BRPI0710088A2 - pilha de células combustìvel de temperatura elevada - Google Patents

Abstract

<B>PILHA DE CéLULAS COMBUSTìVEL DE TEMPERATURA ELEVADA <D>A presente invenção refere-se a uma pilha de célula combustível de temperatura elevada (10) retida por um dispositivo de retenção temporária. De acordo com a invenção, é contemplado que o dispositivo de retenção temporária (12-22) consiste de um material plástico que queima em temperatura mais baixa do que a temperatura de operação da pilha de célula combustível de temperatura elevada (10). A presente invenção também refere-se a um método para reter de modo temporário uma pilha de célula combustível de temperatura elevada (10) e a um método para remover um dispositivo de retenção temporária (12-22) de uma pilha de célula combustível de temperatura elevada (10). A invenção se refere ao uso dos elementos plásticos (12-22) conhecidos por simesmos como dispositivos de retenção temporária para uma pilha de célula combustível de temperatura elevada(10).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PILHA DECÉLULAS COMBUSTÍVEL DE TEMPERATURA ELEVADA".

A presente invenção refere-se a uma pilha de célula combustívelde temperatura elevada retido por um dispositivo de retenção temporária.

A invenção se refere ainda a um método para reter de modo temporário umapilha de célula combustível de temperatura elevada e um método para re-mover um dispositivo de retenção temporária de uma pilha de célula com-bustível de temperatura elevada. A invenção também se refere a um usoespecial de componentes plásticos.

As pilhas de célula combustível de temperatura elevada como,por exemplo, as pilhas SOFC, são fabricadas ou unidas sob uma contençãodefinida. A dita contenção deve ser mantida de modo permanente. A saber,os componentes e materiais usados nas pilhas de célula combustível detemperatura elevada e dotadas de coeficientes de expansão térmica Iigeria-mente diferentes e a diferença de temperatura de, por exemplo, uma tempe-ratura de união e em operação de 850°C, assim como a temperatura ambi-ente no estado resfriado resulta em tensões internas que podem, por exem-plo, causar o descamamento das camadas de contato, um craquelamentodas vedações e, portanto, uma deterioração do desempenho da pilha de cé-lula combustível sem uma contenção suficiente. A perpetuação permanenteda contenção pode, por exemplo, significar que a contenção tem que sermantida durante a produção da pilha de célula combustível de temperaturaelevada, durante a desmontagem do forno, durante o transporte da pilha decélula combustível de temperatura elevada, durante a instalação da pilha decélula combustível de temperatura elevada no respectivo sistema, durante atransferência da contenção para um dispositivo final de retenção de sistema,e durante a operação da pilha de célula combustível de temperatura elevadano sistema. Para essas diferentes fases são conhecidas diferentes tecnolo-gias para aplicação da força de retenção. Durante a produção da pilha decélula combustível de temperatura elevada a contenção pode, por exemplo,ser produzida pela aplicação de uma carga. A partir de DE 103 34 129 A1, aenergia e/ou trajeto controlado que une a pilha de célula combustível detemperatura elevada por meio de um ou mais atuadores é conhecida. Se forusada uma contenção interna e permanente de pilha de célula combustívelde temperatura elevada por meio de âncoras de amarra e de elementoselásticos ou uma contenção por meio de elementos de retenção rígidos quecompreendem um mecanismo integrado de expansão térmica (vide, porexemplo, o WO 2004102706 A2 ou CA 2453061 A1), a dita contenção podeser usada a partir da remoção do forno até a operação da pilha de célulacombustível de temperatura elevada, inclusive a última. O uso de âncoras deamarra de aços de elevada resistência ao calor, entretanto, é bastante carae, além disso, impõe o risco de não se poder manter uma contenção unifor-me durante um período de tempo mais longo devido à ocorrência de defor-mação. Os elementos elásticos para compensação da ocorrência de defor-mação que sobreviverão às elevadas temperaturas de operação de, porexemplo, 850°C também são caras ou nem mesmo são disponíveis. Portan-to, os elementos elásticos para compensação da ocorrência de deformaçãosão em geral dispostos fora do isolamento da pilha de célula combustível detemperatura elevada. Para tal finalidade, em muitos casos são exigidas aber-turas que possam induzir à perda de calor.

