BRPI0714165A2 - sistema de cÉlulas de combustÍvel e dispositivo para o suprimento de meio de uma disposiÇço de cÉlulas de combustÍvel - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL E DISPOSITIVO PARA O SUPRIMENTO DE MEIO DE UMA DISPOSIÇçO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL. A presente invenção refere-se a um dispositivo (12 a 26) para o suprimento de meio de uma disposição de células de combustível (28) em um sistema de células de combustível (10), que consiste pelo menos, parcialmente, em uma liga de metal contendo cromo. Segundo a invenção, está revisto que uma superfície (30) do dispositivo que entra em contato com meios de suprimento é revestida pelo menos, parcialmente, com uma cerâmica de óxido de metal (32).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL E DISPOSITIVO PARA O SUPRIMENTO DE MEIO DE UMA DISPOSIÇÃO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL".
A presente invenção refere-se a um dispositivo para o suprimen- to de meio de uma disposição de células de combustível em um sistema de células de combustível, que consiste pelo menos, parcialmente, em uma liga de metal contendo cromo.
A invenção refere-se, ainda, a um sistema de células de com- bustível com esse dispositivo.
Sistemas de células de combustível servem para a produção de energia elétrica de hidrogênio e oxigênio. Especialmente na área das aplica- ções móveis, por exemplo em veículos automotores, o hidrogênio é obtido pela assim chamada reforma de combustível, isto é, especialmente gasolina ou diesel. Em aplicações estacionárias, isto é, especialmente na área do- méstica, são considerados como materiais de partida para a produção de hidrogênio especialmente óleo de aquecimento e gás natural. O calor resul- tante das reações ao menos parcialmente exotérmicas para a reforma de combustível pode ser usado para fins de aquecimento. No caso do emprego de células de combustível de alta temperatura, assim chamadas células de combustível SOFC ("Solid Oxid Fuel CeN"), pode também ser empregado o calor de escape da pilha de células de combustível para fins de aquecimento e, como também o calor de escape dos outros componentes, ser incluído no gerenciamento de temperatura de todo o sistema de células de combustível.
Sistemas de células de combustível com células de combustível de alta temperatura são operados, dependendo do tipo de construção, em uma faixa de temperatura entre cerca de 650°C e IOOO0C. Levando em con- ta o desenvolvimento de calor de agregados secundários adicionais, que se encontram nas proximidades espaciais da disposição de células de combus- tível propriamente dita, podem resultar temperaturas locais de até cerca de 1250 0C. Segundo a invenção, as faixas da temperatura máxima são encon- tradas no ambiente do reformador inserido a montante tendo em vista o su- primento de meio da disposição de células de combustível, bem como na região dos queimadores, por exemplo de um pós-queimador, para ulterior conversão do gás de escape de ânodo emitido pela disposição de células de combustível.
Convencionalmente, os componentes carregados pelas altas temperaturas são produzidos de aços ao cromo resistentes ao calor ou alta- mente resistentes ao calor, ou ligas à base de níquel contendo cromo, sendo que também é sabido que metais de alto valor, solidificados por dispersão de oxido, que são conhecidos como componentes sinterizados produzidos por processos metalúrgicos de pó, são empregados. A maioria dos aços com alto teor de cromo ou ligas, que contêm como elementos de liga secundários de preferência alumínio e silício além de outros elementos, formam a altas temperaturas camadas finas e densas dos óxidos dos respectivos compo- nentes de liga, sendo assim as superfícies do material nuclear protegidas por uma camada de passivação contra uma ulterior oxidação (carepa). Os componentes assim ou semelhantemente projetados podem
ser multiplamente encontrados na área do suprimento de meio de uma dis- posição de células de combustível. O termo suprimento de meio deve ser então entendido em seu sentido mais genérico; ele não se restringe, portan- to, à substâncias primariamente aduzidas, como por exemplo diesel e ar, mas sim especialmente também a todos os outros componentes, que con- duzem esses materiais, que são eles próprios ou após sua reação química aduzidos à disposição de células de combustível. Assim, por exemplo, o re- formador, no caso de uma recondução de gás de escape dos pós- queimadores e a tubulação do sistema devem ser incluídos nas considera- ções conduzindo à presente invenção.
