Carcasa de compresión para una pila de células de combustible y método para la fabricación de una carcasa de compresión para una pila de células de combustible.

Conjunto de carcasa de compresión para al menos una pila de células fabricada de una pluralidad de células de combustible o de células de electrolisis,

comprendiendo al menos una pila de células

- una cara superior

- una cara inferior

- una pluralidad de caras laterales

- entrada y salida de gas combustible adecuadas para comunicación con la entrada de gas combustible y los colectores de salida,

- entrada y salida de gas de oxidación adecuadas para comunicación con la entrada de gas de oxidación y los colectores de salida

comprendiendo dicho conjunto de carcasa de compresión al menos un miembro rígido de distribución de la fuerza, al menos una estera de fuerza de compresión flexible y al menos un collar rígido de fijación que comprende una superficie interior, una superficie exterior y un primer borde y un segundo borde, comprendiendo el al menos un miembro de distribución de la fuerza

- una parte superior que tiene una primera superficie plana que mira hacia la superficie superior de la pila de células y una segunda superficie configurada principalmente convexa opuesta a la primera superficie plana que mira en una dirección hacia la superficie interior del collar de fijación,

- una parte inferior que tiene una primera superficie plana que mira hacia la cara inferior de la pila de células y una segunda superficie configurada principalmente convexa, que está opuesta a dicha primera superficie plana que mira en una dirección hacia la superficie interior del collar de fijación,

en el que dicho collar rígido de fijación rodea la al menos una pila de células, el al menos un miembro de distribución de la fuerza y la al menos una estera flexible de la fuerza de compresión sobre al menos dicha cara superior, dicha cara inferior y dos de dichas caras laterales, el collar rígido de fijación está pre-apretado, por lo que las fuerzas de compresión perpendicularmente al collar rígido de fijación circundante son transmitidas por medio de la al menos una estera flexible de fuerza de compresión y el al menos un miembro de distribución de la fuerza hasta la al menos una pila de células en direcciones primariamente perpendiculares a dicha cara superior, dicha cara inferior y dichas dos caras laterales y por lo que la segunda superficie configurada principalmente convexa de dichas partes superior de inferior del al menos un miembro de distribución de la fuerza proporciona una presión de la superficie distribuida de una manera uniforme sobre al menos la cara superior y la cara inferior de la al menos una pila de células.

Carcasa de compresión para una pila de células de combustible y método para la fabricación de una carcasa de compresión para una pila de células de combustible

La invención se refiere a la compresión de pilas del células, más específicamente a una carcasa de compresión para pilas de células de combustible o pilas de células de electrólisis y a la fabricación de tales carcasas de compresión, en particular para pilas de Células de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) o de pilas de Células de Electrólisis de Óxido Sólido (SOEC).

A continuación se explicará la invención con relación a pilas SOFC. No obstante, la carcasa de compresión de acuerdo con la Invención se puede utilizar también para otros tipos de células de combustible, tales como células de Combustible de Electrolito de Polímero (PEM) o Células de Combustible de Metanol Directo (DMFC). Además, la invención se puede utilizar también para células de electrólisis tales como Células de Electrólisis de Óxido Sólido o pilas de tales células.

Las reacciones electro-química y la función de una célula de combustible o una célula de electrólisis no son la esencia de la presente invención, por lo que esto no se explicará en detalle, sino que se considerará conocido para un técnico en la materia.

