BRPI0617890A2 - eletrólise - Google Patents

Abstract

<B>ELETRóLISE.<D> A presente invenção refere-se a pilhas de óxido sólido que são usadas como células de combustível a fim de gerar eletricidade a partir de hidrogênio ou de outras fontes de combustível. Por meio de um processo de eletrólise tais células padrão de combustível podem ser operadas a fim de criar hidrogênio ou outros subprodutos eletroquimicos. Infelizmente as pilhas 1 operam de uma maneira geral em temperaturas relativamente altas que serão difíceis de sustentar puramente em bases económicas. Em tais circunstâncias operação menos eficiente pode ser alcançada em temperaturas inferiores onde a resistência específica de área é mais alta pelo balanceamento com a entrada de energia elétrica a fim de causar a desassociação exigida. Em tais circunstâncias, pela provisão de uma fonte de calor incidente, quer essa seja por meio de um trocador de calor aquecendo o fluxo de ar comprimido, ou reciclagem de uma parte da exaustão da pilha, quer pela combustão de um produto da desassociação de pilha, o resultado será uma operação de eletrólise sustentada reduzindo a quantidade de fornecimento de energia elétrica cara exigida para alcançar dissociação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELETRÓLI-SE".

A presente invenção refere-se a eletrólise e, por exemplo, utili-zação de tecnologias de célula de combustível a fim de gerar hidrogênio co-mo um combustível para outros usos.

Aparelho de eletrólise é conhecido para diversas aplicações eele é proposto para usar eletrólise da água como uma tecnologia simples elimpa para produção de hidrogênio. Eletrólise é o processo inverso da oxida-ção de combustível em células de combustível. Um esquema do processoestá ilustrado na figura 1. Em um processo de eletrólise vapor é desassocia-do em um catodo com formação de moléculas de hidrogênio. Em células deóxido sólido a reação de catodo é como se segue:

H2O + 2e" = H2 + O2"

íons de oxigênio migram através do eletrólito formando molécu-las de oxigênio na superfície de anodo com a liberação de elétrons.

O2" = 1/2 02 + 2e"

A reação de eletrólise de vapor total é então como se segue:H2O = H2 + 1/2 O2

Nas circunstâncias indicadas anteriormente deve ser entendidoque uma fonte de energia elétrica é exigida para arrastar elétrons do anodopara o catodo superando a potencial reação eletroquímica.

Embora eletrólise da água comercial esteja disponível em bai-xas temperaturas pelo uso de tecnologia conhecida, a eficiência de operaçãopara estes aparelhos de eletrólise é relativamente baixa. O uso de tecnologiade célula de combustível de alta temperatura é inibido pela necessidade detais células de combustível de alta temperatura operarem em temperaturasacima de 800°C e tipicamente em uma faixa de 800°C - 1000°C. Em tais cir-cunstâncias é necessário usar aquecedores específicos que diminuem efeti-vidade e praticabilidade de tais abordagens.

Atualmente a tecnologia mais desenvolvida com referência àprodução de hidrogênio está relacionada à reconstituição de vapor. Nesteprocesso uma fonte de combustível fóssil é utilizada e isto contribui de formasignificativa para emissões de CO2. Eletrólise da água é proposta como umatecnologia de produção de hidrogênio "livre de gás de efeito estufa" permi-tindo utilização de fontes de eletricidade de combustível não fóssil tais comofontes de energia elétrica nuclear ou renovável. Infelizmente existe uma des-vantagem significativa com a atual produção de hidrogênio por meio de ele-trólise da água em que, tal como indicado anteriormente, existe uma eficiên-cia relativamente baixa. Tal eficiência baixa exige o uso de uma taxa de con-sumo de eletricidade relativamente alta tornando assim os custos do hidro-gênio produzido pela eletrólise da água também altos para viabilidade co-mercial em relação àquele atualmente produzido por meio de reconstituiçãode vapor. Também deve ser entendido que o custo de equipamento paraaparelhos de eletrólise da água atuais é de novo alto, contribuindo de formasignificativa para tornar a eletrólise da água a opção mais cara para produ-ção de hidrogênio quando comparada com a reconstituição de vapor de gásnatural ou de outros hidrocarbonetos.

De acordo com um aspecto da presente invenção é fornecidoum aparelho de eletrólise para produção de um produto, o aparelho compre-endendo uma célula de eletrólise operável de uma maneira geral em 800°C -1000°C para fornecer energia elétrica por oxidação, mas arranjado para for-necer o produto em um catodo em uma pilha por eletrólise, a célula de ele-trólise usada para gerar o produto pela concessão de uma alimentação e deuma alimentação de ar com energia elétrica concedida por uma fonte de e-nergia entre o anodo e o catodo, o aparelho caracterizado em que o ar paraa pilha seja preaquecido antes da concessão para a célula de eletrólise u-sando-se uma fonte de calor incidente.

