PT2226411E

PT2226411E - Processo para garantir e controlar a segurança e os desempenhos de um electrolisador

Info

Publication number: PT2226411E
Application number: PT09003284T
Authority: PT
Inventors: Helmut Lademann; Georges Simard; Gilles Tremblay; Said Berriah
Original assignee: Rech 2000 Inc
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2012-10-04
Also published as: ES2390635T3; PL2226411T3; EP2226411B1; EP2226411A1

Description

ΕΡ2226411Β1

DESCRIÇÃO

PROCESSO PARA GARANTIR E CONTROLAR A SEGURANÇA E OS DESEMPENHOS

DE UM ELECTROLISADOR 0 presente invento refere-se a um processo para controlar e garantir a segurança e desempenhos de um electrolisador num processo de fabrico que usa pelo menos uma célula de electrólise contendo um cátodo e um ânodo separados por uma membrana. 0 presente invento refere-se igualmente a um sistema para controlar e garantir a segurança e desempenhos de um electrolisador num processo de fabrico executado numa unidade de fabrico que usa pelo menos uma célula de electrólise capaz de executar o referido processo. A eletrólise é usada para produzir substâncias quimicas de maior valor em diferentes áreas da indústria quimica, tais como a produção de clorato de sódio, soda cáustica e cloro. Normalmente, a electrólise é feita num electrolisador compreendendo um ânodo onde se efectua a reacção de oxidação, um cátodo onde se efectua a reação de redução, estando estes dois eléctrodos separados por uma membrana de permuta iónica.

Um electrolisador é constituído normalmente por uma célula de electrólise 2 compreendendo um ânodo 3 e um cátodo 5 (ver figura 1). É no ânodo 3 que se efectua a oxidação e é no cátodo 5 que o agente oxidante é reduzido electroquimicamente. Os 1 ΕΡ2226411Β1 eletrões são gerados no ânodo 3 e passam através de uma carga externa para o cátodo 5. Os iões fluem entre o ânodo 3 e o cátodo 5 num electrólito para completar o circuito. Uma membrana fina de permuta de protões 7 permite a passagem dos iões do compartimento anódico para o compartimento catódico.

No caso de produção de cloro, a salmoura saturada (cloreto de sódio, NaCl) é proporcionado no lado do ânodo da célula onde os iões de cloreto (Cl-) são oxidados para cloro (Cl2) . No lado do cátodo da célula, a água é reduzida para hidrogénio (H2) e iões hidróxido (OH-) . Estes últimos combinam com os iões de sódio (Na+) , migrando através da membrana do lado do ânodo, para formar soda cáustica (NaOH).

As formas através das quais os ânodos e cátodos estão ligados diferem consoante a tecnologia. Os eléctrodos podem estar ligados em paralelo, em série ou numa sua combinação.

Um dos problemas associados à monitorização de células de electrólise são as condições extremamente hostis nas quais funcionam. Isto torna a aquisição de dados difícil e pouco fiável. Sabe-se que a tensão única da célula responde sem atraso a uma avaria de uma célula. Mas a tensão única da célula também muda durante o funcionamento normal, por exemplo durante uma mudança de carga. Os sistemas de monitorização de tensão única conhecidos não são precisos nem suficientemente fiáveis para funcionar como um sistema seguro num compartimento de célula e para cobrir a classe de elevado risco, em particular no caso de células que estão a produzir cloro e/ou hidrogénio. Por vezes são usados para parar o processo através do sistema 2 ΕΡ2226411Β1 de controlo principal do processo, se for atingido um determinado nível de tensão alta. Na prática, o nível de integridade de segurança destes sistemas não está de acordo com o nível de risco e os diferentes tipos de avarias, que podem ser detectados, são limitados. É vulgar instalar, como um sistema de segurança, um sistema de monitorização de tensão de equilíbrio que compara a tensão média de um grupo de células com a tensão média de outro grupo. Este método não é fiável. Durante um curto-circuito, por exemplo, uma tensão única diminui e as duas tensões únicas das células vizinhas aumentam. Portanto, a tensão média do grupo não se altera.

