Método para la producción de celdas reversibles de óxidos sólidos.

Un método de producir una celda reversible de óxidos sólidos, que comprende las etapas de:

- colar en cinta una capa de soporte del ánodo sobre un soporte (1),

- colar en cinta una capa de electrólito sobre un soporte (3);

y o bien

- colar en cinta una capa de ánodo sobre la parte superior de dicha capa de soporte del ánodo;

- estratificar dicha capa de electrólito sobre la parte superior de dicha capa de ánodo;

- opcionalmente retirar el o los soportes (1) y/o (3) desde la capa de soporte de soporte del ánodo y/o la capade electrólito;

- sinterizar la estructura de capas múltiples; o

- colar en cinta una capa de ánodo sobre la parte superior de dicha capa de electrólito;

- estratificar dicha capa de soporte del ánodo sobre la parte superior de dicha capa de ánodo;

- opcionalmente retirar el o los soportes (1) y/o (3) desde la capa de soporte del ánodo y/o desde la capa deelectrólito; y

- sinterizar la estructura de capas múltiples,

en donde por lo menos una etapa de estratificación se lleva a cabo bajo una presión de 1 a 5 bares y a unatemperatura comprendida entre 20ºC y 250ºC.

Método para la producción de celdas reversibles de óxidos sólidos

Campo técnico

El presente invento se refiere a un método barato y mejorado para la producción de celdas reversibles de óxidos sólidos, particularmente de celdas de combustible de óxidos sólidos.

Técnicas de antecedentes Las celdas de óxidos sólidos (SOC’s, acrónimo de solid oxide cells) incluyen unas celdas diseñadas para diferentes aplicaciones, tales como celdas de combustible de óxidos sólidos (SOFC’s, acrónimo de solid oxide fuel cells) , o celdas de electrólisis de óxidos sólidos (SOEC’s, acrónimo de solid oxide electrolysis cells) . Estos tipos de celdas son bien conocidos en la especialidad. Típicamente, una celda de combustible de óxidos sólidos comprende una capa de electrólito emparedada por dos capas de electrodos. Durante el funcionamiento, usualmente a una temperatura de desde aproximadamente 500ºC hasta aproximadamente 1.100ºC, un electrodo está en contacto con oxígeno o aire y el otro electrodo está en contacto con un gas combustible. En el caso de las SOFC’s el cátodo está en contacto con oxígeno o aire y el ánodo está en contacto con el gas combustible.

Los procedimientos de producción más corrientes, sugeridos en la técnica anterior, comprenden la producción de celdas individuales, que luego son apiladas conjuntamente para dar más rendimiento de salida de energía. Generalmente, se proporciona un soporte, sobre el que se forma una capa de ánodo, seguida por una capa de electrólito. La semi-celda así formada es luego secada y sinterizada, ocasionalmente en condiciones de atmósfera reductora. Finalmente, una capa de cátodo se forma sobre la estructura sinterizada de manera tal que se obtiene una celda completa.

Las celdas se producen usualmente mediante el uso de unas técnicas de tratamiento de polvos húmedos, que comprenden una colada en cinta del componente de soporte. El componente de soporte de la celda es producido normalmente mediante una colada en cinta de una suspensión de polvos y las capas activas (cátodo, electrólito y ánodo) son depositadas subsiguientemente sobre el soporte mediante pintura por proyección o impresión por serigrafía, con unas etapas intermedias de sinterización para las diferentes capas.

Alternativamente, las SOFC’s son producidas, por ejemplo, mediante unos métodos de deposición electroquímica desde la fase de vapor (CVD, acrónimo de chemical vapour deposition) o de proyección de plasma. Sin embargo dichos procedimientos son muy caros y, por lo tanto, ha constituido un deseo disminuir los costos de fabricación.

El documento de patente de los EE.UU. 5.803.934 se refiere a un método para producir una capa de electrodo sobre un electrólito sólido de una celda de combustible de estado sólido. Unas hojas moldeadas por colada manualmente se produjeron a partir de una suspensión y se conformaron para dar una cinta de cromato. Las cintas de cromato fueron luego estratificadas con una cinta en bruto de óxido de zirconio estabilizado con óxido de itrio al 8 % en moles, pintando las correspondientes superficies de las cintas con etanol y haciendo pasar los estratificados a través de un molino de rodillos. Luego, los estratificados fueron colocados entre placas fibrosas de alúmina (óxido de aluminio) con el fin de evitar el abarquillamiento, y sinterizados en aire a 1.300ºC durante 6 horas.