Também de acordo com um outro aspecto da presente invençãoé fornecido um aparelho de eletrólise da água para produção de hidrogênio,o aparelho compreendendo uma célula de eletrólise operável de uma manei-ra geral em 800°C - 1000°C para fornecer energia elétrica por oxidação dehidrogênio, mas arranjado para fornecer produto de hidrogênio em um cato-do em uma pilha por eletrólise, a célula de eletrólise usada para gerar o pro-duto de hidrogênio pela concessão de uma alimentação de vapor e de umaalimentação de ar com energia elétrica concedida por uma fonte de energiaentre o anodo e o catodo, o aparelho caracterizado em que o ar para a pilhaseja preaquecido antes da concessão para a célula de eletrólise usando-seuma fonte de calor incidente. De uma maneira geral, a célula de eletrólise éuma célula eletroquímica tal como uma célula de combustível.

Tipicamente, a fonte de calor incidente é fornecida pelo calorprocessado da fonte de energia ou por outro processo. Possivelmente, afonte de calor incidente é fornecida pela combustão de uma parte do produtogerado.

Possivelmente, o ar é comprimido e preaquecido para uma tem-peratura de 500°C - 800°C.

Possivelmente, uma pequena parte do produto gerado é conce-dida no catodo para manter uma capacidade de redução.

Tipicamente, uma parte do ar saindo da pilha é recirculado paradentro da pilha.

Tipicamente, o ar é impelido na direção da pilha por um motor aturbina.

Tipicamente, o ar é aquecido por um trocador de calor. Possi-velmente, um arranjo de recuperação é fornecido para receber calor de umaexaustão de motor de turbina a gás para gerar o calor incidente para a pilha.

Tipicamente, um separador é fornecido para separar fluxos deproduto provenientes da pilha.

Possivelmente, um superaquecedor é fornecido a fim de resta-belecer calor para aquecimento da alimentação concedida à pilha.

Modalidades da presente invenção serão agora descritas a títulode exemplo e com referência aos desenhos anexos, nos quais:

A figura 2 é uma ilustração esquemática de uma primeira moda-lidade de um aparelho de eletrólise da água de acordo com certos aspectosda presente invenção;

A figura 3 é uma ilustração esquemática de um segundo apare-lho de eletrólise da água alternativo de acordo com certos aspectos da pre-sente invenção;A figura 4 é uma ilustração esquemática de um aparelho de ele-trólise de ciclo de laço aberto adaptado de acordo com certos aspectos dapresente invenção; e,

A figura 5 é uma ilustração esquemática de uma quinta modali-dade de um aparelho de eletrólise da água de acordo com certos aspectosda presente invenção.

Operação dé sistemas de célula de combustível de óxido sólidoé conhecida e um exemplo é dado no pedido de patente internacional NePCT/GB 2003/004089 (Rolls Royce Plc). Nestes arranjos é fornecida umacélula de eletrólise ou célula eletroquímica na forma de uma pilha de célulade combustível que compreende um eletrólito encaixado entre um anodo eum catodo a fim de consumir hidrogênio por oxidação a fim de gerar eletrici-dade. O aparelho está relacionado à utilização de eletrólise em células deeletrólise tais como células eletroquímicas a fim de agir, por exemplo, comoaparelho de eletrólise para gerar hidrogênio para ser usado como um com-bustível propriamente dito. Deve ser entendido que hidrogênio pode ser usa-do como um combustível em veículos automotivos e de outro modo a fim decriar uma fonte de energia para um motor principal em tais veículos ou ma-quinaria. Até agora o custo de hidrogênio tem sido relativamente alto e parti-cularmente se produzido pela eletrólise da água usando-se tecnologias decélula de combustível. Em tais circunstâncias as vantagens das baixas e-missões das tecnologias de célula de combustível de hidrogênio em maqui-naria e automóveis relativamente pequenos tem sido questionáveis em vistada penalidade econômica.

A figura 2 fornece uma ilustração esquemática de uma primeiramodalidade de um aparelho de eletrólise da água de acordo com certos as-pectos da presente invenção. Esta modalidade e outras modalidades sãodadas como exemplos e a abordagem descrita pode ser utilizada com rela-ção a aparelho de eletrólise para produzir produtos a não ser hidrogênio.Assim, uma pilha 1 compreende uma parte do anodo e uma parte do catodopara as quais ar comprimido é fornecido a partir do ejetor 3 e vapor a partirde um ejetor 2 são respectivamente concedidos. A operação do aparelho deeletrólise da água será descrita a seguir, mas deve ser percebido que porinversão a presente invenção utiliza uma construção de célula de combustí-vel de oxido sólido típica com modificações mínimas.

