FR2534072A1 - LEAKING GASKET JOINING LEAKS FOR FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF IMPLEMENTING SAME - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN JOINT DE COLLECTEUR LAISSANT PASSER DES FUITES. CE JOINT EST UTILISE DANS UN SYSTEME DE PILES A COMBUSTIBLE COMPRENANT UN EMPILAGE 10 DE PLUSIEURS PILES A COMBUSTIBLE 12, DES COLLECTEURS DE GAZ REACTIFS EXTERIEURS 24, 26, 28, 30 FIXES A CET EMPILAGE 10, DES ELEMENTS ETANCHES AUX GAZ 29 DISPOSES ENTRE CES COLLECTEURS 24, 26, 28, 30 ET L'EMPILAGE 10, UN MOYEN ACHEMINANT LES GAZ REACTIFS DES PILES A COMBUSTIBLE 12 DANS LES COLLECTEURS 24, 26, 28, 30 A UNE PREMIERE PRESSION ET UN MOYEN ACHEMINANT UN GAZ INERTE DANS UN ESPACE 15 D'UN RECIPIENT DE PRESSION 14 A UNE SECONDE PRESSION SUPERIEURE A LA PREMIERE. L'INVENTION EST UTILISEE POUR EMPECHER LES FUITES DE GAZ REACTIFS D'UN SYSTEME DE PILES A COMBUSTIBLE COMPORTANT DES COLLECTEURS DE GAZ REACTIFS EXTERIEURS.THE INVENTION RELATES TO A MANIFOLD GASKET WHICH ALLOWS LEAKS. THIS GASKET IS USED IN A SYSTEM OF FUEL CELLS INCLUDING A STACK 10 OF SEVERAL FUEL CELLS 12, EXTERIOR REACTIVE GAS COLLECTORS 24, 26, 28, 30 ATTACHED TO THIS STACK 10, GAS-TIGHT ELEMENTS 29 ARRANGEMENTS BETWEEN THESE MANIFOLDS 24, 26, 28, 30 AND STACKING 10, A MEANS FOR CONDUCTING THE REACTIVE GASES FROM THE FUEL CELLS 12 INTO THE MANIFOLDS 24, 26, 28, 30 AT A FIRST PRESSURE AND A MEANS FOR DELIVERING INERT GAS INTO A SPACE 15 FROM A PRESSURE VESSEL 14 TO A SECOND PRESSURE GREATER THAN THE FIRST. THE INVENTION IS USED TO PREVENT REAGENT GAS LEAKS FROM A FUEL CELL SYSTEM INCLUDING EXTERNAL REACTIVE GAS COLLECTORS.
Description
2534072-2534072-
Joint de collecteur laissant passer des fuites. Collector gasket letting leaks.
La présente invention concerne des systèmes The present invention relates to systems
de piles à combustible.of fuel cells.
Les systèmes de piles à combustible tels que les centrales à piles à combustible pour la production d'électricité, comprennent spécifiquement un grand nombre de piles à combustible qui sont superposées et Fuel cell systems such as fuel cell power plants for power generation typically include a large number of fuel cells that are stacked and
raccordées électriquement en série pour former un em- electrically connected in series to form an
pilage Un système de piles à combustible peut conte- pumping A fuel cell system can contain
nir n'importe quel nombre d'empilages Des collecteurs sont utilisés pour acheminer des gaz réactifs aux piles, number of stackings Collectors are used to carry reactive gases to the batteries,
ainsi que pour recevoir les gaz réactifs épuisés pro- as well as to receive spent reactive gases
venant de ces dernières Ces collecteurs sont fixés coming from these These collectors are fixed
hermétiquement contre les surfaces latérales de l'empi- hermetically against the lateral surfaces of the
lage, et une garniture ou une matière d'étanchéité com- and a gasket or sealing material
pressible est disposée entre la surface de l'empilage et le bord du collecteur pour tenter d'empêcher les is placed between the surface of the stack and the edge of the collector to try to prevent
fuites de-gaz réactifs hors des collecteurs Les figu- reactive gas leaks out of the collectors
res 1 et 2 du brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 345 009 de la Demanderesse illustrent un empilage de piles à combustible dont l'électrolyte est constitué d'acide phosphorique et aux côtés duquel sont fixés Nos. 1 and 2 of US Pat. No. 4,345,009 of the Applicant illustrate a stack of fuel cells whose electrolyte is made of phosphoric acid and to the sides of which are fixed
des collecteurs extérieurs pour les gaz réactifs. external collectors for the reactive gases.