El documento US 5.846.664 se refiere a un procedimiento para la producción de un componente metálico poroso. Se proporciona una suspensión coloidal, se moldea por colada para dar una delgada lámina y se seca al aire para formar una cinta que tiene unas propiedades de plegabilidad previamente seleccionadas. Un número predeterminado de capas de cintas se apilan y se compactan entre rodillos, o se extienden en capas en una matriz o se conforman previamente y estratifican de otro modo distinto. La estratificación tiene lugar a unas presiones que fluctúan entre aproximadamente 5 MPa y aproximadamente 60 MPa a unas temperaturas situadas en el intervalo comprendido desde aproximadamente 25ºC hasta aproximadamente 80ºC durante un período de tiempo eficaz para estratificar dichas capas de cinta y formar un cuerpo en bruto (sin elaborar) .

El documento de solicitud de patente de los EE.UU. U.S. 2003/0231973 se refiere a un método para preparar placas metálicas graduadas en cuanto a su composición y a unas placas metálicas graduadas en cuanto a su composición, apropiadas para su uso como interconexiones para celdas de combustible de óxidos sólidos. Más específicamente, las placas con una composición graduada, desde un lado al otro, se pueden preparar formando capas de diferentes barbotinas, cada una sobre la parte superior de otra de ellas o estratificando conjuntamente unas capas en bruto preparadas por separado, usando una pequeña cantidad de un disolvente entre las capas o prensándolas conjuntamente en caliente. Un procedimiento incluye la estratificación de capas en bruto preparadas por separado, que opcionalmente tienen una pequeña cantidad de un disolvente pintado entre las capas con el fin de favorecer la unión. Las capas en bruto pueden ser también comprimidas conjuntamente. Unos materiales graduados funcionalmente o estratificados se pueden preparar frotando un disolvente sobre una o ambas superficies de cada capa y apilando múltiples capas en el orden deseado. Estas capas múltiples son luego prensadas en caliente con el fin de ayudar a asegurar una buena adhesión entre las capas.

El documento de patente de los EE.UU. US 5.788.788 se refiere a un método para preparar un elemento de celda de combustible, que incluye la etapa de: estratificar unas cintas cerámicas para formar un estratificado de ánodo y electrólito no cocido, reducir el espesor del estratificado de ánodo y electrólito; sinterizar el estratificado de ánodo y electrólito, estratificar unas cintas cerámicas para formar un estratificado de cátodo e interconexión no cocido; reducir el espesor del estratificado de cátodo e interconexión; repujar un modelo de trayectoria de flujo gaseoso dentro de la capa de cátodo del estratificado de cátodo e interconexión; sinterizar el estratificado de cátodo e interconexión; y unir el estratificado de ánodo y electrólito sinterizado para dar el estratificado de cátodo e interconexión sinterizado de índole tal que la capa de electrólito entra en contacto con la capa de cátodo. La fabricación implica además reducir el espesor de los estratificados, por ejemplo por laminación. El apilamiento es hecho pasar entre dos rodillos para estratificar las dos capas conjuntamente con el fin de formar un estratificado de ánodo y electrólito o un estratificado de cátodo e interconexión no cocido.

El documento de solicitud de patente europea EP-A-1306920 se refiere a una celda unitaria para una celda de combustible, que se forma estratificando un electrodo de combustible, un electrólito sólido, y un electrodo de aire sobre un material de base poroso. El electrodo de combustible de la celda unitaria puede ser producido como un cuerpo estratificado por estratificación de una pluralidad de capas del electrodo de combustible. Como se puede ver a partir de los ejemplos, se obtuvo un metal poroso hecho de cobre, una capa de óxido de cerio dopada con samario se formó sobre un material de electrodo de combustible, una capa de óxido de cerio dopado con samario se formó como un material de electrólito sólido, y las láminas obtenidas de esta manera fueron extendidas en capas cada una sobre la parte superior de otra de ellas. Las láminas estratificadas fueron después de ello presurizadas a 100 g/cm2, con lo que se aumentó la adhesividad entre las diversas capas.

