ES2643601T3 - Junta de estanqueidad eléctricamente aislante de tres capas para una unidad de SOC - Google Patents

Junta de estanqueidad eléctricamente aislante de tres capas para una unidad de SOC Download PDF

Info

Publication number
ES2643601T3
ES2643601T3 ES14163492.3T ES14163492T ES2643601T3 ES 2643601 T3 ES2643601 T3 ES 2643601T3 ES 14163492 T ES14163492 T ES 14163492T ES 2643601 T3 ES2643601 T3 ES 2643601T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
layers
sealing gasket
layer
cell stack
solid oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES14163492.3T
Other languages
English (en)
Inventor
Lars KIILSTOFTE HANSEN
Cliver Søren KLITHOLM
Thomas Heiredal-Clausen
Niels Erikstrup
Martin Refslund Nielsen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Topsoe AS
Original Assignee
Haldor Topsoe AS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Haldor Topsoe AS filed Critical Haldor Topsoe AS
Application granted granted Critical
Publication of ES2643601T3 publication Critical patent/ES2643601T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0282—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
DESCRIPCION
Junta de estanqueidad electricamente aislante de tres capas para una unidad de SOC Campo de la invencion
La invencion se refiere a una junta de estanqueidad para un sistema de pila de celulas de oxido solido (SOC), en particular un sistema de pila de celulas de combustible de oxido solido (SOFC) o un sistema de pila de celulas de electrolisis de oxido solido (SOEC).
Antecedentes de la invencion
A continuacion se explica la estructura de una pila de celulas de oxido solido en relacion con celulas de combustible. Sin embargo, las celulas de combustible tambien pueden hacerse funcionar en un “modo inverso” y por tanto funcionar como celulas de electrolisis.
Una celula de combustible de oxido solido (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) comprende un electrolito solido que permite la conduccion de iones oxfgeno, un catodo en el que se reduce el oxfgeno a iones oxfgeno y un anodo en el que se oxida el hidrogeno. La reaccion global en una SOFC es que el hidrogeno y el oxfgeno reaccionan electroqmmicamente para producir electricidad, calor y agua. Con el fin de producir el hidrogeno requerido, el anodo presenta normalmente actividad catalttica para el reformado con vapor de hidrocarburos, particularmente gas natural, mediante lo cual se generan hidrogeno, dioxido de carbono y monoxido de carbono. El reformado con vapor de metano, el componente principal del gas natural, puede describirse mediante las siguientes ecuaciones:
CH4 + H2O ^ CO + 3H2
CH4 + CO2^ 2CO + 2H2
CO + H2O ^ CO2 + H2
Durante el funcionamiento, un oxidante, tal como el aire, se suministra a la celula de combustible de oxido solido en la region del catodo. Combustible, tal como hidrogeno, se suministra en la region de anodo de la celula de combustible. Alternativamente, un combustible hidrocarbonado, tal como metano, se suministra en la region de anodo, en la que se convierte en hidrogeno y oxidos de carbono mediante las reacciones anteriores. El hidrogeno pasa a traves del anodo poroso y reacciona en la interfaz anodo/electrolito con iones oxfgeno generados en el lado de catodo que han difundido a traves del electrolito. Se crean iones oxfgeno en el lado de catodo con una entrada de electrones desde el circuito electrico externo de la celula.
Para aumentar el voltaje, varias unidades de celula se ensamblan para formar una pila y se unen entre sf mediante interconexiones. Las interconexiones sirven como barrera de gas para separar los lados de anodo (combustible) y de catodo (aire/oxfgeno) de unidades de celula adyacentes, y al mismo tiempo permiten la conduccion de corriente entre las celulas adjacentes, es decir entre un anodo de una celula con un exceso de electrones y un catodo de una celula vecina que necesita electrones para el proceso de reduccion. Ademas, las interconexiones se dotan normalmente de una pluralidad de trayectorias de flujo para el paso de gas combustible en un lado de la interconexion y gas oxidante en el lado opuesto. Para optimizar el rendimiento de una pila de SOFC, debe maximizarse un intervalo de valores positivos sin una consecuencia inaceptable sobre otro intervalo de valores negativos relacionados, que deben minimizarse. Algunos de estos valores son:
VALORES QUE DEBEN MAXIMIZARSE VALORES QUE DEBEN MINIMIZARSE
- Utilizacion de combustible - Precio
- Eficiencia electrica - Dimensiones
- Vida util - (Temperatura, hasta un punto)
- Tiempo de produccion
- Tasa de fallos
- Numero de componentes
- Perdida parasitica (calentamiento, enfriamiento, sopladores.)
Casi todos los valores listados anteriormente estan interrelacionados, lo que significa que la alteracion de un valor afectara a otros valores. Algunas relaciones entre las caractensticas de flujo de gas en las celulas de combustible y los valores anteriores se mencionan a continuacion:
Utilizacion de combustible:
Las trayectorias de flujo en el lado de combustible de la interconexion deben disenarse para buscar una cantidad igual de combustible para cada celula en una pila, es decir no debe haber “atajos” de flujo a traves del lado de combustible de la pila.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Perdida parasitica:
El diseno de las trayectorias de flujo de gas de proceso en la pila de SOFC y sus unidades de celula de combustible debe buscar conseguir una perdida de presion baja por volumen de flujo al menos en el lado de aire y potencialmente en el lado de combustible de la interconexion, lo que reducira la perdida parasitica con respecto a los sopladores.