L'aptitude à étancher positivement les bords The ability to positively seal the edges
des collecteurs contre les surfaces de l'empilage dé- collectors against the surfaces of the stack
pend de plusieurs facteurs, notamment la pression des gaz réactifs, la température opératoire et le type d'électrolyte utilisé dans les piles, limitant ainsi several factors, in particular the pressure of the reactive gases, the operating temperature and the type of electrolyte used in the cells, thus limiting
les matières d'étanchéité qui peuvent être utilisées. sealants that can be used.
Il peut également exister une limitation en ce qui concerne l'ampleur de la force pouvant être utilisée There may also be a limitation as to how much force can be used
pour presser les collecteurs extérieurs contre les sur- to press the external collectors against the over-
faces de l'empilage.faces of the stack.
Les piles à combustible dont l'électrolyte Fuel cells including electrolyte
est constitué d'un carbonate fondu, peuvent fonction- consists of a molten carbonate, can function-
ner à des températures de l'ordre de 6490 C et avec des pressions de gaz réactifs de l'ordre de 9,9 bars at temperatures of the order of 6490 C and with reactive gas pressures of the order of 9.9 bar
ou même davantage Lors d'une mise en service au- or even more when put into service
delà de la pression atmosphérique, l'empilage est dis- Beyond atmospheric pressure, stacking is
posé à l'intérieur d'un récipient de pression Il placed inside a pressure vessel
est très difficile d'empêcher complètement l'échappe- is very difficult to completely prevent the escape
ment des gaz réactifs hors des collecteurs dans de telles conditions, encore que cela soit nécessaire reactive gases out of the collectors under such conditions, although this is necessary
pour éviter l'accumulation de gaz combustibles à l'in- to prevent the accumulation of combustible gases in the
térieur du récipient de pression entourant l'empilage, inside the pressure vessel surrounding the stack,
ainsi que pour maintenir un haut rendement. as well as to maintain a high yield.
Un objet de la présente invention est d'empê- An object of the present invention is to prevent
cher les fuites de gaz réactifs hors d'un empilage de piles à combustible comportant des collecteurs de gaz expensive reactive gas leaks out of a stack of fuel cells with gas collectors
réactifs extérieurs.external reagents.
Suivant la présente invention, un empilage de According to the present invention, a stack of
piles à combustible avec collecteurs extérieurs com- fuel cells with external collectors
prend des joints d'étanchéité entre les collecteurs takes seals between the collectors
et les surfaces de l'empilage, ce dernier étant dispo- and the stacking surfaces, the latter being
sé à l'intérieur d'un récipient de pression qui est continuellement alimenté en un gaz inerte sous une pression supérieure à celle des gaz réactifs contenus inside a pressure vessel which is continuously fed with an inert gas at a higher pressure than the reactive gases contained
dans l'empilage, le gaz inerte contenu dans le réci- in the stack, the inert gas contained in the recipe
pient de pression s'échappant continuellement par les joints précités pour pénétrer dans les collecteurs de of pressure continuously escaping through the aforementioned joints to enter the collectors of
gaz réactifs -gas reagents -
Plutôt que de tenter d'empêcher les fuites, Rather than trying to prevent leaks,
le système de piles à combustible de la présente inven- the fuel cell system of the present invention.
tion les laisse passer; toutefois, ce système garantit que ces fuites ont lieu dans les collecteurs de gaz réactifs et non en dehors de ces derniers et également tion lets them pass; however, this system ensures that these leaks take place in the reactant gas manifolds and not outside them and also
qu'elles sont virtuellement inoffensives pour le sys- that they are virtually harmless to the system.
tème, supprimant ainsi la tâche malaisée qui consiste à créer un joint d'étanchéité positif dans un milieu tem, thus removing the awkward task of creating a positive seal in a
très hostile.very hostile.
