ES2385471T3 - Pila de combustible de óxidos sólidos - Google Patents

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Abstract

Pila de combustible de óxidos sólidos con un soporte planar en forma de una estructura de placa porosa concanales de suministro de gas alargados internamente, formados en el interior de la estructura, estando dichaestructura de la placa en contacto con y soportando en una superficie planar una capa de un material activo deánodo, caracterizada porque la estructura de placa porosa está hecha de acero inoxidable ferrítico, aleacionesbasadas en níquel y/o aleaciones con alto contenido en cromo.

Description

Pila de combustible de óxidos sólidos
La presente invención se refiere a pilas de combustible de óxidos sólidos y, en particular, a pilas de combustible de óxidos sólidos planares con un material de electrodo soportado sobre un soporte que tiene integrado en su estructura pasos para la distribución de gases reaccionantes de la pila.
Actualmente, las pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFC – siglas en inglés) se producen principalmente en dos diseños diferentes, en forma de tipos tubulares y de tipos planares planos. Los diferentes diseños de la pila de combustible poseen un cierto número de ventajas y desventajas tales como una distribución fácil del gas y una fiabilidad estructural que ha sido demostrada para los tipos tubulares, mientras que el carácter compacto y la potencial reducción de materiales implicados son las principales ventajas del diseño planar plano. Con la pila planar plana apilada se pueden obtener pérdidas de tensión muy bajas debido a la baja resistencia interna específica de la superficie.
En un desarrollo reciente de delgados electrolitos soportados para el tipo de pila planar plana en relación con un comportamiento del electrodo mejorado permite reducir la temperatura de funcionamiento desde la temperatura de funcionamiento de 1000ºC previamente requerida, que era típica para pilas de electrolitos auto-soportados, hasta una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 800ºC, sin reducción alguna del comportamiento global de la pila, medido como potencia eléctrica específica de la superficie. La reducción de la temperatura de funcionamiento hace posible utilizar placas de separación bipolares metálicas entre las pilas. Además de ello, se pueden introducir materiales de construcción metálicos para los distribuidores e intercambiadores de calor que conducen a una fiabilidad del sistema mejorada y a un precio reducido del sistema. Ejemplos de SOFC con delgados electrolitos soportados por el ánodo o cátodo de las pilas se describen en la bibliografía (véase Advances in the Anode Supported Planar SOFC Technology; H. P. Buchkremer et al., Electrochemical Proceedings, Vol. 9718 (1997); Thin Anode Supported SOFC; S. Primdahl et al., Electrochemical Society Proceedings, Vol. 99-19 (1999); y Advances in Tubular Solid Oxide Fuel Cell Technology, S. C. Singhal, Electrochemical Society Proceedings, Vol. 95-1 (1995)). Especialmente, el diseño de pila de placa plana con delgado electrolito soportado por el ánodo tiene algunas ventajas importantes, incluida una baja resistencia de contacto entre el electrolito y el ánodo, además de métodos de fabricación simplificados y más económicos, basados en la combustión de los componentes de la pila.
La estructura del ánodo se produce habitualmente mediante colada en cinta de una mezcla de NiO y polvo de zirconia con un espesor de capa de aproximadamente 0,1 a 1 mm. Una capa delgada de electrolito se aplica sobre esta capa de soporte del ánodo mediante moldeo por pulverización, moldeo por inmersión, colada en capa o deposición electroforética. El espesor del electrodo delgado es típicamente de 10-50 μm. Durante la combustión final de la estructura multicapas, así obtenida, la capa del ánodo se vuelve porosa, con una porosidad abierta en el intervalo de 30-60%, mientras que la capa del electrolito se densifica para formar un material estanco a los gases, al tiempo que se establece un límite trifásico (ánodo-electrolito-porosidad) en el que tiene lugar la reacción electrocatalítica en el ánodo. La velocidad de reacción de las reacciones del electrodo está limitada por el transporte de gas combustible y productos de reacción gaseosos a través de la estructura porosa del ánodo. La característica del límite trifásico y la porosidad del ánodo colaboran, por lo tanto, en la polarización total de la tensión de la pila. Una solución a este problema consiste en subdividir el ánodo en una delgada capa de ánodo activa con espesor típico de 1-50 μm y un soporte del ánodo y una capa recolectora de corriente con un espesor típico de 50-1000 μm, que consiste básicamente en la misma mezcla de NiO y zirconia. Sin embargo, esta configuración sigue fracasando en cumplir un suministro eficaz requerido de gas a través de la estructura abierta porosa junto con un soporte altamente estable mecánicamente para la capa de electrolito. Además de ello, siguen pendientes de resolverse problemas con un contacto mecánico y eléctrico eficaz entre la capa de soporte del ánodo porosa y las placas bipolares que contienen los canales de suministro de gas del ánodo. Se han realizado un cierto número de intentos en el pasado para mejorar el contacto eléctrico mediante la aplicación de níquel incorporado entre la capa de soporte del ánodo y la placa bipolar metálica. Se pueden formar canales de suministro de gas practicando muescas en la placa bipolar metálica sólida. Las soluciones anteriores son costosas y no son útiles en un uso comercial en la tecnología de SOFC.