O emprego de materiais com teor de cromo acarreta, sob as condições operacionais usuais, a formação de compostos de cromo voláteis, que podem então ser carregados adiante na fase de gás a jusante pelo sis- tema. A formação desses compostos de cromo, sobretudo CrO3 e CrO2(OH)2, é favorecida pelas altas temperaturas e o teor de água da atmos- fera. Outros problemas podem surgir da formação de nitretos, especialmente em correlação com materiais à base de ligas de níquel. Para se fazer face a esses problemas, os grupos estruturais em questão podem inicialmente ser reunidos e então, para efeito da estrutura de uma camada de passivação fina e densa, ser aduzidos a um tratamento tér- mico.
Todavia, os problemas descritos são resolvidos apenas insufici-
entemente por essas medidas, e podem até mesmo surgir problemas adicio- nais. Pelos ciclos térmicos, que resultam especialmente ao se ligar e desli- gar o sistema de células de combustível, podem ocorrer um estouro ("Spal- ling") de partes da camada de oxido, especialmente devido aos distintos coeficientes de dilatação térmica e das tensões a isso vinculadas entre ma- terial de núcleo e camada de oxido. Esses fenômenos devem ser também considerados quando da projeção da vida útil dos componentes, por exem- plo mediante seleção de uma espessura de parede maior, para aumentar a reserva de cromo do material de núcleo. Os problemas adicionais residem, portanto, especialmente na contaminação do sistema pelo mencionado es- touro, bem como a um aumento de peso devido à seleção de uma espessu- ra de parede maior. Afinal, pela evaporação de cromo e pelo estouro do re- vestimento, o material de núcleo é empobrecido em cromo, até chegar à oxi- dação por ruptura e à falha do material. Outros problemas dos sistemas convencionais se relacionam à
funcionalidade da disposição das células de combustível. Células de com- bustível SOFC e catalisadores no reformador podem ser contaminados pelos compostos de cromo evaporados e sua acumulação local e ser permanen- temente danosos. Esse dano tem lugar especialmente na região de cátodo da disposição de células de combustível, pois cromo está embutido no mate- rial de cátodo (por exemplo, LaSrMnOs). Isso está associado a um aumento não-tolerável das perdas de polarização, reduzindo o rendimento em energia elétrica. Além da contaminação da disposição de células de combustível, observam-se também estreitamentos de seções transversais tubulares devi- do a depósitos dos compostos em evaporação.
Na DE 44 22 624 A1 já se propõe prover placas bipolares para células de combustível de alta temperatura de uma camada protetora de um cromato oxídico, possibilitando empregar ligas com teor de cromo para a produção dessas placas bipolares.
Na DE 10 2004 002 365 A1 se propõe revestir materiais empre- gados em um sistema de células de combustível por um tratamento térmico por difusão a gás com metais, sendo que para redução da evaporação de cromo no âmbito de sistemas de células de combustível SOFC é preferida a deposição de alumínio.
A invenção tem por objetivo possibilitar uma produção a baixo custo de dispositivos para o suprimento de meio de uma disposição de célu- Ias de combustível, devendo ser especialmente dispensável o emprego de ligas ao aço caras com pequenas taxas de vapor de cromo.
Esse objetivo é alcançado com as características da reivindica- ção independente.
Formas de execução vantajosas da invenção são indicadas nas reivindicações dependentes.
