ES2305092T3 - Interconector conteniendo aluminio para pilas de combustible. - Google Patents

Abstract

Interconector (5) conteniendo aluminio con superficies de contacto y estructuras distribuidoras de gas para electrodos de pilas de combustible de alta temperatura, presentando las superficies de contacto, al menos parcialmente, aleaciones de níquel-aluminio, caracterizado porque al menos una lámina de níquel está unida, por formación de aleaciones, con las superficies de contacto del interconector (5).

Description

Interconector conteniendo aluminio para pilas de combustible.

La invención se refiere a un interconector conteniendo aluminio para electrodos de pilas de combustible.

Una pila de combustible presenta un cátodo, un electrolito y un ánodo. Se alimenta al cátodo un agente oxidante, por ejemplo aire, y al ánodo un combustible, por ejemplo hidrógeno.

Se conocen diferentes tipos de pilas de combustible; por ejemplo, la pila de combustible SOFC del documento DE 44 30 958 C1 y la pila de combustible PEM del documento DE 195 31 852 C1.

La pila de combustible SOFC se denomina también pila de combustible de alta temperatura, ya que su temperatura de funcionamiento puede llegar hasta 1000ºC. En el cátodo de una pila de combustible de alta temperatura se forman iones de oxígeno en presencia del agente oxidante. Los iones de oxígeno pasan al electrolito y se recombinan en el lado del ánodo con hidrógeno proveniente del combustible para producir agua. Con la recombinación se liberan electrones y se genera así energía eléctrica.

Varias pilas de combustible se unen eléctrica y mecánicamente una con otra, en general para lograr grandes potencias eléctricas, a través de elementos de unión y de interconectores. La placa bipolar representa un ejemplo de un elemento de unión. Por medio de placas bipolares se obtienen pilas de combustible dispuestas una sobre otra y conectadas eléctricamente en serie. Esta disposición se denomina columna de pilas de combustible. Las columnas de pilas de combustible constan de las placas bipolares y las unidades de electrodo-electrolito.

Aparte de las propiedades eléctricas y mecánicas, los interconectores poseen regularmente también estructuras distribuidoras de gas. En la placa bipolar esto se materializa por medio de almas con contacto de electrodo que separan uno de otro los canales de gas para el suministro de los electrodos (DE 44 10 711 C1). Las estructuras distribuidoras de gas hacen que los medios de funcionamiento se distribuyan uniformemente en los compartimientos de los electrodos (compartimientos en los que se encuentran los electrodos).

Se conoce por el documento JP 05 275 089 A un interconector con superficies de contacto y estructuras distribuidoras de gas para electrodos de pilas de combustible de alta temperatura. El interconector consiste en una placa de níquel en cuya superficie está aleado 0,1 a 20% en peso de un metal (por ejemplo, aluminio, cerio, itrio, litio o similar).

En las pilas de combustible y en las columnas de pilas de combustible se pueden presentar desventajosamente los problemas siguientes:

- Las placas bipolares metálicas con un alto contenido de cromo forman capas de cubierta conductoras de óxido de cromo; en funcionamiento, se producen fenómenos de envejecimiento dentro de la pila de combustible debido a la evaporación de cromo.

- Las placas bipolares metálicas con alto contenido de aluminio forman capas de cubierta de Al_{2}O_{3} que actúan desventajosamente como un aislador eléctrico.

- El apilamiento de varias pilas de combustible por medio de placas bipolares se realiza con ayuda de un proceso de ensamble. Se ensamblan así a presión las pilas de combustible. Durante el proceso de ensamble se pueden producir puntos de contacto malos conductores entre las placas bipolares rígidas conocidas y las unidades de electrodo-electrolito. Estos puntos de contacto tienen su fundamento, entre otras cosas, en las tolerancias de producción para la fabricación de placas bipolares o unidades de electrodo-electrolito.

- Bajo una carga cíclica de temperatura se pueden presentar tensiones térmicas; éstas resultan de la dilatación diferente de los materiales empleados durante el funcionamiento.

El cometido de la invención consiste en crear una columna de pilas de combustible con pilas de combustible de alta temperatura que garantice un contactado del ánodo que sea estable a largo plazo. Se indica un procedimiento para fabricar esta columna de pilas de combustible.