Eficiencia electrica:
La interconexion conduce corriente entre la capa de anodo y la de catodo de celulas vecinas. Por tanto, para reducir la resistencia interna, los puntos de contacto electricamente conductores (denominados a continuacion en el presente documento simplemente “puntos de contacto”) de la interconexion deben estar disenados para establecer un buen contracto electrico con los electrodos (anodo y catodo) y los puntos de contacto no deben estar muy separados, lo que forzana la corriente a correr por una distancia mas larga del electrodo con una mayor resistencia interna resultante.
Vida util:
Depende, en relacion con la interconexion, de una distribucion de flujo uniforme en el lado tanto de combustible como de aire de la interconexion, pocos componentes e incluso un recubrimiento protector sobre los materiales entre otros.
Precio:
La contribucion al precio de las interconexiones puede reducirse no usando materiales nobles, reduciendo el tiempo de produccion de la interconexion y minimizando la perdida de material.
Dimensiones:
Las dimensiones globales de una pila de combustible se reducen, cuando el diseno de la interconexion garantiza una alta utilizacion del area de celula activa. Deben reducirse las areas muertas con un bajo flujo de combustible o de aire y deben minimizarse las zonas inactivas para las superficies de sellado.
Temperatura:
La temperatura debe ser suficientemente alta para garantizar una reaccion catalttica en la celula, aunque suficientemente baja para evitar una degradacion acelerada de los componentes de la celula. Por tanto, la interconexion debe contribuir a una distribucion de temperatura uniforme proporcionando una temperatura promedio alta sin superar la temperatura maxima.
Tiempo de produccion.
El tiempo de produccion de la propia interconexion debe minimizarse y el diseno de la interconexion tambien debe contribuir a un ensamblaje rapido de toda la pila. En general, para cada componente el diseno de la interconexion se vuelve innecesario, hay una ganancia en el tiempo de produccion.
Tasa de fallos.
Los metodos y materiales de produccion de la interconexion deben permitir una baja tasa de fallos de interconexion (tal como agujeros no deseados en la barrera de gas de interconexion, caractensticas o grosor de material irregular). Ademas, la tasa de fallos de la pila de celulas ensamblada puede reducirse cuando el diseno de la interconexion reduce el numero total de componentes que deben ensamblarse y reduce la longitud de las superficies de sello.
Numero de componentes.
Aparte de minimizar errores y el tiempo de ensamblaje como ya se ha mencionado, una reduccion del numero de componentes conduce a un precio reducido.
La manera en la que los flujos de gas de anodo y catodo se distribuyen en una pila de SOFC es teniendo un distribuidor comun para cada uno de los dos gases de proceso. Los distribuidores pueden ser o bien internos o externos. Los distribuidores suministran gases de proceso a las capas individuales en la pila de SOFC por medio de canales a cada capa. Los canales se situan normalmente en una capa de los elementos de repeticion que estan comprendidos en la pila de SOFC, es decir en los separadores o en la interconexion.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Cuando se hace funcionar una pila de SOC, son necesarias conexiones a la pila. Al menos es necesario tener conexiones de gas de proceso y conexiones electricas. Se usan distribuidores y tubenas para conectar una pila con gas de proceso. En algunas realizaciones, es necesario aplicar juntas de estanqueidad entre los distribuidores y las tubenas, y la pila de SOC.
Como las pilas de SOC funcionan a temperaturas altas a menudo por encima de los 700°C, es necesario que las juntas de estanqueidad puedan resistir multiples ciclos termicos y todavfa sean a prueba de fugas. Es un requisito para las pilas de SOC que puedan conectarse electricamente en serie y que sean electricamente flotantes, es decir que ninguna de la pilas este conectada electricamente a tierra. Por tanto, es necesario que las juntas de estanqueidad tambien sean electricamente aislantes.
El documento JP2013061056A da a conocer un elemento de sello de gas capaz de ejercer una propiedad de sellado de gas y una propiedad de aislamiento electrico, una celula de combustible que usa el elemento de sello de gas, y un metodo para fabricar la celula de combustible usando el elemento de sello de gas. El elemento de sello de gas incluye una primera capa de sello de gas y segundas capas de sello de gas previstas a ambos lados de la primera capa de sello de gas. La primera capa de sello de gas tiene una propiedad de aislamiento electrico en la direccion de grosor de la capa. El segundo elemento de sello de gas incluye un adhesivo y un elemento de retencion para retener el adhesivo. La celula de combustible esta dotada de una pluralidad de unidades de generacion que tienen una unica celula y una carcasa de metal que envuelve la unica celula, y el elemento de sello de gas para unir la carcasa de metal de una unidad de generacion y la carcasa de metal de otra unidad de generacion. La carcasa de metal de una unidad de generacion esta unida a la carcasa de metal de la otra unidad de generacion a traves del elemento de sello de gas, y se proporciona una estructura de multiples capas.
