Distribuidor de fuerza para un apilamiento de pilas de combustible o un apilamiento de celdas de electrólisis.

Un apilamiento de pilas que comprende al menos un distribuidor de fuerza,

en donde dicho apilamiento de pilas es un apilamiento de Pilas de Combustible de Óxido Sólido o un apilamiento de Celdas de Electrólisis de Óxido Sólido, y dicho apilamiento de pilas comprende

• una pluralidad de pilas de combustible o celdas de electrólisis, • al menos una placa de interconexión que comprende áreas de contacto salientes,

• una cara superior del apilamiento de pilas,

• una cara inferior del apilamiento de pilas,

• al menos una cara lateral del apilamiento de pilas,

• al menos un suministrador de fuerza

en donde dicho distribuidor de fuerza comprende una primera y una segunda capa del distribuidor de fuerza, teniendo cada capa una primera y una segunda cara del distribuidor de fuerza, siendo dicha primera capa del distribuidor de fuerza una capa flexible con un módulo E menor que el módulo E del suministrador de fuerza, y dicha segunda capa del distribuidor de fuerza es una capa rígida con un módulo E mayor que la capa flexible, estando orientada la primera capa del distribuidor de fuerza hacia el al menos un suministrador de fuerza, en donde dicho distribuidor de fuerza está localizado en al menos una de las posiciones siguientes: entre dicha cara superior del apilamiento de pilas y dicho al menos un suministrador de fuerza o entre dicha cara inferior del apilamiento de pilas y dicho al menos un suministrador de fuerza y la segunda capa del distribuidor de fuerza comprende áreas de contacto salientes sobre al menos la cara de la segunda capa del distribuidor de fuerza orientada hacia el apilamiento de pilas.

Distribuidor de fuerza para un apilamiento de pilas de combustible o un apilamiento de celdas de electrólisis.

La invención se refiere a la compresión de apilamientos de pilas, más específicamente a un distribuidor de fuerza para apilamientos de pilas de combustible o apilamientos de celdas de electrólisis, en particular para apilamientos 5 de Pilas de Combustible de Óxido sólido (SOFC) o apilamientos de Celdas de Electrólisis de Óxido sólido (SOEC) .

En lo que sigue, la invención se explicará en relación con apilamientos SOFC. Sin embargo, el distribuidor de fuerza conforme a la invención puede utilizarse también para otros tipos de pilas de combustible tales como Pilas de Combustible de Electrólito Polímero (PEM) , Pilas de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC) o Pilas de Combustible Metanol Directo (TMFC) . Adicionalmente, la invención puede utilizarse también para celdas de

electrólisis tales como Celdas de Electrólisis de Óxido Sólido y apilamientos de celdas de este tipo.

Las reacciones electroquímicas y la función de una pila de combustible o una celda de electrólisis no son la esencia de la presente invención, por lo que esto no se explicará en detalle, sino que se considerará conocido por una persona experta en la técnica.

Para aumentar el voltaje producido por la SOFC, se ensamblan varias unidades de celdas a fin de formar un apilamiento y se unen unas a otras por interconexiones. Estas capas del apilamiento se sellan junto con un sello hermético a los gases y resistente a la temperatura tal como vidrio a lo largo de algunos o todos los bordes. Las interconexiones sirven como barrera para los gases a fin de separar los lados del ánodo (combustible) y el cátodo (aire/oxígeno) de las unidades de pila adyacentes, y al mismo tiempo hacen posible la conducción de la corriente entre las pilas adyacentes, es decir entre un ánodo de una pila con un excedente de electrones y un cátodo de una pila vecina que necesita electrones para el proceso de reducción. La conducción de la corriente entre electrodos próximos a través de la interconexión que separa los electrodos se hace posible por una pluralidad de puntos de contacto a lo largo del área de la interconexión. Los puntos de contacto pueden formarse como protrusiones en ambos lados de la interconexión. La eficiencia del apilamiento de pilas de combustible depende del buen contacto en estos puntos, y por consiguiente es crucial que se aplique una fuerza de compresión adecuada al apilamiento de pilas de combustible. Esta fuerza de compresión tiene que ser suficientemente grande y estar distribuida uniformemente a través del área de la pila de combustible para asegurar el contacto eléctrico, pero no tan grande que deteriore el electrólito, los electrodos, la interconexión o impida el flujo de gas a través de la pila de combustible. La compresión de la pila de combustible es vital también para el sellado entre las capas de la pila a fin de mantener el gas de apilamiento estanco. Adicionalmente, diferentes áreas del apilamiento de pilas pueden requerir fuerzas de compresión diferentes, el área electroquímicamente activa del apilamiento de pilas puede requerir una fuerza de compresión menor que las áreas de sellado. Por tanto, no sólo la fuerza de compresión tiene que distribuirse uniformemente a lo largo de ciertas áreas, sino que puede ser también necesario adaptar la fuerza de compresión de tal modo que se aplique uniformemente una fuerza de compresión de una primera magnitud a ciertas áreas de la superficie del apilamiento de pilas, pero que se aplique una fuerza de compresión de una segunda, tercera y más magnitudes uniformemente a otras áreas de la superficie del apilamiento de pilas conforme a los requerimientos de compresión específicos del área en cuestión.