Também é vulgar analisar a qualidade do produto para detetar uma avaria numa célula. Por exemplo, uma membrana defeituosa no caso da produção de cloro, soda cáustica e hidrogénio através da electrólise de salmoura contendo NaCl resulta numa mistura explosiva de hidrogénio no cloro. Na maior parte das instalações é instalado um analisador após o refrigerador principal de cloro. Portanto, em teoria, só pode evitar-se uma explosão fora do compartimento de células. Mas na prática também se verificaram explosões na secção de tratamento de cloro devido ao tempo de respostas de minutos desse analisador, que é normalmente um cromatrógraf o a gás ou um detector de condutividade térmica. 0 principal objectivo deste invento consiste em proporcionar um processo e um sistema trabalhando em conjunto como um sistema de segurança de acordo com a SIL 2 da IEC 61511 3 ΕΡ2226411Β1 para detectar qualquer avaria de uma célula e para desligar a célula antes da ocorrência de um risco.

Um objectivo do invento consiste, portanto, em proporcionar um processo eficaz para controlar uma electrólise e para determinar se as células individuais estão a falhar ou a ter um mau desempenho.

Para esta finalidade, um aspecto deste invento consiste em proporcionar um processo para controlar a segurança e desempenhos do electrolisador num processo de fabrico que usa pelo menos uma célula de electrólise contendo pelo menos um cátodo e pelo menos um ânodo, compreendendo os passos de: A) determinar o intervalo operacional de tensão única segura em função da corrente e correspondente a uma célula de electrólise funcionando normalmente (2); B) determinar um desvio de tensão única de referência em função da derivação temporal da corrente; C) medir a tensão única no decurso do tempo nos terminais da célula de electrólise; D) determinar o desvio de tensão única medido por cálculo da derivada temporal da tensão única medida; E) comparar a tensão única medida de uma célula com o intervalo operacional de tensão única segura e o desvio de tensão única medido de uma célula com o desvio de tensão 4 ΕΡ2226411Β1 de referência e o desvio de tensão única medido de uma célula com o desvio de tensão média de um grupo de células de referência no decurso do tempo; F) parar o processo de fabrico quando a tensão única medida está fora do intervalo operacional de tensão única segura ou a diferença entre o desvio de tensão única medido e o desvio de tensão de referência está fora de um intervalo pré-determinado ou o comportamento de uma tensão única é diferente da média de um grupo de células da referência. 0 método do invento permite comparar a tensão real medida nos terminais da célula de electrólise assim como o seu desvio de tensão e comparar estes dados reais com o de referência no qual a célula de electrólise trabalha normalmente, isto é, que não pode ocorrer nenhum evento que conduza a danos ou à destruição de uma célula de electrólise. 0 funcionamento normal da célula de electrólise é determinado por algumas condições, tais como a idade e/ou desempenho desta célula.

Verificou-se surpreendentemente que a maioria dos eventos responsáveis por danos e/ou destruição de uma célula de electrólise afecta a tensão em cada célula de electrólise ou envolve uma grande variação desta última ao fim de um curto período de tempo. 5 ΕΡ2226411Β1

Portanto, ο utilizador do processo pode determinar quando os dados reais não correspondem aos dados normais medidos quando a célula de electrólise trabalha normalmente.

Neste caso, é executado um passo de paraqem do processo de fabrico para evitar qualquer situação critica.

Exemplos de casos de danos e/ou de destruição de uma célula de electrólise podem compreender: perda de revestimento do ânodo, perda de revestimento do cátodo, envenenamento do cátodo, passivação do eléctrodo, bloqueio na célula de electrólise ou circuito de solução, problema com a purificação, alimentação insuficiente de salmoura, perda de fluxo de soda cáustica, perfuração da membrana, empolamento da membrana, incrustação da membrana e perfuração da membrana.

Consequentemente, o processo do presente invento é eficaz para controlar uma eletrólise e para detectar qualquer anomalia. A detecção precoce de qualquer anomalia sem alarmes falsos exige um intervalo operacional especifico da célula. Assim, o primeiro passo do processo do presente invento é a análise do comportamento normal com curvas de polarização. Com base nos resultados é definido o intervalo operacional permitido (figura 4) .