A invenção parte do dispositivo segundo o gênero, em que uma superfície do dispositivo que entra em contato com meios de suprimento é revestida ao menos parcialmente com uma cerâmica de oxido de metal. Na medida em que o revestimento de superfícies conhecido com relação à pro- jeção de placas bipolares também é empregado para os dispositivos do su- primento de meio, é disponibilizada uma medida a baixo custo para se impe- dir a evaporação de compostos ao cromo voláteis dos dispositivos. Devido à maior vida útil, a espessura de material pode ser reduzida, o que tem por conseqüência uma redução do emprego de material e uma redução de peso, que acarreta vantagens especiais particularmente no emprego móvel. Gra- ças à redução das taxas de evaporação de cromo, os componentes ativos do sistema de células de combustível são protegidos, isto é, especialmente o catalisador do reformador e os cátodos da pilha de células de combustível. Por conseguinte, é aumentada a vida útil desses componentes e melhorada a funcionalidade de todo o sistema.
Convenientemente é previsto que a cerâmica de óxido de metal apresente vários componentes de metal. Os diversos componentes de metal abrangem, por exemplo, cromo e elementos das terras raras, por exemplo lantânio.
Em uma forma de execução preferida, está previsto que a cerâ- mica de oxido de metal apresente uma estrutura "perowskit". Vem ao caso então, por exemplo, LaCrO3 dotado com cálcio ou estrôncio.
Igualmente pode ser previsto que a cerâmica de oxido de metal apresente uma estrutura de espinélio. Essas estruturas de espinélio são formadas, por exemplo, com emprego de cromo e manganês.
Convenientemente, a cerâmica de óxido de metal deve conter óxido de cromo.
O dispositivo segundo a invenção pode ser produzido, de modo especialmente vantajoso, pelo fato de que a cerâmica de óxido de metal é aplicado por separação de fase de gás. Vem ao caso processo CVD ou PVD1 que são apropriados para disponibilização de sistemas de revestimen- to com alto grau de reprodutibilidade.
Igualmente pode ser previsto que a cerâmica de óxido de metal seja aplicada por um processo de argila líquida. O revestimento pode ter lu- gar por processo de imersão ou pulverização a úmido ("Wet Powder Spra- ying").
Além disso pode ser previsto que a cerâmica de óxido de metal
seja aplicada por um processo de injeção. Tais processos de injeção abran- gem, por exemplo, a injeção térmica ou a injeção a plasma, sendo que esses processos são especialmente vantajosos, pois não é necessário um trata- mento de relocação térmico para estabilização da camada protetora, en- quanto que no processo de argila líquida mencionado é prevista uma quei- ma.
Segundo formas de execução especialmente preferidas da pre- sente invenção é previsto que a cerâmica de óxido de metal apresente uma espessura entre 1 μηι e 25 μηι. Pequenas espessuras de camada de cerca de 1 μιτι podem ser suficientes, para se obter o resultado segundo a inven- ção. Um aumento da espessura de camada pode simplificar a produção de- pendendo do processo, pois são admissíveis maiores tolerâncias. A invenção refere-se, ainda, a um sistema de células de com- bustível com um dispositivo segundo a invenção.
A presente invenção será agora explicada a título de exemplo com referência aos desenhos em apenso com base em formas de execução preferenciais.