El documento US2014030633 describe un sello que comprende una capa central de material electricamente aislante, dos capas externas de metal que portan patrones que pueden deformarse aplanandose sobre las caras de soporte que deben sellarse, para retener el sello al tiempo que se proporciona una barrera de sellado a las conexiones, y capas intermedias de material vftreo para proporcionar una conexion a las mismas al tiempo que se absorben deformaciones debido a expansiones diferenciales.
El documento EP2224526A1 da a conocer un metodo que implica producir un elemento de sellado es decir un marco de sellado, proporcionando un elemento portante, que es diferente de los componentes de sellado. Se produce una capa delgada mediante la inmersion parcial del elemento portante en un material de base fluido y/o pulverizando el material de base sobre parte del elemento portante, comprendiendo la capa delgada un material de vidrio y/o un material ceramico. El elemento de sellado se situa entre los componentes de sellado de una pila de celulas de combustible, estando hecho el elemento portante de un material metalico.
El documento US2004219417A describe una estructura de sellado en una celula de combustible y/o un electrolizador (particularmente una celula de combustible de oxido solido y/o un electrolizador de oxido solido) que esta dispuesto entre placas de separacion vecinas de una pila de celulas. La estructura de sellado se construye en al menos dos capas, incluyendo al menos una capa aislante y al menos una capa de sellado.
El documento US2005266288 da a conocer un generador de celulas de combustible de oxido solido que contiene pilas de celulas de combustible alargadas axialmente huecas que tienen un extremo superior abierto, una camara impelente de entrada de oxidante, una camara impelente de combustible de alimentacion, una camara de combustion para quemar el oxidante que ha reaccionado/combustible gastado; y, opcionalmente, una camara de recirculacion de combustible por debajo de la camara de combustion, en el que la camara de recirculacion de combustible esta definida en parte por una junta de estanqueidad de colocacion de una celula de combustible semiporosa, todo dentro de una envuelta de generador externa, en el que la junta de estanqueidad de la celula de combustible tiene una estructura laminada que comprende al menos una capa de soporte de estera fibrosa elastica y una capa tejida fuerte, aunque flexible, que puede contener partfculas cataltticas dirigidas hacia la camara de combustion, en la que el catalizador, si se usa, es eficaz para oxidar adicionalmente el combustible de escape y proteger el extremo superior abierto (37) de las celulas de combustible.
El documento US2006121327 describe un ensamblaje de celulas de combustible de oxido solido que comprende una pluralidad de componentes que tienen superficies complementarias electricamente conductoras entre los mismos, estando selladas las superficies mediante una junta de estanqueidad electricamente aislante que incluye un Ninguno de los documentos de la tecnica conocidos descritos anteriormente proporciona una solucion sencilla, eficaz y segura ante los fallos para los problemas descritos anteriormente.
Por tanto, con referencia a las consideraciones listadas anteriormente, existe la necesidad de una junta de estanqueidad robusta, sencilla, barata y facil de producir y manejar, estanca a los gases, resistente a la temperatura, electricamente aislante y resistente a la vibracion para un sistema de pila de celulas de combustible de oxido solido. Como los sistemas de pila de celulas correspondientes tambien pueden usarse para la electrolisis de oxido solido, esta solucion de junta de estanqueidad tambien puede usarse para un sistema de pila de SOEC; por tanto se busca una solucion para un sistema de pila de SOC.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Estos y otros objetos se consiguen mediante la invencion tal como se describe a continuacion y en las reivindicaciones.
Sumario de la invencion
Cuando se usa una unica junta de estanqueidad de mica blanda (tal como una “Statotherm”) como sello entre una pila de SOC y los distribuidores adyacentes, multiples ciclos termicos moveran la junta de estanqueidad en su plano debido a diferencias en el coeficiente de expansion termica de los componentes implicados. Tras varios ciclos termicos, 20 - 30, la dislocacion puede ser tan grande que se forman grietas en la junta de estanqueidad, provocando fugas.
Una solucion ampliamente conocida en la tecnica es aumentar la rugosidad de las bridas de los distribuidores adyacentes. Sin embargo, tambien existe el requisito de que la junta de estanqueidad tenga que ser electricamente aislante. La junta de estanqueidad de mica blanda no es fiable como aislante electrico. Se han observado cortocircuitos ya a 100 V por 1 mm de junta de estanqueidad. Como consecuencia, la junta de estanqueidad de mica blanda no puede hacer el trabajo ella sola. Los materiales electricamente aislantes identificados hasta el momento, son todos demasiado inflexibles para establecer un sellado de gas fiable a las bajas fuerzas de compresion que se prefieren en los sistemas de pila de SOC, en los que es diffcil establecer altas fuerzas debido a las altas temperaturas y la aparicion de fluencia en todos los metales.