A pilha 1 tal como indicada se ajusta a um eletrólito de oxidosólido com um lado do anodo e um lado do catodo. Em tais circunstâncias arcomprimido proveniente do ejetor 3 é direcionado para o anodo 1a na moda-lidade de eletrólise da água de acordo com um aspecto da presente inven-ção. Este seria o catodo em uma operação de célula de combustível. O arcomprimido concedido para o anodo 1a será em uma temperatura mais altaque 700°C - 800°C a fim de facilitar operação de célula eletroquímica em ummodo de eletrólise. A alimentação para o lado do catodo 1b (o anodo emoperação de célula de combustível) consiste em vapor super aquecido dealta temperatura concedido para o ejetor 2. Uma pequena fração tipicamenteem torno de 10% do hidrogênio desassociado pode ser fornecida para o ca-todo a fim de satisfazer às exigências de célula de eletrólise da água. A águapassa por reação eletroquímica dentro da pilha 1 e moléculas de hidrogêniosão geradas. Deve ser entendido que íons de oxigênio desassociado migramatravés da camada de eletrólito na pilha 1 e o ar no lado do anodo é, portan-to, enriquecido em conteúdo de oxigênio. Tipicamente, o fator de utilizaçãode vapor será na ordem de 0,85, o que significa que o conteúdo de vapor namistura rica em hidrogênio na saída do catodo é da ordem de 15%. Deve serentendido o aparelho de eletrólise simplesmente exige comutar o anodo e ocatodo da operação de arranjo de célula de combustível e fornecer diferen-tes alimentações para o anodo e o catodo, de maneira que em termos deprojeto, geometria e escala de célula e pilha não existirá nenhuma modifica-ção séria ou principal exigida a partir da configuração de célula de combustí-vel base. Tipicamente, a pilha 1 será fornecida dentro de um vaso pressuri-zado.

Tal como indicado anteriormente, o ejetor 2 para a alimentaçãode vapor para a pilha 1 arranjará de uma maneira geral para recirculação deuma pequena fração da mistura rica em hidrogênio produzida 12 concedidana entrada do catodo 1 b. A pequena quantidade de hidrogênio é necessáriaa fim de assegurar que a entrada do catodo 1b seja retida como um ambien-te de redução e evitar oxidação por traços de oxigênio arrastados na alimen-tação de vapor para a pilha a partir do ejetor 2 como resultado da desmine-ralização de água imperfeita e/ou vazamentos de ar na linha de alimentaçãode vapor.

O ejetor 3 tal como indicado concede ar aquecido comprimidopara o anodo 1a da pilha 1. De uma maneira geral de novo, existe recircula-ção de uma fração do ar enriquecido com oxigênio chegando da pilha 1. Ovolume do ar chegando da pilha 1 estará em temperatura relativamente altae o ar aciona uma turbina 4. A turbina 4 é usada para arrastar fluxo secundá-rio da pilha 1 a fim de que exista uma queda de pressão baixa no laço dereciclagem de ar 33 por causa da ausência de um reparador interno e dafalta de câmara de combustão de gás. Em tais circunstâncias a mesma ra-zão de reciclagem tal como em uma operação de célula de combustível típi-ca pode ser usada com uma queda de pressão inferior entre a entrada pri-mária, quer dizer uma queda de pressão inferior entre o compressor 4a e aturbina 4b. Deve ser entendido que a rotação de ar enriquecido com oxigêniopassando pelo laço de reciclagem 33 para o ejetor 3 será em uma alta tem-peratura, de maneira que este ar reciclado aumentará a temperatura de ali-mentação de ar comprimido para o anodo 1a reduzindo a capacidade e de-manda no trocador de calor 5 para elevar a alimentação de ar comprimidopara a pilha 1.

Tal como indicado anteriormente, um motor de turbina a gás éusado para pressurizar a alimentação de ar para a pilha. Produtos de altatemperatura provenientes do lado do anodo 1a da pilha são dirigidos para aturbina 4b que aciona o compressor 4a a fim de causar pressurização daalimentação de ar tal como descrito. Deve ser entendido que potência emexcesso proveniente da turbina 4 pode ser usada para acionar um alternadorpara energia elétrica que por sua vez pode diminuir o consumo de energiaelétrica em uma fonte de energia para o sistema. Tal como indicado anteri-ormente, a fim de impelir a reação eletroquímica na pilha 1 é necessário for-necer energia elétrica através do anodo e do catodo. Esta fonte de energiapode ser um reator nuclear.

Tal como indicado anteriormente, o trocador de calor 5 é forne-cido para dar a entrada de calor necessária para o fluxo de ar comprimidopara dentro da pilha 1. Temperatura de alimentação de ar aumentada facili-tará o processo de eletrólise. Em tais circunstâncias, o ar 15 proveniente docompressor 4a é levado para o lado frio do trocador de calor 5 enquanto queum vetor térmico externo é fornecido para o lado quente do trocador de calor5. O vetor térmico pode ser derivado de diversos processos tanto de calorincidental gerado pela fonte de energia elétrica para o aparelho, por exem-pio, um reator de energia nuclear ou calor incidente de outro processo oudisponível de forma conveniente para o aparelho de eletrólise quanto pormeio de combustão de uma parte do fluxo enriquecido com hidrogênio. Deveser entendido que uma temperatura extremamente alta não é exigida, permi-tindo uma faixa ampla de potenciais fontes para o vetor térmico utilizado pelotrocador de calor 5 a fim de aumentar a temperatura do ar 51 tal como con-cedido subseqüentemente para o ejetor 3 através de uma alimentação 25.Como pode ser visto, o vetor térmico 11 é concedido em um modo conven-cional através do trocador de calor 5 e pode ser recirculado se exigido.

