Un procedimiento para producir electrodos de pilas de combustible,

comprendiendo el procedimiento:

proporcionar (12) un sustrato (44, 94); y

aplicar (14) una primera capa al sustrato, en el que la primera capa incluye una pluralidad de partículas individuales (42), caracterizado por aplicar (18) a la primera capa un líquido que tiene un componente inorgánico y un disolvente, de modo que el líquido cubre sustancialmente al menos una parte de cada partícula; y calentar (20) el líquido a una temperatura menor de aproximadamente 1000 grados Celsius, evaporar el disolvente y producir un recubrimiento (48) sobre las partículas que incluye el componente inorgánico.

Electrodos compuestos químicamente sinterizados y procedimientos de fabricación

CAMPO TÉCNICO

Los sistemas y procedimientos, incluyendo procedimientos de fabricación, descritos en el presente documento, se refieren a pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) que usan un electrolito sólido que puede estar formado como una membrana semipermeable fina o un sustrato de soporte, que tiene un electrodo formado por un procedimiento de sinterización y adherido al sustrato de soporte.

ANTECEDENTES

Las pilas de combustible producen electricidad a partir de reacciones químicas. Las reacciones químicas típicamente hacen reaccionar hidrógeno y aire/oxígeno como reaccionantes, y producen vapor de agua como un subproducto principal. El hidrógeno se puede proporcionar directamente, en forma de hidrógeno gaseoso, o se puede obtener de otros combustibles, tales como butano u otros hidrocarburos líquidos o gaseosos, que se pueden reformar para aislar hidrógeno gaseoso para la reacción. Una pila de combustible de óxido sólido (SOFC) a menudo es un dispositivo en estado sólido que usa un material cerámico de óxido sólido, tal como óxido de circonio estabilizado con óxido de itrio (YSZ) como electrolito, que permanece sólido a las temperaturas normales de funcionamiento, típicamente en el intervalo de 800ºC, haciéndolo impermeable al transporte de gas. A estas temperaturas, el electrolito es un buen conductor de iones oxígeno con carga eléctrica, y la SOFC aprovecha esta propiedad para generar y extraer corriente eléctrica de la reacción entre el combustible y el aire por el transporte de iones oxígeno a través del electrolito.

Los montajes de pilas de combustible de óxido sólido usan un par de electrodos porosos separados por un miembro de electrolito sólido para extraer energía del combustible. Los electrodos proporcionan un gran número de sitios de reacción química que permiten que los iones oxígeno con carga eléctrica sean transportados a través del electrolito, creando un potencial eléctrico que puede ser aprovechado por un dispositivo externo. Los electrodos usados por las SOFC tienen incluidos electrodos formados por partículas conductoras de iones térmicamente sinterizados. Para formar estos electrodos sinterizados, se puede extender o aplicar un recubrimiento o capa de partículas conductoras al electrolito de óxido sólido y después el electrolito y las partículas se pueden calentar, típicamente a una temperatura superior a 1000ºC. Opcionalmente, este procedimiento de deposición y calentamiento puede tener lugar a lo largo de varias iteraciones, siendo el resultado final una capa sinterizada de material de electrodo duro formado sobre y adherido al electrolito. Típicamente, este procedimiento se usa para formar electrodos en ambos lados del electrolito, de modo que el procedimiento produce una capa de electrolito que tiene electrodos a cada lado.

Aunque estos procedimientos para formar los electrodos sinterizados pueden funcionar bien, requieren una temperatura que es suficientemente alta para producir o tener riesgo de producir daño estructural del electrolito de óxido. El riesgo de daño aumenta con la fragilidad de la capa de electrolito. Un problema hoy en día es que la capa de electrolito usada en las SOFC parece que funciona mejor si se aplica como una capa muy fina de material sobre un sustrato que actúa como un soporte mecánico. La capa fina de electrolito proporciona una mayor eficacia por volumen de material que una capa más gruesa. Esto puede dar mayores densidades de potencia para el dispositivo de pila de combustible. Sin embargo, cuando las capas crecen más finas, el electrolito se hace más susceptible al daño térmico, y por lo tanto, en un procedimiento iterativo de ciclos térmicos que calienta las capas finas del electrolito a temperaturas relativamente altas, puede fallar ya que la energía térmica puede combar o estropear de otra forma la capa de electrolito.

El documento WO 00/39358 describe un procedimiento para producir electrodos de pilas de combustible de acuerdo con la parte de precaracterización de la reivindicación 1.

Sigue siendo necesario en la técnica proporcionar procedimientos mejorados para fabricar las SOFC que tienen electrolitos sólidos de capa fina, y proporcionar SOFC que tengan electrodos que se fabriquen de forma más fiable.

RESUMEN

La presente invención proporciona un procedimiento para producir electrodos de pilas de combustible caracterizado de acuerdo con la reivindicación 1

Los sistemas y procedimientos descritos en el presente documento incluyen, entre otras cosas, electrodos conductores iónicos y eléctricos y procedimientos para hacerlos. Aunque tienen muchas aplicaciones, se entenderá que los sistemas y procedimientos descritos en el presente documento son adecuados para usar en fábricas en líneas de producción de dispositivos de pilas de combustible de película fina, en los que la pila de combustible tiene sustrato y/o capa de electrolito finos, que son dañados fácilmente por procedimientos de formación de electrodos de ciclos térmicos de temperatura más alta.