La solucion es hacer una junta de estanqueidad estratificada, en la que una capa electricamente aislante esta intercalada entre dos juntas de estanqueidad blandas (es decir mica blanda). De ese modo puede elegirse el efecto de aislamiento electrico de una amplia gama de materiales (es decir mica dura) y al mismo tiempo establecer un buen sellado a baja compresion.
De ese modo, la secuencia de materiales es: en primer lugar una interfaz de montaje (1) tal como un distribuidor de metal o tubena con bridas, despues una capa de junta de estanqueidad flexible, blanda (2), despues una capa de junta de estanqueidad electricamente aislante (3), despues una junta de estanqueidad flexible, blanda (4) y despues la interfaz de montaje de una pila de SOC (5).
Sin embargo, un diseno de este tipo tendra el potencial para el movimiento en el plano de las capas de junta de estanqueidad durante los ciclos termicos o las vibraciones durante el funcionamiento y cualquier otro movimiento de las partes del sistema de pila de SOC. Hay un total de cuatro interfaces en las que puede producirse deslizamiento: 1-2, 2-3, 3-4 y 4-5.
Para las interfaces 1-2 y 4-5, la combinacion de materiales se conoce ampliamente, y la solucion puede ser la misma que la recomendada por las normas ASME y conocida en la tecnica, tal como rugosidad de las interfaces de montaje 1 y 5 (distribuidores, bridas e interfaz de montaje de pila de SOC).
Sin embargo, para las interfaces 2-3 y 3-4, segun la presente invencion se introduce un nuevo metodo de fijacion en combinacion con las capas intercaladas de junta de estanqueidad. Una cualquiera o mas de las capas de junta de estanqueidad se fabrican con uno o multiples agujeros, indentaciones o abombamientos en el area de sellado. Esto puede realizarse cuando la capa de junta de estanqueidad se corta para dar una forma. Como las capas de junta de estanqueidad estan intercaladas entre sf bajo compresion, una capa de junta de estanqueidad adyacente a una capa de junta de estanqueidad con los agujeros o indentaciones se abombara al interior de los agujeros o indentaciones, lo que establece la fijacion requerida de las capas de junta de estanqueidad unas en relacion con otras. Igualmente, una capa de junta de estanqueidad adyacente a una capa de junta de estanqueidad con un abombamiento alcanzara una indentacion en la ubicacion opuesta al abombamiento, cuando las capas de junta de estanqueidad se intercalan entre sf bajo compresion, lo que tambien establece la fijacion requerida de las capas de junta de estanqueidad unas en relacion con otras. Esta solucion puede aplicarse, por ejemplo, a la capa de junta de estanqueidad media, que es mas ngida que las dos capas de junta de estanqueidad circundantes de la construccion intercalada de junta de estanqueidad. De esta manera, solo es necesario aplicar una capa de junta de estanqueidad con agujeros, indentaciones o abombamientos, y las dos capas de junta de estanqueidad circundantes que son mas flexibles se abombaran entonces al interior de los agujeros o indentaciones, o alcanzaran indentaciones en las que estan ubicados los abombamientos de las capas de junta de estanqueidad medias. De ese modo, todas las interfaces se fijan y no pueden moverse en el plano durante el funcionamiento de la pila de SOC y durante los ciclos termicos.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 muestra una vista en seccion transversal de una junta de estanqueidad segun una realizacion de la invencion
Descripcion detallada
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
En una realizacion de la invencion, un sistema de pila de celulas de oxido solido que comprende una pluralidad de celulas apiladas tiene una pila de celulas con interfaces de montaje para montar aplicaciones en la pila, es decir tubenas de gas de proceso o distribuidores de gas de proceso. Ademas, las aplicaciones que deben conectarse a la pila tienen interfaces de montaje, tales como bridas. Para conseguir una conexion estanca a los gases de la pila con las aplicaciones, pero al mismo tiempo aislar electricamente la pila con respecto a las aplicaciones conectadas, las interfaces de montaje comprenden ademas al menos una junta de estanqueidad que debe montarse entre las interfaces de montaje de la pila y las interfaces de montaje adyacentes de las aplicaciones.
Para conseguir flexibilidad para compensar vibraciones, defectos superficiales de las interfaces de montaje y movimientos originados termicamente, la junta de estanqueidad comprende dos capas, una primera y una tercera capa que tienen estas propiedades y son suficientemente flexibles para compensarlos. Suficientemente flexible significa que puede compensar los movimientos, las vibraciones y los defectos superficiales mencionados durante el funcionamiento normal y los ciclos de arranque/parada del sistema de pila de celulas SOC sin rotura ni fuga.
Para conseguir tambien el aislamiento electrico de la pila con respecto a las aplicaciones montadas, la junta de estanqueidad comprende ademas una segunda capa de junta de estanqueidad que esta intercalada entre la primera y la tercera capa que tiene propiedades electricamente aislantes que son suficientes para impedir el cortocircuito de la pila de celulas y la conexion electrica de la pila a las aplicaciones montadas durante el funcionamiento normal y los ciclos de arranque/parada del sistema de pila de celulas de SOC. En la figura 1 puede verse una vista en corte lateral de la junta de estanqueidad segun esta realizacion, mostrando los numeros de posicion 1 y 3 las capas flexibles y mostrando el numero de posicion 2 la capa electricamente aislante.