Una solución a este problema ha sido propuesta en WO 2008089977 que describe de qué modo el apilamiento de pilas de combustible tiene bloques extremos térmicamente aislantes que tienen un lado planar rectangular orientado hacia el apilamiento y un lado opuesto de forma convexa. Resortes existentes aprietan una hoja flexible contra la cara de forma convexa de los otros extremos, con lo cual la fuerza de resorte se distribuye uniformemente a lo largo de las áreas extremas del apilamiento.

En DE 10.250.345 se proporciona un alojamiento que rodea una SOFC y una esterilla compresible entre el apilamiento y el alojamiento proporciona una fuerza de compresión a las pilas tanto radial como axialmente.

WO 2005045982 describe de qué modo se puede utilizar un ensamblaje de placas extremas multi-función para 45 comprimir preferentemente una región del apilamiento de pilas de combustible.

En WO 2008003286, un apilamiento se comprime por elementos térmicamente aislantes, que se presionan contra el apilamiento por medio de un manguito elástico. El manguito puede estar hecho por ejemplo de silicona o caucho natural.

Otro principio de compresión de apilamientos adicional se muestra en DE 19.645.111.

La técnica anterior presentada describe soluciones a los problemas de compresión de un apilamiento de pilas de combustible. Dichas soluciones abordan los problemas de aporte de fuerza, pero no la distribución de la fuerza como hace la presente invención. Conforme a ello, la totalidad de las mismas presentan algunos de los problemas inherentes:

-Es difícil y costoso producir placas extremas que proporcionen fuerza sin rugosidad; por tanto, la rugosidad 55 implica concentración de la fuerza de compresión en áreas delimitadas del apilamiento con el riesgo de deteriorar el apilamiento o reducir la eficiencia del apilamiento. 2

-Es costoso producir placas extremas que proporcionen fuerza que sean suficientemente planas para proporcionar una fuerza de compresión uniforme al apilamiento. Aun cuando la placa extrema sea suficientemente plana, puede producirse irregularidad durante la operación y los periodos de puesta en marcha/parada debido a las condiciones cambiantes, especialmente de temperatura y presión. La

irregularidad puede conducir a deterioro o reducción de la eficiencia del apilamiento al igual que puede hacerlo la rugosidad, así como rugosidad e irregularidad combinadas que ocurren a menudo.

-Para conseguir la rigidez necesaria de las placas extremas de la técnica anterior, las mismas precisan ser fabricadas en material robusto, lo que las hace grandes, pesadas y costosas.

-Las pilas de combustible o celdas de electrólisis próximas a los extremos de un apilamiento de pilas se

romperán si ocurren fuerzas puntuales críticamente grandes concentradas en áreas locales de la superficie extrema del apilamiento de pilas, lo cual implica grandes exigencias de tolerancias geométricas, rigidez y pureza de las placas extremas de la técnica anterior.

-Una sola placa extrema unitaria de la técnica anterior no puede aplicar fuerzas de magnitud diferente a diferentes áreas de la superficie extrema del apilamiento de pilas, por lo que la fuerza de compresión no 15 puede adaptarse a los diferentes requerimientos de las distintas áreas del apilamiento de pilas.

-Las placas extremas de gran tamaño tienen respuesta térmica lenta, lo cual es un problema cuando los parámetros de operación se cambian y ajustan.

Es un objeto de la presente invención resolver los problemas mencionados proporcionando un apilamiento de pilas que comprende un nuevo distribuidor de fuerza.