En una práctica, las capas se aplican como materiales separados que se disponen en etapas separadas. Sin embargo, en prácticas alternativas, los dos materiales se pueden mezclar entre sí en una disolución y aplicar esta disolución de forma iterativa. En prácticas opcionales adicionales los dos materiales se pueden mezclar entre sí en diferentes cantidades relativas para aplicar mezclas de diferentes concentraciones, y estas mezclas de diferentes concentraciones se pueden aplicar sobre el sustrato en etapas separadas. En otras prácticas más, los materiales se pueden disponer como materiales separados en algunas etapas y como mezclas de materiales en otras etapas. El procedimiento usado variará de acuerdo con la aplicación disponible y el material resultante que se desea.

Continuando con la práctica de disponer los materiales por separado, el procedimiento puede incluir que la segunda capa comprenda también un disolvente, y en el que el calentamiento evapora el disolvente, produciendo así un recubrimiento sólido sobre la primera capa. El recubrimiento puede comprender el componente inorgánico y el componente inorgánico puede ser platino y/o manganato de estroncio y lantano. También se pueden usar otros materiales adecuados.

Durante el calentamiento, la temperatura del sustrato, cuando se aplica la segunda capa, es mayor que aproximadamente 50ºC, y opcionalmente el calentamiento se puede producir simultáneamente con la aplicación de la segunda capa. El procedimiento de aplicar la segunda capa puede comprender un procedimiento de pintado, serigrafíado, recubrimiento por inmersión, pulverización, dispensación con una aguja, y chorro. Alternativamente, el líquido puede comprender una disolución de electrodeposición, y cuando se aplica la segunda capa, el sustrato se puede suspender en un baño del líquido. También se pueden usar otras técnicas adecuadas.

El calentamiento puede comprender un primer procedimiento de calentamiento y un segundo procedimiento de calentamiento, en el que el segundo calentamiento se lleva a cabo a una temperatura mayor que el primero. El primer calentamiento puede calentar a una temperatura de aproximadamente 70ºC y el segundo calentamiento comprende calentar a una temperatura de aproximadamente 450ºC.

El primer material aplicado al sustrato puede comprender un material conductor de iones, y opcionalmente puede ser uno de óxido de circonio estabilizado con óxido de itrio, óxido de cerio, óxido de hafnio, u otros materiales o combinaciones de estos materiales que son adecuados para la aplicación. El segundo material también puede comprender un componente inorgánico conductor de iones y un tercer material aplicado puede incluir un líquido que tiene un componente inorgánico conductor electrónico.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Estas y otras características y ventajas se entenderán mejor mediante la siguiente descripción ilustrativa con referencia a los dibujos adjuntos, en los que los elementos similares están marcados con designaciones de referencias iguales y pueden no estar dibujados a escala.

La fig. 1 representa un diagrama de flujo de un procedimiento de acuerdo con la invención para fabricar un montaje de pila de combustible;

La fig. 2 presenta una vista del corte transversal de una pila de combustible plana de acuerdo con una realización de la invención;... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para producir electrodos de pilas de combustible, comprendiendo el procedimiento:

proporcionar (12) un sustrato (44, 94) ; y aplicar (14) una primera capa al sustrato, en el que la primera capa incluye una pluralidad de partículas individuales (42) , caracterizado por aplicar (18) a la primera capa un líquido que tiene un componente inorgánico y un disolvente, de modo que el líquido cubre sustancialmente al menos una parte de cada partícula; y calentar (20) el líquido a una temperatura menor de aproximadamente 1000 grados Celsius, evaporar el disolvente y producir un recubrimiento (48) sobre las partículas que incluye el componente inorgánico.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el componente inorgánico comprende uno de platino y manganato de estroncio y lantano.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que aplicar el líquido comprende uno de un procedimiento de pintado, serigrafiado, recubrimiento por inmersión, pulverizado, dispensación con una aguja y chorro.

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el líquido comprende además una disolución de electrodeposición, y aplicar el líquido comprende suspender el sustrato en un baño del líquido.

5. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la primera capa comprende además poros situados entre las partículas individuales, y en el que la aplicación de un líquido a la primera capa comprende llenar sustancialmente los poros con el líquido.

6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la primera capa comprende un material conductor de iones.

7. El procedimiento de la reivindicación 6, en el que el material conductor de iones comprende uno de óxido de circonio estabilizado con óxido de itrio, óxido de cerio u óxido de hafnio.

8. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el líquido comprende un componente inorgánico conductor de iones.

9. El procedimiento de la reivindicación 1, que además comprende aplicar (22) a la primera capa, un segundo líquido que tiene un componente inorgánico conductor de electrones.

10. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de partículas individuales comprende partículas conductoras de iones y partículas conductoras electrónicas.

11. El procedimiento de la reivindicación 1, que además comprende aplicar (22) una tercera capa al sustrato, en el que la tercera capa comprende una pluralidad de partículas individuales.

12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que la primera capa se aplica a una primera parte del sustrato y la tercera capa se aplica a una segunda parte del sustrato.

13. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el líquido se aplica selectivamente a una parte del sustrato.

14. El procedimiento de la reivindicación 1, que además comprende proporcionar al menos una pared (88) acoplada al sustrato para proporcionar al menos dos partes separadas del sustrato.

15. El procedimiento de la reivindicación 1, que además comprende proporcionar una máscara para formar distintos electrodos en el sustrato.