Junta de estanqueidad entre dos elementos de coeficientes de dilatación térmica diferentes.

Junta de estanqueidad (10) destinada a interponerse entre un primer y un segundo elementos (4',

6)respectivamente realizados con unos materiales que presentan unos coeficientes de dilatación térmica diferentes,comprendiendo dicha junta:

- una primera y una segunda porciones metálicas de contacto (16a, 16b) separadas entre sí según una direcciónaxial de apilamiento (8), estando dicha primera y dicha segunda porciones metálicas respectivamente destinadas aestar en contacto de forma estanca con dicho primer y dicho segundo elementos,

- unos medios de unión estanca (14) entre dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto (16a,16b), que permiten un desplazamiento relativo entre estas según una dirección radial (20) de la junta, y

- una primera pieza de deslizamiento (24a);

estando dicha junta caracterizada porque comprende una segunda pieza de deslizamiento (24b), y porque dichaprimera y dicha segunda piezas de deslizamiento (24a, 24b) están apiladas según dicha dirección axial deapilamiento (8), y respectivamente acopladas en traslación según dicha dirección radial a dicha primera y dichasegunda porciones metálicas de contacto (16a, 16b) entre las cuales estas están interpuestas, de tal modo que se2puedan deslizar respectivamente una con respecto a la otra según dicha dirección radial (20).

Junta de estanqueidad entre dos elementos de coeficientes de dilatación térmica diferentes

Campo técnico La invención se refiere de manera general a una junta de estanqueidad destinada a interponerse entre dos elementos cualesquiera, que presenten unos coeficientes de dilatación térmica diferentes.

La presente invención se aplica de manera más particular, pero no de forma exclusiva, al campo de los sistemas con celdas electroquímicas, de preferencia los sistemas del tipo electrolizador de alta temperatura, también denominado EHT, y/o del tipo pila de combustible, de preferencia que funcionen a altas temperaturas como las pilas denominadas SOFC (del inglés « Solid Oxy de Fuel Cell ») .

Estado de la técnica anterior

De forma conocida, un electrolizador de vapor de agua a alta temperatura está destinado a producir hidrógeno. Para ello, comprende una multitud de celdas electroquímicas apiladas, estando cada celda provista de un ánodo poroso y de un cátodo poroso, así como de un electrolito dispuesto entre el ánodo y el cátodo. Además, cada celda electroquímica tiene asociados un interconector anódico y un interconector catódico, unidos respectivamente al ánodo y al cátodo, y cada uno en contacto estanco con el electrolito.

En el cátodo poroso del electrolizador alimentado con vapor de agua, tiene lugar la disociación de las moléculas de agua. Los iones migran a través del electrolito sólido, por lo general de cerámica, gracias a la aplicación de una tensión apropiada, para recombinarse con los electrodos.

Para evitar la recombinación del hidrógeno y del oxígeno, está por lo tanto previsto que la unión entre el electrolito y el interconector catódico sea estanca, así como la unión entre el electrolito y el interconector anódico, lo que permite evitar de forma simultánea la fuga de los gases hacia el exterior del electrolizador, así como la formación de una mezcla de gases.

Se conoce una junta de este tipo de la técnica anterior, por ejemplo del documento EP 2 071 216 A1.

A este respecto, hay que señalar que se encuentra un diseño sustancialmente similar en una pila de combustible 35 que funciona a altas temperaturas, dado que esta funciona de acuerdo con el principio inverso al del electrolizador.

Para garantizar la estanqueidad mencionada con anterioridad, se deben cumplir con varios requisitos, y en particular con la aplicación de una pequeña fuerza para el apriete de la junta de estanqueidad, con el fin de evitar dañar / romper el frágil electrolito de cerámica.

Además, la estanqueidad se debe conservar durante las fases de ascenso y de descenso de la temperatura, lo que presenta dificultades importantes a causa del fenómeno de dilatación diferencial que se produce entre cada interconector y el electrolito. En efecto, durante el ascenso de la temperatura operado para que el sistema alcance su temperatura de funcionamiento, tras la colocación y el apriete de la junta, el interconector tiene tendencia a 45 deformarse en la dirección radial más que el electrolito. Esta dilatación diferencial tiene como consecuencia, con las soluciones conocidas del tipo con junta monobloque, la ruptura de la estanqueidad entre la junta y el interconector, debido al deslizamiento relativo entre estas dos piezas. Un fenómeno similar se produce durante el descenso de la temperatura.

Este tipo de problema no se refiere solo a los sistemas con celda electroquímica, sino de manera más general a cualquier conjunto que comprenda dos elementos con coeficientes de dilatación térmica diferentes, entre los cual se interpone una junta de estanqueidad.