L'invention se prête particulièrement bien The invention is particularly well suited
à une utilisation avec des systèmes de piles à combus- for use with fuel cell systems
tible dont l'électrolyte est constitué d'un carbonate fondu, étant donné qu'il n'a pas été possible de créer un joint de collecteur extérieur ne laissant pas passer des fuites pour ce type d'empilage de piles à combustible. Telle qu'elle est utilisée ici, l'expression Since the electrolyte is made of molten carbonate, it has not been possible to create an outer collector gasket that does not leak through this type of fuel cell stack. As used here, the expression
*"gaz inerte" désigne un gaz ne comportant aucun cons- * "inert gas" means a gas that does not contain any
tituant présent en quantités suffisantes pour réagir present in sufficient quantities to react
de manière préjudiciable avec les composants de l'em- detrimental to the components of the
pilage, ce gaz ne réduisant pas sensiblement le ren- pounding, this gas does not significantly reduce the
dement des piles lors de son passage à travers l'empi- of batteries as it passes through the
lage C'est ainsi que, pour des raisons de sécurité, Thus, for security reasons,
le gaz inerte ne peut contenir des quantités importan- the inert gas can not contain significant quantities
tes de constituants oxydants ou oxydables (par exem- oxidizing or oxidizable constituents (eg
ple, 02 ' Cl, CO, CH 4 et H 2) qui pourraient réagir aux températures opératoires de la pile, étant donné que la combinaison de ces constituants peut entraîner une explosion Les constituants-qui pourraient accélérer la corrosion des pièces constitutives des piles ou des ple, 02 'Cl, CO, CH 4 and H 2) which could react to the operating temperatures of the cell, since the combination of these constituents can cause an explosion Constituents-which could accelerate the corrosion of the constituent parts of the cells or of the
collecteurs sont également prohibés. collectors are also prohibited.
Dans une forme de-réalisation préférée, on utilise un carbonate fondu comme électrolyte dans les piles à combustible de l'empilage; en outre, le gaz In a preferred embodiment, molten carbonate is used as the electrolyte in the stack fuel cells; in addition, the gas
combustible épuisé quitte le collecteur de sortie de. Exhausted fuel leaves the outlet manifold.
combustible et est brûlé pour en éliminer pratique- fuel and is burned to eliminate
ment tous les constituants combustibles tels que l'oxy- all combustible constituents such as oxy-
de de carbone, l'hydrogène n'ayant pas réagi, ainsi carbon, unreacted hydrogen,
que d'autres hydrocarbures Ce gaz brûlé, ou une par- other hydrocarbons This gas burned, or a part
tie de celui-ci, est ensuite introduit dans le réci- part of it, is then introduced into the
pient de pression en guise de gaz inerte Lors d'es- pressure as inert gas.
sais auxquels ont été soumis plusieurs empilages de know to which have been submitted several piles of
à 20 piles de 0,09 m 2, il a été démontré que la pé- at 20 stacks of 0.09 m 2, it has been shown that
nétration d'un gaz inerte dans l'empilage via les inert gas generation in the stack via
joints de collecteurs pouvait être maintenue à un ni- collector seals could be maintained at one
veau qui réduit le rendement du système de piles à calf that reduces the efficiency of the battery system to
combustible de moins de 0,1 %.less than 0.1% fuel.
Les objets, caractéristiques et avantages précités de la présente invention, ainsi que d'autres The aforementioned objects, features, and advantages of the present invention, as well as other
apparaîtront plus clairement à la lecture de la des- appear more clearly on reading the
cription détaillée ci-après de formes de réalisation préférées, donnée en se référant aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en partie schématique et en partie sous forme d'un bloc-diagramme, illustrant un système de piles à combustible mettant en oeuvre les caractéristiques de la présente invention; et la figure 2 est un graphique illustrant les effets qu'exercent des fuites aux collecteurs sur le DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS DETAILED WITH REFERENCE TO THE APPENDIX BRIEFLY IN WHICH FIG. 1 is a partly diagrammatic view and partly in the form of a block diagram illustrating a fuel cell system embodying implement the features of the present invention; and FIG. 2 is a graph illustrating the effects of leaks at the collectors on the
rendement du système de piles à combustible. fuel cell system performance.