El documento WO 97/23007 describe un electrodo para una pila de combustible que tiene una capa autosoportante porosa y otra capa con propiedades catalíticas dispuesta sobre dicha capa auto-soportante, la capa auto-soportante tiene un espesor varias veces mayor que el de la capa con las propiedades catalíticas y consiste en un cermet que comprende Al2O3 o TiO2 al que está mezclado Ni.
El documento JP 08 0373011 A describe un tablero base de pila de combustible en forma de una placa plana hueca equipada con una resistencia mecánica intensificada, al tiempo que se conservan características que incluyen una estanqueidad elevada a los gases al cubrir un paso de gas formado a partir de un soporte poroso con un material del electrodo. Se proporciona una pluralidad de pasos 11 de gas oxidante en un soporte poroso 9 que está cubierto con un material de electrodo 10. Un tablero base de pila de combustible en forma de una placa plana hueca, producido de esta manera, está equipado con una resistencia mecánica reforzada y al que también pueden ser dadas características de este tipo requeridas de un material de electrodo tal como conductividad eléctrica, reactividad.
El documento JP 03 283266 A describe una capa de catalizador de reforma de combustible en la cara del electrodo de combustible de una SOFC a través de una base de fibras metálicas, o que constituye dentro de la base de fibras metálicas un electrodo de película compuesto con partículas de catalizador apiladas al mismo. NiO (óxido de níquel) se pulveriza sobre una cara de una base 1 de fibras metálicas formada por un cuerpo estratificado de fibras metálicas tales como fibras de Ni, para formar una capa 6 de catalizador de reforma.
En el documento XP000546102 se describe un procedimiento en húmedo para una SOFC planar.
El documento EP 785 587 A describe un cuerpo sinterizado estratificado para una pila electroquímica que es un cuerpo sinterizado estratificado de tipo planar constituido por un electrodo y un separador apilado sobre el mismo, en el que se forma una pluralidad de pasos de flujo de gas acoplando muescas formadas sobre el electrodo y el separador.
El documento US 5589286 A describe una pila de combustible de electrolito sólida planar que incluye una carcasa de apilamiento que tiene en su interior una cámara de reacción apilamiento. Una pluralidad de conjuntos de electrodo/electrolito sólido/separador está dispuesta en paralelo en la cámara de reacción de apilamiento de la carcasa de apilamiento. Cada uno de la pluralidad de conjuntos tiene un sustrato de pila que sirve como un primer electrodo, un electrolito sólido previsto en una superficie principal del sustrato de la pila, un segundo electrodo previsto sobre el electrolito sólido y un separador previsto sobre una superficie principal opuesta del sustrato de la pila. El sustrato de la pila es una caja plana en la que se forma una pluralidad de lumbreras de flujo de gas de reacción en paralelo a su superficie principal.
En general, esta invención consiste en una SOFC mejorada que integra los canales de suministro de gas con el soporte de la pila y la capa del ánodo. Además de ello, la SOFC de la invención hace posible producir grandes zonas de la pila basadas en una fabricación y materiales económicos.
Una realización específica de un elemento de soporte de la SOFC de acuerdo con la invención se muestra en la Fig. 1. La SOFC mostrada consiste en una placa porosa 2 que contiene un cierto número de canales que discurren perpendiculares a una sección transversal de la placa rodeada en todas las caras longitudinales por paredes porosas. La longitud, anchura y grosor de la placa definen la dimensión del elemento de placa plano, en que la longitud es mayor que o es igual a la anchura, y la anchura es mayor que o igual al espesor. El área en sección transversal del elemento está definida por la anchura y el espesor, mientras que el área planar se define por la longitud y la anchura. Los canales discurren paralelos a la longitud del elemento. En una de las caras planares de los elementos porosos, la capa de ánodo 8 está depositada en forma de una delgada capa porosa. La cara planar opuesta del elemento poroso está cubierta por una densa capa 10. Sobre la parte superior de la capa del ánodo porosa está depositada una delgada capa de electrolito densa 12.