A partir de DE 103 08 382 B3 se tem conhecimento para, emprimeiro lugar, reter a pilha de célula combustível usando um dispositivo deretenção temporária após o resfriamento no forno, para em seguida executarum isolamento da pilha de célula combustível, fornecer um dispositivo finalde retenção fora do isolamento, e em seguida remover o dispositivo de re-tenção temporária. De acordo com os ensinamentos de DE 103 08 382 B3,portanto, devem ser fornecidas aberturas no isolamento de modo a removero dispositivo de retenção temporária, e a partir de então, os orifícios corres-pondentes são preenchidos com material isolante. Então, a pilha de célulacombustível pode ser ativada. Tal solução é vantajosa pelo fato de que aremoção manual do dispositivo de retenção temporária e a vedação dos ori-fícios no isolamento resultam em despesas e custos, e são prejudiciais àintegridade e à funcionalidade do isolamento. Além disso, a pilha de célulacombustível pode ser danificada com facilidade durante a remoção do dispo-sitivo de retenção temporária.

A invenção se baseia no objetivo de eliminar essas desvanta-gens.

O dito objetivo é resolvido pelas características especificadasnas reivindicações independentes.

As modalidades vantajosas e os desenvolvimentos adicionais dainvenção tornar-se-ão evidentes a partir das reivindicações dependentes.

A pilha de célula combustível de temperatura elevada, de acordocom a invenção, se baseia no estado genérico da técnica em que o disposi-tivo de retenção temporária consiste de um material plástico que queima atemperatura ambiente, a qual é mais baixa que a temperatura de operaçãoda pilha de célula combustível de temperatura elevada. Devido a esta solu-ção, é possível remover o dispositivo de retenção temporária pela simplesatuação da pilha de célula combustível de temperatura elevada, de preferên-cia, pela combustão livre de resíduo após o fornecimento de um dispositivode retenção temporária, de preferência, fora de um isolamento fornecidonesse intervalo de tempo. Nesse sentido, as medidas elaboradas e arrisca-das para a remoção do dispositivo de retenção temporária de, por exemplo,DE 103 08 382 B3 são eliminadas.

A esse respeito, pode ser vantajoso contemplar o fato de que omaterial plástico compreende material plástico polimérico, em particular,polipropileno e/ou polietileno. O polipropileno pode, por exemplo, ter umatemperatura de fusão de 132°C, enquanto o polietileno pode ter uma tempe-ratura de fusão de, por exemplo, 163°C; ambos os materiais plásticos poli-méricos queimam em temperaturas elevadas.

No caso das modalidades preferenciais da pilha de célula com-bustível de temperatura elevada, de acordo com a invenção, é contempladoo fato de que o dispositivo de retenção temporária compreende ao menosum parafuso plástico, ao menos uma porca plástica, ao menos uma tira plás-tica, ao menos uma carcaça plástica, ao menos uma haste plástica e/ou umafolha de encolhimento. Basicamente, todos os elementos plásticos são pos-síveis, os quais são adequados para a aplicação de forças necessárias àcontenção e queima em uma temperatura que é mais baixa do que a tempe-ratura de operação da pilha de célula combustível de temperatura elevada.

De acordo com um desenvolvimento adicional preferencial da pi-lha de célula combustível de temperatura elevada, de acordo com a inven-ção, é contemplado o fato de que a pilha de célula combustível de tempera-tura elevada compreende duas placas terminais ao menos substancialmenteparalelas, presas na direção uma da outra, por meio de um dispositivo deretenção temporária que não se projeta, ou apenas se projeta ligeiramentealém das placas terminais. As placas terminais podem, por exemplo, ser for-necidas com presilhas que contêm orifícios, sendo que, respectivamente,dois dos ditos orifícios estão alinhados entre si, e são projetados para aco-modar cabeças de parafuso com cabeças embuidas. Nesse caso, é possívelfornecer um topo e lados inferiores praticamente planos da pilha de célulacombustível que, por exemplo, permite uma pilha de uma pluralidade dasditas pilhas de célula combustível de temperatura elevada.

