Módulo de pilas de combustible de óxidos sólidos con ánodo de multicapa.

Un módulo (10) de pila de combustible de óxidos sólidos que comprende una pluralidad de pilas (16) decombustible de óxidos sólidos,

comprendiendo cada pila de combustible (16) un electrodo de ánodo (18), unelectrolito (20) y un electrodo de cátodo (22), una pluralidad de interconectores (24) que están dispuestos paraconectar eléctricamente las pilas de combustible (16) en series eléctricas, conectando eléctricamente cadainterconector (24) un electrodo de ánodo (18) de una pila de combustible (16) a un electrodo de cátodo (22) de unapila de combustible adyacente (16), comprendiendo el electrodo de ánodo (18) al menos tres capas (26, 28, 30),estando dispuesta una primera capa (26) sobre el electrolito (20), estando dispuesta una segunda capa (28) sobre laprimera capa (26) y estando dispuesta una tercera capa (30) sobre la segunda capa (28), comprendiendo la primeracapa (26) una asociación de metal y material cerámico, comprendiendo la tercera capa (30) una asociación de metaly material cerámico, caracterizado por que la segunda capa (28) comprende un colector de corriente (32) y unaasociación de metal y material cerámico (34), estando intercalado el colector de corriente (32) en la asociación demetal y material cerámico (34) de la segunda capa (28), comprendiendo el colector de corriente (32) una asociaciónde metal y material cerámico; teniendo la asociación de metal y material cerámico del colector de corriente (32) unaconcentración de metal más elevada que la concentración de metal de la asociación de metal y material cerámico dela primera capa (26), la segunda capa (28) y la tercera capa (30) o teniendo la asociación de metal y materialcerámico del colector de corriente (32) partículas de metal y material cerámico con un tamaño diferente de lostamaños de las partículas de metal y material cerámico de la asociación de metal y material cerámico de la primeracapa (26), la segunda capa (28) y la tercera capa (30) o teniendo la asociación de metal y material cerámico delcolector de corriente (32) una porosidad menor que la de la asociación de metal y material cerámico de la primeracapa (26), la segunda capa (28) y la tercera capa (30).

Módulo de pilas de combustible de óxidos sólidos con ánodo de multicapa Campo de la invención La presente invención se refiere a una pila de combustible de óxidos sólidos y un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos.

El documento JP07245107A divulga una pila de combustible de óxidos sólidos que comprende un electrodo de aire, un electrodo de combustible y un electrolito. El electrodo de combustible comprende una primera capa dispuesta sobre el electrolito, una segunda capa sobre la primera capa y una tercera capa sobre la segunda capa. La primera capa comprende una asociación de metal y material cerámico, la segunda capa comprende un metal poroso y la tercera capa comprende una asociación de metal y material cerámico.

El documento US 5273837 divulga una pila de combustible de óxidos sólidos que comprende un electrolito flexible, un electrodo de ánodo y un electrodo de cátodo. El electrodo de ánodo comprende una capa individual unida al electrolito. El electrodo de ánodo comprende una rejilla de ánodo que se extiende completamente a través del espesor del electrodo de ánodo. La rejilla de ánodo comprende una malla metálica de níquel y ésta se encuentra unida permanentemente al electrolito y la malla metálica actúa como colector de corriente para el electrodo de ánodo. Se aplica un material de electrodo para el electrodo de ánodo que consiste en una mezcla de níquel y circonia para rellenar las aberturas de la malla metálica de níquel.

Se conocen las pilas de combustible de óxidos sólidos que comprenden electrodos de ánodo funcionalmente clasificados y electrodos de ánodo funcionalmente clasificados. Generalmente, los electrodos de ánodo y cátodo funcionalmente clasificados comprenden una primera capa sobre el electrolito y una segunda capa sobre la primera capa. La primera capa está dispuesta para optimizar la actividad electro-química en el electrolito y la segunda capa está dispuesta para proporcionar conducción electrónica perpendicular a las capas de las pilas de combustible de óxidos sólidos con el fin de permitir que la corriente fluya de una pila de combustible de óxidos sólidos a una pila de combustible de óxidos sólidos adyacente por medio de un interconector. Las segundas capas proporcionan la recogida uniforme de corriente a través de las pilas de combustible de óxidos sólidos.

