Las placas de extremidad pueden estar hechas por ejemplo de metal. La compresión de las placas de extremidad es de una resistencia suficiente para asegurar que durante la operación los cierres herméticos a los gases presentes en los bordes de las pilas de SOFC permanecen herméticos a los gases, el contacto eléctrico entre las diferentes capas del bloque de SOFC es mantenido y al mismo tiempo de una resistencia que es lo bastante baja para asegurar que los componentes electroquímicamente activos del bloque de SOFC no están excesivamente deformados.

Durante el funcionamiento, el bloque de SOFC puede ser sometido a temperaturas de 650º C a 1000º C provocando gradientes de temperatura en el bloque de SOFC y así una expansión térmica de los diferentes componentes del bloque de SOFC. La sección del bloque de SOFC que experimenta la mayor expansión depende de las condiciones de funcionamiento y puede estar situada por ejemplo en el centro del bloque o en el límite del bloque por ejemplo en una esquina. La expansión térmica resultante puede conducir a una reducción en el contacto eléctrico entre las diferentes capas en el bloque de SOFC. La expansión térmica puede conducir también a grietas y fugas en los cierres herméticos a los gases entre las diferentes capas, conduciendo a un funcionamiento peor del bloque de SOFC y a una salida de energía reducida.

Resolver este problema seleccionando materiales con propiedades de deformación específicas ha probado ser muy difícil ya que los componentes del bloque de SOFC necesitan tener contacto eléctrico a diferentes perfiles de temperatura y al mismo tiempo tener una vida útil razonable.

Otros modos de resolver este problema incluyen diferentes enfoques para proporcionar la compresión del bloque de SOFC. El uso de resortes mecánicos es bien conocido, véase por ejemplo la patente norteamericana Nº 7001685, en la que un resorte es utilizado para proporcionar compresión sobre la superficie total del bloque y para absorber las diferencias en altura de dos bloques situados en serie eléctrica.

El uso de resortes para proporcionar la fuerza de compresión sobre la placa de extremidad, sin embargo, tiene la desventaja de no permitir que las diferentes secciones del bloque de pilas de combustible se expandan según lo dictado por las condiciones de funcionamiento. Esto provoca la pérdida de contacto eléctrico o fuga del gas a través de los cierres herméticos a los gases.

Es un objetivo del invento proporcionar un conjunto de compresión para un bloque de pilas de combustible de óxido sólido en el que diferentes presiones de compresión para diferentes partes del bloque de pilas de combustible de óxido sólido son ejercidas simultáneamente sobre el bloque.

Es aún otro objeto del invento proporcionar un conjunto de compresión en el que las presiones de compresión para el área electroquímicamente activa y el área de cierre hermético de las pilas de combustible de óxido sólido no son idénticas.

Aún otro objetivo del invento es proporcionar un bloque de pilas de combustible de óxido sólido en el que se ha establecido y mantenido buen contacto eléctrico dentro del bloque durante el funcionamiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL INVENTO

A continuación, son utilizados varios términos técnicos. El uso de estos términos no se cree que está en contradicción con el uso ordinario de los términos, pero con el fin de facilitar la comprensión del invento, se da a continuación una pequeña lista de algunos términos junto con una indicación del significado de estas palabras:

Área de cierre hermético: el área entre las pilas en un oxidante de cierre hermético en un bloque que cierra herméticamente el oxidante del combustible.

Área electroquímicamente activa: el área que cubre la superficie de una o más pilas en el bloque de pilas de combustible de óxido sólido donde tiene lugar la reacción electroquímica.

Presión de compresión: presión positiva, es decir, la presión es mayor que la presión en el entorno que rodea el bloque de pilas de combustible de óxido sólido, y por consiguiente la presión de compresión es expresada como la diferencia entre la presión cargada real y la presión en el entorno que rodea el bloque de pilas de combustible de óxido sólido.

Elemento elástico: un elemento que tiene la capacidad de ser deformado al cargar y a continuación al descargar recupera o casi recupera su forma original. Por ejemplo, puede utilizarse aire comprimido como un elemento elástico, pero naturalmente si hay una fuga no recuperará su forma original. Otro elemento elástico podría ser uno que no reacciona instantáneamente a la presión de compresión aplicada al mismo, sino que reacciona lentamente, o no vuelve completamente a su estado original.

De acuerdo con un primer aspecto del invento, alguno de los objetivos anteriores y otros son conseguidos proporcionando un conjunto de compresión para distribuir una fuerza de compresión externa a un bloque de pilas de combustible de óxido sólido, de acuerdo con la reivindicación 1.

La distribución de presión para el conjunto de compresión por dicho o dichos elementos elásticos puede ser de alrededor de 875 PA cuando la pila de combustible de óxido sólido está en uso. Por ejemplo la fuerza de compresión puede estar entre 25 kg y 200 kg sobre un área de entre 2800 cm2 y 21000 cm2.

El conjunto de compresión puede ser de tal manera que dicho o dichos elementos elásticos permiten una compresión entre 0, 1 mm y 0, 2 mm, tal como 0, 1 mm, más en una región en el centro de la capa de distribución de fuerza que está cerca de los lados de la capa de distribución de fuerza.