Com referência ao vetor térmico deve ser percebido que se opresente aparelho estiver integrado com um reator nuclear de alta tempera-tura então um circuito de hélio intermediário dentro desse reator pode sernecessário entre o laço refrigerante de reator primário e o presente aparelhode eletrólise pelo motivo seguinte. O uso direto de refrigerante de reator pri-mário resultaria em uma temperatura muito alta para o trocador 5 e assimpoderia criar questões fundamentais de segurança e problemas adicionaiscom relação à proteção contra radiação. Projeto de um trocador de calor deduas etapas permitiria mitigação dos efeitos da diferença de pressão eleva-da entre o laço de refrigerante primário no reator que, tipicamente seria naordem de 4-7 Mpa (40-70 bar), e a pressão de ar no ciclo de aparelho deeletrólise que tipicamente seria na ordem de 0,7 Mpa (7 bar).

A presença de um ciclo de recirculação de ar através do laço dereciclagem 33 significa que o preaquecimento necessário do ar primário 15no trocador de calor pode ser suficiente se ele estiver somente na faixa de50CTC - 600°C, levando em conta assim o projeto de um trocador de calortipo recuperador compacto 5 para fornecer a entrada de calor necessáriapara o sistema para eficiência operacional. Além disso, temperaturas termi-nais permitem uso de materiais metálicos do estado da técnica para a cons-trução do trocador de calor 5 sem a necessidade de materiais cerâmicos quepodem criar problemas.

Tal como indicado, tipicamente uma fração do ar proveniente docompressor pode contornar o trocador de calor intermediário e ser usadacomo um refrigerante para a parede interna de um vaso pressurizado con-tendo a pilha 1.

Normalmente um evaporador 6 é fornecido no presente apare-lho para receber calor da exaustão da turbina a gás 4b. Este calor recupera-do é então utilizado a fim de gerar o calor para alimentação de vapor para apilhai.

Um superaquecedor de vapor é tipicamente utilizado para apro-veitar o calor do vapor liberado pelo lado do catodo 1b da pilha 1. Normal-mente este superaquecedor será localizado fora de um vaso de contençãoda pilha 1 e consistirá em um superaquecedor de vapor padrão com umatemperatura máxima de vapor até 500°C - 550°C. Superaquecedor de vaporadicional antes da alimentação para a pilha será exigido. Isto pode ser al-cançado por meio de troca de calor interna no vaso de pressão.

Um condensador e separador de água 7 é fornecido para a mis-tura enriquecida com hidrogênio produzida pela pilha 1. O calor liberado noresfriamento de gás e condensação de vapor é aproveitado para aquecimen-to de água. Deve ser entendido que água desmineralizada é importante comreferência ao presente aparelho de eletrólise de maneira que, a fim de redu-zir as exigências para desmineralização na água de ciclo de eletrólise daágua condensada no condensador 7, é reciclada e misturada com a água de"compor" no aparelho. Deve ser entendido, que dependendo do tamanho earranjo do ciclo de eletrólise, calor residual adicional de um resfriador adicio-nal pode ser exigido para alcançar os 35 graus assumidos na temperaturano condensador e separador e obter a condensação de água e a pureza dehidrogênio desejadas, quer dizer maior que 99%.

A fim de acionar a circulação é fornecida uma bomba de alimen-tação 9 para pressionar a alimentação de água para o equipamento de gera-ção de vapor. Esta bomba 9 de uma maneira geral criará uma pressão naágua acima de 100 Kpa (10 bar). Além disso, tal como indicado anteriormen-te, desmineralização e desaeração de água de alimentação é importantecom referência ao presente processo de eletrólise da água e em tais circuns-tâncias uma unidade de desmineralização/desaeração 10 é fornecida para aágua para gerar o vapor.

Deve ser entendido que a entrada de calor para o trocador decalor 5 representa uma restrição primordial no aparelho ilustrado na figura 1,especialmente com referência ao uso de um trocador de calor intermediário.Temperatura de saída inferior a partir do trocador de calor 5 permite um pro-jeto mais compacto, embora a efetividade seja reduzida. Também deve serentendido que uma alimentação de ar muito quente para o vaso de pressãocontendo a pilha 1 por si mesma causará problemas com relação a materiaise custos aceitáveis. Entretanto, tal como indicado anteriormente, é usandofontes de calor incidental que podem ser usadas para aumentar a temperatu-ra de alimentação de ar comprimido para a pilha que é de importância comreferência à presente invenção. Em tais circunstâncias um processo de trocade calor de duas etapas pode ser fornecido consistindo em um trocador decalor do tipo recuperador no compressor para uma saída e um trocador decalor de alta temperatura dentro do vaso pressurizado. Contudo esta abor-dagem exigiria o projeto de um trocador de calor crítico e linha quente paraalimentar o vaso de pressão.