Exposición de la invención 55 La invención tiene, por lo tanto, como objetivo resolver al menos de manera parcial los inconvenientes mencionados con anterioridad, relativos a las realizaciones de la técnica anterior.

Para ello, la invención tiene, en primer lugar, por objeto una junta de estanqueidad destinada a interponerse entre un 60 primer y un segundo elementos respectivamente realizados en unos materiales que presentan diferentes coeficientes de dilatación térmica, caracterizándose dicha junta porque comprende:

- una primera y una segunda porciones metálicas de contacto separadas entre sí según una dirección axial de

apilamiento ortogonal a una dirección radial de la junta, estando dicha primera y dicha segunda porciones metálicas 65 respectivamente destinadas a estar en contacto de forma estanca con dicho primer y dicho segundo elementos;

- unos medios de unión estanca entre dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto, que permiten un desplazamiento relativo entre estas según dicha dirección radial de la junta; y

- una primera y una segunda piezas de deslizamiento, apiladas según dicha dirección axial de apilamiento, y

respectivamente acopladas en traslación según dicha dirección radial a dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto entre las cuales estas están interpuestas, de tal modo que se pueda deslizar relativamente una con respecto a la otra según dicha dirección radial.

El diseño propuesto destaca porque permite mantener la estanqueidad durante las fases de ascenso y de descenso de la temperatura. En efecto, durante un ascenso de la temperatura operado tras la colocación y apriete de la junta, uno de los dos elementos situados a ambos lados de la junta tiene tendencia a deformarse más que el otro, en la dirección radial. Pero en lugar de un deslizamiento entre la porción metálica de contacto y su elemento asociado, tal como se encuentra en la técnica anterior, se produce un deslizamiento entre las dos piezas de deslizamiento previstas para ello en el interior de la junta de estanqueidad. La primera y la segunda porciones de contacto pueden,

por lo tanto, acompañar respectivamente las deformaciones del primer y del segundo elementos, en particular gracias a dicho medios de unión apropiados, sin deslizarse sobre estos últimos, es decir conservando un contacto estanco. Un fenómeno similar se produce durante el descenso de la temperatura.

Por otra parte, hay que señalar que el desplazamiento relativo entre la primera y la segunda piezas de deslizamiento es posible, de manera preferente, en todas las direcciones de su plano de interfaz, de preferencia orientado ortogonalmente a la dirección axial de apilamiento. De este modo, el desplazamiento relativo puede no solo realizarse en la dirección radial, sino también en la dirección ortorradial, esto es la dirección denominada tangencial / circunferencial.

De preferencia, dicha primera y dicha segunda piezas de deslizamiento están en contacto entre sí, eventualmente equipadas con un revestimiento que favorece el deslizamiento. Con la misma finalidad, se puede insertar una pieza intercalar entre la primera y la segunda piezas de deslizamiento, en la dirección axial de apilamiento.

De preferencia, dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto presentan cada una al menos un elemento de contacto estanco que sobresale en la dirección axial de apilamiento, hacia el exterior de la junta, así como al menos un elemento de acoplamiento en traslación que sobresale en la dirección axial de apilamiento, hacia el interior de la junta, alojado en un orificio complementario practicado en su pieza de deslizamiento asociada.

De preferencia, dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto se realizan con una aleación de 35 Hierro, de Cromo y de Aluminio, por ejemplo de la marca FeCrAlloy®.

De preferencia, dicha primera pieza de deslizamiento se realiza con una aleación que comprende el elemento Ni en una proporción de al menos un 72 %, Cr en una proporción de entre un 14 y un 17 %, y Fe en una proporción entre un 6 y un 10 %, por ejemplo las aleaciones que pertenecen a la familia denominada Inconel® 600. Esto permite de manera ventajosa que la primera pieza de deslizamiento presente un coeficiente de dilatación térmica próximo o idéntico al del elemento que debe acompañar el desplazamiento, cuando este elemento se realiza con una superaleación a base de níquel, como es por lo general el caso para un interconector de celda electroquímica.

