Estructura de apilamiento para el apilamiento de pilas de combustible de óxido sólido, el apilamiento de pilas de combustible de óxido sólido y método de producción de la misma.

Una estructura de apilamiento para una pila de combustible de óxido sólido,

que comprende:

una pluralidad de pilas individuales apiladas, cada una con una capa de electrodo de combustible que comprende un electrodo de combustible y una capa de electrodo de aire que comprende un electrodo de aire, estando la capa de electrodo de combustible y la capa de electrodo de aire dispuestas una frente a la otra a ambos lados de un electrolito sólido;

separadores dispuestos entre las pilas individuales apiladas para separar las pilas individuales; y

una primera parte de sellado no porosa situada dentro de la capa de electrodo de aire, equivalente a cualquiera de los separadores o al electrolito sólido al menos en términos de características de expansión y contracción térmica, e integrada con un borde del electrodo de aire, y también con el separador adyacente y el electrolito sólido adyacente,

una segunda parte de sellado no porosa situada dentro de la capa de electrodo de aire, equivalente a cualquiera de los separadores o al electrolito sólido al menos en términos de características de expansión y contracción térmica, e integrada con un borde del electrodo de aire, y también con el separador adyacente y el electrolito sólido adyacente, donde

la estructura de apilamiento está formada de tal manera que una corriente de gas combustible se suministra al electrodo de combustible y una corriente de gas suministra aire al electrodo de aire, respectivamente, y las partes de sellado están integradas con un borde del electrodo de combustible y un borde del electrodo de aire, y también con el separador adyacente y el electrolito sólido adyacente por sinterización.

Estructura de apilamiento para el apilamiento de pilas de combustible de óxido sólido, el apilamiento de pilas de combustible de óxido sólido y método de producción de la misma Campo técnico Las presentes enseñanzas se refieren a una estructura de apilamiento para una pila de combustible sólido laminada y a un método de fabricación de la misma.

Técnica anterior En una pila de combustible de óxido sólido (en ocasiones abreviado a SOFC) , una unidad que consiste en un electrodo de combustible, un electrolito sólido y un electrodo de aire se denomina pila única y una pluralidad de estas unidades se apila para conseguir una conexión en serie y construir un sistema de generación de potencia. Para obtener una salida de potencia adecuada deben apilarse de decenas a cientos de pilas únicas y las pilas únicas deben ser lo bastante fuertes desde el punto de vista mecánico para proporcionar una generación de potencia estable y prolongada en dicho estado altamente apilado. Por este motivo, es habitual usar pilas soportadas en electrolitos que comprendan electrolitos sólidos de cientos de micrones de espesor con un electrodo de combustibles y decenas de electrodos aéreos de micrómetros de espesor impreso en cualquiera de los lados del electrolito sólido.

Con el fin de mejorar las características de generación de potencia de una pila única y, en consecuencia, las características de generación de potencia de un apilamiento es necesario minimizar una resistencia interna de la pila única. Dado que el electrolito tiene la resistencia más alta de los componentes de la pila única, se han realizado investigaciones para reducir el espesor del electrolito sólido (por ejemplo, Documento de Patente 1) .

Por tanto, se han realizado investigaciones en pilas soportadas en electrodos en las que el electrolito sólido se hace más fino mientras que el espesor del electrodo de aire y el electrodo de combustible, que tienen una resistencia interna relativamente menor que el electrolito sólido, aumenta desde cientos de micrómetros a pocos milímetros (por ejemplo, Documento de Patente 2) .

Documento de patente 1 Publicación de solicitud de patente japonesa Nº 2003-346842

Documento de patente 2 Publicación de solicitud de patente japonesa Nº 2005-85522

Sumario de la invención En una pila soportada por electrodos, la resistencia mecánica la proporcionan los electrodos, que son porosos y, por tanto, debe ser relativamente gruesos con el fin de garantizar la resistencia mecánica necesaria. Aunque la reducción del espesor del electrolito sólido reduce la resistencia interna del propio electrolito sólido, además, la resistencia interna de los electrodos aumenta de forma concomitante y, de este modo, la mejora deseada en las características de generación de potencia todavía no se ha alcanzado.

En cualquier caso, la técnica anterior mencionada anteriormente tiene por objeto garantizar la resistencia mecánica de la unidad de una sola pila. En consecuencia, la resistencia mecánica está asegurada por medio del espesor de algún componente de la pila individual, y una resistencia al choque térmico disminuye debido a diferencias en las tasas de expansión térmica de los componentes. Hasta ahora, no se ha proporcionado ninguna estructura de pila SOFC para resolver estos problemas.