Para incrementar la tensión producida por la SOFC, se combinan varias unidades de células para formar una pila y se enlazan junta por interconexiones. Estas capas de la pila son sellada junto con una junta de estanqueidad hermética al gas y resistente a la temperatura, tal como vidrio a lo largo de algunos o todos los bordes. Las interconexiones sirven como una barrera al gas para separar los lados del ánodo (combustible) y del cátodo (alre/oxígeno) de unidades de células adyacentes, y al mismo tiempo permiten la conducción de corriente entre las células adyacentes., es decir, entre un ánodo de una célula con un exceso de electrones y un cátodo de una célula vecina que necesita electrones para el proceso de reducción. La conducción de la corriente entre la interconexión y sus electrodos vecinos se habilita a través de una pluralidad de puntos de contacto en toda el área de la interconexión. Los puntos de contacto se pueden formar como proyecciones sobre ambos lados de la interconexión. La eficiencia de la pila de células de combustible depende del buen contacto en cada uno de estos puntos y, por lo tanto, es crucial que se aplique fuerza de compresión adecuada a la pila de celdas de combustible. Esta fuerza de compresión debe ser suficientemente grane y debe estar distribuida de una manera uniforme a través de la zona de la célula de combustible para asegurar el contacto eléctrico, pero no debe serían grande que dañe el electrolito, los electrodos, la interconexión o impida el flujo de gas sobre la célula de combustible. La compresión de la célula de combustible es también vital para el sellado entre las capas de la pila para mantener la pila hermética al gas.

Una solución a este problema ha sido propuesta en el documento WO 288997, que describe cómo la pila de células de combustible tiene bloques extremos de aislamiento térmico que tienen un lado plano rectangular que mira hacia la pila y un lado opuesto de forma convexa. Unos muelles aprietan una lámina flexible contra la cara configurada de forma convexa de los bloques extremos, por lo que la fuerza de resorte es distribuida de una manera uniforme sobre las zonas extremas de la pila.

En el documento DE 125345 se proporciona una carcasa que rodea una SOFC y una estera compresible entre la pila y la carcasa proporciona una fuerza de compresión a las celdas tanto radial como también axialmente.

El documento WO 2612844 describe cómo se tensa una pila por medio de muelles que fuerzan a elementos de distribución de la presión configurados, por ejemplo, de forma hemisférica, contra elementos de aislamiento térmico, que entonces presionan adicionalmente sobre la pila.

En el documento WO 283286 se comprime una pila por medio de elementos de aislamiento térmico, que son presionados contra la pila por medio de un manguito elástico. El manguito puede estar fabricado, por ejemplo, de silicona o de caucho natural.

Todavía otro principio de compresión de la pila se muestra en el documento DE 19645111.

Pesar de las soluciones conocidas presentadas al problema de la compresión de una célula de pilas de combustible, todas ellas tienen algunos de los problemas inherentes:

Cuantos más componentes están implicados en el sistema de compresión, más costoso es producir y más elevados son los costes de material. Además, el riesgo del funcionamiento deficiente se incrementa generalmente a medida que se incrementa el número de componentes.

La fiabilidad de los muelles metálicos para comprimir la pila incrementa los costes y especialmente cuando están sometidos a calor, los muelles metálicos tienden a deslizarse y, por lo tanto, con el tiempo cambia la curva característica de resorte y, por consiguiente, la fuerza de compresión.

La solución utilizando caucho como generador de presión puede requerir una carcasa estática adicional,

por ejemplo en metal para permitir la conexión mecánica y el proceso de conexión a sistemas circundantes, y para proteger el conjunto de compresión.

Las soluciones sin miembros convexos de distribución de la fuerza tienen el riesgo de presión irregular a través de la zona de la pila y, por lo tanto, el riesgo de contacto eléctrico Insuficiente y delaminación de los componentes de la pila de células de combustible.

Las soluciones de compresión que no son herméticas al gas requerirán componentes extras para la distribución del gas, colectores, que son costosos y delicados al ataque y complica el sistema de células de combustible especialmente cuando deben conectare varias pilas en serie y/o en paralelo.

Las soluciones sin una superficie exterior robusta y hermética con vulnerables a daño en la manipulación, servicio y operación.

Un objeto de la presente invención es resolver los problemas mencionados proporcionando un nuevo conjunto de carcasa de compresión para una o más pilas de células.

Más específicamente, un objeto de la Invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión que omite la necesidad de muelles metálicos para comprimir una pila de células.

Un objeto de la invención, es por lo tanto, proporcionar un conjunto de carcasa de compresión que forma un contenedor resistente a la presión, capaz de resistir las presiones existentes, por ejemplo, en sistemas de turbinas.

Otro objeto de la Invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión que puede tolerar temperaturas circundantes altas.