O método para retenção temporária de uma pilha de célula com-bustível de temperatura elevada, de acordo com a invenção, é caracterizadopela seguinte etapa: reter a pilha de célula combustível de temperatura ele-vada por meio de um dispositivo de retenção temporária que consiste de ummaterial plástico que queima a uma temperatura inferior à temperatura deoperação da pilha de célula combustível de temperatura elevada.

Nesse sentido, é fornecida a execução do método para remoçãodo dispositivo de retenção temporária de uma pilha de célula combustível detemperatura elevada, de acordo com a invenção explanada abaixo.

Associado ao método para retenção temporária da pilha de célu-la combustível de temperatura elevada, de acordo com a invenção, tambémé preferencial que o material plástico compreenda um material plástico poli-mérico, particularmente polipropileno e/ou polietileno.

O método para remoção de um dispositivo de retenção temporá-ria de uma pilha de célula combustível de temperatura elevada, de acordocom a invenção, é caracterizado pela seguinte etapa: atuação da pilha decélula combustível de temperatura elevada e a combustão simultânea dodispositivo de retenção temporária.

Com esta solução, as medidas arriscadas conhecidas a partir deDE 10 308 382 B3 para a remoção do dispositivo de retenção temporáriasão evitadas.

Associado ao método para a remoção do dispositivo de retençãotemporária, de acordo com a invenção, também é preferencial que o materialplástico compreenda um material plástico polimérico, particularmente poli-propileno e/ou polietileno.

A invenção adicionalmente se refere ao uso de ao menos um pa-rafuso plástico, ao menos uma porca plástica, ao menos uma tira plástica, aomenos uma carcaça plástica, ao menos uma haste plástica e/ou uma folhade encolhimento com dispositivo de retenção temporária para uma pilha decélula combustível de temperatura elevada.

Nessa conexão, da mesma foram, é preferencial que o materialplástico compreenda um material plástico polimérico, particularmente poli-propileno e polietileno.

As modalidades preferenciais da invenção serão explanadas a-baixo de modo exemplificativo com referência aos desenhos relacionadosem que:

A Figura 1 é uma ilustração em perspectiva de uma modalidadeda pilha de célula combustível de temperatura elevada, de acordo com ainvenção, a qual foi aplicada um método para reter de modo temporário umapilha de célula combustível de temperatura elevada, de acordo com a inven-ção, e que está preparada para executar o método para remoção do disposi-tivo de retenção temporária, de acordo com a invenção; e

As Figuras 2a a 2e mostram os vários elementos plásticos quepodem, de acordo com a invenção, ser usados como dispositivo de retençãotemporária para pilha de célula combustível de temperatura elevada.

A Figura 1 mostra uma ilustração em perspectiva de uma moda-Iidade da pilha de célula combustível de temperatura elevada 10, de acordocom a invenção. A pilha de célula combustível ilustrada compreende, daforma em si conhecida, uma pluralidade de elementos repetitivos 24 dispôs-tos na placa terminal do topo 26, e uma placa terminal inferior 28. A placaterminal do topo 26 e a placa terminal inferior 28 compreendem presilhas 30em suas respectivas seções de canto, sendo que as ditas presilhas 30 sãofornecidas com um orifício embutido. Na dita modalidade mostrada na Figura1,o dispositivo de retenção temporária é formado por quatro carcaças 12(apenas três das quais são visíveis) fornecidas com uma rosca interna e oitoparafusos 14 (dos quais apenas seis são visíveis) fornecidos com uma ca-beça embutida. As carcaças 12 fornecidas com uma rosca interna, assimcomo os parafausos 14 são feitos de material plástico que queimam, de pre-ferência, sem resíduos, em uma temperatura que é mais baixa do que atemperatura de operação da pilha de célula combustível de temperatura ele-vada que pode, por exemplo, ser de 850°C. O material plástico pode, porexemplo, compreender materiais poliméricos como polipropileno e/ou polieti-leno.

