ES2363294B1 - Pila de combustible de oxido solido - Google Patents

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Abstract

Pila de combustible de oxido sólido que comprende al menos una celda de combustible de óxido sólido tubular y al menos un interconector asociado a la celda de combustible de óxido sólido, comprendiendo la celda de combustible de óxido sólido un primer electrodo, un electrolito depositado sobre el primer electrodo, un segundo electrodo depositado sobre el electrolito, y un soporte metálico dispuesto sobre el segundo electrodo. El interconector comprende unos medios de soporte, y unos medios de contacto para el contacto eléctrico con el soporte metálico, disponiéndose dichos medios de contacto fijados a los medios de soporte y flexibles con respecto a dichos medios de soporte, disponiéndose el interconector precargado con respecto al soporte metálico.

Description

nector y el soporte metálico se obtiene mediante la
Pila combustible de óxido sólido.
Sector de la técnica
La presente invención se refiere a pilas de combustible de óxido sólido que comprenden al menos una celda tubular de soporte metálico y al menos un interconector asociado. Estado anterior de la técnica
En el estado de la técnica son conocidas pilas de combustible de óxido sólido que comprenden una pluralidad de celdas tubulares de combustible de óxido sólido, las cuales operan a altas temperaturas en un rango aproximado de 600 a 1000ºC, y las cuales dependiendo del tipo de soporte utilizado pueden clasificarse como celdas de combustible de óxido sólido de geometría tubular de soporte catódico, soporte anódico, soporte electrolito o bien soporte metálico.
Las celdas tubulares de combustible de óxido sólido comprenden una estructura formada por un electrodo interior, un electrolito depositado sobre el electrodo interior, un electrodo exterior depositado sobre el electrolito, y en el caso de las cedas tubulares de soporte metálico, un soporte metálico que se deposita, principalmente sobre el electrodo exterior.
Uno de los problemas a resolver en este tipo de pilas de combustible es la dificultad de conexión eléctrica entre las celdas respectivas, dado que este tipo de celdas trabaja a altas temperaturas, y los interconectores deben estar diseñados de forma que tengan una buena flexibilidad para mantener un buen contacto eléctrico, y por otro lado, deben soportar ciclos térmicos importantes. Además, los interconectores deben tener una superficie de contacto óptima con el fin de no disminuir la densidad de potencia de las celdas.
Son conocidas diferentes soluciones, descritas por ejemplo en los documentos WO2006/017777A2, US5258240 ó US7157172B2, en donde se describen pilas de combustible que comprenden celdas tubulares de soporte anódico y/o catódico, en los cuales cada ceda tubular comprende un interconector integrado que contacta con el electrodo interior. La conexión eléctrica entre el interconector integrado de una celda tubular y el electrodo exterior de otra celda tubular contigua se realiza a través de unos interconectores individuales de níquel que se posicionan entre las celdas contiguas, o bien a través de unas mallas o soportes metálicos que se posicionan entre las celdas tubulares. Exposición de la invención
El objeto de la invención es el de proporcionar una pila de combustible de óxido sólido que comprende al menos una celda tubular combustible de óxido sólido y al menos un interconector asociado a la celda de combustible de óxido sólido según las reivindicaciones.
La celda tubular combustible de óxido sólido comprende un primer electrodo, un electrolito depositado sobre el primer electrodo, un segundo electrodo depositado sobre el electrolito, y un soporte metálico dispuesto sobre el segundo electrodo.
Por otro lado, el interconector comprende unos medios de soporte, y unos medios de contacto adaptados para el contacto eléctrico con el soporte metálico, disponiéndose los medios de contacto fijados a los medios de soporte, y flexibles con respecto a dichos medios de soporte. El interconector se dispone además precargado con respecto al soporte metálico, precarga, asegurando dicho contacto incluso a altas temperaturas durante periodos largos de tiempo.
La flexibilidad de los medios de contacto frente a los medios de soporte, permite al interconector mantener en todo momento el contacto con el soporte metálico independientemente de las irregularidades de forma que pueda presentar tanto longitudinalmente como transversalmente, la célula tubular combustible de óxido sólido.
Por otro lado, el interconector tiene un diseño compacto y sencillo, que facilita el montaje de la pila de combustible de óxido sólido.
Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de la figura y de la descripción detallada de la invención. Descripción de los dibujos
La Fig. 1 es una vista frontal de una primera realización de una pila de combustible de óxido sólido según la invención.