En una realizacion de la invencion, las tres capas de junta de estanqueidad estan hechas de mica, estando hechas la primera y la tercera capa de un material de mica con propiedades que proporcionan la flexibilidad necesaria mencionada. La segunda capa, menos flexible que la primera y la tercera capa, tiene propiedades que proporcionan el aislamiento electrico necesario.
En realizaciones de la invencion, la resistencia a la traccion de la segunda capa es de entre 60 y 180 N/mm2, preferiblemente entre 90 y 150 N/mm2. La resistencia a la compresion a 200°C de la segunda capa es de entre 180 y 300 N/mm2, preferiblemente entre 220 y 260 N/mm2. Y la resistencia a la flexion de la segunda capa es de entre 150 y 250 N/mm2, preferiblemente entre 140 y 200 N/mm2.
En una realizacion de la invencion, el grosor de cada una de las capas de junta de estanqueidad es de entre 0,2 mm y 15 mm, preferiblemente entre 0,4 y 5 mm. El grosor de cada una de las capas puede variarse para conseguir la flexibilidad, el sellado y el aislamiento electrico necesarios.
En una realizacion de la invencion, la flexibilidad de al menos la primera y la tercera capa se utiliza para proporcionar una fijacion entre cada una de las capas de junta de estanqueidad y adicionalmente entre la junta de estanqueidad y las interfaces de montaje adyacentes. Estan hechos indentaciones, agujeros o abombamientos en al menos una de las tres capas de junta de estanqueidad (es decir en la segunda capa) para proporcionar la fijacion de las capas unas en relacion con otras.
En una realizacion adicional de la invencion, se utiliza el mismo principio para proporcionar la fijacion de la junta de estanqueidad en relacion con las interfaces de montaje adyacentes en contacto con la junta de estanqueidad, para impedir el movimiento en el plano de las interfaces de montaje. Por consiguiente, estan hechos agujeros, abombamientos o indentaciones en las interfaces de montaje en contacto con la junta de estanqueidad. Cuando esta bajo compresion, esto fija la junta de estanqueidad en relacion con las interfaces de montaje.
En una realizacion de la invencion, un adhesivo puede aplicarse a una o mas de las capas de junta de estanqueidad, para proporcionar una fijacion sencilla de las capas al menos durante el ensamblaje y el montaje de la junta de estanqueidad en el sistema de pila de SOC. Tambien puede aplicarse adhesivo entre la junta de estanqueidad y al menos una de las interfaces de montaje adyacentes, para proporcionar igualmente una fijacion sencilla de los elementos durante el ensamblaje de la junta de estanqueidad en el sistema de SOC. En una realizacion de la invencion, la junta de estanqueidad esta montada entre una pila de SOC y un distribuidor de gas de proceso que debe conectarse a la pila de SOC (esto se denomina normalmente “distribucion externa”).
En un aspecto de la invencion se ensambla un sistema de pila de SOC, que comprende una pluralidad de celulas apiladas y una pluralidad de interfaces de montaje. Al menos una junta de estanqueidad de estructura intercalada con al menos tres capas esta ubicada entre dos interfaces de montaje. Tal como se menciono anteriormente, la interfaz de montaje puede comprender una pila de SOC y conexiones de gas de proceso tales como distribuidores y tubenas con bridas. El ensamblaje comprende las etapas de fabricar dos capas de junta de estanqueidad, siendo la primera y la tercera en la construccion intercalada de un material de junta de estanqueidad flexible. Tal como se comento anteriormente, el material tiene que ser suficientemente flexible para compensar vibraciones, defectos superficiales de las interfaces de montaje y movimientos originados termicamente y cualquier otro movimiento que se produzca durante el funcionamiento normal y los procedimientos de arranque/parada de la pila de SOC. Las capas de junta de estanqueidad se fabrican para hacer coincidir ffsicamente las dos interfaces de montaje entre las
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
que se montan. Una segunda capa de junta de estanqueidad adicional que es electricamente aislante tambien se fabrica para hacer coincidir ffsicamente las dos interfaces de montaje as^ como la primera y la tercera capa de junta de estanqueidad. Entonces, las tres capas de junta de estanqueidad se ensamblan en el orden de capas 1 - 2 - 3, de modo que la capa electricamente aislante esta intercalada entre las dos capas flexibles. Tras ensamblar la construccion intercalada de junta de estanqueidad, se situa entre las dos interfaces de montaje (es decir distribuidor y pila de SOC), una manera es situar la construccion intercalada de junta de estanqueidad sobre una de las dos interfaces de montaje, por ejemplo sobre la interfaz de montaje de la pila de SOC. Finalmente, la otra interfaz de montaje, por ejemplo el distribuidor esta montado sobre la superficie de junta de estanqueidad opuesta a la primera interfaz de montaje, de modo que la junta de estanqueidad esta situada entre las dos interfaces de montaje y se aplica compresion, mediante lo cual la junta de estanqueidad se comprime entre las dos interfaces de montaje y se logra un sellado estanco a los gases.
