FR2534072A1 - LEAKING GASKET JOINING LEAKS FOR FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF IMPLEMENTING SAME - Google Patents

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FR2534072A1 FR8315497A FR8315497A FR2534072A1 FR 2534072 A1 FR2534072 A1 FR 2534072A1 FR 8315497 A FR8315497 A FR 8315497A FR 8315497 A FR8315497 A FR 8315497A FR 2534072 A1 FR2534072 A1 FR 2534072A1
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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.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1 Système de piles -à combustible comprenant un empilage ( 10) de plusieurs piles à combustible; des collectifs de gaz réactifs extérieurs ( 24, 26, 28, 30) fixés à cet empilage; des éléments étanches aux gaz ( 29) disposés entre les collecteurs de gaz ( 24, 26, 28, 30) et l'empilage ( 10); et un moyen ( 32) destiné à acheminer les gaz réactifs des piles à combustible ( 12) dans les collecteurs ( 24, 26, 28, 30) à une première pression;  A fuel cell system comprising a stack (10) of a plurality of fuel cells; collective reactive gas reactors (24, 26, 28, 30) attached to this stack; gas-tight members (29) disposed between the gas manifolds (24, 26, 28, 30) and the stack (10); and means (32) for conveying the reactive gases of the fuel cells (12) into the manifolds (24, 26, 28, 30) at a first pressure; caractérisé en ce qu'il comprend également un réci-  characterized in that it also comprises a recipe pient de pression ( 14) entourant l'empilage ( 10) et  pressure pillar (14) surrounding the stack (10) and les collecteurs ( 24, 26, 28, 30) en définissant un es-  the collectors (24, 26, 28, 30) by defining a pace de gaz ( 15) entre eux; une source d'un gaz inerte; et un moyen ( 64, 66) destiné à acheminer du gaz inerte de la source précitée dans l'espace de gaz ( 15) défini à l'intérieur du récipient de pression ( 14) et ce, à une seconde pression-supérieure à la première; les éléments étanches aux gaz ( 29) étant conçus et disposés pour permettre le passage continu d'un gaz au  gas pace (15) between them; a source of an inert gas; and means (64, 66) for conveying inert gas from said source into the gas space (15) defined within the pressure vessel (14) at a second pressure greater than first; the gastight elements (29) being designed and arranged to allow the continuous passage of gas at travers, de telle sorte que le gaz inerte s'échappe con-  through, so that the inert gas escapes tinuellement de l'espace de gaz ( 15) et pénètre dans les collecteurs ( 24, 26, 28, 30) de gaz réactifs en passant  from the gas space (15) and into the reactant gas manifolds (24, 26, 28, 30). par ces éléments étanches aux gaz ( 29).  by these gastight elements (29). 2 Système de piles à combustible suivant la re-  2 Fuel cell system according to the vendication 1, caractérisé en ce que les piles à combus-  1, characterized in that the fuel cells tible ( 12) contiennent chacune un électrolyte à base d'un  (12) each contain an electrolyte based on a carbonate fondu.molten carbonate. 3 Système de piles à combustible comprenant: un empilage ( 10) de plusieurs piles à combustible ( 12) contenant chacune un électrolyte à base d'un carbonate fondu; des collecteurs de gaz réactifs extérieurs ( 24, 26, 28, 30) fixés à cet empilage ( 10) et comprenant  A fuel cell system comprising: a stack (10) of a plurality of fuel cells (12) each containing an electrolyte based on a molten carbonate; external reactive gas collectors (24, 26, 28, 30) attached to said stack (10) and comprising un collecteur d'entrée de gaz combustible ( 24) desti-  a fuel gas inlet manifold (24) for né à acheminer un combustible aux piles ( 12), un col-  fuel to the batteries (12), a col- lecteur de sortie de gaz combustible ( 28) destiné à recevoir le combustible épuisé provenant des piles  fuel gas outlet reader (28) for receiving the spent fuel from the batteries ( 12), un collecteur d'entrée de gaz oxydant ( 26) des-  (12), an oxidizing gas inlet manifold (26) of tiné à acheminer le gaz oxydant aux piles, ainsi qu'un  to feed the oxidizing gas to the batteries, as well as collecteur de sortie de gaz oxydant ( 30) destiné à re-  an oxidizing gas outlet manifold (30) for cevoir le gaz oxydant épuisé provenant des piles ( 12); des éléments étanches aux gaz ( 29) disposés entre les collecteurs de gaz ( 