De preferência, tensão única segura os limites do intervalo operacional de são a tensão máxima Umax(t) e a tensão 6 ΕΡ2226411Β1 mínima Umin(t) em função da corrente I e do tempo t determinados respectivamente pelas fórmulas seguintes:

em que: 1 (t) é a corrente que atravessa a célula;

Uo,min e U0,max estão compreendidos respectivamente entre 2,20 V e 2,40 V e entre 2,60 V e 2,80 V; kmin (27) e kmax (2 9) estão compreendidos respectivamente entre 0,05 V.kA.rrf2 e 0,15 V.kA.irT2 e entre 0,15 V.kA.m”2 e 0,25 V.kA.m”2; e A está compreendido entre 1,5 m2 e 5,4 m2.

De preferência, o desvio de tensão de referência é igual a

em que k está compreendido entre 0,1 V.kA.m2 e 0,2 V.kA.m2 e A está compreendido entre 1,5 m2 e 5,4 m2.

De preferência, o método é aplicado a uma pluralidade de células de electrólise montadas em série.

De preferência, é electrolisada uma solução aquosa compreendendo um sal de cloreto. 7 ΕΡ2226411Β1

Outro aspecto deste invento consiste em proporcionar um sistema para garantir e controlar a segurança e desempenhos de um electrolisador num processo de fabrico conduzido numa unidade de fabrico que utiliza pelo menos uma célula de electrólise capaz de conduzir o processo de acordo com o invento, o referido sistema compreendendo: A) uma pluralidade de unidades de aquisição e de transmissão, estando cada uma das referidas unidades de aquisição e de transmissão configurada para medir a tensão única nos terminais de cada célula de electrólise no decurso do tempo de acordo com o passo C e para transmitir a tensão medida; B) um dispositivo de tratamento para recolher a tensão medida única transmitida por cada uma das referidas unidades de aquisição e de transmissão configurado para executar os passos A, B, D e E para transmitir os dados para meios de transmissão; e C) uma unidade de transmissão configurada para implementar o passo F com os dados emitidos pelo dispositivo de tratamento e para transmitir uma ordem de paragem do processo de fabrico.

De preferência, o dispositivo de tratamento está ligado a um servidor para receber e analisar os dados emitidos pelo dispositivo de tratamento. 8 ΕΡ2226411Β1

De preferência, o dispositivo de tratamento está ligado a um dispositivo intermédio configurado para retransmitir e/ou formatar os dados determinados para o servidor.

De preferência, as unidades de aquisição e de transmissão estão ligadas ao dispositivo de tratamento por pelo menos uma fibra óptica. 0 invento também se refere a um produto de programa informático compreendendo uma ou mais sequências de instrução guardadas que são acessíveis a um processador e que, quando são executadas pelo processador, levam o processador a executar oOs passos do processo do invento. 0 invento também se refere a um meio legível por computador que executa uma ou várias sequências de instruções do produto de programa informático do invento.

De preferência, o dispositivo de tratamento compreende meios para implementar o meio legível por computador. 0 invento será melhor compreendido através da descrição seguinte e é ilustrado pelas seguintes figuras: - Figura 1 é uma vista esquemática de um electrolisador; - Figura 2 é uma vista esquemática de uma célula para a electrólise de cloreto de sódio; 9 ΕΡ2226411Β1 - Figura 3 é um diagrama esquemático de um processo do invento; - Figura 4 é uma curva de polarização de uma célula de electrólise; - Figura 5 é uma vista esquemática de um sistema de acordo com uma forma de realização do invento; - Figura 6 é uma vista do corte VI da figura 5.

Os elementos nas figuras estão ilustrados por motivos de simplicidade e clareza e não estão necessariamente desenhados à escala. Por exemplo, as dimensões de alguns dos elementos na figura podem ser exageradas relativamente a outros elementos, para ajudar a melhorar o entendimento das formas de realização do presente invento.

Tal como indicado nas figuras 1 e 2, uma célula 2 pertencendo ao electrolisador 1 compreende um ânodo 3 e um cátodo 5 entre os quais é colocado uma membrana de permuta iónica 7. 0 ânodo 3 pode ser feito num substracto de titânio com um catalisador à base de um metal nobre. 0 cátodo 5 pode ser feito num substracto de niquel com um catalisador à base de metal nobre. 10 ΕΡ2226411Β1 A membrana 7 pode ser feita em polímeros perfluorados com grupos carboxílico e sulfónico substituídos. A célula 2 pode ser cheia com uma solução aquosa 9 de uma salmoura saturada contendo cloreto de sódio no lado de ânodo 5 da célula onde os iões de cloreto são oxidados para cloro 10. No lado de cátodo 5 da célula, a água 13 que forma o electrólito é reduzida para hidrogénio 15 e iões hidróxido 17, que são extraídos da célula 1. Estes últimos combinam com os iões de sódio, migrando através da membrana 7 do lado do ânodo 5, para formar soda cáustica.