En una realización adicional, la capa de electrolito densa cubre también el reborde 14 de los elementos porosos o únicamente los rebordes que son paralelos a los canales de gas alargados.
Todavía en una realización, el electrolito denso cubre una de las caras planares, mientras que el reborde o parte
del reborde es impermeable a los gases.
El elemento poroso con sus canales de gas internos longitudinales se puede producir mediante extrusión. Las capas depositadas sobre el elemento poroso se pueden producir por métodos de deposición tales como coextrusión, moldeo por pulverización, pulverización térmica, moldeo por inmersión, estampación, colada, laminación, deposición electroforética, deposición por precipitación, deposición electroquímica y deposición de vapores químicos.
Al contener los canales de gas combustible, al tiempo que actúa como soporte para el ánodo y el electrolito denso, el elemento poroso está expuesto a condiciones de gas reductoras con el funcionamiento de la pila de combustible que permite el uso de un material tal como acero inoxidable ferrítico, aleaciones basadas en níquel y aleaciones con alto contenido en cromo. Basado en materiales metálicos de este tipo, el elemento poroso obtiene propiedades mecánicas esencialmente mejoradas y una elevada conductividad térmica que asegura un elevado comportamiento del sistema de la pila de combustible, incluso cuando se desarrollan grandes dimensiones de la pila. Las capas delgadas depositadas, que penetran en una parte del elemento de soporte poroso, se convierten en una parte integrada de este elemento y contribuyen a la elevada estabilidad y alto comportamiento de la pila. Debido a la estabilidad dimensional y rigidez del elemento de soporte poroso, se permite una combustión de las capas depositadas delgadas y se tolera un mayor desajuste de expansión térmica entre los materiales reales que en los diseños de pilas conocidos. Este concepto de pila mejora el ciclo térmico y la estabilidad redox del ánodo y capas colectoras de corriente del ánodo, dado que se ha reducido significativamente la cantidad del contenido de níquel total en estas capas en comparación con SOFC soportado en el ánodo conocido. Además de ello, durante el ciclo térmico y el ciclo redox se puede mantener un estrecho contacto mecánico y físico entre las diferentes capas.
La interpenetración de las delgadas capas depositadas sobre la cara del ánodo del elemento de soporte poroso, así como en la cara del cátodo opuesta es decisiva para un contacto eléctrico y mecánico suficiente en los interplanos. Esto es importante, en particular, durante el ciclo térmico del apilamiento de la pila y bajo condiciones de reforma internas, en donde se pueden tolerar grandes esfuerzos termomecánicos por parte de la pila de combustible de óxidos sólidos soportada por la placa porosa. La delgada capa densa en la cara del cátodo del elemento de la placa porosa protege al material metálico poroso de la oxidación y separa el gas del ánodo del gas del cátodo.
La capa densa se puede basar en materiales cerámicos de óxidos mixtos que luego penetran en los poros de la superficie del elemento de placa porosa y forman una estructura interfase compuesta integrada. Se eliminan de esta forma la expansión y el craqueo de estos tipos de materiales cerámicos, que aparecen en la placa gruesa tradicional y las placas bipolares cerámicas de la SOFC conocida. Además, en la estructura de interfase metálica cerámica mixta se establece un contacto eléctrico efectivo entre la capa recolectora de corriente del ánodo y la capa recolectora de corriente del cátodo.
Los poros en el elemento de soporte poroso se pueden impregnar con un catalizador para la reforma interna o la oxidación parcial interna de gases de combustible carbonáceos.
Gases que se introducen en los electrodos de la pila de combustible pueden contener partículas contenidas en el gas de alimentación o del sistema de procesamiento de combustible. Es bien conocido que el comportamiento de la pila se degrada con el tiempo, cuando las impurezas en partículas se depositan en las superficies del electrodo durante el funcionamiento de la pila.
Una ventaja adicional de la pila de combustible de la invención es que la placa porosa con sus canales de gas internos tiene la función de una trampa o filtro en partículas que previene que la materia en partículas penetre en la zona del electrodo, en donde tiene lugar la reacción con el electrodo.
La pila de combustible de la invención es, por lo tanto, particularmente útil en el funcionamiento con gases de alimentación que contienen polvo u otra materia en partículas.