El problema se resuelve por medio de un interconector según la reivindicación 1. El interconector contiene aluminio y está equipado con superficies de contacto y estructuras distribuidoras de gas para electrodos de pilas de combustible de alta temperatura. Asimismo, al menos una lámina de níquel está unida con las superficies de contacto del interconector mediante la formación de aleaciones. Se presentan así aleaciones de níquel-aluminio en la superficie límite entre las superficies de contacto del interconector y la lámina de níquel. Se puede tratar aquí, por ejemplo, de aluminiuros de níquel (por ejemplo, NiAl, NiAl_{2}, Ni_{3}Al). Tales aleaciones ofrecen las siguientes ventajas como capa de contacto en pilas de combustible:

- Las aleaciones de níquel-aluminio actúan como barreras contra difusión para constituyentes de la aleación del interconector y evitan así la formación de productos de corrosión malos conductores (por ejemplo, óxido de aluminio), por ejemplo en la superficie de un interconector de ánodo.

- Las aleaciones de níquel-aluminio son estables a altas temperaturas (por ejemplo, punto de fusión de NiAl: 1638ºC).

- Las aleaciones de níquel-aluminio poseen una conductividad eléctrica suficiente.

- Pequeños costes de material y de procesamiento.

En una ejecución ventajosa se forman las superficies de contacto por medio de tabiques que separan los canales de gas del interconector uno de otro (reivindicación 2). El interconector está realizado entonces como una placa bipolar cuyos tabiques presentan al menos parcialmente aleaciones de níquel-aluminio.

Las reivindicaciones 3 a 5 conciernen a la forma de la lámina o láminas y, por tanto, a la forma de las aleaciones de níquel-aluminio que se presentan sobre las superficies de contacto del interconector. Una lámina de níquel en forma de chapa agujereada (reivindicación 3) puede estar unida con las superficies de contacto del interconector por formación de aleaciones y sus aberturas están situadas sobre los canales de gas del inteconector. Se garantiza así el transporte de combustibles hasta los electrodos de la pila de combustible.

Sin embargo, láminas de níquel en forma de tira (reivindicación 4) o en forma de puntos (reivindicación 5) pueden estar unidas también con las superficies de contacto del interconector por formación de aleaciones. Las superficies de contacto del interconector pueden ser de exactamente la misma anchura que las láminas de níquel. Sin embargo, las superficies de contacto pueden ser también más anchas que las láminas.

Una pila de combustible de alta temperatura comprende ventajosamente un interconector de esta clase, contactando las superficies de contacto del interconector con el ánodo de la pila de combustible de alta temperatura (reivindicación 6). Debido a las propiedades de las aleaciones de níquel-aluminio, tal como estabilidad a alta temperatura, se garantiza un contactado estable a largo plazo. Se sigue de esto que, debido a las aleaciones de níquel-aluminio presentes en el lado del ánodo del interconector, se logra una reducción de la resistencia de contacto en la pila de combustible de alta temperatura, ya que se evita la formación de capas aislantes de óxido de aluminio. Cuando la versión del interconector consiste en una placa bipolar, las aleaciones de níquel-aluminio se presentan entonces sobre los tabiques con contacto de electrodo, pudiendo estar cubiertos los tabiques más o menos completamente con las aleaciones de níquel-aluminio.

En otra ejecución de la invención se ha dispuesto una red elástica de níquel (reivindicación 7) entre el ánodo y el interconector. Esta red de níquel sirve como medio adicional para garantizar uniformemente el contacto eléctrico entre el ánodo y el interconector a través de los puntos de rejilla de la red y, por tanto, para compensar las tolerancias de fabricación antes citadas del interconector o del ánodo.

Una columna de pilas de combustible comprende al menos dos de estas pilas de combustible de alta temperatura (reivindicación 8). Se logran así mayores potencias.

En la reivindicación 9 se indica un procedimiento para fabricar un interconector según las reivindicaciones 1 a 5. Se aplica al menos una lámina de níquel sobre las superficies de contacto de un interconector que contiene aluminio. A continuación, se efectúa un tratamiento térmico, especialmente un procedimiento de prensado en caliente con formación de aleaciones de níquel-aluminio (reivindicación 9). La lámina de níquel consta de un 99% de níquel y se obtienen NiAl, NiAl_{2}, Ni_{3}Al y otras aleaciones. Cuando la lámina está configurada en forma de una chapa agujereada, las aberturas pueden troquelarse entonces previamente y de manera sencilla en la lámina de níquel. Se ha visto que los procedimientos de prensado en caliente hasta 1150ºC son especialmente adecuados para producir aleaciones de níquel-aluminio estables a largo plazo. No obstante, entran en consideración también procedimientos de soldadura bajo una atmósfera de gas protector, así como, condicionalmente, también procedimientos de inyección de plasma.

Otra posibilidad para producir aleaciones de níquel-aluminio consiste en el empleo de un niquelado galvánico. A continuación, se efectúa un recocido de las superficies niqueladas en vacío con formación de aleaciones de níquel--aluminio (reivindicación 10). La ventaja de este procedimiento consiste en que, de esta manera, unas superficies grandes pueden ser provistas de aleaciones de níquel-aluminio.