Para alcançar o estado da pilha de célula combustível de tempe-ratura elevada mostrado na Figura 1, foi, em primeiro lugar, unida enquantoaquecida como, por exemplo, segundo descrito em DE 103 34 129 A1, cujoteor deve ser entendido como parte da revelação da presente descrição.Portanto, a pilha de célula combustível não é exposta a uma pressão defini-da durante sua produção, por meio da aplicação de uma carga segundo co-nhecido a partir de DE 103 08 382 B3, e sim por um atuador de energia.Além disso, o dito atuador de energia possui como opção o monitoramentodo trajeto de liberação, e influenciá-lo através de uma variação da força decompressão. A força aplicada nesse sentido é usada durante o processo deunião (fundindo o material de vedação e unindo os contatos elétricos), en-quanto resfria a temperatura ambiente, e até a transferência da contençãoao dispositivo de retenção temporária, o qual é montado após o resfriamentoe união, por exemplo, conduzindo o método para reter de modo temporáriouma pilha de célula combustível de temperatura elevada, de acordo com ainvenção.

O dispositivo de retenção temporária cuida para que a pilha decélula combustível possa ser transportada com segurança do local de pro-dução até o destino final no sistema de célula combustível, e manuseada.Após a instalação no sistema de célula combustível, um dispositivo de reten-ção final é fornecido. Pode ser formado de maneira conhecida por si mesmo,por exemplo, conforme especificado no DE 195 066 690 A1, DE 103 08 382D3 ou JP 1100 7975 A. Em particular, o preferencial é uma contenção pormeio de um isolamento disposto em torno do dispositivo de retenção tempo-rária.

Em seguida o método para remoção de um dispositivo de reten-ção temporária de uma pilha de célula combustível de temperatura elevada,de acordo com a invenção pode ser realizado. Para essa finalidade, a pilhade célula combustível de temperatura elevada necessita apenas ser ativada.Durante o aquecimento até a temperatura de, por exemplo, 850°C, o disposi-tivo de retenção temporária é queimado e a contenção exigida é assumidapelo dispositivo de retenção final.

Nas Figuras 2a a 2e, possíveis elementos plásticos são mostrados, os quais podem formar o dispositivo de retenção temporária. A Figura2a mostra uma carcaça fornecida com uma rosca interna. A Figura 2b mos-tra um parafuso fornecido com uma rosca externa e dotado de uma cabeçaembutida, assim como uma porca hexagonal 16. A Figura 2c mostra um e-lemento de retenção em forma de tira na forma de um amarrador de cabocomercial 18. A Figura 2d mostra esquematicamente uma peça de uma folhade encolhimento 20, já que uma folha de encolhimento pode ser usada comoum dispositivo de retenção temporária. Finalmente, uma haste plástica 22 éconhecida na Figura 2e, a qual é fornecida com roscas externas ao menosem suas porções terminais.

Principalmente, o uso de um material plástico para o dispositivode retenção temporária possui, em especial, as seguintes vantagens: a forçade retenção é ajustável de modo preciso, já que as partes plásticas possuemum módulo elástico bastante baixo, e oferecem a possibilidade de aplicaruma carga além do limite de elasticidade através do dimensionamento cor-respondente, e, assim, ajustar a força máxima de retenção. Nesse sentido, ouso de molas se tornará desnecessário, e os danos devido às forças de re-tenção excessivas são evitadas de forma segura. Além disso, não é neces-sário remover o dispositivo de retenção temporária de forma elaborada, jáque está isolado eletricamente e, portanto, não pode causar curto-circuitos.Além disso, o dispositivo de retenção temporária desintegrará mediante aatuação da pilha de célula combustível de temperatura elevada e deixará osistema no estado gasoso. Os ditos gases (por exemplo, CO2 e H2O) nãosão prejudiciais ao ambiente e à célula combustível. Nessa conexão, a trans-ferência da força de retenção da contenção temporária até uma contençãofinal ocorre de forma automática, e ações posteriores de manipulação nãosão exigidas. Não existe o risco de se causar danos durante a transferênciada contenção temporária até a contenção final em decorrência de erros demanipulação. Se um sistema de retenção final externo for usado em conso-nância com DE 195 066 690 A1, DE 103 08 382 B3 ou JP 11007975 A, épossível omitir a remoção cara e elaborada do dispositivo de retenção tem-porária e a vedação dos orifícios no isolamento.