Más específicamente, es un objeto de la invención proporcionar un apilamiento de pilas que comprende un distribuidor de fuerza que compensa cualesquiera impurezas, rugosidad, carencia de planura y carencia de rigidez del suministrador de fuerza.

Un objeto de la invención es proporcionar también un apilamiento de pilas que comprende un distribuidor de fuerza que permite que el suministrador de fuerza sea menos pesado, voluminoso y costoso.

Es un objeto adicional de la invención proporcionar un apilamiento de pilas que comprende un distribuidor de fuerza que protege los componentes de un apilamiento de pilas contra el deterioro.

Es adicionalmente un objeto de la invención proporcionar un apilamiento de pilas que comprende un distribuidor de fuerza que proporciona una fuerza de compresión distribuida uniformemente desde un suministrador de fuerza a un apilamiento de pilas.

Es otro objeto adicional de la invención proporcionar un apilamiento de pilas que comprende un distribuidor de fuerza que adapta la fuerza de compresión a los requerimientos de áreas de superficie local de un apilamiento de pilas.

Un objeto adicional de la invención es proporcionar un apilamiento de pilas que comprende un distribuidor de fuerza que hace posible que... [Seguir leyendo]

1. Un apilamiento de pilas que comprende al menos un distribuidor de fuerza, en donde dicho apilamiento de pilas es un apilamiento de Pilas de Combustible de Óxido Sólido o un apilamiento de Celdas de Electrólisis de Óxido Sólido, y dicho apilamiento de pilas comprende ● una pluralidad de pilas de combustible o celdas de electrólisis,

● al menos una placa de interconexión que comprende áreas de contacto salientes,

● una cara superior del apilamiento de pilas,

● una cara inferior del apilamiento de pilas,

● al menos una cara lateral del apilamiento de pilas,

● al menos un suministrador de fuerza en donde dicho distribuidor de fuerza comprende una primera y una segunda capa del distribuidor de fuerza, teniendo cada capa una primera y una segunda cara del distribuidor de fuerza, siendo dicha primera capa del distribuidor de fuerza una capa flexible con un módulo E menor que el módulo E del suministrador de fuerza, y dicha segunda capa del distribuidor de fuerza es una capa rígida con un módulo E mayor que la capa flexible, estando orientada la primera capa del distribuidor de fuerza hacia el al menos un suministrador de fuerza, en donde dicho distribuidor de fuerza está localizado en al menos una de las posiciones siguientes: entre dicha cara superior del apilamiento de pilas y dicho al menos un suministrador de fuerza o entre dicha cara inferior del apilamiento de pilas y dicho al menos un suministrador de fuerza y la segunda capa del distribuidor de fuerza comprende áreas de contacto salientes sobre al menos la cara de la segunda capa del distribuidor de fuerza orientada hacia el

apilamiento de pilas.

2. Un apilamiento de pilas conforme a la reivindicación 1, en donde el módulo E de la primera capa del distribuidor de fuerza es aproximadamente 10 GPa.

3. Un apilamiento de pilas conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el módulo E de la segunda capa del distribuidor de fuerza es aproximadamente 140 GPa.

4. Un apilamiento de pilas conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho al menos un suministrador de fuerza es integral con la primera capa del distribuidor de fuerza.

5. Un apilamiento de pilas conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las áreas de contacto salientes corresponden a al menos una de: las áreas de sellado del apilamiento de pilas o las áreas de contacto de interconexión.

6. Un apilamiento de pilas conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha segunda capa del distribuidor de fuerza es eléctricamente conductora.

7. Un apilamiento de pilas conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el distribuidor de fuerza comprende al menos uno de: silicato de calcio, aislamiento microporoso, mica, metal, una esterilla de fibras, fibra cerámica refractaria o fibra de vidrio, fibra de magnesia-sílice, fibra de alúmina que contiene cierta cantidad de sílice, composiciones de aluminosilicato pobres en álcali que contienen uno o más de los óxidos siguientes: óxido de zirconio, óxido de cromo, dióxido de titanio o vermiculita.

8. Un apilamiento de pilas conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el distribuidor de fuerza comprende al menos uno de: aleación metálica o cerámica.

9. Un apilamiento de pilas conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos una

parte de dicho distribuidor de fuerza forma un cierre hermético entre dicho apilamiento de pilas y al menos uno de: un distribuidor lateral de gas de entrada o un distribuidor lateral de gas de salida.