La Fig. 2 es una vista en perspectiva de la pila de combustible de óxido sólido mostrada en la figura 1.
La Fig. 3 es una vista frontal de una segunda realización de la pila de combustible de óxido sólido según la invención.
La Fig. 4 es una vista frontal de una tercera realización de la pila de combustible de óxido sólido según la invención.
La Fig. 5 es una vista en perspectiva de una cuarta realización de la pila de combustible de óxido sólido según la invención.
La Fig. 6 es una vista frontal de una quinta realización de la pila de combustible de óxido sólido según la invención.
La Fig. 7 es una vista en perspectiva de la pila de combustible de óxido sólido mostrada en la figura 6. Exposición detallada de la invención
Según se muestra en las figuras 1 a 7, una pila de combustible de óxido sólido 20 comprende al menos una celda de combustible de óxido sólido 1 tubular y unos interconectores 6 asociados a la celda de combustible de óxido sólido 1.
Cada celda de combustible de óxido sólido 1 tubular, mostrada en detalle en la figura 1, comprende un primer electrodo 2, un electrolito 3 depositado sobre el primer electrodo 2, un segundo electrodo 4 depositado sobre el electrolito 3, y un soporte metálico 5 dispuesto fijo sobre el segundo electrodo 4. El primer electrodo 2 es el ánodo y el segundo electrodo 4 es el cátodo, siendo los materiales del primer electrodo 2, del segundo electrodo 4 y del electrolito 3 conocidos en el estado de la técnica.
En las figuras 1 a 7, cada celda de combustible de óxido sólido 1 tiene asociados dos interconectores 6 dispuestos sustancialmente paralelos, y enfrentados entre sí.
Cada interconector 6 comprende unos medios de soporte 7, que incluyen una placa soporte 11 sustancialmente rectangular y rígida, y unos medios de contacto 8 a través de los cuales se consigue el contacto eléctrico del interconector 6 con el soporte metálico 5 de la celda de combustible de óxido sólido 1. Los medios de contacto 8 se disponen fijados a la placa soporte 11 mediante soldadura o cualquier otro medio conocido, y flexibles con respecto a dicha placa soporte 11.
La placa soporte 11 tiene, preferentemente, un es
3 ES 2363294A1 4
pesor entre aproximadamente 0,5 y 1 mm, y puede incluir, tal y como se muestra en las figuras 2 y 5, unos orificios 12, dispuestos equidistantes a lo largo de la placa soporte 11, con el objetivo de mejorar la circulación de aire hacia la celda de combustible 1.
En las figuras1a7,las placas soporte 11, y por lo tanto, los interconectores 6, se disponen sustancialmente horizontales. En otros ejemplos, no representados, dichas placas soporte 11 pueden ser posicionados sustancialmente verticales.
Por otro lado, el interconector 6 correspondiente se dispone precargado con respecto al soporte metálico 5 con el fin de asegurar un buen contacto eléctrico en todo momento con la celda de combustible 1 tubular. Para ello, la pila de combustible de óxido sólido 20 comprende unos medios de precarga 15, mostrados en las figuras 1 y 2. Los medios de precarga 15 comprenden unos tornillos 18, cada uno de los cuales atraviesa las dos placas soporte 11 dispuestas enfrentadas, y unas tuercas 17 a través de las cuales se fijan los tornillos 18 a las placas soporte 11 correspondientes, manteniendo los interconectores 6 a una presión prefijada contra la celda de combustible de óxido sólido 1, gracias a la precarga en los tornillos 18.
En otros ejemplos de realización no representados, los medios de precarga 15 pueden incluir un peso exterior sobre al menos una de las placa soporte 11
o unos muelles precargados dispuestos entre las dos placas soporte 11 de dos interconectores 6 enfrentados entre sí, asegurándose de este modo, el contacto permanente entre el interconector 6 correspondiente y la celda de combustible de óxido sólido 1.
Por otro lado, los medios de contacto 8 comprenden una placa de contacto 10, 16 que incluye al menos una superficie de fijación 10b, 16b, sustancialmente plana, a través de la cual se fija la placa de contacto 10, 16 a la placa soporte 11, y al menos una superficie de contacto 10c, 16c flexible con respecto a la superficie de fijación 10b, 16b, de modo que se adapta a las posibles irregularidades de forma que pueda presentar la celda de combustible 1 tubular, bien en su perímetro circular o longitudinalmente, asegurando de este modo, el contacto eléctrico permanente del interconector 6 con la celda de combustible 1 tubular. Los medios de contacto 8 comprenden además unas superficies de conexión 10d, 16d que unen, respectivamente, cada superficie de contacto 10c, 16c a la superficie de fijación 10b, 16b correspondiente.