On se référera à présent à la figure 1 qui illustre, à titre d'exemple, un système de piles à Reference will now be made to FIG. 1 which illustrates, by way of example, a battery system with
combustible selon une forme de réalisation de la pré- fuel according to one embodiment of the present invention.
sente invention Dans ce système, un empilage de pi- In this system, a stack of
les à combustible est désigné d'une manière générale par le chiffre de référence 10 Cet empilage 10 est constitué de plusieurs piles à combustible 12 qui sont the fuel is generally designated by the reference numeral 10 This stack 10 consists of a plurality of fuel cells 12 which are
superposées et raccordées électriquement en série. superimposed and electrically connected in series.
Chacune de ces piles contient un électrolyte constitué d'un carbonate fondu disposé entre deux électrodes; les piles adjacentes sont séparées par des plaques Each of these cells contains an electrolyte consisting of a molten carbonate disposed between two electrodes; adjacent piles are separated by plates
conductrices de l'électricité et imperméables aux gaz. electrically conductive and impervious to gases.
La construction de ces piles est bien connue dans la The construction of these piles is well known in the
technique et ne fait pas partie du caractère de nouveau- technique and is not part of the character of new-
té de la présente invention L'empilage 10 est disposé of the present invention Stacking 10 is arranged
à l'intérieur d'un récipient étanche à la pression 14. inside a pressure-tight container 14.
Un espace de gaz 15 est ainsi défini entre l'empilage A gas space 15 is thus defined between the stack
et le récipient 14 qui entoure ce dernier. and the container 14 surrounding the latter.
A chacun des quatre côtés 16, 18, 20 et 22 de l'empilage, est fixé un collecteur de gaz réactifs 24, 26, 28, 30 respectivement, à l'intervention d'un moyen At each of the four sides 16, 18, 20 and 22 of the stack, a reagent gas manifold 24, 26, 28, 30 is respectively attached by a means
qui n'est pas représenté, mais qui pourrait être cons- who is not represented, but who could be
titué de colliers adaptés autour de l'empilage 10 de la manière illustrée dans le brevet précité des Etats- Unis d'Amérique 4 245 009 On considère que le mode de fixation des collecteurs aux côtés de l'empilage ne It is considered that the method of attaching the collectors to the sides of the stack does not have to be fitted with suitable collars around the stack 10 as illustrated in the aforesaid US Pat. No. 4,245,009.
fait pas partie de la présente invention Une garni- is not part of the present invention.
ture de joint de type "encadrement de tableau" 29 est serrée entre chacune des faces latérales 16, 18, 20, 22 The "frame-like" seal type 29 is clamped between each of the side faces 16, 18, 20, 22
de l'empilage 10 et un rebord périphérique 31 du col- of the stack 10 and a peripheral rim 31 of the collar
lecteur y associé 24, 26, 28, 30 Les joints 29 ne associated reader 24, 26, 28, 30 The seals 29 do not
sont pas étanches aux gaz Ils peuvent être, par exem- are not gas-tight. They can be, for example,
ple, des joints en fibres céramiques qui sont poreux et ply, ceramic fiber joints that are porous and
compressibles, tout en étant pratiquement inertes vis- compressible, while being virtually inert
à-vis des carbonates fondus du type généralement utilisé molten carbonates of the type generally used
comme électrolyte dans les piles à combustible. as an electrolyte in fuel cells.
Le collecteur 24 est le collecteur d'entrée de gaz combustible auquel est acheminé un courant gazeux riche en hydrogène via une conduite 32 Le collecteur 24 achemine le gaz combustible aux piles 12 et ce gaz s'écoule en travers de l'empilage dont il traverse les différentes piles pour aboutir au collecteur de sortie de gaz combustible 28 Le gaz combustible épuisé (c'est-à-dire dont la majeure partie de l'hydrogène a réagi) quitte le collecteur 28 via une conduite 34 Le The collector 24 is the fuel gas inlet manifold to which a hydrogen-rich gaseous stream is conveyed via a pipe 32. The collector 24 conveys the fuel gas to the stacks 12 and this gas flows across the stack from which it passes through. The exhausted fuel gas (i.e., most of the hydrogen reacted) leaves the manifold 28 via a pipe 34.
collecteur 26 est le collecteur d'entrée de gaz oxydant. manifold 26 is the oxidizing gas inlet manifold.