Noutra forma de realização do invento, é usada uma solução de cloreto de potássio saturado, que resulta na formação de uma potassa cáustica dentro do compartimento de cátodo 5.

De acordo com uma forma de realização do invento, é usado ácido clorídrico, que resulta na formação de água no interior do compartimento de cátodo 5.

De acordo com outra forma de realização do invento, o material do cátodo 5 pode estar adaptado para consumir oxigénio em vez de produzir hidrogénio.

Surpreendentemente, verificou-se que um envenenamento do cátodo e da membrana, uma perda de revestimento do ânodo e cátodo e uma passivação do eléctrodo começam com um ligeira aumento de tensão, que se desenvolve exponencialmente. Se a electrólise não for parada, o electrólito entrará em ebulição e as membranas e/ou tubos serão destruídos. No caso de uma falha 11 ΕΡ2226411Β1 de membrana, a tensão irá cair de anormalmente alta para anormalmente baixa devido a curtos-circuitos internos ou externos, ou produzir-se-á oxigénio em vez de cloro como consequência da mistura de electrólitos, salmoura e soda cáustica.

Além disso, no caso de insuficiente alimentação de electrólito, falha de controlo da temperatura e concentração, a tensão subirá rapidamente e o electrólito pode entrar em ebulição.

No caso de um diferencial de pressão fora do intervalo, uma pressão diferencial inversa tende a levar a um aumento de tensão logo que a membrana começa a falhar, a tensão diminui.

Os furos, rasgões e bolhas da membrana resultam numa tensão anormalmente baixa.

As células com fugas apresentam uma tensão anormalmente baixa se os electrólitos se misturarem, ou anormalmente alta se um compartimento ficar seco.

Um curto-circuito afecta normalmente a tensão da célula das três células. Verificou-se que a tensão da célula na célula do meio é anormalmente baixa e as tensões da célula das células vizinhas são anormalmente altas.

Em resumo, a tensão da célula afectada aumenta e/ou diminui significativamente a curto prazo e sai da faixa operacional permitida, que depende da corrente actual. 12 ΕΡ2226411Β1

Tal como ilustrado nas figuras 2 e 3, o processo 101 do invento compreende os passos de: A) determinar o intervalo operacional de tensão única segura em função da corrente e correspondendo a uma célula de electrólise funcionando normalmente (2); B) determinar um desvio de tensão única de referência em função da derivação temporal da corrente gue passa através da célula; C) medir a tensão única no decurso do tempo nos terminais (303, 305) da célula de electrólise (2); D) determinar o desvio de tensão única medido por cálculo da derivada temporal da tensão única medida; E) comparar a tensão única medida de uma célula com o intervalo operacional de tensão única segura e o desvio de tensão única medido de uma célula com o desvio de tensão de referência e o desvio de tensão única medido de uma célula com o desvio de tensão média de um grupo de células de referência no decurso do tempo; F) parar o processo de fabrico guando a tensão única medida está fora do intervalo operacional de tensão única segura ou a diferença entre o desvio de tensão única medido e o desvio de tensão de referência está fora de um intervalo pré-determinado ou o comportamento de uma tensão 13 ΕΡ2226411Β1 única é diferente da média de um grupo de células da referência. 0 processo 101 do invento permite a detecção de um valor anormal da tensão nos terminais 3 e 5 de pelo menos uma das células de electrólise 2, assim como uma variação anormal desta última. Portanto, o processo implica a monitorização da tensão e corrente da célula e a paragem do processo de fabrico se a tensão da célula estiver fora do intervalo permitido, antes de uma libertação de cloro 10 e/ou hidrogénio 15 ou, antes da ocorrência de uma mistura explosiva de cloro e hidrogénio.

De acordo com uma forma de realização do invento, o processo pode ser aplicado a uma pluralidade de células de electrólise, tal como duas, dez ou uma centena.