En una realizacion adicional de este aspecto de la invencion, esta aplicado un adhesivo a al menos dos superficies de las capas de junta de estanqueidad antes de ensamblar la construccion intercalada de junta de estanqueidad de tres capas, para fijar las capas entre sf al menos hasta que se ha ensamblado el sistema de pila de SOC.
En una realizacion adicional de este proceso de ensamblaje, estan hechos indentaciones o agujeros en al menos una de las tres capas de junta de estanqueidad antes de que se ensamblen. Cuando se comprime la junta de estanqueidad, esto proporciona la fijacion de las capas de junta de estanqueidad unas en relacion con otras durante el funcionamiento y los ciclos termicos del sistema de pila. Los agujeros o las indentaciones pueden proporcionarse en la segunda capa y menos flexible de la junta de estanqueidad, lo que proporciona la fabricacion mas simple.
En una realizacion del proceso de ensamblaje, tambien al menos una de las interfaces de montaje que comprime la junta de estanqueidad esta hecha con agujeros, indentaciones o abombamientos para proporcionar la fijacion de la junta de estanqueidad en relacion con la interfaz de montaje de contacto. Las capas de junta de estanqueidad pueden estar hechas de mica, siendo la segunda capa de la junta de estanqueidad menos flexible que la primera y la tercera capa, pero electricamente aislante.
Caracteristicas de la invencion
1. Sistema de pila de celulas de oxido solido que comprende una pluralidad de unidades de celula apiladas e interfaces de montaje, comprendiendo las interfaces de montaje al menos una junta de estanqueidad, en el que dicha junta de estanqueidad comprende una estructura intercalada de al menos tres capas, una primera y una tercera capa flexible que es suficientemente flexible para compensar vibraciones, defectos superficiales de las interfaces de montaje y movimientos originados termicamente y una segunda capa electricamente aislante situada entre la primera y la tercera capa, en el que las capas estan hechas de mica, siendo la primera y la tercera capa mas flexibles que la segunda capa.
2. Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las caracteristicas anteriores, en el que la resistencia a la traccion de la segunda capa es de entre 60 y 180 N/mm2, preferiblemente entre 90 y 150 N/mm2.
3. Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las caracteristicas anteriores, en el que la resistencia a la compresion a 200°C de la segunda capa es de entre 180 y 300 N/mm2, preferiblemente entre 220 y 260 N/mm2.
4. Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las caracteristicas anteriores, en el que la resistencia a la flexion de la segunda capa es de entre 150 y250 N/mm2, preferiblemente entre 140 y 200 N/mm2.
5. Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las caracteristicas anteriores, en el que el grosor de cada una de la primera, segunda y tercera capa es de entre 0,2 mm y 15 mm, preferiblemente entre 0,4 mm y 5 mm.
6. Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las caracteristicas anteriores, en el que estan hechos indentaciones, agujeros o abombamientos en al menos una de las tres capas, para proporcionar la fijacion de las capas unas en relacion con otras.
7. Sistema de pila de celulas de oxido solido segun la caracteristica 6, en el que estan hechos agujeros en la segunda capa, para proporcionar la fijacion de las capas unas en relacion con otras.
8. Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las caracteristicas anteriores, en el que estan hechos indentaciones, agujeros o abombamientos sobre al menos una de las interfaces de montaje que estan en contacto con la junta de estanqueidad para proporcionar la fijacion de la junta de estanqueidad en relacion con las interfaces de montaje de contacto.
9. Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las caracteristicas anteriores, en el que esta aplicado un adhesivo entre las tres capas.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
10. Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las caractensticas anteriores, en el que dicha junta de estanqueidad esta montada entre la pila de celulas y un distribuidor de gas de proceso.
Otras caractensticas, no segun la invencion
12. Proceso para ensamblar un sistema de pila de celulas de oxido solido que comprende una pluralidad de unidades de celula apiladas y una pluralidad de interfaces de montaje y que comprende al menos una junta de estanqueidad de estructura intercalada con al menos tres capas para su ubicacion entre dos interfaces de montaje, comprendiendo el proceso las etapas de
• fabricar una primera y una tercera capa de junta de estanqueidad de la junta de estanqueidad de un material de junta de estanqueidad flexible que es suficientemente flexible para compensar vibraciones, defectos superficiales de las interfaces de montaje y movimientos originados termicamente para hacer coincidir ffsicamente dichas dos interfaces de montaje,
• fabricar una segunda capa de junta de estanqueidad de un material electricamente aislante para hacer coincidir ffsicamente dichas dos interfaces de montaje y las capas de junta de estanqueidad primera y segunda,
• ensamblar las tres capas con la segunda capa de junta de estanqueidad intercalada entre la primera y la tercera capa de junta de estanqueidad,
• situar la junta de estanqueidad ensamblada sobre una de las dos interfaces de montaje,
• montar la otra de las dos interfaces de montaje, y
• aplicar compresion a la junta de estanqueidad entre las dos interfaces de montaje.