Divulgación de la invención Por tanto, es un objeto de las presentes enseñanzas proporcionar una SOFC laminada que tenga una estructura de apilamiento capaz de asegurar la resistencia mecánica de la SOFC como un todo sin depender de la resistencia mecánica de las pilas individuales. Es otro objeto de las presentes enseñanzas proporcionar una SOFC laminada que tiene una estructura de apilamiento capaz de reducir efectivamente la resistencia interna para proporcionar buenas características de generación de potencia. Es otro objeto de las presentes enseñanzas proporcionar una SOFC laminada que tenga una estructura de apilamiento capaz de mejorar la resistencia al choque térmico. Es otro objeto de las presentes enseñanzas proporcionar una SOFC laminada que tenga una estructura de apilamiento que se puede apilar fácilmente. Es aún otro objeto de las presentes enseñanzas proporcionar un método de fabricación para la fabricación de dicha SOFC laminada.

Abandonando de la sabiduría convencional de "asegurar la resistencia mecánica de la pila individual", los inventores descubrieron que si la resistencia mecánica de la SOFC como una estructura de apilamiento puede garantizarse, es posible construir la estructura SOFC sin verse limitados por el espesor de los electrodos, el electrolito sólido y otros componentes de la pila a fin de garantizar la resistencia mecánica de cada pila individual. Los inventores perfeccionaron las presentes enseñanzas basadas en este descubrimiento. Las presentes enseñanzas pueden

proporcionar lo que sigue.

Las presentes enseñanzas pueden proporcionar una estructura de apilamiento para una pila de combustible de óxido sólido, que comprende: una pluralidad de pilas individuales apiladas, cada una con una capa de electrodo de combustible que comprende un electrodo de combustible y una capa de electrodo de aire que comprende un electrodo de aire, estando la capa de electrodo de combustible y la capa de electrodo de aire dispuestas una frente a la otra a ambos lados de un electrolito sólido; separadores dispuestos entre las pilas individuales apilados para separar las pilas individuales; y una primera parte de sellado no porosa situada dentro de la capa de electrodo de aire, equivalente a cualquiera de los separadores o el electrolito sólido al menos en términos de características de expansión y contracción térmica, e integrado con un borde del electrodo de aire, y también con el separador adyacente y el electrolito sólido adyacente, una segunda parte de sellado no porosa situada dentro de la capa de electrodo de combustible, equivalente a cualquiera de los separadores o el electrolito sólido al menos en términos de características de expansión y contracción térmica, e integrado con un borde del electrodo de combustible , y también con el separador adyacente y el electrolito sólido adyacente, en el que la estructura de apilamiento está formada de tal manera que una corriente de gas combustible se suministra al electrodo de combustible y una corriente de gas se suministra aire al electrodo de aire, respectivamente, y las partes de sellado están integradas con un borde del electrodo de combustible y un borde del electrodo de aire, y también con el separador adyacente y el electrolito sólido adyacente por sinterización.

En la estructura de apilamiento de las presentes enseñanzas, los espesores del electrolito sólido, la capa de electrodo de combustible y la capa de electrodo de aire en la pila individual son cada uno, preferiblemente, de al menos 1 μm pero no más de 150 μm. Cuando el espesor de estos elementos se encuentra dentro de este intervalo, pueden integrarse fácilmente para formar una sola pila. También es posible para asegurar la resistencia de la estructura de apilamiento formada por el apilamiento de estas pilas individuales. Preferentemente no se proporciona apoyo de una sola pila con una resistencia mecánica mejorada dentro de la pila individual Esto se debe a que proporcionar el apoyo de una sola pila con resistencia mecánica mejorada en realizada dificulta la construcción de la estructura de apilamiento. Las partes de sellado tienen preferiblemente una misma composición que uno de los separadores y el electrolito sólido. Las partes de sellado comprenden preferiblemente una parte de uno de los separadores y el electrolito sólido que se extiende en la capa de electrodo de combustible o la capa de electrodo de aire. En esta estructura de apilamiento, una unidad compuesta por la pila individual y uno o dos de los separadores que se combinan con la pila individual puede tener una forma general de placa plana. El separador contiene preferiblemente un óxido de perovskita de lantano-cromo y circonia dopada con tierras raras. Preferentemente, se compone solo de estos.

Las presentes enseñanzas pueden proporcionar una pila de combustible de óxido sólido que tiene la estructura de apilamiento descrita anteriormente para la pila de combustible de óxido sólido. Las presentes enseñanzas pueden también proporcionar un sistema de pila de combustible de óxido sólido que tiene la estructura de apilamiento descrita anteriormente para la pila de combustible de óxido sólido.