Debido a la naturaleza metálica del elemento de soporte poroso se pueden utilizar métodos de unión tales como soldadura fuerte y soldadura blanda para distribuir los elementos o para conectar un cierto número de elementos
con el fin de producir estructuras de pila mayores. La geometría planar del elemento de soporte poroso con su ánodo delgado depositado y la capa del electrolito y la capa barrera del cátodo permite repetir este elemento estructural, formando secuencialmente un apilamiento de pilas de combustible estratificadas con una mínima resistencia eléctrica interna y una máxima estabilidad estructural.
5 El espesor de cada uno de los elementos de placa de soporte porosa se encuentra típicamente en el intervalo de 2 mm a 30 mm, preferiblemente de 4 mm a 6 mm, los canales de gas en los elementos de placa de soporte porosa tienen áreas en sección transversal de 0,5 mm2 a 1000 mm2, preferiblemente de 2 mm2 a 20 mm2. La porosidad del elemento de placa de soporte porosa es de 20% en volumen a 90% en volumen, preferiblemente 30% en
10 volumen a 70% en volumen. El tamaño medio de los poros del elemento de placa de soporte porosa está en el intervalo de 0,1 μm a 500 μm, preferiblemente de 1 μm a 50 μm.
Ejemplo 1
15 Acero inoxidable ferrítico con polvo, de composición Fe22Cr, y un tamaño medio de partículas de polvo de 100 μm se mezclan en un molino mezclador con 6% en volumen de metilcelulosa y 44% en volumen de agua, seguido de extrusión de la pasta para formar un elemento planar largo con la dimensión en sección transversal de 5 x 150 mm y con 37 canales longitudinales internos con la dimensión en sección transversal de 3 x 3 mm2. Cada uno de los canales de gas está rodeado por paredes longitudinales, con un espesor de pared de 1 mm. Los perfiles
20 extrudidos, así obtenidos, se cortan en tramos de 300 mm en la fase verde, seguido de secado para separar el contenido en agua.
Las placas porosas secadas se pintan por pulverización en una superficie planar con una suspensión estabilizada que consiste en una mezcla de polvo de NiO y polvo de zirconia contaminado con 8% en moles de ytria en un
25 disolvente orgánico adecuado para uso en un equipo de pintura por pulverización tradicional. La capa se deposita en un espesor de capa uniforme de 10 μm y se seca. Una capa adicional que consiste en una suspensión de zirconia pura finamente molida y bien dispersada, impurificada con 8% en moles de ytria, se pinta luego por pulverización sobre la primera capa en un espesor uniforme de 5 μm.
30 La superficie planar opuesta del elemento de placa de soporte poroso se pinta por pulverización con una suspensión en polvo bien dispersada que contiene polvo fino de cromita de lantano impurificada con estroncio y níquel. El espesor de esta capa es 5 μm. Después de secar, se repiten los procesos de pulverización una vez más.
Finalmente, el elemento revestido se sinteriza en una atmósfera de hidrógeno a 1250ºC.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    5 1.- Pila de combustible de óxidos sólidos con un soporte planar en forma de una estructura de placa porosa con canales de suministro de gas alargados internamente, formados en el interior de la estructura, estando dicha estructura de la placa en contacto con y soportando en una superficie planar una capa de un material activo de ánodo, caracterizada porque la estructura de placa porosa está hecha de acero inoxidable ferrítico, aleaciones basadas en níquel y/o aleaciones con alto contenido en cromo.
    10 2.- Pila de combustible de óxidos sólidos de la reivindicación 1, en donde se proporciona una superficie planar en la cara opuesta a la superficie que soporta el material activo del ánodo con una capa densa de un material impermeable a los gases y eléctricamente conductor.
    15 3.-Pila de combustible de óxidos sólidos de la reivindicación 2, en donde la capa densa es una capa de material cerámico y/o metálica.
  2. 4.- Pila de combustible de óxidos sólidos de la reivindicación 1, en donde la capa del ánodo es activa en reacciones de ánodo electroquímicas y en donde la capa está cubierta por una capa densa adicional de material de 20 electrolito.
  3. 5.- Pila de combustible de óxidos sólidos de la reivindicación 1, en donde el reborde de la placa porosa es impermeable a los gases.
    25 6.- Pila de combustible de óxidos sólidos de la reivindicación 1, en donde el reborde la placa porosa soporta una capa densa de material de electrolito.
  4. 7.- Pila de combustible de óxidos sólidos de la reivindicación 1, en donde la estructura porosa está impregnada con un catalizador.
    30 8.- Uso de una pila de combustible de óxidos sólidos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la generación de energía a partir de gas con contenido en materia en partículas.
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