Mais precisamente, o passo A do método do invento implica a determinação de um intervalo operacional de tensão única segura no qual a célula de electrólise funciona normalmente. No sentido do invento, o fraseado "funciona normalmente" corresponde a uma electrólise numa célula de electrólise 2 na qual não existe risco de explosão ou de danos da célula de electrólise 2.

No caso de uma pluralidade de células de electrólise 2 monitorizadas por um processo 101 de acordo com o invento, as células de electrólise 2 podem ser idênticas ou diferentes. O intervalo operacional normal depende do desempenho da membrna instalada, do espaço entre eléctrodos, do tipo de catalisador nos ânodos e cátodos, etc. 14 ΕΡ2226411Β1 A definição do intervalo operacional de tensão única segura depende também do processo e do fornecedor de tecnologia da célula de electrólise 2.

Os limites do intervalo operacional de tensão única segura do passo A do processo do invento podem ser determinados por testes ou, numa forma de realização preferida, calculando o valor da tensão máxima e da tensão minima da célula de electrólise 2 para cada momento. 0 cálculo pode ser executado por estas fórmulas:

em que U0,m±n/· U0,maxf kmin e kmax são determinados pela curva de polarização da célula (ver figura 4).

Na figura 4 ilustra-se uma curva de polarização real 20 que está envolvida por duas curvas de polarização 21 e 22. A curva de polarização 20 é obtida reportando a tensão real (U) nos terminais 303 e 305 da célula 2 medida com uma determinada intensidade (I) (ver figura 2).

As duas curvas 21 e 22 limitam o funcionamento normal da célula de electrólise 2. São calculadas durante o passo A do processo deste invento. O intervalo operacional permitido resultante cobre as flutuações normais dos parâmetros U0 e k. O processo deste invento inclui um módulo de programa informático 15 ΕΡ2226411Β1 para determinar as curvas 1 e 2 a partir de dados históricos. Mas também podem ser gerados com parâmetros dados pela células ou fornecedores de componente da célula. A curva de polarização real 20 apresente uma inclinação real 25 representando o efeito resistivo da célula 2. Esta inclinação real 25 é envolvida pelas inclinações mínima 27 e máxima 29, kmin e kmax das duas curvas de polarização teóricas 21 e 22. kmin pode estar compreendido entre 0,05 V.kA.rrf2 e 0,15 V.kA.rrf2, cerca de 0,10 V.kA.rrf2. kmax pode estar compreendido entre 0,15 V.kA.rrf2 e 0,25 V.kA.rrf2, isto é, cerca de 0,20 V.kA.rrf2.

Uo,min e U0,max da fórmula correspondem à intersecção com o eixo de tensão da curva de polarização 31 e 33.

Uo,min pode estar compreendido entre 2,20 V e 2,40 V, isto é, cerca de 2,30 V.

Uo,max pode estar compreendido entre 2,60 V e 2,80 V, isto é, cerca de 2,70 V. A é a superfície total da célula e está compreendida normalmente entre 1,5 m2 e 5,4 m2, isto é, à volta de 3,0 m2. I (t) é a corrente que atravessa a célula. 16 ΕΡ2226411Β1

Portanto, ο limite do intervalo operacional de tensão única segura depende do tempo.

Normalmente, o intervalo operacional de tensão única segura é à carga máxima (6 kA.m-2) inferior a ±500 mV. Mas uma das vantagens do sistema deste invento é a sua precisão de ±1,5 mV, que permite a detecção o mais cedo possível do comportamento anormal através do controlo do desvio da tensão no decurso do tempo (passo E do método). A manutenção preventiva evita perdas de produção súbitas devido a paragens de emergência. O passo B é executado determinando o desvio de tensão de referência determinado pela derivada temporal da corrente que atravessa a célula.

De acordo com uma forma de realização preferida do invento, o desvio de tensão de referência é obtido pela fórmula:

em que k é a inclinação 25 da curva de polarização real e está compreendida entre 0,10 V.kA.nT2 e 0,20 V.kA.irú2, cerca de 0,15 V.kA.irT2; e A é a superfície total da célula 2 e está normalmente compreendida entre 1,5 m2 e 5,4 m2, cerca de 3,0 m2. 17 ΕΡ2226411Β1 Ο passo C é executado medindo a tensão no decurso do tempo nos terminais 303 e 305 de uma célula de electrólise ou de cada uma da pluralidade de células (ver figura 2). De acordo com uma variante, a tensão pode ser medida com um intervalo de tempo regular, tal como um segundo e/ou um minuto. O passo D é executado determinando o desvio de tensão medido calculando a derivada temporal da tensão medida. O passo E é executado comparando a tensão medida com o intervalo operacional de tensão única segura e o desvio de tensão medido com o desvio de tensão de referência no decurso do tempo. O passo F é executado parando o processo de fabrico quando a tensão medida está fora do intervalo operacional da tensão única segura ou a diferença entre o desvio de tensão medido e o desvio de tensão de referência está fora de um intervalo pré-determinado .