Deve ser entendido que a geração de calor por causa de dissi-pação de energia dentro da pilha 1 reduz a temperatura de ar primário exigi-do para o ciclo de eletrólise da água para operação sustentada. A resistênciaespecífica de área (ASR) da pilha 1 de uma maneira geral aumenta comtemperatura reduzida, aumentando assim a geração interna de calor na pilha1 que compensará qualquer redüção na entrada de calor por meio do troca-dor de calor intermediário. Deve ser entendido que calor é liberado da pilha 1por causa de perdas ôhmicas e é reciclado para a pilha 1 através do laço dereciclagem de ar 33.

Em comparação com operação de célula de combustível, o ciclode eletrólise da água do presente aparelho exige menores taxas de fluxo dear por pilha 1 por causa da natureza endotérmica da reação de eletrólise daágua que tende a diminuir a temperatura de saída do ar 13 proveniente dapilha 1. Em tais circunstâncias onde a mesma turbina 4 é usada em um sis-tema híbrido, quer dizer, uma configuração que permite tanto operação decélula de combustível quanto de eletrólise da água, então a mesma taxa defluxo de massa de ar total para a pilha é igualada. É vantajoso aumentar aquantidade de pilhas 1 a ser encaixada em cada vaso de pressão para au-mentar a temperatura de ar média na pilha 1 e a eficiência da reação quími-ca. Apesar disso, esta operação é limitada pela quantidade máxima de vaporreproduzível pela recuperação de calor da exaustão de turbina a gás e que éconsumido pela pilha 1.

Pode ser mostrado que diminuir temperatura de ar primário paraa pilha 1 também diminuirá a temperatura média da pilha 1 que por sua vez,tal como indicado anteriormente, aumentará a resistência específica de área(ASR) da pilha 1 e assim aumentará a geração de calor ôhmico dentro dapilha 1 e a temperatura de ar aumentará à medida que ele passa de voltapara a pilha 1 através do laço de reciclagem 33. Em tais circunstâncias reci-clagem de ar alivia qualquer diminuição na temperatura de entrada de arpara a pilha 1.

Também pode ser mostrado que o efeito total da temperatura desaída de ar do trocador 5 pode ser mínimo se fornecido reciclagem de ar talcomo descrito, assim o benefício de redução da temperatura em termos depraticabilidade e de efetividade de custo do aparelho é mais prontamentealcançável. Também deverá ser entendido que embora exista um objetivoglobal para reduzir o valor da resistência específica de área (ASR) para osmódulos de célula de combustível, a fim de alcançar altos níveis de eficiên-cia com referência ao aparelho de eletrólise da água, desempenho é menossuscetível a este parâmetro que pode simplesmente ser ajustado por meiode variação tal como na energia elétrica exigida através do anodo e do cata-do, assim como entradas de energia térmica para o sistema de maneira talque é possível alcançar um desempenho substancialmente consistente. Emtais circunstâncias, a entrada de eletricidade relativamente cara pode sercompensada pelo uso de calor de processo incidental, se disponível, a fimde reduzir a quantidade de eletricidade cara usada em comparação com ca-lor incidental mais barato, tal como calor de processo ou de outro modo a-quecer a entrada de ar será benéfico. Deve ser entendido que de uma ma-neira geral entrada de calor é sempre muito mais barato do que energia elé-trica através do anodo e catodo.

A quantidade de fluxo de ar comprimido por pilha 1 é limitadapela taxa de fluxo de vapor produzível máxima pelo processo de recupera-ção de calor interno dentro do ciclo de eletrólise da água, quer dizer, recupe-ração na saída de turbina a gás. Uma alternativa ou segunda modalidade deum aparelho de eletrólise da água está representada na figura 3 em que ca-pacidade de geração de vapor adicional é fornecida pelo aproveitamento decalor tomado de um trocador de calor 55 utilizado a fim de fornecer calor pa-ra geração de vapor. Deve ser entendido que a temperatura na saída do tro-cador de calor 55 de uma maneira geral estará na faixa de pelo menos350°C - 400°C para permitir suficiente aproximação para o delta T para atemperatura de entrada do ar chegando do compressor.

Na figura 3 componentes iguais são numerados de forma similaràqueles referenciados na figura 2 e descrição adicional será fornecida pararecursos adicionais desta segunda modalidade. Em tais circunstâncias, pelouso do calor de saída do trocador de calor 55 deve ser entendido que aquantidade de pilha 1 por unidade de área até um limite imposto por outrasrestrições tecnológicas é alcançada, permitindo assim à pilha 1 operar emtemperaturas médias mais altas, menor resistência específica de área (ASR)e eficiência mais alta. O ciclo de eletrólise da água representado na figura 3deve ser comparado com aquele representado na figura 2, como um geradorde vapor adicional sendo fornecido recebendo calor de processo adicional.Assim, calor proveniente do trocador de calor 55 é concedido para um eva-porador 56 para gerar adicionalmente o vapor 57 além daquele fornecidopelo evaporador 6. De maneira tal que, tal como indicado anteriormente, acapacidade de geração de vapor do aparelho representado na figura 3 é deforma significativa maior do que a daquele representado na figura 2. Tam-bém deve ser entendido que maior eficiência é alcançada pela recuperaçãoadicional de calor de processo através do trocador de calor 55 e do vapori-zador 56. A fim de melhorar adicionalmente a eficiência um economizador derecuperação de calor adicional 58 pode ser fornecido para preaquecimentode água de alimentação antes da evaporação nos evaporadores 6, 56. Esteeconomizador 58 pode ser colocado a fim de receber calor da exaustão daturbina 4 ou através de uma fonte de calor de processo térmico independen-te.