El documento de solicitud de patente internacional WO-A-03/036739 se refiere a unas celdas de combustible de óxidos sólidos, producidas aplicando como revestimiento sobre un cinta de soporte una suspensión de un electrólito, que tiene una cantidad limitada de material orgánico, depositando una primera capa de electrodo sobre la capa de electrólito, retirado la cinta, imprimiendo por serigrafía una segunda capa de electrodo sobre la superficie expuesta de la capa de electrólito y cociendo las capas a unas temperaturas de 1.100-1.300ºC.

El documento US 4.957.673 se refiere a una estructura cerámica estratificada unitaria que comprende unas capas conjuntamente sinterizadas, en donde la capa central está formada a base de óxido de zirconio estabilizado con óxido de itrio y las capas exteriores se forman con un manganito de estroncio y lantano.

El documento US-A-2006/0234100 se refiere a unas membranas de películas delgadas autosustentables de materiales cerámicos y a unas celdas electroquímicas relacionadas y a... [Seguir leyendo]

1. Un método de producir una celda reversible de óxidos sólidos, que comprende las etapas de:

- colar en cinta una capa de soporte del ánodo sobre un soporte (1) , -colar en cinta una capa de electrólito sobre un soporte (3) ; y o bien -colar en cinta una capa de ánodo sobre la parte superior de dicha capa de soporte del ánodo; -estratificar dicha capa de electrólito sobre la parte superior de dicha capa de ánodo; -opcionalmente retirar el o los soportes (1) y/o (3) desde la capa de soporte de soporte del ánodo y/o la capa de electrólito; -sinterizar la estructura de capas múltiples; o -colar en cinta una capa de ánodo sobre la parte superior de dicha capa de electrólito; -estratificar dicha capa de soporte del ánodo sobre la parte superior de dicha capa de ánodo; -opcionalmente retirar el o los soportes (1) y/o (3) desde la capa de soporte del ánodo y/o desde la capa de electrólito; y -sinterizar la estructura de capas múltiples,

en donde por lo menos una etapa de estratificación se lleva a cabo bajo una presión de 1 a 5 bares y a una temperatura comprendida entre 20ºC y 250ºC.

2. El método de la reivindicación 1, que comprende además las etapas de:

- colar en cinta una capa de cátodo o una capa de precursor del cátodo sobre un soporte (4) ; -retirar dicho soporte (3) desde la capa de electrólito; -estratificar dicha capa de cátodo o dicha capa de precursor del cátodo sobre la parte superior de dicha capa de electrólito; y -opcionalmente retirar dicho soporte (4) ; -antes de sinterizar la estructura de capas múltiples.

3. El método de la reivindicación 1, que comprende además las etapas de:

- retirar dicho soporte (3) desde la capa de electrólito; y -colar en cinta una capa de cátodo o una capa de precursor del cátodo sobre la parte superior de dicha capa de electrólito, -antes de sinterizar la estructura de capas múltiples.

4. El método de la reivindicación 1, que comprende además las etapas de:

- colar en cinta una capa de cátodo o una capa de precursor del cátodo sobre la parte superior de la capa de electrólito antes de sinterizar la estructura de capas múltiples.

5. El método de las reivindicaciones 2 hasta 4, que comprende además la etapa de impregnar la capa de precursor del cátodo con un catalizador o con un material precursor del catalizador, y que comprende opcionalmente la etapa de impregnar dicho (s) material (es) de electrólito.

6. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de colar en cinta una capa de ánodo sobre la parte superior de dicha capa de soporte del ánodo o de colar en cinta una capa de ánodo sobre la parte superior de dicha capa de electrólito se lleva a cabo mediante una colada de material húmedo sobre material húmedo.

7. Una estructura de capas múltiples sinterizadas, obtenible por el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 hasta 6.

8. Uso de la estructura de capas múltiples de la reivindicación 7 para celdas de combustible de óxidos sólidos, celdas de electrólisis de óxidos sólidos o membranas.