De acordo com uma forma de realização preferida, o intervalo pré-determinado está compreendido entre ±50 mV e ±500 mV.

Os passos D, E e F podem ser executados por um programa informático adequado executado por um computador.

Portanto, o processo 101 do invento apresenta a vantagem de poder detectar qualquer problema que ocorra durante o 18 ΕΡ2226411Β1 funcionamento de uma ou de uma pluralidade de células de electrólise 2 em pouco passos.

Tal como indicado acima, no caso de uma pluralidade de células de electrólise 2, estas últimas são montadas em série. A tensão medida é, então, a tensão medida nos terminais 303 e 305 de cada célula de electrólise 2 (ver figura 2). A quantidade de células de electrólise 2 montadas em série pode estar normalmente compreendida entre 1 e 200 células de electrólise 2 por electrolisador 1. O potencial quimico exigido para que a reacção se faça pode estar compreendido entre 2 VDC e 4 VDC. No caso, 200 células de electrólise 2 são montadas em série, o potencial total do electrolisador 1 do princípio ao fim podendo chegar aos cerca de 800 VDC. A corrente necessária para a electrólise depende da superfície dos eléctrodos 3 e 5 e da velocidade de produção desejada. Por exemplo, a célula de electrólise 2 pode funcionar entre 2 kA.irT2 e 7 kA.irf2.

Tal como ilustrado na figura 5, o processo 101 do invento pode ser implementado por meio de um sistema 201 para controlar os desempenhos de um electrolisador 1 num processo de fabrico que usa pelo menos uma célula de electrólise 2, tal como acima descrito, o referido sistema 201 compreendendo: 19 ΕΡ2226411Β1 A) uma pluralidade de unidades de aquisição e de transmissão 203, estando cada uma das referidas unidades de aquisição e de transmissão 203 configurada para medir a tensão única nos terminais 303, 305 de cada célula de electrólise 2 no decurso do tempo de acordo com o passo C e para transmitir a tensão medida; B) um dispositivo de tratamento 205 para recolher a tensão medida única transmitida por cada uma das referidas unidades de aquisição e de transmissão (203) configurado para executar os passos A, B, D e E para transmitir uma ordem de paragem a um sistema de paragem 207; e C) uma unidade de paragem 207 ligada à unidade de fabrico compreendendo o electrolisador 1, na qual se efectua o processo de fabrico, configurada para parar o processo de fabrico de acordo com uma ordem emitida pelo dispositivo de tratamento 205. A unidade de aquisição e de transmissão de dados 203 destina-se a medir a tensão nos terminais 303 e 305 de cada célula de electrólise 2 no decurso do tempo de acordo com o passo C e a transmitir a tensão medida. A medição da tensão pode ser executada usando fios metálicos 211 ligados às entradas da referida unidade de aquisição 203. Para aumentar a precisão dos valores medidos e a minimização de ruído, os fios 211 podem estar concentrados num cabo multicabos protegido. Tal como está ilustrado pela figura 6, os fios 211 podem estar ligados aos terminais 303 e 305 de 20 ΕΡ2226411Β1 uma célula de electrólise 2 através de quaisquer meios conhecidos de quem tem competência na técnica, tal como parafusos.