Tal como indicado anteriormente, pela utilização de fontes decalor incidente quer elas sejam do mecanismo pelo qual energia elétrica égerada para a eletrólise da água, quer de processos adjacentes a um apare-lho de eletrólise da água, é possível ajustar a alimentação de ar comprimidopara o aparelho de eletrólise. Além disso, pela provisão de uma reciclagempara uma parte do ar de saída da pilha é possível manter as temperaturasde alimentação de ar de pilha naquelas aceitáveis para operação eficiente.Em tais circunstâncias, os processos de balanceamento duplos de energiaelétrica assim como de temperatura da alimentação de ar/vapor podem serajustados relativamente a fim de alcançar a eficiência de operação de eletró-lise da água desejada a fim de gerar hidrogênio com qualidade de combustí-vel.

O presente aparelho de eletrólise da água tem diversos recursosintrínsecos, tal como delineado abaixo.

A) A natureza endotérmica da reação de eletrólise compensa ageração de calor por perdas ôhmicas na pilha 1. Isto reduz os gradientes detemperatura dentro da pilha 1 se comparado ao modo de operação de célulade combustível reduzindo tensões térmicas que são tipicamente um proble-ma primordial com relação à operação de célula de combustível de alta tem-peratura. Por meio do balanço da entrada de energia elétrica assim como datemperatura das alimentações, é possível aproximar de operação de pilhaisotérmica em certas circunstâncias.

B) Por meio do uso de uma temperatura inferior para a alimen-tação de ar para a entrada de pilha existe uma uniformização no aumento daresistência específica de área (ASR) e na geração de calor pelas perdasôhmicas da pilha 1. Por meio do uso de um laço de reciclagem 33 o efeitototal na eficiência de aparelho é muito baixo.

C) Metas específicas com relação à resistência específica deaparelho de eletrólise da água. Por causa da relação de dependência detemperatura da resistência específica de área, uma pilha têm uma resistên-cia específica de área nominal 30% mais alta do que os valores de meta o-perariam em temperaturas médias mais altas aumentando perdas ôhmicasresultantes em um aumento real na resistência específica de área (ASR)limitada até cerca de 10% e perto de eficiência de sistema constante. Esteaumento nas perdas ôhmicas tal como indicado aumenta a temperatura dear exaurido da pilha 1 e uma parte desse é então reciclada no laço 33 pararegular a alimentação de ar concedida através do ejetor 3. Também deveráser entendido que as temperatura da pilha 1 e temperatura de entrada deturbina máximas são, entretanto, mantidas bem abaixo dos limites admissí-veis.

D) Exceder metas de vazamento de hidrogênio com relação àpilha terá efeito limitado no desempenho de aparelho. Maior vazamento re-sultaria em uma temperatura de operação de pilha mais alta, mas ainda den-tro dos valores máximos permitidos que diminuiriam a resistência específicade área (ASR).

E) Pouca modificação é exigida nas estruturas de célula decombustível existentes a fim de alcançar operação de eletrólise da água.

Deve ser percebido que tipicamente diversas pilhas 1 são forne-cidas dentro de um aparelho para fornecer eletrólise da água com tubulaçãoe sistema de dutos apropriados entre os componentes.A figura 4 ilustra esquematicamente um aparelho de eletrólisede laço aberto. Este aparelho tal como indicado é de laço aberto sem ne-nhuma reciclagem de ar da pilha 1 para a alimentação para a pilha. Em taiscircunstâncias, tal como anteriormente, a pilha 1 é formada por células deeletrólise de oxido entre um lado do anodo 1a e um do catodo 1b. O ejetor 2de novo permite reciclagem de catodo para fornecer hidrogênio no lado docatodo 1 b. Um motor de turbina a gás 4 é provido a fim de fornecer e com-primir o ar 25 alimentado para o anodo 1a. Um trocador de calor intermediá-rio 5 com um vetor térmico apropriado fornecido por calor processado inci-dente age de maneira que o ar 25 é preaquecido para a pilha de célula deeletrólise. Um gerador de vapor 6 recebe calor da exaustão da turbina 4 afim de gerar vapor por meio de evaporação. Um condensador 7 para águaarrastada no produto de aparelho de eletrólise da água age como um eco-nomizador para uma alimentação de água/vapor para o aparelho de eletróli-se da água. Um super aquecedor de vapor 9 é fornecido para circular vaporatravés do ejetor 2 para o catodo 1b. Tal como anteriormente, existe umabomba de alimentação 9 e aparelho de desmineralização/desaeração parauso com relação à água usada no processo de eletrólise da água.