En una ejecución de la invención es imaginable formar con este procedimiento una pila de combustible o una columna de pilas de combustible (reivindicación 11).

En lo que sigue se explica la invención ayudándose de la descripción de ejemplos de realización con referencia a los dibujos.

La figura 1a muestra esquemáticamente una sección transversal a través de una parte de una pila de combustible de alta temperatura en la que el ánodo 1 es contactado a través de un interconector 5 que contiene aluminio y que está construido en forma de una placa bipolar. La placa bipolar se ha unido con una lámina de níquel 13 de forma de chapa agujereada mediante la formación de aleaciones. La lámina de níquel puede poseer un espesor arbitrario de 50 a 1000 \mum y especialmente de 500 \mum. En la superficie límite entre la placa bipolar 5 y la lámina de níquel 13 se presentan aleaciones de níquel-aluminio. Asimismo, entre el ánodo 1 y la placa bipolar 5 está dispuesta una red de níquel 2. La figura 1b muestra en vista en planta la disposición de la lámina de níquel 15 de forma de chapa agujereada sobre la placa bipolar 5. La sección transversal de la figura 1a puede haberse realizado en la figura 1b por el plano A-A' o
B-B'. Por tanto, la figura 1b es una vista en planta del objeto de la figura 1a, aunque sin red de níquel 2 ni ánodo 1. La lámina de níquel 13 de forma de chapa agujereada se ha unido con los tabiques 6 de la placa bipolar 5 mediante la formación de aleaciones, por lo que se presentan aleaciones de níquel-aluminio. La figura 1a presenta un total de siete tabiques 6, de los cuales solamente uno está provisto del símbolo de referencia 6. Seis canales de gas 14 están separados uno de otro por los siete tabiques 6. Las aberturas 7 de la lámina de níquel 13 de forma de chapa agujereada se encuentran sobre los canales de gas 14 de la placa bipolar 5. En la figura 1a se representan tres filas dotadas cada una de ellas de seis aberturas 7. Las aberturas están configuradas en forma de rendijas rectangulares que están separadas una de otra en los planos A-A' y B-B'. Por consiguiente, en los sitios en los que la lámina de níquel 13 de forma de chapa agujereada está dispuesta sobre los canales de gas 14 de la placa bipolar 5, se presenta solamente el níquel de la lámina o de sus aberturas. Esta disposición garantiza, por un lado, el flujo de gas desde los canales de gas 14 de la placa bipolar 5 hasta el ánodo 1 a través de las aberturas 7 de la lámina de níquel 13 de forma de chapa agujereada. Sin embargo, debido a la posición de las aberturas 7 sobre los canales de gas 14 se minimizan también en funcionamiento, a altas temperaturas, tensiones térmicas - entre la lámina de níquel 13 de forma de chapa agujereada y la placa bipolar 5 - que se produzcan a consecuencia de la diferente dilatación de los diversos materiales. Las aberturas 7 de la lámina de níquel 13 de forma de chapa agujereada están interrumpidas en la figura 1b en los planos A-A' y B-B'. Esto sirve para la estabilidad de la lámina de níquel en condiciones de funcionamiento.

En la figura 1a se encuentra una red de níquel elástica 2 entre el ánodo 1 y la lámina de níquel 13 de forma de chapa agujereada. Esta red tiene un espesor de 250 \mum y un ancho de malla de 200 \mum. El diámetro de los alambres asciende a 125 \mum. La red de níquel 2 puentea la ausencia de contacto eléctrico entre el ánodo 1 y los tabiques 6 de la placa bipolar 5 que pueda presentarse a consecuencia de tolerancias de producción para la fabricación de los materiales.

Las figuras 2 y 3 muestran esquemáticamente en planta otras dos formas de realización de láminas de níquel sobre las superficies de contacto de un interconector. En la figura 2 siete láminas de níquel 23 de forma de tira y en la figura 3 un total de cuarenta y dos láminas de níquel puntiformes 33 están unidas con las superficies de contacto del interconector por medio de la formación de aleaciones. En la figura 3 solamente la lámina de níquel puntiforme situada arriba a la izquierda está provista del símbolo de referencia 33. En las dos figuras seis estructuras distribuidoras de gas 24 y 34, respectivamente, discurren en dirección vertical entre las láminas de níquel 23 y 33, respectivamente. En ambas figuras la anchura de las láminas de níquel 23, 33 de forma de tiras o de forma de puntos corresponde a la de las superficies de contacto del interconector. La anchura de las superficies de contacto está insinuada en la figura 3 por medio de las dos líneas de trazos provistas de un símbolo de referencia 8.