Il reçoit le gaz oxydant via une conduite 36 et il l'ache- It receives the oxidizing gas via a pipe 36 and it
mine aux piles 12 Ce gaz oxydant circule en travers de l'empilage dont il traverse les différentes piles dans une direction-pérpendiculaire à celle suivie par le gaz combustible, pour aboutir dans le collecteur de sortie de gaz oxydant 30 Le gaz oxydant épuisé quitte This oxidizing gas flows across the stack from which it passes through the different cells in a direction-perpendicular to that followed by the fuel gas, to end in the outlet manifold of the oxidizing gas.
le collecteur 30 via une conduite 38. the manifold 30 via a pipe 38.
Dans le système de piles à combustible simpli- In the simple fuel cell system
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fié illustré en figure 1, une charge d'alimentation shown in FIG. 1, a feedstock
carbonée qui peut être un hydrocarbure liquide ou ga- which may be a liquid hydrocarbon or
zeux, est mise sous une pression à laquelle les piles à combustible sont aptes à fonctionner, par un moyen non représenté (Les piles peuvent fonctionner à la pression atmosphérique, mais il est avantageux de les Zeux, is put under a pressure to which the fuel cells are able to operate, by means not shown (The batteries can operate at atmospheric pressure, but it is advantageous to
mettre en service au-delà de la pression atmosphéri- put into operation beyond the atmospheric pressure
que) Conjointement avec de la vapeur d'eau à la même pression, ce combustible est introduit dans un appareil de conditionnement tel qu'un appareil de reformage à la vapeur d'eau 40 Dans cet appareil de reformage 40, de l'hydrogène est formé par réaction de la vapeur that together with water vapor at the same pressure, this fuel is introduced into a conditioning apparatus such as a steam reforming apparatus 40 In this reforming apparatus 40, hydrogen is formed by reaction of the vapor
d'eau et de la charge carbonée en présence d'un cata- water and carbon load in the presence of a
lyseur approprié-tel que du nickel sur support en ma- a suitable catalyst, such as nickel on a support in
tière céramique La chaleur pour la réaction endo- The heat for the endogenous reaction
thermique est fournie par un brûleur 42 Le combusti- is provided by a burner 42
ble soumis au reformage et riche en hydrogène contient, en volume, environ 50 % d'hydrogène, 10 % de CO, 10 % de CO 2 et 30 % de H 20 Ce combustible soumis au reformage The hydrogen-rich reforming feedstock contains, by volume, about 50% hydrogen, 10% CO, 10% CO 2 and 30% H. This fuel is reformed.
est acheminé, via la conduite 32, de l'appareil de re- is routed via line 32 of the
formage à la vapeur d'eau 40 dans le collecteur d'en- forming with water vapor 40 in the collector
trée de gaz combustible 24 de l'empilage 10. fuel gas 24 of the stack 10.
Le gaz combustible épuisé quittant le collecteur Exhausted fuel gas leaving the collector
de sortie de gaz combustible 28 via la conduite 34, con- fuel gas outlet 28 via line 34,
tient de l'anhydride carbonique, de l'hydrogène n'ayant carbon dioxide, hydrogen having no
pas réagi, de l'oxyde de carbone et de la vapeur d'eau. unreacted, carbon monoxide and water vapor.
Ce courant gazeux passe alors par un condenseur 44 et l'eau en est éliminée via une conduite 46 Cette eau est transformée en vapeur dans une chaudière 48 et cette vapeur d'eau est acheminée de la chaudière dans l'appareil de reformage à la vapeur d'eau 40 via une This gaseous stream then passes through a condenser 44 and the water is removed via a pipe 46 This water is transformed into steam in a boiler 48 and this steam is conveyed from the boiler into the steam reforming apparatus of water 40 via a
conduite 50.driving 50.