Um dispositivo TFP (Terminal Fuse Protection - protecção terminal do fusivel) 213 pode ser colocado entre as células de electrólise 2 e a unidade de aquisição e de transmissão 203. A unidade de aquisição e de transmissão 203 pode conter, especificamente, dispositivos de equipamento capazes de recolherem dados de uma, ou de uma pluralidade de células de electrólise 2, e de transmiti-los para as outras unidades. Pode incluir placas electrónicas chamadas MODA (Module Acquisition -aquisição de módulo) que medem pelo menos uma das tensões nos terminais 303 e 305 da célula de electrólise 2, e pode ainda estar adaptado para medir outras variáveis tais como temperaturas e concentrações de gás medidas por sensores adequados. As MODA contém conversores A/D que convertem os sinais analógicos em sinais digitais com uma velocidade de amostragem definida, buffers de memória, filtros digitais que eliminam o ruido indesejado e, no núcleo, um microcontrolador usado para correr os processos de aquisição e de transmissão. Os componentes das unidades de aquisição 203 podem estar contidos numa caixa hermética que os protegem do ambiente envolvente hostil.

Todos os dados emitidos pela unidade de aquisição e de transmissão 203 são enviados para o dispositivo de tratamento chamado SFOCOM (SIL Fibre Optic Communication Module - módulo SIL de comunicação por fibra óptica). 21 ΕΡ2226411Β1

De acordo com uma forma de realização preferida do invento, os dados são enviados por fibra óptica 204. O SFOCOM 205 é uma placa ligada num computador pessoal ou terminal. É capaz de receber, concentrar e formatar os fluxos de dados em fiadas de dados para os transformar em graváveis pela base de dados e unidade de gestão de dados 215. O SFOCOM 205 está localizado, de preferência, numa caixa hermética 209 chamada ECAM, permitindo o fornecimento de energia do dispositivo de tratamento 205. O dispositivo de tratamento 205 pode compreender meios para implementar um produto de programa informático capaz de executar o método do invento. O SFOCOM 205 está também ligado a uma base de dados e unidade de gestão de dados 215, tal como um servidor, para receber os dados emitidos pelo SFOCOM 205. O servidor 215 está equipado com uma base de dados para guardar todos os dados e eventos amostrados para mais investigação se ocorrer alguma situação anormal.

Um dispositivo intermédio 221, chamado EFOCOM (Ethernet Fibre Optic Ccommunication Module - módulo de Ethernet de comunicação por fibra óptica) pode ser usado para ligar o SFOCOM 205 com o servidor 215. O dispositivo intermédio 221 pode retransmitir os dados recolhidos pelo SFOCOM 205 para o servidor 215. 22 ΕΡ2226411Β1 0 dispositivo intermédio 221 é usado principalmente para efeitos de transmissão de dados e para a execução de outros algoritmos de supervisão avançados, se necessário. A unidade de transmissão 223 está ligada ao dispositivo de tratamento 205. A unidade 223 está configurada para implementar o passo F com os dados emitidos pelo dispositivo de tratamento e para transmitir uma ordem para parar o processo de fabrico. A ordem emitida pela unidade de transmissão 223 é enviada para uma unidade de paragem 207 que pode parar a electrólise enviando uma ordem enviada pelo SFOCOM 205. A unidade de paragem 207 pode ser, por exemplo, o sistema de controlo digital da instalação (DCS - Digital Control System) e/ou o sistema de controlo do rectificador do transformador. A ligação entre o SFOCOM 205, o servidor 215, a unidade de transmissão 223 e, se necessário, o EFOCOM 221, pode ser feita usando fibras ópticas. O processo e sistema do invento descrito aplicam-se a uma electrólise executada num electrolisador. Em particular, também pode ser usado numa célula de combustível.

Uma célula de combustível é um tipo especial de electrolisador que é usado como um gerador. Converte a energia química de um combustível em energia eléctrica. Uma célula de combustível é constituída normalmente por um conjunto de células de electrólise 2, compreendendo cada uma um ânodo 3 e 23 ΕΡ2226411Β1 um cátodo 5. É no ânodo 3 que o combustível é oxidado electroquimicamente e é no cátodo 5 que o agente oxidante é reduzido electroquimicamente. Os electrões são gerados no ânodo 3 e correm através de uma carga externa para o cátodo 5. Os iões correm entre o ânodo 3 e o cátodo 5 num electrólito para completar o circuito. Uma fina membrana de permuta de protões 7 permite a passagem dos iões do compartimento anódico para o compartimento catódico.

Existem diferentes tecnologias de célula de combustível. A célula de combustível com membrana de permuta de protões (PEMFC) é uma delas. A PEMFC é também conhecida como uma célula combustível de um electrólito de polímero sólido (SPE).