Las presentes enseñanzas pueden proporcionar un método para fabricar una pila de combustible de óxido sólido laminada en el que las pilas individuales, estando dispuestas una capa de electrodo de combustible que comprende un electrodo de aire y una capa de... [Seguir leyendo]

1. Una estructura de apilamiento para una pila de combustible de óxido sólido, que comprende:

una pluralidad de pilas individuales apiladas, cada una con una capa de electrodo de combustible que comprende un electrodo de combustible y una capa de electrodo de aire que comprende un electrodo de aire, estando la capa de electrodo de combustible y la capa de electrodo de aire dispuestas una frente a la otra a ambos lados de un electrolito sólido; separadores dispuestos entre las pilas individuales apiladas para separar las pilas individuales; y una primera parte de sellado no porosa situada dentro de la capa de electrodo de aire, equivalente a cualquiera de los separadores o al electrolito sólido al menos en términos de características de expansión y contracción térmica, e integrada con un borde del electrodo de aire, y también con el separador adyacente y el electrolito sólido adyacente, una segunda parte de sellado no porosa situada dentro de la capa de electrodo de aire, equivalente a cualquiera de los separadores o al electrolito sólido al menos en términos de características de expansión y contracción térmica, e integrada con un borde del electrodo de aire, y también con el separador adyacente y el electrolito sólido adyacente, donde la estructura de apilamiento está formada de tal manera que una corriente de gas combustible se suministra al electrodo de combustible y una corriente de gas suministra aire al electrodo de aire, respectivamente, y las partes de sellado están integradas con un borde del electrodo de combustible y un borde del electrodo de aire, y también con el separador adyacente y el electrolito sólido adyacente por sinterización.

2. La estructura de apilamiento de acuerdo con la reivindicación 1, donde las partes de sellado tienen la misma composición que uno del separador o el electrolito sólido.

3. La estructura de apilamiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, donde los espesores del electrolito sólido, la capa de electrodo de combustible y la capa de electrodo de aire en la pila individual son cada uno de al menos 1 μm pero no más de 150 μm.

4. La estructura de apilamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde no se proporciona soporte de una sola pila con resistencia mecánica mejorada dentro de la pila individual.

5. La estructura de apilamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde las partes de sellado comprenden una parte de uno del separador o el electrolito sólido que se extiende en la capa de electrodo de combustible o la capa de electrodo de aire.

6. La estructura de apilamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde una unidad compuesta por la pila individual y uno o dos separadores que están combinados con la pila individual tiene una forma general plana.

7. La estructura de apilamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el separador comprende un óxido de perovskita de lantano-cromo y circonia dopada con tierras raras.

8. Una pila de combustible de óxido sólido que comprende la estructura de apilamiento para una pila de combustible de óxido sólido de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

9. Un sistema de pila de combustible de óxido sólido que comprende la estructura de apilamiento para una pila de combustible de óxido sólido de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

10. La estructura de apilamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, done al menos dos de las pilas individuales apiladas están integradas por sinterización.

11. Un método para fabricar una pila de combustible de óxido sólido laminada en el que las pilas individuales, teniendo cada una una capa de electrodo de combustible que comprende un electrodo de combustible y una capa de electrodo de aire que comprende un electrodo de aire, estando dispuestas la capa de electrodo de combustible y la capa de electrodo de aire opuestas entre sí a cualquier lado de un electrolito sólido, están apiladas con un separador intermedio para separar las pilas individuales, comprendiendo el método para fabricar una pila de combustible de óxido sólido laminada las etapas de:

preparar un laminado mediante la repetición de las siguientes etapas (a) y (b) ;

(a) preparar una primera hoja que comprende un material de electrolito sólido que es un material de electrolito sólido o un material separador que es un material del separador y

(b) preparar una segunda hoja que tiene una región de material de electrodo que comprende un material de electrodo de combustible o un material de electrodo de aire y una región de material de sellado para formar una parte de sellado no porosa que es equivalente al electrolito sólido o al separador en términos de al

menos las características de expansión y contracción térmica, y laminar esta segunda hoja sobre la primera hoja; y tratar térmicamente el laminado y sinterizar de este modo el laminado. 5

12. El método para fabricar una pila de combustible de óxido sólido laminada de acuerdo con la reivindicación 11, donde la región del material de sellado de la segunda hoja tiene la misma composición que la primera hoja.

13. El método para fabricar una pila de combustible de óxido sólido laminada de acuerdo con la reivindicación 11 o 10 12, donde la segunda hoja se prepara mediante colada en cinta.

14. El método para fabricar una pila de combustible de óxido sólido laminada de acuerdo con la reivindicación 13, donde la segunda hoja se prepara colando simultáneamente la región de material de electrodo y la región de material no poroso.

15. El método para fabricar una pila de combustible de óxido sólido laminada de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, donde una capa de material de evaporación, que tiene un patrón de un conducto de gas combustible o un conducto de gas de aire y está compuesto de un material de evaporación que se va a eliminar mediante el tratamiento térmico, se proporciona en la primera hoja después de la etapa (a) pero antes de la etapa (b) , y/o donde el material separador comprende un óxido de perovskita de lantano-cromo y circonia dopada con tierras raras.