Mostram:
Figura 1 - uma representação esquemática de um sistema de células de combustível típico e
Figura 2 - uma parte do dispositivo segundo a invenção. A figura 1 mostra uma representação esquemática de um siste-
ma de células de combustível típico. A figura 2 mostra uma parte de um dis- positivo segundo a invenção. O sistema de células de combustível 10 é su- prido por um suprimento de combustível 34 e uma adução de ar 36 com combustível ou ar. Ar e combustível são aduzidos através de condutos 16, 18 a um reformador 12, em que é produzido um reformador rico em hidrogê- nio. Esse reformador é aduzido por um conduto 20 ao lado de ânodo de uma pilha de células de combustível 28, a cujo lado de cátodo através de uma outra adução de ar 38 é aduzido ar de cátodo através de um conduto 22. O gás de escape de ânodo fluindo pelo conduto 40 para fora da pilha de célu- Ias de combustível 28 é aduzido a um pós-queimador 14, ao qual através de uma outra adução de ar 42 e de um conduto 24 é aduzido ar de combustão. Os gases de escape saindo do pós-queimador 14 são descarregados por um conduto 26 do sistema de células de combustível 10. A energia elétrica pro- duzida na pilha de células de combustível 28 é retirada igualmente do siste- ma de células de combustível 10 e aduzida, por exemplo, a um conversor DC/DC 44. Todos os componentes dentro do sistema de células de combus- tível 10, que estão expostos a temperaturas potencialmente altas e condu- zem materiais, que são aduzidos à pilha de células de combustível 28, po- dem ser executados da maneira segundo a invenção, isto é, sua superfície 30 pode estar equipada com um revestimento de cerâmica de oxido de metal 32. Isso está representado com base na figura 2 a título de exemplo em um segmento de superfície do reformador 12. Equipagens comparáveis das su- perfícies se encontram nos condutos de adução 16, 18 para o reformador 12, o conduto de reformado 20 e o conduto de adução de ar de cátodo 22. No caso de uma recondução de gás de escape parcial do pós-queimador 14, pelo qual gás de escape é introduzido na senda de fluxo acima da pilha de células de combustível 28, convenientemente também o conduto de gás de escape de ânodo 40, o conduto de ar de adução ao pós-queimador 24, o pós-queimador 14 e o conduto de gás de escape 26 podem ser equipados com a estrutura de superfície segundo a figura 2.
As características da invenção apresentadas na descrição ante- rior, nos desenhos bem como nas reivindicações, podem ser essenciais tan- to individualmente como também em qualquer combinação para a concreti- zação da invenção.
LISTAGEM DE REFERÊNCIAS
10 sistema de células de combustível 12 reformador 14 pós-queimador 16 conduto de adução de ar 18 conduto de adução de combustível 20 conduto de reformado 22 conduto de adução de ar de cátodo 24 conduto de adução de ar de pós-queimador 26 conduto de gás de escape 28 pilha de células de combustível 30 superfície 32 cerâmica de óxido de metal 34 suprimento de combustível 36 adução de ar 38 adução de ar 40 conduto de gás de escape de ânodo 42 adução de ar 44 conversor DC/DC

Claims (10)

1. Dispositivo (12 a 26) para o suprimento de meio de uma dis- posição de células de combustível (28) em um sistema de células de com- bustível (10), que consiste pelo menos, parcialmente, em uma liga de metal contendo cromo, caracterizado pelo fato de que uma superfície (30) do dis- positivo que entra em contato com meios de suprimento é revestida pelo menos, parcialmente, com uma cerâmica de oxido de metal (32).
2. Dispositivo para o suprimento de meio de acordo com a rei- vindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cerâmica de oxido de metal apresenta vários componentes de metal.
3. Dispositivo para o suprimento de meio de acordo com a rei- vindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a cerâmica de oxido de metal apresenta uma estrutura "perowskit".
4. Dispositivo para o suprimento de meio de acordo com a rei- vindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a cerâmica de oxido de metal apresenta uma estrutura de espinélio.
5. Dispositivo para o suprimento de meio de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a cerâmica de óxido de metal contém oxido de cromo.
6. Dispositivo para o suprimento de meio de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a cerâmica de óxido de metal é aplicada por separação de fase de gás.
7. Dispositivo para o suprimento de meio de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a cerâmica de óxido de metal é aplicada por um processo de argila líquida.
8. Dispositivo para o suprimento de meio de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a cerâmica de óxido de metal é aplicada por um processo de injeção.
9. Dispositivo para o suprimento de meio de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a cerâmica de óxido de metal apresenta uma espessura entre 1 μιη e 25 μιτι.
10. Sistema de células de combustível com um dispositivo como definido em uma das reivindicações precedentes.
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