De modo general, cada interconector 6 comprende una pluralidad de placas de contacto 10, 16 que tienen un espesor entre aproximadamente 0,5 mm y 1 mm, y se disponen transversales a lo largo del soporte metálico 5, y sustancialmente paralelas y equidistantes entre sí.
En los ejemplos de realización mostrados en las figuras1a5,la placa de contacto 10 tiene forma sustancialmente en W. La placa de contacto 10 incluye dos superficies de contacto 10c sustancialmente rectas, continuas e inclinadas entre sí, una superficie de fijación 10b en cada extremo de la placa de contacto 10, a través de la cual se fija dicha placa de contacto 10 a la placa soporte 11, y las superficies de conexión 10d que unen, respectivamente, cada superficie de contacto 10c a la superficie de fijación 10b correspondiente.
Por otro lado, en el ejemplo de realización mostrado en las figuras 6 y 7, la placa de contacto 16 incluye dos superficies de contacto 16c sustancialmente curvas, adaptadas a la geometría exterior de la celda de combustible 1 tubular, y las superficies de conexión 16d que unen los extremos de las superficies de contacto 16c con las superficies de fijación 16b correspondientes. En otros ejemplos de realización no mostrados, las superficies de contacto 16c pueden disponerse sustancialmente en voladizo, estando unidas a la superficie de conexión 16b correspondiente, únicamente a través de uno de sus extremos.
En la figuras 1, 2,6y7,se muestra una pila de combustible de óxido sólido 20 que comprende una única celda de combustible 1 tubular.
En las figuras 3 a 5, se muestra una pila de combustible de óxido sólido 20 que comprende al menos una fila de celdas de combustibles 1 tubulares, dispuestas dichas celdas de combustibles 1 sustancialmente paralelas y contiguas entre sí, no mostrándose los medios de precarga.
En la figura 3, se muestra una segunda realización de la invención, en donde las placas soporte 11 de los interconectores 6 dispuestos contiguos entre sí, asociados a celdas de combustibles 1 dispuestas contiguas, forman una única placa soporte 11, fijándose las placas de contacto 10 respectivas a dicha única placa soporte 11.
Por otra parte, en la figura 4, se muestra una tercera realización de la invención, en donde las placas de contacto 10 de los interconectores 6 dispuestos contiguos entre sí, asociados a celdas de combustibles 1 contiguas, forman una única placa de contacto 10 que tiene las superficies de contacto 10c de cada placa de contacto 10 individual unidas entre sí. Además, al igual que en la realización anterior, las placas soporte 11 de los interconectores 6 contiguos asociados a celdas de combustibles 1 contiguas, forman una única placa soporte 11.
En la figura 5, se muestra una pila de combustible de óxido sólido 20 que comprende varias filas de celdas tubulares 1 dispuestas contiguas y paralelas entre sí, en donde los interconectores 6 correspondientes a cada fila de celda tubular 1 son similares a los mostrados en la figura 4.
En otras realizaciones no mostradas en las figuras, la placa de contacto 10, 16 puede tener una única superficie de contacto 10c, 16c con la celda de combustible 1 tubular, siendo flexible dicha única superficie de contacto 10c, 16c con respecto a la superficie de conexión 10b, 16b y por tanto a la placa soporte 11 correspondiente.
Por último, tanto la placa soporte 11 como la placa de contacto 10, 16 están hechas preferentemente de un material metálico capaz de soportar altas temperaturas, superiores a 800ºC, durante largos periodos de tiempo. El material debe tener buen comportamiento de oxidación a altas temperaturas, buena resistencia a la fluencia lenta o creep del material cuando es sometido a un esfuerzo constante, y además de ser fácilmente conformable.
5 ES 2363294A1 6

Claims (16)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Pila de combustible de óxido sólido que comprende al menos una celda de combustible de óxido sólido (1) tubular y al menos un interconector (6) asociado a la celda de combustible de óxido sólido (1), comprendiendo la celda de combustible de óxido sólido (1) un primer electrodo (2), un electrolito (3) depositado sobre el primer electrodo (2), un segundo electrodo (4) depositado sobre el electrolito (3), y un soporte metálico (5) dispuesto sobre el segundo electrodo (4), caracterizado porque el interconector (6) comprende unos medios de soporte (7) y unos medios de contacto (8) para el contacto eléctrico con el soporte metálico (5), disponiéndose los medios de contacto
    (8) fijados a los medios de soporte (7) y flexibles con respecto a dichos medios de soporte (7), y disponiéndose el interconector (6) precargado con respecto al soporte metálico (5).