Otro objeto de la invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión, que proporciona un cierre sustancialmente hermético al gas de al menos cuatro lados de la pila de células.

Todavía otro objeto de la invención es proporcionar una carcasa de compresión que proporciona una separación sustancialmente hermética al gas de dos lados puestos de la pila de células, en una forma de realización existiendo separación del lado de entrada de gas de oxidación y del lado de salida de gas de oxidación de la pila de células.

Otro objeto de la invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión que proporciona una distribución uniforme de la presión o una distribución bien definida de la presión a través de la zona de las células de combustible o células de electrólisis en una pila de células.

Otro objeto de la invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión, que aísla térmicamente una pila de célula.

Otro objeto de la invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión que proporciona amortiguación de las vibraciones y protección de una pila de células.

Otro objeto de la invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión, que consta de pocos componentes y estables.

Otro objeto de la invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión robusto, duradero y soldable, que protege las células de combustible y proporcionar manipulación y montaje sencillos, puesto que el sistema de compresión y los colectores están integrados en el conjunto.

Otro objeto de la invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión que permite una conexión sencilla, hermética y duradera el flujo de cátodos en serie o en paralelo de dos o más pilas.

Otro objeto de la invención es proporcionar un conjunto de carcasa de compresión que permite inherentemente conexiones simples para el exceso de inyección de gases o flujos de procesos.

Éstos y otros... [Seguir leyendo]

1. Conjunto de carcasa de compresión para al menos una pila de células fabricada de una pluralidad de células de combustible o de células de electrólisis, comprendiendo al menos una pila de células

una cara superior

una cara inferior

una pluralidad de caras laterales

entrada y salida de gas combustible adecuadas para comunicación con la entrada de gas combustible y los

colectores de salida,

entrada y salida de gas de oxidación adecuadas para comunicación con la entrada de gas de oxidación y los colectores de salida

comprendiendo dicho conjunto de carcasa de compresión al menos un miembro rígido de distribución de la fuerza, al menos una estera de fuerza de compresión flexible y al menos un collar rígido de fijación que comprende una superficie interior, una superficie exterior y un primer borde y un segundo borde, comprendiendo el al menos un miembro de distribución de la fuerza

una parte superior que tiene una primera superficie plana que mira hacia la superficie superior de la pila de células y una segunda superficie configurada principalmente convexa opuesta a la primera superficie plana que mira en una dirección hacia la superficie interior del collar de fijación,

una parte inferior que tiene una primera superficie plana que mira hacia la cara inferior de la pila de células y una segunda superficie configurada principalmente convexa, que está opuesta a dicha primera superficie plana que mira en una dirección hacia la superficie interior del collar de fijación,

en el que dicho collar rígido de fijación rodea la al menos una pila de células, el al menos un miembro de distribución de la fuerza y la al menos una estera flexible de la fuerza de compresión sobre al menos dicha cara superior, dicha cara inferior y dos de dichas caras laterales, el collar rígido de fijación está pre-apretado, por lo que las fuerzas de compresión perpendicularmente al collar rígido de fijación circundante son transmitidas por medio de la al menos una estera flexible de fuerza de compresión y el al menos un miembro de distribución de la fuerza hasta la al menos una pila de células en direcciones primariamente perpendiculares a dicha cara superior, dicha cara inferior y dichas dos caras laterales y por lo que la segunda superficie configurada principalmente convexa de dichas partes superior de inferior del al menos un miembro de distribución de la fuerza proporciona una presión de la superficie distribuida de una manera uniforme sobre al menos la cara superior y la cara inferior de la al menos una pila de células.

2. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho al menos un miembro de distribución de la fuerza y dicha al menos una estera de fuerza de compresión forman un sellado sustancialmente hermético al gas entre dicha cara superior, dicha cara inferior y dichas dos caras laterales de la al menos una pila de células y la superficie interior de dicho collar rígido de fijación circundante en al menos una parte de la extensión axial del collar.

3. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la reivindicación 2, en el que una primera placa extrema está fijada a dicho collar en la proximidad de dicho primer borde lateral y una segunda placa extrema está fijada a dicho collar en la proximidad de dicho segundo borde lateral, por lo que el collar y la primera y la segunda placa extremas forman un contenedor hermético al gas y resistente a la presión.

4. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el volumen encapsulado por dicha primera placa extrema en combinación con una primera zona marginal del collar forma un primer colector lateral de gas y está provisto con un primer orificio de gas y dicha segunda placa extrema en combinación con una segunda zona de borde el collar forma un segundo colector lateral de gas y está provisto con un segundo orificio de gas para la al menos una pila de células.

5. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la primera placa extrema está provista con un primer orificio de gas y forma un primer colector lateral de gas y dicha segunda placa extrema está provista con un segundo orificio de gas y forman un segundo colector lateral de gas para la al menos una pila de células.

6. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho collar está fabricado de una lámina metálica fina, con preferencia de acero inoxidable ferrítico o austenítico, o una aleación de níquel, con preferencia inconel.

7. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dichas placas extremas están fijadas a dicho collar por medio de soldadura, una conexión roscada, una conexión con abrazadera, remaches, rebordeado, encolado o una conexión con pestañas.

8. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dos o más de dichas pila de células están colocadas lado a lado y/o con la cara inferior hacia la cara superior en un patrón de matriz.

9. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dos o más de dichos conjuntos están conectados en serie mediante conexión de dicho segundo borde lateral de un conjunto anterior a un primer borde lateral de un conjunto siguiente.

1. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la reivindicación 9, en el que están previstos unos orificios en las zonas de los bordes conectados entre los conjuntos conectados en serie para el flujo de entrada el gas de purga, el combustible y/o medios de refrigeración.

11. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho al menos un miembro de distribución de la fuerza es aislante térmico y está fabricado de cerámica, vidrio, metal o una combinación de éstos, con preferencia silicato de calcio poroso o silicato de calcio reforzado con fibra de vidrio.

12. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha al menos una estera flexible de fuerza de compresión está fabricada de material de amortiguación de

las vibraciones.

13. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho al menos un material de estera flexible de fuerza de compresión comprende fibra cerámica refractaria o fibra de vidrio, con preferencia fibra de magnesia-sílice, fibra de alúmina que contiene una cantidad de sílice, composiciones de aluminosilicato de bajo contenido de álcali que contienen uno o más de los óxidos siguientes: zirconia, cromia o titania o vermiculita.

14. Un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con la una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho conjunto tiene miembros de distribución de la fuerza aplicados a la cara superior, a la cara inferior y a dos caras laterales de la pila y tiene una sección transversal principalmente circular o dicho conjunto tiene miembros de distribución de la fuerza aplicados a la cara superior y a la cara inferior de la pila y tiene una sección transversal principalmente ovalada, elíptica o en forma de pista.

15. Un proceso para la fabricación de al menos un conjunto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, que comprende las etapas de

proporcionar al menos una pila de células que comprende una pluralidad de células de combustible o célula de electrólisis,

proporcionar al menos un miembro rígido de distribución de la fuerza y al menos una estera flexible de fuerza de compresión,

rodear dicha pila, los miembros de distribución de la fuerza y la estera de fuerza con un collar rígido de fijación sobre al menos la cara superior, la cara inferior y dos caras laterales de la pila,

apretar dicho collar para comprimir dicha estera y de esta manera aplicar una fuerza de compresión a la pila,

fijar dicho collar en un estado apretado.

16. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende, además, las etapas de

proporcionar una primera y una segunda placas extremas,

fijar dicha primera placa extrema al collar en la proximidad de un primer borde lateral del collar y fijar dicha segunda placa extrema al collar en la proximidad de un segundo borde lateral del collar.

17. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende, además, las etapas de

proporcionar dos o más de dichos conjuntos,

conectar en serie los conjuntos fijando un segundo borde lateral de un conjunto anterior a un primer borde lateral de un conjunto siguiente.

18. Utilización de un conjunto de carcasa de compresión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 para amortiguar las vibraciones y protección de al menos una pila de células de combustible o pila de células de electrolisis.