Juntas de pilas de combustible de baja temperatura

Las pilas de combustible de baja temperatura suelen utilizar silicio, caucho EPDM, PTFE y variaciones de estos materiales. La ventaja de los materiales de junta de silicona y EPDM es su buena compresibilidad y, por tanto, su estanqueidad al gas. Las juntas a base de PTFE a menudo requieren una mayor compresibilidad y son difíciles de hacer herméticas al gas. Estos tipos de materiales son relativamente económicos y fáciles de moldear para formar juntas. De estos materiales, el EPDM es el mejor material para la estanqueidad al gas, pero es posible que no se encuentren disponibles láminas delgadas de EPDM. El PTFE es un poco más difícil de hacer hermético al gas que el EPDM. La combinación de juntas de EPDM y PTFE permite al diseñador obtener el espesor correcto. El hilo de fibra de vidrio recubierto de PTFE es fácil de manejar y está disponible en varios espesores, pero requiere más compresión para ser hermético al gas. La estanqueidad al gas se puede mejorar uniendo las juntas al soporte MEA.

En pilas pequeñas a presión ambiente, los materiales de junta blandos, como el silicio, funcionan muy bien para sellar la celda. Sin embargo, en chimeneas grandes o presurizadas, los materiales blandos de las juntas se deforman bajo la compresión y pueden bloquear el flujo de gas. Esto se puede evitar de varias maneras: (1) utilizando materiales de junta más rígidos, (2) cubriendo los canales de flujo con piezas de puente o (3) mecanizando los canales de flujo a un ancho y profundidad mayores.

SOFC

Existen muchos desafíos asociados con el sellado de celdas de combustible de alta temperatura como las SOFC. A menudo se fabrican diseños de sellos personalizados para diseños de pilas y celdas de alta temperatura. Muchos diseños planos requieren varios sellos por unidad y los diseños pueden variar significativamente para un área de celda determinada. Los dos tipos principales de sellos que se están desarrollando para las SOFC son los sellos adheridos y los de compresión.

• Sellos adheridos:

  Los sellos adheridos son rígidos o flexibles. El tipo rígido de sello debe tener un coeficiente de expansión térmica que coincida con los demás componentes que lo rodean. Si el sello es flexible, el coeficiente de expansión térmica puede variar en un grado mucho mayor. La temperatura de unión para un sello flexible debe estar entre la temperatura de funcionamiento y el límite de estabilidad para otros materiales celulares. Uno de los problemas con las SOFC es el método de sellar los componentes cerámicos para evitar fugas de gas. El enfoque actual es utilizar vidrios y cerámicas que tengan temperaturas de transición cercanas a la temperatura de funcionamiento de la celda (650 a 800 ºC). Este tipo de sello funciona bien porque a medida que la celda se calienta, el material se ablanda y forma un sello hermético. Las juntas de vidrio y vitrocerámica también tienen una amplia gama de composiciones que pueden fabricarse a medida para tener las propiedades deseadas. Este tipo de sello también es económico y fácil de fabricar y aplicar. Estos sellos también tienen algunas desventajas, como fragilidad y posible falla de la celda durante el enfriamiento. En celdas más grandes, el coeficiente de expansión térmica no coincide lo suficiente, a pesar de la personalización del material vitrocerámico. También está el problema de la migración de sílice de los vidrios, que provoca la degradación del rendimiento de la celda. Estos tipos de sellos a veces también pueden volatilizarse durante el funcionamiento, lo que puede interactuar negativamente con otros componentes de la celda.

   

   

• Sellos de compresión:

  Los sellos de compresión deben ser elásticos en el rango de temperatura de funcionamiento y lo suficientemente suaves como para rellenar las rugosidades de la superficie entre las piezas a sellar. Algunas ventajas de los sellos de compresión sobre los sellos adheridos incluyen: una reducción del estrés térmico, se puede utilizar una mayor variedad de coeficientes de expansión térmica y ciertos tipos son de bajo costo y fáciles de fabricar. Algunos de los problemas con este tipo de sello son encontrar materiales que puedan funcionar dentro del rango de temperatura deseado y se requiere presión para mantener juntos los componentes de la pila. Por lo tanto, se requiere un marco de carga, que puede ser voluminoso y costoso, y complicar el diseño de la pila. Otro desafío es equilibrar la presión entre todos los componentes, ya que diferentes partes pueden requerir diferentes presiones para funcionar correctamente.

  Los sellos de compresión que se utilizan para las SOFC incluyen sellos de mica y de mica híbrida. Estos sellos pueden resistir ciclos térmicos pero tienen altas tasas de fuga. A veces, esto se puede solucionar colocando una fina capa de vidrio a cada lado del sello. Aunque este proceso ha mostrado algunos resultados positivos, todavía es necesario mejorar mucho.

Platos finales

La pila de pilas de combustible tradicional está diseñada con superficies (bipolares y placas terminales) paralelas entre sí con un alto grado de precisión. La placa extrema debe ser lo suficientemente resistente mecánicamente para soportar la pila de pilas de combustible y ser capaz de distribuir uniformemente las fuerzas de compresión a todas las superficies principales de cada pila de combustible de la pila de pilas de combustible. En pilas de pilas de combustible que contienen un gran número de pilas de combustible, la acumulación de tolerancia puede dar como resultado un no paralelismo sustancial en las pilas terminales de la pila de pilas de combustible. La selección de materiales es amplia para apilamientos pequeños de baja temperatura, pero cuanto más grande se vuelve el apilamiento, más importante es transmitir uniformemente las fuerzas de compresión a las superficies principales de las celdas finales del apilamiento de celdas de combustible. Algunas pilas de pilas de combustible están diseñadas con la última placa bipolar que se duplica como placa final (campos de flujo en un lado y suaves en el otro lado), mientras que otras pilas utilizan una placa separada al lado de la última placa bipolar como placa final. Obviamente, la selección de materiales para la combinación de campo de flujo/placa terminal es limitada en comparación con tener placas bipolares y terminales separadas. Algunas consideraciones al seleccionar el material de la placa final apropiado son:

• Alta resistencia a la compresión

• Resistencia a vibraciones y golpes

• Estabilidad en el rango de temperatura requerido

• Bajo costo

• Estabilidad mecánica (que proporciona soporte a la pila)

Los siguientes materiales se utilizan habitualmente como materiales de placa terminal en pilas de combustible:

• Grafito

• Acero inoxidable

• Aluminio

• Titanio

• Níquel

• Espumas metálicas

•PVC

• Policarbonato

• Polietileno

• Varios otros polímeros

Además de las características enumeradas anteriormente, la placa terminal debe ser fácilmente mecanizable porque a menudo tiene conexiones o puertos para recibir fuentes de aire, combustible, agua y cualquier otro material necesario para que la celda de combustible funcione correctamente. Dichos puertos también pueden estar conectados entre sí mediante conductos externos. Estas conexiones o puertos también pueden vincularse a conductos conectados a válvulas, intercambiadores de calor y cualquier otro componente de equilibrio de planta deseado para conectarse a la celda de combustible.