Se conocen los módulos de pilas de combustible de óxidos sólidos que comprenden una pluralidad de pilas de combustibles de óxidos sólidos conectadas en series eléctricas. Las pilas de combustible de óxidos sólidos están conectadas en serie por medio de interconectores.

Los electrodos de ánodo y los electrodos de cátodo requieren coeficientes de expansión térmica (CTE) próximos al del electrolito así como adherencia apropiada, o buena unión interfacial, con el electrolito. De igual forma, los electrodos de ánodo y los electrodos de cátodo están expuestos a diferentes entornos de operación y esto da lugar a diferentes requisitos de material para los electrodos de ánodo y los electrodos de cátodo. Los electrodos de ánodo y los electrodos de cátodo tienen que ser térmicamente estables a temperaturas elevadas, químicamente estables con respecto al electrolito a temperaturas elevadas, tener elevada conductividad eléctrica y ser catalíticos en atmósferas oxidantes o reductoras. Además, los electrodos de ánodo y los electrodos de cátodo deber ser porosos para permitir el flujo de los productos gaseosos y los reaccionantes hacia y desde los sitios de reacción. Todos estos requisitos 45 limitan el número de materiales disponibles para su uso como electrodos de ánodo y como electrodos de cátodo.

No existen materiales disponibles para la selección, que satisfagan todos los requisitos de material para su uso como electrodos de ánodo y electrodos de cátodo y, de este modo, es necesario modificar los materiales. El método generalmente aceptado de modificación de las propiedades de un material consiste en mezclar el material con otro material para producir un material compuesto. De este modo, actualmente los electrodos de ánodo y los electrodos de cátodo de una pila de combustible de óxidos sólidos comprenden materiales compuestos, también conocidos como asociaciones de metal y material cerámico, y estos materiales compuestos comprenden dos o más materiales.

Generalmente, un electrodo de ánodo comprende una mezcla de níquel y circonia estabilizada con itria (YSZ) . Las 55 proporciones de níquel y circonia estabilizada con itria (YSZ) se varían para ajustar el coeficiente de expansión térmica del electrodo de ánodo a cualquier valor entre el de níquel y circonia estabilizada con itria (YSZ) . Puede estar presente una proporción suficiente de níquel en el electrodo de ánodo con el fin de que el electrodo de ánodo tenga una buena conductividad. Al final, las proporciones de níquel y circonia estabilizada con itria (YSZ) en el electrodo de ánodo es un compromiso entre el requisito de un coeficiente de expansión térmica (CTE) que se ajusta al del electrolito, normalmente circonia estabilizada con itria, y el requisito de una conductividad eléctrica elevada. Además, debido a que el electrodo de ánodo puede ser poroso, la presencia de poros en el electrodo de ánodo actúa como aislante y reduce la conductividad eléctrica del electrodo de ánodo.

El electrodo de cátodo tiene requisitos similares al electrodo de ánodo y el electrodo de cátodo generalmente 65 comprende un material compuesto o asociación de metal y material cerámico de manganita de lantano impurificado con estroncio.

La conductancia de un objeto que viene expresado por medio de la ecuación (1) , donde G es la conductancia del objeto, p es la resistividad de los materiales, L es la longitud del objeto que fluye en corriente a lo largo y A es el área de corte transversal del objeto. La resistividad, p, es el inverso de la conductividad !. Sustituyendo conductividad por resistividad se da lugar a la ecuación (2) .

y

Las pilas de combustible de óxidos sólidos descritas en la solicitud de patente internacional publicada WO 0229917A de los inventores se encuentran dispuestas sobre un sustrato poroso inerte. En este dispositivo, la geometría de las capas que recogen corriente y que conectan las pilas adyacentes de combustible de óxidos sólidos juntas tiene una proporción muy pequeña de área de corte transversal con respecto a longitud.