En la figura 4 se representan filas de medida de la resistencia de contacto entre el ánodo y el interconector de dos pilas de combustible de alta temperatura en función de la duración de funcionamiento y una temperatura de funcionamiento de 800ºC. El acero del interconector consistía cada vez en una aleación de hierro-cromo-aluminio con aproximadamente 5% de proporción de aluminio (No. de material 1.4767). Entre el ánodo y el interconector se encontraba una red de níquel con un espesor de 250 \mum, un ancho de malla de 200 \mum y un diámetro de los alambres de 125 \mum. La curva con los símbolos consistentes en rombos se refiere a una columna de pilas de combustible en la que el interconector no presentaba aleaciones de níquel-aluminio. La curva con los símbolos consistentes en triángulos se refiere a una columna de pilas de combustible en la que el interconector se había chapeado con una lámina de níquel por el procedimiento de prensado en caliente y, por tanto, presentaba aleaciones de níquel-aluminio. La temperatura de funcionamiento durante el procedimiento de prensado en caliente ascendió a 1150ºC a lo largo de un tiempo de 60 minutos. La temperatura de funcionamiento en la columna de pilas de combustible ascendió a 800ºC. La resistencia de contacto en la versión sin aleaciones de níquel-aluminio se elevó inicialmente de 25 a 37 m\Omegacm^{2} dentro de aproximadamente 300 horas de funcionamiento. En una pila de combustible con un interconector que contiene aleaciones de níquel-aluminio no se produjo todavía, ni siquiera después de 500 horas de funcionamiento, un aumento de la resistencia de contacto en el ánodo. Incluso después de una evolución cíclica de la temperatura de funcionamiento, insinuada por la flecha en la figura 4, la resistencia de contacto aumentó sólo en medida insignificante pasando de 4 a 6 m\Omegacm^{2} y se mantuvo en este bajo valor incluso después de 1000 horas de funcionamiento. Por tanto, las aleaciones de níquel-aluminio producían una resistencia de contacto constantemente baja y, por tanto, estable a largo plazo. En consecuencia, después de 300 horas de funcionamiento, la resistencia de contacto de esta pila de combustible de alta temperatura se ha reducido en casi 1000% en comparación con una pila sin interconector que contenga aleaciones de níquel-aluminio.

Claims (11)

1. Interconector (5) conteniendo aluminio con superficies de contacto y estructuras distribuidoras de gas para electrodos de pilas de combustible de alta temperatura, presentando las superficies de contacto, al menos parcialmente, aleaciones de níquel-aluminio, caracterizado porque al menos una lámina de níquel está unida, por formación de aleaciones, con las superficies de contacto del interconector (5).

2. Interconector según la reivindicación 1, caracterizado porque las superficies de contacto están formadas por tabiques (6) que separan los canales de gas (14) del interconector (5) uno de otro.

3. Interconector según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque una lámina de níquel (13) de forma de chapa agujereada está unida, por formación de aleaciones, con las superficies de contacto del interconector (5) y sus aberturas (7) están situadas sobre los canales de gas (14) del interconector.

4. Interconector según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque unas láminas de níquel (23) de forma de tiras están unidas, por formación de aleaciones, con las superficies de contacto del interconector (5).

5. Interconector según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque unas láminas de níquel (33) de forma de puntos están unidas, por formación de aleaciones, con las superficies de contacto del interconector (5).

6. Pila de combustible de alta temperatura que comprende un interconector según una de las reivindicaciones anteriores, en donde las superficies de contacto del interconector contactan con el ánodo (1) de la pila de combustible de alta temperatura.

7. Pila de combustible de alta temperatura según la reivindicación 6, caracterizada porque entre el ánodo (1) y el interconector (5) está dispuesta una red de níquel elástica (2).

8. Columna de pilas de combustible que comprende al menos dos pilas de combustible de alta temperatura según una de las reivindicaciones 6 ó 7.

9. Procedimiento para fabricar un interconector según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por los pasos siguientes:

- se aplica al menos una lámina de níquel sobre las superficies de contacto de un interconector que contiene aluminio;

- se efectúa un tratamiento térmico, especialmente un procedimiento de prensado en caliente con formación de aleaciones de níquel-aluminio.

10. Procedimiento para fabricar un interconector según una de las reivindicaciones 1 a 5 empleando un niquelado galvánico, caracterizado porque se efectúa un recocido del interconector en vacío con formación de aleaciones de níquel-aluminio.

11. Procedimiento para fabricar una pila de combustible o una columna de pilas de combustible según una de las reivindicaciones 6 a 8 con un procedimiento según la reivindicación 9 ó 10.