De l'air comprimé fourni par un compresseur 54 Compressed air supplied by a compressor 54
entraîné par une turbine 56 est acheminé dans le col- driven by a turbine 56 is routed in the col-
lecteur de gaz-oxydant 26 de l'empilage 10 via la con- gas-oxidant reader 26 of the stack 10 via the con-
duite 36, et il constitue le gaz oxydant pour les pi- 36, and constitutes the oxidizing gas for the
les à combustible 12 Comme on le sait dans la techni- The fuel 12 As is known in the art,
que, l'air ne contient pas une quantité suffisante d'anhydride carbonique pour amorcer efficacement la réaction dans des piles à combustible dont l'électroly- te est constitué d'un carbonate fondu En conséquence, that the air does not contain a sufficient amount of carbon dioxide to effectively initiate the reaction in fuel cells whose electrolyte is a molten carbonate;
le C 02 contenu dans l'effluent de gaz combustible épui- the C 02 contained in the exhaust gas effluent
sé doit être ajouté à l'air introduit dans l'empilage must be added to the air introduced into the stack
mais, avant de pouvoir procéder à cette addition, es- but, before making this addition, es-
sentiellement toutes les substances combustibles pré- all the combustible substances
sentes dans le gaz combustible épuisé doivent être éliminées En conséquence, le gaz combustible épuisé à présent relativement sec est acheminé du condenseur 44 dans le brûleur 42 De l'air comprimé fourni par In this way, the spent fuel gas which is now relatively dry is fed from the condenser 44 into the burner 42.
le compresseur 54 est également acheminé dans le brû- the compressor 54 is also fed into the burner
leur 42 via une conduite 58 L'air fourni a brûleur et au collecteur d'entrée de gaz oxydant 26 est à la Their 42 via a pipe 58 The supplied air burner and the oxidizing gas inlet manifold 26 is at the
même pression que le combustible pénétrant dans l'ap- same pressure as the fuel entering the
pareil de reformage à la vapeur d'eau 40, si bien qu'il existe une différence de pression minimum en travers de chaque pile 12 et que la pression régnant dans les collecteurs extérieurs 24, 26, 28 et 30 ne diffère que par suite des pertes de charge inévitables se produisant dans le système De préférence, la quantité d'air introduit dans le brûleur 42 est juste suffisante pour assurer une combustion pratiquement complète de l'hydrogène, de l'oxyde de carbone et des autres substances combustibles, de telle sorte que same as steam reforming 40, so that there is a minimum pressure difference across each stack 12 and that the pressure in the outer manifolds 24, 26, 28 and 30 differs only as a result of inevitable pressure drops occurring in the system Preferably, the amount of air introduced into the burner 42 is just sufficient to ensure substantially complete combustion of hydrogen, carbon monoxide and other combustible substances, such as so that
l'effluent quittant le brûleur 42 ne contienne essen- the effluent leaving the burner 42 does not contain substantially
tiellement que de l'anhydride carbonique, de l'azote, only carbon dioxide, nitrogen,
ainsi qu'une petite quantité d'eau. as well as a small amount of water.
Après le passage du gaz oxydant à travers les After the passage of the oxidizing gas through the
piles, on fait passer le gaz oxydant épuisé chaud quit- batteries, the hot exhausted oxidant gas
tant le collecteur de sortie 30, à travers un échangeur de chaleur 62 en vue d'engendrer la chaleur requise pour la chaudière 48 Le courant de gaz oxydant épuisé qui renferme toujours une énergie considérable, peut both the outlet manifold 30, through a heat exchanger 62 to generate the heat required for the boiler 48 The exhaust gas stream exhausted which still contains considerable energy, can
ensuite être utilisé pour actionner la turbine 56. then be used to drive the turbine 56.
Suivant'la présente invention, une petite quantité de l'effluent de brûleur provenant de la conduite 60 est détournée dans une conduite 64 et sa pression est légèrement accrue par n'importe quel moyen approprié tel qu'une soufflerie 66 Ce gaz According to the present invention, a small amount of burner effluent from line 60 is diverted into line 64 and its pressure is slightly increased by any suitable means such as a blower 66.
dont la pression est à présent légèrement supérieu- whose pressure is now slightly higher than
re à celle des gaz réactifs introduits dans l'empi- to that of the reactive gases introduced into the
lage 10, est acheminé dans l'espace de gaz 15 du ré- 10, is conveyed into the gas space 15 of the
cipient de pression 14, et il s'en échappe continuel- pressure container 14, and it escapes continuously
lement par les joints 29 pour pénétrer dans les col- by the seals 29 to enter the col-
lecteurs de gaz réactifs.reactive gas readers.
Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, l'ef- As mentioned above, the ef-
fluent du brûleur ne contient essentiellement que de fluent burner contains essentially only
l'anhydride carbonique, de l'azote, ainsi qu'une peti- carbon dioxide, nitrogen, and a small amount of
te quantité de vapeur d'eau L'azote est évidemment tout à fait non réactif et non corrosif à l'intérieur de l'empilage 10 L'anhydride carbonique pénétrant dans les collecteurs est, bien entendu, également inoffensif, étant donné que l'anhydride carbonique est un constituant requis du gaz oxydant et qu'il est un sous-produit de la réaction ayant lieu dans la pile côté gaz combustible L'eau en petites quantités est The amount of water vapor is obviously quite unreactive and non-corrosive within the stack. The carbon dioxide entering the collectors is, of course, also harmless, since Carbon dioxide is a required constituent of the oxidizing gas and is a by-product of the reaction taking place in the fuel-side fuel cell. Water in small quantities is
également inoffensive Si, pour l'une ou l'autre rai- equally harmless If, for any reason whatsoever,
son, l'effluent du brûleur 42 devait contenir une quan- the burner effluent 42 should contain a quantity
tité inacceptable d'hydrogène ou d'un autre combusti- unacceptable degree of hydrogen or other
ble, ou encore une quantité inacceptable d'eau, un brûleur et/ou un condenseur supplémentaire(s) séparé(s) pourraient alors être intercalés dans la conduite 64 or an unacceptable quantity of water, an additional burner and / or condenser (s) could then be inserted in the pipe 64
en vue de réduire les quantités de ces constituants. to reduce the amounts of these constituents.
On pense qu'il pourrait être acceptable que le gaz It is thought that it might be acceptable for gas
inerte introduit dans le récipient de pression con- inert introduced into the pressure vessel con-
tienne jusqu'à environ 1,0 % d'oxygène, jusqu'à environ up to about 1.0% oxygen, up to about
2,0 % d'hydrogène et jusqu'à environ 1,0 % de méthane. 2.0% hydrogen and up to about 1.0% methane.
Le facteur de limitation est le rendement du système The limiting factor is the system performance
et il importe peu que les limites de substances com- and it does not matter whether the substance limits
bustibles soient dépassées.busses are exceeded.
La figure 2 est un graphique illustrant l'effet exercé par le gaz inerte pénétrant dans les collecteurs de l'empilage sur le rendement d'ensemble d'une centrale électrique constituée de piles à combustible au carbonate fondu en supposant que cette centrale comporte des empilages constitués chacun de FIG. 2 is a graph illustrating the effect of the inert gas entering the stack manifolds on the overall efficiency of a molten carbonate fuel cell power plant assuming that the plant has stackings. each made up of
525 piles, chaque pile ayant une surface active d'en- 525 cells, each battery having an active surface area of
viron 1,44 m 2 Dans ce graphique, les fuites aux col- viron 1.44 m 2 In this graph, leakage to
lecteurs sont indiquées en m 3 par heure et par empila- readers are given in m 3 per hour and stacked
ge En établissant à l'échelle le débit de fuite se produisant réellement lors d'essais d'empilages-de piles d'une surface active de 0,09 m 2 chacune, on estime que les empilages beaucoup plus volumineux de 525 piles pourraient présenter des fuites à un débit d'environ 6,94 m 3 par heure D'après le graphique, on constate qu'à un débit de fuite de 6,94 m 3/heure, le rendement de la centrale électrique diminue de moins By scaling the leakage rate actually occurring during battery stack tests with an active area of 0.09 m 2 each, it is estimated that the much larger piles of 525 cells could have leaks at a flow rate of about 6.94 m 3 per hour The graph shows that at a leak rate of 6.94 m 3 / hour, the efficiency of the power station decreases by less than
de 0,1 % (comparativement au rendement obtenu en l'ab- 0.1% (compared to the return obtained in the