La geometría ideal para maximizar la conductancia es maximizar la proporción de corte transversal con respecto a longitud, teniendo una longitud pequeña y un área de corte transversal grande.

En las pilas de combustible de óxidos sólidos descritas en la solicitud de patente internacional publicada WO 0229917 de los inventores, las dimensiones de la capa de recogida de corriente están restringidas en términos de anchura y longitud, debido a que están directamente relacionadas con la geometría de pila de combustible de óxidos sólidos y las tolerancias de impresión y tamaño del electrolito. El espesor de la capa de recogida de corriente no está gobernado por esta geometría, sino que el espesor no debe ser excesivamente grande en cuanto a magnitud, ya que una capa gruesa afecta a la integridad mecánica.

Como se ha comentado anteriormente, se conocen los electrodos de ánodo y de cátodo funcionalmente clasificados. El método convencional para aumentar la conductividad del electrodo de ánodo y del electrodo de cátodo consiste en proporcionar las segundas capas con una conducción electrónica mejorada. Estas segundas capas, conocidas como capas colectoras de corriente, deben ser porosas para permitir que el producto y los gases reaccionantes fluyan hasta y a partir de los sitios de reacción.

El níquel se usa de manera predominante en las pilas de combustible de óxidos sólidos para los electrodos de ánodo ya que tiene buenas propiedades catalíticas y de conductividad electrónica a temperaturas elevadas. De este modo, el níquel sería un buen material para la capa colectora de corriente.

No obstante, el níquel y el óxido de níquel tienen un coeficiente de expansión térmica que es mayor que el de circonia estabilizada con itria (YSZ) y el níquel y el óxido de níquel experimentan un cambio de volumen significativo cuando se oxidan y se reducen respectivamente. Adicionalmente, con el tiempo y temperaturas elevadas las partículas pequeñas de níquel, en una capa colectora de corriente o capa de ánodo, tienden a engrosar debido a la fuerza de accionamiento termodinámica para disminuir la energía libre por medio de disminución del área superficial,

lo cual altera la microestructura de manera que existe menos percolación de las partículas de níquel.... [Seguir leyendo]

1. Un módulo (10) de pila de combustible de óxidos sólidos que comprende una pluralidad de pilas (16) de combustible de óxidos sólidos, comprendiendo cada pila de combustible (16) un electrodo de ánodo (18) , un 5 electrolito (20) y un electrodo de cátodo (22) , una pluralidad de interconectores (24) que están dispuestos para conectar eléctricamente las pilas de combustible (16) en series eléctricas, conectando eléctricamente cada interconector (24) un electrodo de ánodo (18) de una pila de combustible (16) a un electrodo de cátodo (22) de una pila de combustible adyacente (16) , comprendiendo el electrodo de ánodo (18) al menos tres capas (26, 28, 30) , estando dispuesta una primera capa (26) sobre el electrolito (20) , estando dispuesta una segunda capa (28) sobre la primera capa (26) y estando dispuesta una tercera capa (30) sobre la segunda capa (28) , comprendiendo la primera capa (26) una asociación de metal y material cerámico, comprendiendo la tercera capa (30) una asociación de metal y material cerámico, caracterizado por que la segunda capa (28) comprende un colector de corriente (32) y una asociación de metal y material cerámico (34) , estando intercalado el colector de corriente (32) en la asociación de metal y material cerámico (34) de la segunda capa (28) , comprendiendo el colector de corriente (32) una asociación de metal y material cerámico; teniendo la asociación de metal y material cerámico del colector de corriente (32) una concentración de metal más elevada que la concentración de metal de la asociación de metal y material cerámico de la primera capa (26) , la segunda capa (28) y la tercera capa (30) o teniendo la asociación de metal y material cerámico del colector de corriente (32) partículas de metal y material cerámico con un tamaño diferente de los tamaños de las partículas de metal y material cerámico de la asociación de metal y material cerámico de la primera capa (26) , la segunda capa (28) y la tercera capa (30) o teniendo la asociación de metal y material cerámico del colector de corriente (32) una porosidad menor que la de la asociación de metal y material cerámico de la primera capa (26) , la segunda capa (28) y la tercera capa (30) .

2. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 1, donde el metal de la 25 asociación de metal y material cerámico comprende al menos uno de cobre, níquel, paladio, platino, renio o rodio.

3. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 1 o 2, donde el material cerámico de la asociación de metal y material cerámico comprende al menos uno de ceria, perovsquita o circonia estabilizado con itria.

4. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 1, donde la asociación de metal y material cerámico del colector de corriente (32) tiene partículas de metal y material cerámico de tamaño y/o forma diferentes de los tamaños y/o formas de las partículas de metal y material cerámico de la asociación de metal y material cerámico de la primera capa (26) , segunda capa (28) y tercera capa (30) .

5. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 1, donde la asociación de metal y material cerámico del colector de corriente (32) contiene menos formadores de poro que la asociación de metal y material cerámico de la primera capa (26) , segunda capa (28) y tercera capa (30) .

6. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 donde la primera capa (26) comprende una asociación de níquel y material cerámico, la segunda capa (28) comprende una colector de corriente (32) intercalado en una asociación de níquel y material cerámico y la tercera capa (30) comprende una asociación de níquel y material cerámico.

7. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 6, donde el colector de corriente (32) comprende una asociación de níquel y material cerámico, la asociación de níquel y material cerámico del colector de corriente (32) tiene una concentración de níquel más elevada que la concentración de níquel en la asociación de níquel y material cerámico de la primera capa (26) , la segunda capa (28) y la tercera capa (30) .

8. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 6, donde el colector de corriente (32) comprende una asociación de níquel y material cerámico, teniendo la asociación de níquel y material cerámico del colector de corriente (32) partículas de níquel y material cerámico de tamaño diferente a los tamaños de las partículas de níquel y material cerámico de la asociación de níquel y material cerámico de la primera capa (26) , la segunda capa (28) y la tercera capa (30) .

9. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 6, donde el colector de corriente (32) comprende una asociación de níquel y material cerámico, teniendo la asociación de níquel y material cerámico del colector de corriente (32) una porosidad menor que la asociación de níquel y material cerámico de la primera capa (26) , la segunda capa (28) y la tercera capa (30) .

10. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 9, donde el colector de corriente (32) comprende una asociación de níquel y material cerámico, teniendo la asociación de níquel y material cerámico del colector de corriente (32) partículas de níquel y material cerámico con tamaños y/o formas diferentes de las formas y/o tamaños de las partículas de níquel y material cerámico de la asociación de níquel y

material cerámico de la primera capa (26) , la segunda capa (28) y la tercera capa (30) .

11. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 9, donde el colector de corriente (32) comprende una asociación de níquel y material cerámico, conteniendo la asociación de níquel y material cerámico del colector de corriente (32) menos formadores de poro que la asociación de níquel y material cerámico de la primera capa (26) , la segunda capa (28) y la tercera capa (30) .

12. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde la segunda capa (28) comprende una malla metálica de colector de corriente (32A, 32B) intercalada en una asociación de metal y material cerámico.

13. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 12, donde la segunda capa (28) comprende una malla (32A) metálica de colector de corriente hexagonal en una asociación de metal y material cerámico.

14. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en la reivindicación 12, donde la segunda capa (28) comprende una malla (32B) metálica de colector de corriente sinusoidal en una asociación de metal y material cerámico.

15. Un módulo de pila de combustible de óxidos sólidos como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde la segunda capa (28) comprende una pluralidad de miembros (32C) discontinuos de colector de corriente 20 en una asociación de metal y material cerámico.