Nas circunstâncias indicadas anteriormente em comparaçãocom as modalidades anteriores representadas nas figuras 2 e 3, será notadoque não existe laço de recirculação de ar (33 nas figuras 2 e 3). Em tais cir-cunstâncias o aparelho representado na figura 4 é mais suscetível à tempe-ratura do ar no trocador 5. Uma vez que esta temperatura é igual à tempera-tura de entrada de pilha do ar no arranjo de ciclo o valor mínimo admissível éde 750°C - 800°C. Isto torna mais crítico o projeto do trocador de calor inter-mediário 5 que necessita fornecer as duplas funções de um trocador de calordo tipo recuperador externo ao vaso pressurizado contendo a pilha 1 paratroca de calor de baixa temperatura e de um trocador de calor de alta tempe-ratura interno ao vaso pressurizado. Isto exigiria projeto de uma linha quentepara um vetor térmico que, em muitos casos, será tomado de uma instalaçãonuclear para alimentar o vaso pressurizado com conseqüentes considera-ções com relação à segurança em projeto.O uso de um trocador de calor de duas etapas alcança agora oefeito de transferência de calor para o ar com dois trocadores de calor debaixa eficiência. Entretanto, com este arranjo de ciclo aberto, ainda que feitode uma razão mais alta entre uma entrada térmica e elétrica para o sistema,ele de uma maneira geral proporcionará menor eficiência do que um envol-vendo reciclagem de ar (figuras 2 e 3) e com mais importância exigirá umnovo projeto de sistema completo de um arranjo operativo de célula de com-bustível existente.

A figura 5 fornece uma quarta modalidade alternativa adicionalde um aparelho de eletrólise de acordo com certos aspectos da presenteinvenção que remove a necessidade de um trocador de calor ou de uma fon-te de calor externos e em vez disto fornece calor para aquecer o ar compri-mido concedido para a pilha 1 por meio da queima de uma pequena fraçãodo hidrogênio produzido no laço de reciclagem de ar 43. Assim, uma câmarade combustão 65 é fornecida para queimar esta parte de hidrogênio produzi-do.

Tal como anteriormente, à pilha 1 é concedido ar comprimido evapor nos respectivos lados do anodo 1a e do catodo 1b da pilha 1. O ejetor2 provém o catodo 1 b com hidrogênio reciclado pela entrada do catodo 1 b.O ejetor 3 permite reciclagem de ar através da ligação 43 que se incorporaao largo da câmara de combustão de gás 65. Tal como indicado anterior-mente, esta câmara de combustão 65 queima uma pequena facção do hi-drogênio produzido e o calor é então passado pelo laço 43 para amalgama-ção no ejetor 3 com o fluxo de ar comprimido 35, o qual por sua vez é con-cedido para o anodo 1a da pilha 1. Esta combinação é então concedida co-mo a alimentação para o anodo 1 a. Tal como anteriormente, um gerador devapor 6 é fornecido que evapora água utilizando a exaustão da turbina 4. Umcondensador 7 da água arrastada no produto de aparelho de eletrólise agecomo um economizador para a alimentação de água/vapor para o aparelhode eletrólise da água. Um super aquecedor de vapor 8 é provido a fim defornecer vapor para o ejetor 2 para amalgamação com o hidrogênio recicladoproveniente do catodo 1 b da pilha 1. A bomba de alimentação 9 e o aparelhode desmineralização/desaeração novamente operam no fornecimento deágua a fim de assegurar que ele é aceitável.

Estará aparente que aumentando a quantidade de pilha por uni-dade de ar permitiria operação da pilha em uma temperatura mais alta e,portanto, eficiência mais alta. Entretanto, para um sistema de auto-sustentação a quantidade máxima de pilha por taxa de fluxo de ar comprimi-do de unidade é imposta pela taxa de fluxo de vapor máxima sensível darecuperação de calor de somente uma exaustão de turbina a gás. Adição deum gerador de vapor aquecido auxiliar ou integração de uma fonte de calorincidente externa, mesmo em temperaturas relativamente baixas uma vezque o calor somente é necessário para geração de vapor, aumentaria a efi-ciência do aparelho de eletrólise total.

Certos aspectos da presente invenção utilizam calor incidentepara aumentar a temperatura da alimentação de ar para a pilha a fim decompensar a reduzida entrada de energia elétrica que de uma maneira geralseria mais cara de se fornecer. De uma maneira geral, a temperatura mínimaexigida para permitir uso de calor de processo incidente por entrada diretapara a pilha de acordo com a modalidade representada na figura 2 será naordem de 600°C, mas arranjos híbridos incluindo externamente fonte equeima de gás tal como descrito em modalidades subseqüentes ou aprovei-tamento de calor de processo para geração de vapor somente podem ampli-ar a faixa de possíveis aplicações, de maneira tal que a fonte de calor deprocesso incidente pode somente necessitar fornecer na ordem de 30°C pa-ra integração. Em tais circunstâncias, possivelmente processadores inciden-tes que podem permitir integração com o presente sistema para fornecer ovetor de calor para a troca de calor incluirão:

Refinaria e processadores químicos

Reatores nucleares de alta temperatura

Ciclos de turbina a gás

Instalações de calor e energia combinadas

Incineração de resíduo

Fontes de energia solar.Deve ser entendido que além da produção de hidrogênio pormeio de um processo de eletrólise de vapor, processos de eletrólise de oxidosólido podem ser aplicados a diversos campos técnicos incluindo:

a) Eletrólise de diversos subprodutos de processo adequadospara divisão eletroquímica usando-se uma membrana conduzindo íon deoxigênio para aprimorar conteúdo de produto desejado.

b) Co-produção de oxigênio e hidrogênio por eletrólise da água.Um modo possível para enriquecimento ar com oxigênio seria o projeto deum laço de ar fechado incluindo a turbina a gás com um ar ambiente de"compor" na entrada de compressor e arraste de uma corrente rica em oxi-gênio na saída de turbina. Em princípio um circuito fechado pode ser proje-tado no lado do anodo de pilha e preenchido com oxigênio puro no início.Este sistema operaria com o oxigênio no lado do anodo e produziria oxigêniode alta pureza que seria um subproduto vendável. Entretanto, este arranjoteria grandes questões de segurança para garantir uma separação estanqueentre as correntes ricas em oxigênio e hidrogênio em cada parte do aparelhoa fim de evitar as potenciais explosões, etc.

O presente aparelho também pode permitir operação de célulade combustível regenerativa usando energia elétrica de pico, quer dizer, oacoplamento de fontes de energia renovável para fornecer por meio de ele-trólise o combustível a ser consumido na célula de combustível quando exi-gido.

Modificações e alterações na presente invenção devem ser en-tendidas pelos versados na técnica. Assim, tal como indicado, tipicamentediversas pilhas serão fornecidas dentro de um vaso de pressão e as tempe-raturas de operação/entradas elétricas variadas a fim de fornecer um pro-cesso mais eficiente e econômico.

Deve ser entendido que, onde mencionado, recirculações deanodo e catodo são executadas usando-se arranjos de ejetor ou dispositivosincluindo um soprador ou qualquer outro mecanismo apropriado.

Embora empenhando-se na especificação anterior para chamaratenção para esses recursos da invenção, acredita-se ser de particular im-portância ser entendido que o Requerente reivindica proteção com relação aqualquer recurso ou combinação de recursos patenteáveis referidos anteri-ormente e/ou mostrados nos desenhos se ou não ênfase particular tiver sidocolocada sobre os mesmos.

Claims (11)

1. Aparelho de eletrólise para produção de um produto, o apare-lho compreendendo uma célula de eletrólise operável em 800°C - 1000°Cpara fornecer energia elétrica por oxidação, mas arranjado para fornecer oproduto em um catodo (1b) em uma pilha (1) por eletrólise, a célula de ele-trólise usada para gerar o produto pela concessão de uma alimentação e deuma alimentação de ar com energia elétrica concedida por uma fonte de e-nergia entre o anodo (1a) e o catodo (1b), o aparelho caracterizado pelo fatode que o ar é impelido na direção da pilha (1) por um motor a turbina (4), oar para a pilha (1) é preaquecido antes da concessão para a célula de eletró-lise usando-se uma fonte de calor incidente.

2. Aparelho de eletrólise da água para produção de hidrogênio,o aparelho compreendendo uma célula de eletrólise operável em 800°C - 1000°C para fornecer energia elétrica por oxidação de hidrogênio, mas ar-ranjado para fornecer produto de hidrogênio em um catodo (1b) em uma pi-lha (1) por eletrólise, a célula de eletrólise usada para gerar o produto dehidrogênio pela concessão de uma alimentação de vapor e de uma alimen-tação de ar com energia elétrica concedida por uma fonte de energia entre oanodo (1a) e o catodo (1b), o aparelho caracterizado pelo fato de que o ar éimpelido na direção da pilha (1) por um motor a turbina (4), o ar para a pilha(1) é preaquecido antes da concessão para a célula de eletrólise usando-seuma fonte de calor incidente.

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2,em que a fonte de calor incidente é fornecida pelo calor processado da fontede energia ou de outro processo.

4. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, em que a fonte de calor incidente é fornecida pela combustão deuma parte do produto gerado em uma câmara de combustão (65).

5. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior emque o ar é comprimido e preaquecido para uma temperatura de 500°C - 800°C.

6. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior, emque uma parte do ar saindo da pilha (1) é recirculado (3, 33) para dentro dapilha (1).

7. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior emque uma parte do produto saindo da pilha (1) é recirculada (2) para dentroda pilha (1).

8. Aparelho de acordo com a reivindicação 7, em que a parte doproduto recirculado (2) para dentro da pilha (1) mantém um ambiente de re-dução na pilha.

9. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a-8, em que o ar é aquecido por um trocador de calor (5).

10. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior, emque um arranjo de recuperação (6) é fornecido para receber calor de umaexaustão de motor a turbina (4) para gerar o calor incidente para a pilha (1).

11. Aparelho de acordo com qualquer reivindicação anterior, emque um separador (7) é fornecido para separar fluxos de produto provenien-tes da pilha (1).