13. Proceso segun la caractenstica 12, en el que se aplica adhesivo a al menos dos superficies de las capas de junta de estanqueidad antes de ensamblar las tres capas de junta de estanqueidad.
14. Proceso segun la caractenstica 12 6 13, en el que estan hechos indentaciones o agujeros en al menos una de las tres capas, para proporcionar la fijacion de las capas unas en relacion con otras.
15. Proceso segun cualquiera de las caractensticas 12-14, en el que estan hechos agujeros en la segunda capa, para proporcionar la fijacion de las capas unas en relacion con otras.
16. Proceso segun cualquiera de las caractensticas 12 - 15, en el que estan hechos indentaciones, agujeros o abombamientos sobre al menos una de las interfaces de montaje que estan en contacto con la junta de estanqueidad para proporcionar la fijacion de la junta de estanqueidad en relacion con las interfaces de montaje de contacto.
17. Proceso segun cualquiera de las caractensticas 12-16, en el que las capas de junta de estanqueidad estan hechas de mica, siendo la primera y la tercera capa de junta de estanqueidad mas flexibles que la segunda capa.

Claims (10)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    REIVINDICACIONES
    1. - Sistema de pila de celulas de oxido solido que comprende una pluralidad de unidades de celula apiladas e interfaces de montaje, comprendiendo las interfaces de montaje al menos una junta de estanqueidad, en el que dicha junta de estanqueidad comprende una estructura intercalada de al menos tres capas, una primera y una tercera capa flexible que es suficientemente flexible para compensar vibraciones, defectos superficiales de las interfaces de montaje y movimientos originados termicamente y una segunda capa electricamente aislante situada entre la primera y la tercera capa, en el que las capas estan hechas de mica, siendo las capas primera y tercera mas flexibles que la segunda capa.
  2. 2. - Sistema de pila de celulas de oxido solido segun la reivindicacion 1, en el que la resistencia a la traccion de la segunda capa es de entre 60 y 180 N/mm2, preferiblemente entre 90 y 150 N/mm2.
  3. 3. - Sistema de pila de celulas de oxido solido segun la reivindicacion 1 o 2, en el que la resistencia a la compresion a 200°C de la segunda capa es de entre 180 y 300 N/mm2, preferiblemente entre 220 y 260 N/mm2.
  4. 4. - Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 - 3, en el que la resistencia a la flexion de la segunda capa es de entre 150 y250 N/mm2, preferiblemente entre 140 y 200 N/mm2.
  5. 5. - Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el grosor de cada una de la primera, segunda y tercera capa es de entre 0,2 mm y 15 mm, preferiblemente entre 0,4 mm y 5 mm.
  6. 6. - Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que estan hechos indentaciones, agujeros o abombamientos en al menos una de las tres capas, para proporcionar la fijacion de las capas unas en relacion con otras.
  7. 7. - Sistema de pila de celulas de oxido solido segun la reivindicacion 6, en el que estan hechos agujeros en la segunda capa, para proporcionar la fijacion de las capas unas en relacion con otras.
  8. 8. - Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que estan hechos indentaciones, agujeros o abombamientos sobre al menos una de las interfaces de montaje que estan en contacto con la junta de estanqueidad para proporcionar la fijacion de la junta de estanqueidad en relacion con las interfaces de montaje de contacto.
  9. 9. - Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que esta aplicado un adhesivo entre las tres capas.
  10. 10. - Sistema de pila de celulas de oxido solido segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha junta de estanqueidad esta montada entre la pila de celulas y un distribuidor de gas de proceso.