De preferencia, dicha segunda pieza de deslizamiento se realiza con circonia itriada o con Macor®, es decir una 45 vitrocerámica fácilmente mecanizable con un coeficiente de dilatación próximo a la zirconia 11.10-6 y con la siguiente composición: SiO2 (46%) , MgO (17%) , Al2O3 (16 %) , K2O (10 %) , B2O3 (7%) , F (4 %) . Esto permite de manera ventajosa que la segunda pieza de deslizamiento presente un coeficiente de dilatación térmica próximo o igual al del elemento al que debe acompañar en el desplazamiento,... [Seguir leyendo]

1. Junta de estanqueidad (10) destinada a interponerse entre un primer y un segundo elementos (4’, 6)

respectivamente realizados con unos materiales que presentan unos coeficientes de dilatación térmica diferentes, 5 comprendiendo dicha junta:

- una primera y una segunda porciones metálicas de contacto (16a, 16b) separadas entre sí según una dirección axial de apilamiento (8) , estando dicha primera y dicha segunda porciones metálicas respectivamente destinadas a estar en contacto de forma estanca con dicho primer y dicho segundo elementos,

- unos medios de unión estanca (14) entre dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto (16a, 16b) , que permiten un desplazamiento relativo entre estas según una dirección radial (20) de la junta, y

- una primera pieza de deslizamiento (24a) ;

estando dicha junta caracterizada porque comprende una segunda pieza de deslizamiento (24b) , y porque dicha primera y dicha segunda piezas de deslizamiento (24a, 24b) están apiladas según dicha dirección axial de apilamiento (8) , y respectivamente acopladas en traslación según dicha dirección radial a dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto (16a, 16b) entre las cuales estas están interpuestas, de tal modo que se puedan deslizar respectivamente una con respecto a la otra según dicha dirección radial (20) .

2. Junta de estanqueidad de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque dicha primera y dicha segunda piezas de deslizamiento (24a, 24b) están en contacto entre sí.

3. Junta de estanqueidad de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizada porque dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto (16a, 16b) presentan cada una al menos un elemento de contacto de estanqueidad (18a, 18b) que sobresale en la dirección axial de apilamiento, hacia el exterior de la junta, así como al menos un elemento de acoplamiento en traslación (22a, 22b) que sobresale en la dirección axial de apilamiento, hacia el interior de la junta, alojado dentro de un orificio complementario (26a, 26b) practicado en su pieza de deslizamiento asociada.

4. Junta de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto (16a, 16b) están realizadas con una aleación de Hierro, de Cromo y de Aluminio.

5. Junta de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicha primera pieza de deslizamiento (24a) está realizada con una aleación que comprende el elemento Ni en una proporción de al menos un 72 %, Cr en una proporción de entre un 14 y un 17 %, y Fe en una proporción entre un 6 y un 10 %.

6. Junta de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicha segunda pieza de deslizamiento (24b) está realizada con circonia itriada.

7. Junta de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque

dichos medios de unión estanca (14) están realizados en el mismo material que el de dicha primera y dicha segunda porciones metálicas de contacto (16a, 16b) .

8. Junta de estanqueidad de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la relación entre el espesor de la primera pieza de deslizamiento (24a) y el espesor de la primera porción metálica de 50 contacto (16a) está comprendida entre 2 y 5, y porque la relación entre el espesor de la segunda pieza de deslizamiento (24b) y el espesor de la segunda porción metálica de contacto (16b) está comprendida entre 2 y 5.

9. Conjunto que comprende al menos una junta de estanqueidad (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, interpuesta entre un primer y un segundo elementos (4’, 6) respectivamente realizados 55 con unos materiales que presentan unos coeficientes de dilatación térmica diferentes.

10. Conjunto de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque dicha primera y dicha segunda piezas de deslizamiento (24a, 24b) de la junta presentan, respectivamente, unos coeficientes de dilatación térmica próximos o idénticos a los de dicho primer y dicho segundo elementos.

11. Conjunto de acuerdo con la reivindicación 8 o la reivindicación 10, caracterizado porque el primer y el segundo elementos son respectivamente de metal y de cerámica.

12. Sistema de celda electroquímica (1) que comprende al menos una junta de estanqueidad (10) de acuerdo con 65 una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.

13. Sistema de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque comprende al menos una celda electroquímica (1) provista de un ánodo (2) , de un cátodo (4) , así como de un electrolito (6) dispuesto entre el ánodo y el cátodo, estando un interconector anódico (2’) y un interconector catódico (4’) asociados a dicha celda electroquímica (1) , unidos respectivamente al ánodo y al cátodo, comprendiendo dicho sistema también al menos una junta de estanqueidad (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, colocada entre dicho electrolito (6) y el interconector anódico (2’) , y/o entre dicho electrolito (6) y el interconector catódico (4’) .

14. Sistema de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque cada junta, cada una de dicha primera y dicha segunda piezas de deslizamiento (24a, 24b) presenta un coeficiente de dilatación térmica próximo o idéntico al del 10 elemento, entre los interconectores anódico y catódico y el electrolito, al cual está asociada.

15. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque los interconectores anódico y catódico son de metal y el electrolito es de cerámica.

16. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque es un electrolizador de alta temperatura, o una pila de combustible que funciona a altas temperaturas.