  2. 2.
    Pila de combustible de óxido sólido según la reivindicación 1, en donde los medios de soporte (7) comprenden al menos una placa soporte (11) sobre la cual se fijan los medios de contacto (8).
  3. 3.
    Pila de combustible de óxido sólido según la reivindicación 2, en donde la placa soporte (11) incluye unos orificios (12) que mejoran el paso de aire hacia la celda de combustible (1).
  4. 4.
    Pila de combustible de óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los medios de contacto (8) comprenden al menos una placa de contacto (10, 16) que tiene al menos una superficie de contacto (10c, 16c) flexible con respecto a los medios de soporte (7), disponiéndose la superficie de contacto (10c, 16c) en contacto eléctrico con el soporte metálico (5).
  5. 5.
    Pila de combustible de óxido sólido según la reivindicación 4, en donde la placa de contacto (10) tiene al menos dos superficies de contacto (10c), continúas e inclinadas entre sí, las cuales se disponen en contacto eléctrico con el soporte metálico (5).
  6. 6.
    Pila de combustible de óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 4 ó 5, en donde la placa de contacto (10) tiene una sección transversal sustancialmente en forma W.
  7. 7.
    Pila de combustible de óxido sólido según la reivindicación 4, en donde la superficie de contacto (16c) es una superficie sustancialmente curva, adaptada a la geometría exterior de la celda de combustible (1).
  8. 8.
    Pila de combustible de óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, que comprende al menos una fila de celdas de combustibles (1) dispuestas contiguas entre sí, en donde las placas de contacto (10, 16) de los interconectores (6) dispuestos contiguos forman una única placa de contacto (10, 16).
  9. 9.
    Pila de combustible de óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones2a8,que comprende al menos una fila de celdas de combustible (1) dispuestas contiguas entre sí, y en donde las placas soporte
    (11) de los interconectores (6) dispuestos contiguos, forman una única placa soporte (11).
  10. 10.
    Pila de combustible de óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones4a9,en donde los medios de contacto (8) comprenden una pluralidad de placas de contacto (10, 16) dispuestas transversales a lo largo del soporte metálico (5).
  11. 11.
    Pila de combustible de óxido sólido según la reivindicación 10, en donde la pluralidad de placas de contacto (10) se disponen equidistantes entre sí.
  12. 12.
    Pila de combustible de óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada celda tubular (1) dispone de dos interconectores (6).
  13. 13.
    Pila de combustible de óxido sólido según la reivindicación 12, en donde los interconectores (6) se disponen enfrentados entre sí.
  14. 14.
    Pila de combustible de óxido sólido según cualquiera de las reivindicaciones 12 ó 13, que comprende unos medios de precarga (15) que fijan los dos interconectores (6) entre sí, transmitiendo la precarga a la celda de combustible (1) correspondiente.
  15. 15.
    Pila de combustible de óxido sólido según la reivindicación 14, en donde los medios de precarga
    (15) comprenden unos tornillos (18) y unas tuercas (17).
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 200930826
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 09.10.2009
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    EP 1806800 A1 (TOTO LTD ) 11/07/2007, resumen; párrafo 1-4,9,12,13
    Y
    [11]; párrafos [22 -27]; figuras 4, 7, 8, 10, 11, 5-8,10,11
    A
    reivindicación 1. 14,15
    Y
    US 2004234830 A1 ( DRAPER ROBERT ET AL.) 25/11/2004, resumen; párrafos [33 -43]; figuras 1 -8. 5-8,10,11
    A
    US 2007003818 A1 ( BISCHOFF BRIAN L ET AL.) 04/01/2007, todo el documento. 1-15
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 14.07.2011
    Examinador A. Figuera González Página 1/5
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD H01M8/12 (2006.01)
    H01M8/24 (2006.01) H01M8/02 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    H01M
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    OPINIÓN ESCRITA
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 14.07.2011
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-15 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 14, 15 1-13 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    OPINIÓN ESCRITA
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    EP 1806800 A1 (TOTO LTD ) 11.07.2007
    D02
    US 2004234830 A1 ( DRAPER ROBERT et al.) 25.11.2004
  16. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    REIVINDICACIÓN 1.