ES14163492.3T 2014-04-04 2014-04-04 Junta de estanqueidad eléctricamente aislante de tres capas para una unidad de SOC Active ES2643601T3 (es)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14163492.3A EP2927999B1 (en) 2014-04-04 2014-04-04 Three layered electrically insulating gasket for SOC unit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2643601T3 true ES2643601T3 (es) 2017-11-23

Family

ID=50434080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES14163492.3T Active ES2643601T3 (es) 2014-04-04 2014-04-04 Junta de estanqueidad eléctricamente aislante de tres capas para una unidad de SOC

Country Status (11)

Country Link
US (1) US10205179B2 (es)
EP (1) EP2927999B1 (es)
JP (1) JP6644004B2 (es)
KR (1) KR102316138B1 (es)
CN (1) CN106463745B (es)
AU (1) AU2015239662B2 (es)
CA (1) CA2944252C (es)
DK (1) DK2927999T3 (es)
EA (1) EA201691965A1 (es)
ES (1) ES2643601T3 (es)
WO (1) WO2015150306A1 (es)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3375035A4 (en) * 2015-11-13 2019-06-19 Saint-Gobain Ceramics&Plastics, Inc. INSULATION AND COMPRESSION OF A HIGH-TEMPERATURE DEVICE
CN113383114A (zh) * 2020-01-08 2021-09-10 松下知识产权经营株式会社 压缩装置
CA3177941A1 (en) * 2020-05-05 2021-11-11 Siddharth Patel Dielectric separator for fuel cell stack assembly and manufacturing method thereof
CN114580111B (zh) * 2022-03-11 2022-10-25 武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司 一种基于双堆流量分配一致性的空气进气歧管设计方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6386366A (ja) * 1986-09-30 1988-04-16 Toshiba Corp 固体電解質燃料電池
JP2995604B2 (ja) * 1993-07-30 1999-12-27 三洋電機株式会社 固体電解質燃料電池用ガスシール材
DK1590840T3 (en) * 2002-12-24 2017-09-18 Versa Power Systems Ltd HIGH TEMPERATURE GAS SEAL
DE10302124A1 (de) * 2003-01-21 2004-07-29 Bayerische Motoren Werke Ag Dichtungsaufbau für eine Brennstoffzelle bzw. einen Elektrolyseur sowie Verfahren zu dessen Herstellung und Brennstoffzelle bzw. Elektrolyseur aufweisend den Dichtungsaufbau
US7553579B2 (en) * 2003-04-04 2009-06-30 Versa Power Systems Ltd. Solid oxide fuel cell stack with floating cells
US7485386B2 (en) 2004-05-27 2009-02-03 Siemens Energy, Inc. Flexible ceramic gasket for SOFC generator
US7785725B2 (en) 2004-12-03 2010-08-31 Delphi Technologies, Inc. Compound for a solid oxide fuel cell stack gasket
DE102009008717B4 (de) * 2009-02-12 2013-07-18 Elringklinger Ag Verfahren zur Herstellung einer elektrisch isolierenden Dichtungsanordnung und Dichtungsanordnung zum Abdichten zwischen zwei Bauteilen eines Brennstoffzellenstacks
JP5399962B2 (ja) * 2010-03-29 2014-01-29 日本特殊陶業株式会社 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
JP2012036283A (ja) * 2010-08-05 2012-02-23 Toshiba Corp セラミックシール材料、及びその使用方法
JP5451653B2 (ja) * 2011-01-06 2014-03-26 日本電信電話株式会社 ガスシール材
FR2974401B1 (fr) * 2011-04-22 2013-06-14 Commissariat Energie Atomique Joint d'etancheite metallique a ame ceramique
JP2013061056A (ja) * 2011-09-15 2013-04-04 Nissan Motor Co Ltd ガスシール部材、燃料電池、燃料電池の製造方法
MX2011013927A (es) * 2011-12-16 2013-06-18 Viakable S A De C V Composición libre de halógenos resistente a la flama y al aceite.

Also Published As

Publication number Publication date
US20170084930A1 (en) 2017-03-23
AU2015239662A1 (en) 2016-10-06
WO2015150306A1 (en) 2015-10-08
CA2944252C (en) 2020-07-14
DK2927999T3 (en) 2017-10-23
US10205179B2 (en) 2019-02-12
CA2944252A1 (en) 2015-10-08
KR102316138B1 (ko) 2021-10-25
JP6644004B2 (ja) 2020-02-12
KR20160142296A (ko) 2016-12-12
EP2927999B1 (en) 2017-07-26
AU2015239662B2 (en) 2019-07-04
CN106463745B (zh) 2019-08-20
EP2927999A1 (en) 2015-10-07
EA201691965A1 (ru) 2017-04-28
JP2017517837A (ja) 2017-06-29
CN106463745A (zh) 2017-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4824135B1 (ja) 燃料電池の構造体
CN107431231B (zh) 单元堆装置、模块以及模块收容装置
KR20060045974A (ko) 고체 전해질 연료 전지 구성
ES2643601T3 (es) Junta de estanqueidad eléctricamente aislante de tres capas para una unidad de SOC
CN105765776B (zh) 单元堆装置、模块以及模块收容装置
JP4573526B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池
CN105308215B (zh) 电池单元、电池堆装置、电池单元装置以及模块
JP4883733B1 (ja) 燃料電池の構造体
ES2351256T3 (es) Interconector para pilas de combustible de alta temperatura.
JP2012038719A (ja) 燃料電池の構造体
ES2353465T3 (es) Placa bipolar para pila de combustible con chapa de distribución metálica deformada.
JP6169930B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セル
JP2004119300A (ja) 筒状固体酸化物形燃料電池発電装置
US20140178787A1 (en) Solid oxide fuel cell assembly and method for forming seal
JP5775682B2 (ja) 燃料電池セル
JP5985160B2 (ja) 燃料電池の構造体
JP6467002B2 (ja) セルスタック装置
CN113632270B (zh) 电化学电池单元、电化学电池堆、电化学电池单元的制造方法和电化学电池堆的制造方法
JP2004119297A (ja) 燃料電池システム
JP2006004759A (ja) 燃料電池の接続管の接続構造
JP2019016538A (ja) セルスタック装置
JP6175382B2 (ja) 燃料電池セルスタック装置および燃料電池装置
JP6039461B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セル
JP2022049810A (ja) 電気化学反応セルスタック