sence de fuite) - La perte de rendement associée à un débit de fuite même trois ou quatre fois supérieur pourrait être acceptable Une raison pour laquelle la perte de rendement est si faible, réside dans le fait que le gaz inerte utilisé pour la mise sous-pression Leakage) - The loss of efficiency associated with a leakage rate of three or four times higher might be acceptable. One reason that the yield loss is so low is that the inert gas used for pressure
et, partant, la majeure partie de l'énergie qu'il ren- and, therefore, most of the energy it
ferme, ne sont pas perdus pour le système Dans un firm, are not lost to the system In a
essai de la présente invention, un empilage de 20 pi- test of the present invention, a stack of 20
les à électrolyte au carbonate fondu constituées cha- the molten carbonate electrolyte constituted each
cune d'un carré de 30,5 cm x 30,5 cm, a été enfermé dans un récipient de pression en acier A chacun des quatre côtés de l'empilage, était fixé un collecteur de gaz réactifsen acier inoxydable On a utilisé un mat de fibres de zircone d'une épaisseur de 0,254 cm comme matière de joint entre les surfaces latérales 30.5 cm x 30.5 cm square was enclosed in a steel pressure vessel. On each of the four sides of the stack was a stainless steel reactive gas collector. zirconia fibers 0.254 cm thick as a joint material between the side surfaces
de l'empilage et les bords extérieurs des collecteurs. stacking and the outer edges of the collectors.
Des gaz réactifs ont été acheminés dans les collec- Reactive gases were sent to the
teurs à une pression de 9,8 bars On a utilisé un gaz inerte constitué de parties pondérales égales At a pressure of 9.8 bar, an inert gas consisting of equal parts by weight was used.
d'azote et d'anhydride carbonique pour simuler l'ef- nitrogen and carbon dioxide to simulate ef-
fluent gazeux du brûleur Ce gaz a été acheminé dans le récipient de pression à une colonne d'eau de 2,54 gaseous flue gas This gas was fed into the pressure vessel at a water column of 2.54
à 7,62 cm au-delà de la pression des gaz réactifs. at 7.62 cm beyond the pressure of the reactive gases.
Lors d'un fonctionnement en régime permanent, alors When operating in steady state, then
que la température opératoire des piles était d'envi- that the operating temperature of the batteries was approximately
ron 6490 C, on a déterminé que le gaz inerte provenant 6490 C, it has been determined that the inert gas
du récipient de pression s'échappait dans les collec- pressure vessel was leaking into the
teurs de gaz réactifs à un débit d'environ 0,51 m 3/heu- reactive gas at a flow rate of approximately 0.51 m 3 / hr
re, comparativement à des débits de gaz réactifs de re, compared to reactive gas flow rates of
6,75 m 3/heure pour le gaz combustible et de 12,1 m 3/heu- 6.75 m 3 / hour for the combustible gas and 12.1 m 3 / hr
re, pour le gaz oxydant L'empilage a fonctionné nor- re, for the oxidizing gas Stacking functioned normally
malement au cours de cet essai Si cet empilage maliciously during this test If this stacking
faisait partie d'une centrale électrique, le rende- was part of a power plant, making it
ment d'ensemble de cette dernière pourrait être réduit de moins de 0,1 % par suite de la pénétration du gaz inerte dans les collecteurs de gaz réactifs aux débits of the latter could be reduced by less than 0.1% as a result of the penetration of inert gas into flow-reactive gas
indiqués ci-dessus Bien que l'invention ait été illus- above Although the invention has been illustrated
trée et décrite en se référant à une forme de réalisa- described and described with reference to a form of
tion préférée de cette dernière, l'homme de métier com- preferred combination of the latter, a person skilled in the art
prendra que diverses modifications et omissions peu- take that various modifications and omissions may
vent être envisagées tant dans sa forme que dans ses be considered both in its form and in its
détails, sans se départir de son esprit et de son ca- details, without departing from his mind and his
dre.dre.
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