    Se considera que el documento D01 es el documento del estado de la técnica más próximo al objeto de la reivindicación 1.
    En el documento D01 se describe un elemento conductor de la electricidad que conecta eléctricamente en serie o en paralelo una pluralidad de celdas de combustible de óxido sólido para formar una pila de celdas de combustible. El elemento conductor de la electricidad comprende una hoja de metal que tiene una estructura porosa tridimensional con un esqueleto y que es altamente flexible y elástica. Por lo tanto, el espesor del elemento conductor de la electricidad se puede volver a regular fácilmente cuando se regula la separación entre las celdas de combustible. Una placa está insertada entre la celda de combustible y el elemento conductor de la electricidad. La pila de celdas de combustible se puede montar de forma estable con buena precisión gracias al uso de la placa como referencia. Además, dicha placa puede también servir ventajosamente para rectificar el gas combustible y permitir al gas fluir hacia la pila de celdas de combustible. La placa puede emplearse para la difusión tanto de combustible como de oxidante. Véase D01, resumen, párrafos 11 y 22 a 27, figuras 4, 7, 8, 10 y reivindicación 1.
    Así pues el objeto de la reivindicación 1 difiere de este elemento de interconexión conocido para una celda de combustible de oxido sólido porque se emplea en una pila de celdas de combustible con soporte metálico. Puede considerarse que el problema que resuelve la presente invención consiste en cómo garantizar el contacto entre el elemento de interconexión y las celdas de combustible de óxido sólido teniendo en cuenta las irregularidades típicas de la forma de las celdas de combustible de óxido sólido.
    Tal y como es sabido, y tal y como queda claro en la página 2 de la solicitud de patente, el problema mencionado es un problema común para las celdas de combustible de óxido sólido de soporte metálico y para las que no son de soporte metálico y se resuelve con el elemento de interconexión descrito en el documento D01. Para el experto en la materia hubiera pues resultado obvio aplicar las enseñanzas del documento D01 a una celda de combustible de óxido sólido de soporte metálico.
    Por lo tanto se considera que la reivindicación 1 no tiene actividad inventiva de acuerdo con el artículo 8 de la Ley de Patentes.
    REIVINDICACIONES 2 a 13.
    A continuación se exponen las razones por las que las reivindicaciones 2 a 13 no parecen contener ninguna característica técnica adicional que, en combinación con las características técnicas de cualquiera de las reivindicaciones de las que dependen, les permitan reunir el requisito de actividad inventiva.
    •
    El objeto de las reivindicaciones 2, 3, 9, 12 y 13 ha sido divulgado en el documento D01 (véase el análisis anterior de D01 hecho para la reivindicación 1).
    •
    Los medios de contacto descritos en D01 consisten en una placa de metal doblada varias veces que contacta la superficie de la celda de combustible y la placa de soporte con una superficie flexible (véase D01 párrafo 24 y figuras 10 y 11). Por lo tanto el objeto de la reivindicación 4 también ha sido divulgado en el documento D01.
    •
    Las características técnicas de las reivindicaciones 5 a 8 y 10 son bien conocidas en el estado de la técnica y han sido divulgadas en el documento D02 (véase figuras 1 a 8) resolviendo el mismo problema técnico que en la presente solicitud.
    OPINIÓN ESCRITA
    Además, en relación con la reivindicación 11 en el documento D02 en la figura 4 se aprecia que el elemento conductor 22, descrito en el párrafo 36, tiene unos hombros 42 y una única ondulación 53 que confiere suficiente rigidez al elemento conductor 22 para facilitar el manejo del conjunto durante el montaje pero que al mismo tiempo es lo suficientemente flexible como para acomodar los cambios dimensionales del conjunto que pueden producirse por las diferencias de expansión térmica. Se considera que el elemento 22 tiene una forma similar a una W y que cumplen la misma función, siendo las diferencias meros detalles constructivos de diseño.
    Hubiera pues resultado obvio para el experto en la materia aplicar la misma forma del documento D02 a los medios de contacto del documento D01.
    • El disponer las placas de contacto equidistantes entre sí es una mera opción de diseño que no parece responder a ningún problema técnico que no sea el habitual de repartir las cargas en el soporte de manera uniforme. Así pues el experto en la materia hubiera llegado a esta solución sin ejercer ninguna actividad inventiva por lo que la reivindicación 11 carece de actividad inventiva.
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