24, 26, 28, 30) et l'empilage  see the spent oxidizing gas from the cells (12); gas-tight members (29) disposed between the gas manifolds (24, 26, 28, 30) and the stack un moyen ( 32) -destiné à acheminer un gaz combus-  means (32) for conveying a fuel gas tible à une première pression dans le collecteur d'en-  at a first pressure in the collector of trée de gaz combustible ( 24) et ( 36) un gaz oxydant à cette première pression dans le collecteur d'entrée de gaz oxydant ( 26); et un moyen ( 34, 52, 60, 36) destiné à acheminer au moins une partie du gaz combustible épuisé du collecteur de sortie de gaz combustible ( 28) dans le collecteur de gaz oxydant ( 26);  fuel gas (24) and (36) an oxidizing gas at said first pressure in the oxidant gas inlet manifold (26); and means (34, 52, 60, 36) for conveying at least a portion of the spent fuel gas from the fuel gas outlet manifold (28) into the oxidizing gas manifold (26); caractérisé en ce qu'il comprend également un réci-  characterized in that it also comprises a recipe pient de pression ( 14) entourant l'empilage ( 10) et les collecteurs ( 24, 26, 28, 30) en définissant un espace de gaz ( 15) entre eux; un brûleur ( 42);  pressure pusher (14) surrounding the stack (10) and the collectors (24, 26, 28, 30) defining a gas gap (15) therebetween; a burner (42); un moyen ( 34) destiné à acheminer au moins une par-  means (34) for conveying at least one tie du gaz combustible épuisé du collecteur de sortie de  exhausted fuel gas from the exhaust manifold gaz combustible ( 28) dans ce brûleur ( 42) en vue de pro-  fuel gas (28) in this burner (42) for duire un gaz inerte; ainsi qu'un moyen ( 64, 66) destiné  to produce an inert gas; and means (64, 66) for -à acheminer au moins une partie de ce gaz inerte du brû-  to convey at least a portion of this inert gas from the burner leur ( 42) dans l'espace de gaz ( 15) défini à l'intérieur  their (42) in the gas space (15) defined inside du récipient de pression ( 14) et ce, à une seconde pres-  of the pressure vessel (14) to a second sion supérieure à la première; les éléments étanches aux gaz ( 29) étant conçus et disposés pour permettre le passage continu d'un gaz au  greater than the first; the gastight elements (29) being designed and arranged to allow the continuous passage of gas at travers, de telle sorte cue le gaz inerte s'échappe con-  through, so that the inert gas escapes tinuellement de l'espace de gaz ( 15) défini dans le ré-  of the gas space (15) defined in the cipient de pression ( 14) et pénètre dans les -collecteurs d'entrée et de sortie de gaz combustible ( 24, 28) et de gaz oxydant ( 26, 30) en passant par ces éléments étanches  pressure vessel (14) and enters the fuel gas (24, 28) and oxidizing gas (26, 30) inlet and outlet collectors through these sealed elements aux gaz ( 29).with gases (29). 4 Système de piles à combustible suivant la re-  4 Fuel cell system according to the vendication 3, caractérisé en ce qu'un appareil de con-  3, characterized in that an apparatus for con- ditionnement de combustible( 40) est prévu à l'extérieur du récipient de pression ( 14) en vue de transformer un combustible carboné en un gaz riche en hydrogène, le moyen ( 32) destiné à acheminer un gaz combustible dans  fuel assembly (40) is provided outside the pressure vessel (14) for converting a carbonaceous fuel into a hydrogen-rich gas, the means (32) for conveying a fuel gas through le collecteur d'entrée de combustible comprenant un élé-  the fuel inlet manifold comprising an element ment pour acheminer, dans ce dernier, le gaz riche en hydrogène produit dans cet appareil de conditionnement de combustible ( 40), tandis que le brûleur ( 42) est dans une relation d'échange de chaleur avec cet appareil de conditionnement de combustible ( 40) en vue de fournir de  the hydrogen-rich gas produced in this fuel conditioning apparatus (40), while the burner (42) is in a heat exchange relationship with this fuel conditioning apparatus (40). ) to provide la chaleur à ce dernier.heat to the latter. Procédé de mise en service d'un système de pi- les à combustible suivant la revendication 1, 2, 3 ou 4,  A method of commissioning a fuel rod system according to claim 1, 2, 3 or 4, ce système comprenant un empilage ( 10) de plusieurs pi-  this system comprising a stack (10) of several pins les à combustible ( 12), ainsi que des collecteurs d'en-  the fuel (12), as well as trée et de sortie de gaz réactifs combustible ( 24, 28) et oxydant ( 26, 30) fixés aux côtés ( 16, 18, 20, 22) de  fuel gas (24, 28) and oxidant (26, 30) attached to the sides (16, 18, 20, 22) of cet empilage ( 10) pour acheminer ces gaz aux piles à combus-  this stack (10) for conveying these gases to the fuel cells. tible ( 12) de l'empilage ( 10) et pour recevoir les gaz réactifs combustible et oxydant épuisés provenant de ces  tible (12) of the stack (10) and to receive the spent fuel and oxidant reactive gases from these piles ( 12), les gaz réactifs contenus dans les collec-  batteries (12), the reactive gases contained in the teurs ( 24, 26, 28, 30) et l'empilage ( 10) étant à une  tors (24, 26, 28, 30) and the stack (10) being at a première pression, tandis que l'empilage ( 10) est dis-  first pressure, while the stack (10) is posé dans un récipient de pression ( 14) qui définit un espace de gaz ( 15) autour de ce dernier, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à;  placed in a pressure vessel (14) which defines a gas space (15) around the latter, characterized in that it comprises the steps of; assurer une alimentation continue d'un gaz in-  ensure a continuous supply of erte dans l'espace de gaz ( 15) précité à une secon-  in the above-mentioned gas space (15) at a second de pression supérieure à la première; et laisser ce gaz inerte s'échapper continuellement  pressure greater than the first; and let this inert gas continually escape de l'espace de gaz ( 15) et pénétrer dans les collec-  gas space (15) and enter the teurs de gaz réactifs ( 24, 26, 28, 30).  reactant gases (24, 26, 28, 30). 6 Procédé de mise en oeuvre d'un système de  6 Method for implementing a system of piles à combustible suivant la revendication 5, ca-  fuel cells according to claim 5, ractérisé en ce que l'étape de chargement d'un gaz inerte dans l'espace de gaz ( 15) consiste à brûler au moins une partie du gaz combustible épuisé pour le transformer en un gaz inerte, et acheminer au  characterized in that the step of charging an inert gas into the gas space (15) comprises burning at least a portion of the spent fuel gas to an inert gas, and moins une première partie de ce gaz combustible é-  least a first part of this combustible gas puisé brûlé dans l'espace de gaz ( 15).  burnt in the gas space (15). 7 Procédé de mise en oeuvre d'un système de  7 Method for implementing a system of piles à combustible suivant la revendication 6, ca-  fuel cells according to claim 6, ractérisé en ce que chacune des piles ( 12) à combus-  characterized in that each of the fuel cells (12) tible contient un électrolyte à base d'un carbonate fondu, ce procédé comprenant également l'étape qui consiste à introduire, dans le collecteur d'entrée de gaz réactif oxydant ( 26), une seconde partie du  This process also includes the step of introducing into the inlet manifold of oxidizing reactive gas (26) a second portion of the oxidant reactant gas (26). gaz combustible épuisé brûlé.spent fuel gas burned. 8 Procédé de mise en oeuvre d'un système de  8 Method for implementing a system of piles à combustible suivant la revendication 7, ca-  fuel cells according to claim 7, ractérisé en ce qu'on prévoit un appareil de condi-  characterized in that a condition apparatus is provided tionnement de combustible ( 40) destiné à transformer  fueling (40) for transforming un combustible hydrocarboné en un gaz riche en hydro-  a hydrocarbon fuel into a gas rich in hydro- gène qui est le gaz réactif combustible pour les piles ( 12), l'étape de combustion fournissant, à l'appareil  which is the combustible reactive gas for the batteries (12), the combustion step providing, to the device de conditionnement de combustible ( 40), la chaleur né-  of fuel conditioning (40), the heat generated cessaire pour la transformation du combustible hydro-  necessary for the conversion of hydro- carboné en un gaz réactif combustible riche en hydro-  carbon dioxide into a combustible gas-rich reactive gas gène.gene.
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EXTENDED ABSTRACTS, vol. 80-2, 1980, pages 354-356, no. 130, Pennington, New Jersey, US; P.S.PATEL et al.: "Pressurization of the molten carbonate fuel cell" *
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