Uno o más elementos elásticos en el conjunto de compresión pueden estar dispuestos además en uno o más elementos de posicionamiento. Además, uno o más elementos elásticos son seleccionados del grupo de aire comprimido, un material de cerámica fibroso y un material metálico fibroso. Alternativamente, uno o... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de compresión para distribuir una fuerza de compresión externa sobre un bloque de pilas de combustible de óxido sólido con una pluralidad de pilas (5) de combustible de óxido sólido y al menos una placa de extremidad (6) , dicho conjunto de compresión comprende una placa (1) de transmisión de fuerza y una capa de distribución de fuerza, dicho conjunto de compresión está montado junto con el bloque de pilas de combustible de óxido sólido y la fuerza de compresión externa es ejercida sobre dicha placa (1) de transmisión de fuerza y dicha capa de distribución de fuerza, dicha capa de distribución de fuerza está dispuesta sobre una superficie de al menos una placa de extremidad (6) opuesta a la superficie de la placa de extremidad que mira a las pilas de combustible de óxido sólido, dicha capa de distribución de fuerza tiene un bastidor rígido (2) que se extiende junto a una región de un área de cierre hermético (17) del bloque de pilas de combustible de óxido sólido, y estando colocados uno o varios elementos elásticos (3) dentro del espacio encerrado por dicho bastidor rígido (2) y estando posicionados sobre una superficie de la placa de extremidad (6) opuesta a la superficie de la placa de extremidad que mira a las pilas de combustible de óxido sólido, de manera que el área electromecánicamente activa (18) es comprimida con una presión que es menor que la presión presente en la región del área de cierre hermético (17) , cuando dicho conjunto de compresión es montado con la pila de combustible de óxido sólido en uso.

2. Un conjunto de compresión según la reivindicación 1, en el que dicho o dichos elementos elásticos (3) están dispuestos en uno o más elementos de posicionamiento.

3. Un conjunto de compresión según la reivindicación 1, en el que dicho o dichos elementos elásticos (3) son seleccionados del grupo de aire comprimido, un material cerámico fibroso y material metálico fibroso.

4. Un conjunto de compresión según la reivindicación 1, en el que dicho o dichos elementos elásticos comprenden un material a base de mica.

5. Un conjunto de compresión según la reivindicación 4, en el que al menos uno de dicho o dichos elementos elásticos (3) es una lámina hecha de mica.

6. Un conjunto de compresión según la reivindicación 5, en el que el espesor de la lámina de mica tiene un espesor de entre 0, 8 -1, 2 mm.

7. Un conjunto de compresión según la reivindicación 1, en el que dicho o dichos elementos elásticos (3) comprende al menos un resorte metálico (12) .

8. Un conjunto de compresión según la reivindicación 1, en el que dicho o dichos elementos elásticos (3) es al menos un resorte metálico (12) y en el que al menos dicho resorte metálico (12) está dispuesto en uno o más elementos de posicionamiento.

9. Un bloque de pilas de combustible de óxido sólido que comprende un conjunto de compresión según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

10. Un bloque de pilas de combustible de óxido sólido que comprende una placa de extremidad (6) , una o más pilas de combustible de óxido sólido y un conjunto de compresión que tiene una placa (1) de transmisión de fuerza y una capa de distribución de fuerza, de manera que una fuerza de compresión externa es ejercida sobre dicha placa (1) de transmisión de fuerza y sobre dicha capa de distribución de fuerza cuando dicho conjunto de compresión es montado junto con el bloque de pilas de combustible de óxido sólido, dicha capa de distribución de fuerza está dispuesta sobre una superficie de dicha paca de extremidad (6) opuesta a la superficie de la placa de extremidad que mira a las pilas de combustible de óxido sólido, dicha capa de distribución de fuerza tiene un bastidor rígido (2) que se extiende en la proximidad de una región de un área de cierre hermético (17) del bloque de pilas de combustible de óxido sólido, y uno o más elementos elásticos (3) que están colocados dentro del espacio encerrado por dicho bastidor rígido (2) y que están posicionados sobre la superficie de la placa de extremidad (6) opuesta a la superficie de la placa de extremidad que mira a las pilas de combustible de óxido sólido, de manera que el área electroquímicamente activa (18) es comprimida con una presión es que menor que la presión presente en la región del área de cierre hermético (17) , cuando dicho conjunto de compresión es montado con la pila de combustible de óxido sólido en uso.

11. Una pila de combustible de óxido sólido según la reivindicación 10, en la que dicha placa de transmisión de fuerza es proporcionada con una presión de fijación, tal que dicho bastidor rígido a través de dicha placa de transmisión de fuerza es proporcionada con una presión de fijación de entr.

70. 90% de dicha presión de fijación de dicha placa de transmisión de fuerza.

12. Un método para comprimir un bloque de pilas de combustible de óxido sólido en ambos extremos del bloque, comprendiendo el método las operaciones de apilar una pluralidad de pilas de combustible de óxido sólido (5) en series eléctricas proporcionando por ello una región de un área electroquímicamente activa (18) y un área de cierre hermético (13) , previendo en cada extremo del bloque de pilas de combustible de óxido sólido una placa de extremidad (6) , proporcionando una capa de distribución de fuerza de uno o más elementos elásticos (3) y un bastidor rígido (2) sobre la superficie de cada placa de extremidad que está opuesta a la región del área electroquímicamente activa (18) y del área de cierre hermético (13) del bloque de pilas de combustible de óxido sólido y aplicando una fuerza externa a la capa de distribución de fuerza, por lo que una presión de compresión resultante es distribuida de manera desigual a través de la región del área de cierre hermético (13) y del área electroquímicamente activa (18) , de manera que la presión de compresión ejercida en la región del área de cierre hermético (13) es mayor que la presión de compresión ejercida sobre el área electroquímicamente activa (18) del bloque de pilas de combustible de óxido sólido.