De preferência, a pilha de célula combustível de temperatura e-levada, de acordo com a invenção, não possui elementos de retenção quese projetam no sentido ascendente e descendente e, portanto, pode sermontada de modo imediato no sistema. O empilhamento de uma pluralidadede sub-pilhas (módulo de 30 células) para formar uma pilha completa de cé-lula combustível (60 ou 90 células) é então possível, além de livre de incon-venientes.

Muito embora não seja mostrado, o dispositivo de retenção tem-porária pode, inserido na estrutura da presente invenção, ao menos em par-te e/ou em porções se estender através de unidades repetitivas da pilha decélula combustível de temperatura elevada 10.

As características da invenção reveladas na descrição acima, nodesenho e nas reivindicações podem ser relevantes para a realização dainvenção de forma individual, assim como em combinação.Relação dos Numerais de Referência:10 pilha de célula combustível de temperatura elevada12 carcaça plástica14 parafuso plástico16 porca plástica18 tira plástica/amarrador de cabo plástico20 folha de encolhimento22 haste plástica24 elemento repetitivo26 placa terminal28 placa terminal30 presilha

Claims (10)

1. Pilha de célula combustível de temperatura elevada (10) retidapor um dispositivo de retenção temporária, caracterizada pelo fato de que odispositivo de retenção temporária (12-22) consiste de um material plásticoque queima em uma temperatura mais baixa que a temperatura de operaçãoda pilha de célula combustível de temperatura elevada (10).

2. Pilha de célula combustível de temperatura elevada (10), deacordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o material plás-tico compreende material plástico polimerido, particularmente polipropilenoe/ou polietileno.

3. Pilha de célula combustível de temperatura elevada (10), deacordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o disposi-tivo de retenção temporária (12-22) compreende ao menos um parafusoplástico (14), ao menos uma porca plástica (16), ao menos uma tira plástica(18), ao menos uma carcaça plástica (12), ao menos uma haste plástica (22)e/ou uma folha de encolhimento (20).

4. Pilha de célula combustível de temperatura elevada (10), deacordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelofato de que a pilha de célula combustível de temperatura elevada (10) com-preende duas placas terminais ao menos substancialmente paralelas (26,-28) retidas na direção uma da outra por meio do dispositivo de retençãotemporária (12-22), e o dispositivo de retenção temporária (12-22) não seprojeta, ou se projeta ligeiramente além das placas terminais (26, 28).

5. Método para retenção temporária de uma pilha de célula com-bustível de temperatura elevada (10), caracterizado pelo fato de que com-preende a seguinte etapa:reter a pilha de célula combustível de temperatura elevada (10)por meio de um dispositivo de retenção temporária (12-22) consistindo deum material plástico que queima em temperatura mais baixa que a tempera-tura de operação da pilha de célula combustível de temperatura elevada(10).

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que o material plástico compreende material plástico polimerido, par-ticularmente polipropileno e/ou polietileno.

7. Método para remoção do dispositivo de retenção temporária(12-22) de uma pilha de célula combustível de temperatura elevada (10),caracterizado pelo fato de que compreende a seguinte etapa:- atuação da pilha de célula combustível de temperatura elevada(10) e ao mesmo tempo a combustão do dispositivo de retenção temporária(12-22).

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de que o material plástico compreende material plástico polimerido, par-ticularmente polipropileno e/ou polietileno.

9. Uso de ao menos um parafuso plástico (14), ao menos umaporca plástica (16), ao menos uma tira plástica (18), ao menos uma carcaçaplástica (12), ao menos uma haste plástica (22) e/ou uma folha de encolhi-mento (20) como dispositivo de retenção temporária (12-22) para uma pilhade célula combustível de temperatura elevada (10).

10. Uso, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fa-to de que o material plástico compreende material plástico polimerido, parti-cularmente polipropileno e/ou polietileno.