Lisboa, 28 de Setembro de 2012 24

Claims

ΕΡ2226411Β1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para garantir e controlar a segurança e os desempenhos de um electrolisador (1) num processo de fabrico que utiliza pelo menos uma célula de electrólise (2) contendo pelo menos um cátodo (5) e pelo menos um ânodo (3) , compreendendo os passos que consistem em: A) determinar o intervalo operacional de tensão única segura em função da corrente e correspondendo a uma célula de electrólise funcionando normalmente (2); B) determinar um desvio de tensão única de referência em função da derivação temporal da corrente; C) medir a tensão única no decurso do tempo nos terminais (303, 305) da célula de electrólise (2); D) determinar o desvio de tensão única medido por cálculo da derivada temporal da tensão única medida; E) comparar a tensão única medida de uma célula com o intervalo operacional de tensão única segura e o desvio de tensão única medido de uma célula com o desvio de tensão de referência e o desvio de tensão única medido de uma célula com o desvio de tensão média de um grupo de células de referência no decurso do tempo; F) parar o processo de fabrico quando a tensão única medida está fora do intervalo operacional de tensão única 1 ΕΡ2226411Β1 segura ou a diferença entre o desvio de tensão única medido e o desvio de tensão de referência está fora de um intervalo predeterminado ou o comportamento de uma tensão única é diferente da média de um grupo de células de referência.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual o intervalo pré-determinado se baseia na aprendizagem, auxiliado igualmente pelas redes neuronais artificiais ou motores de resolução, na relação histórica entre a tensão única, a corrente e outros parâmetros operacionais tais como a temperatura.
3. Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual os limites do intervalo operacional de tensão única segura são a tensão máxima Umax(t) e a tensão minima Umin(t) em função da corrente I e do tempo t determinados respectivamente pelas fórmulas seguintes:

em que: I(t) é a corrente que atravessa a célula; U0,min(33) e U0,max(31) estão compreendidos respectivamente entre 2,20 V e 2,40 V e entre 2,60 V e 2, 80 V; 2 ΕΡ2226411Β1 kmin (27) e kmax (2 9) estão compreendidos respectivamente entre 0,05 V.kA.nf2 e 0,15 V.kA.nT2 e entre 0,15 V.kA.irT2 e 0,25 V. kA. ιτΓ2; e A está compreendido entre 1,5 m2 e 5,4 m2.
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, no qual o desvio de tensão de referência é igual a

em que k (25) está compreendido entre 0,1 V.kA.m2 e 0,2 V.kA.m 2 e A está compreendido entre 1,5 m2 e 5,4 m2.
5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, aplicado a uma pluralidade de células de electrólise (2) montadas em série.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, no qual uma solução aquosa compreendendo um sal de cloreto é electrolisado.
7. Sistema (201) para garantir e controlar a segurança e os desempenhos de um electrolisador num processo de fabrico conduzido numa unidade de fabrico que utiliza pelo menos uma célula de electrólise (2) capaz de conduzir o processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, compreendendo o referido sistema (201): 3 ΕΡ2226411Β1 A) uma pluralidade de unidades de aquisição e de transmissão (203), estando cada uma das referidas unidades de aquisição e de transmissão (203) configurada para medir a tensão única nos terminais (303, 305) de cada célula de electrólise (2) no decurso do tempo de acordo com o passo C e para transmitir a tensão medida; B) um dispositivo de tratamento (205) para recolher a tensão medida única transmitida por cada uma das referidas unidades de aquisição e de transmissão (203) configurado para executar os passos A, B, D e E para transmitir os dados para meios de transmissão; e C) uma unidade de transmissão (223) configurada para implementar o passo F com os dados emitidos pelo dispositivo de tratamento (205) e para transmitir uma ordem de paragem do processo de fabrico.
8. Sistema (201) de acordo com a reivindicação precedente, no qual o dispositivo de tratamento (205) está ligado a um servidor (215) para receber e analisar os dados emitidos pelo dispositivo de tratamento (205).
9. Sistema (201) de acordo com a reivindicação precedente, no qual o dispositivo de tratamento (205) está ligado a um dispositivo intermédio (221) configurado para retransmitir e/ou formatar os dados determinados para o servidor (215) .
10. Sistema (201) de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, no qual as unidades de aquisição e de 4 ΕΡ2226411Β1 transmissão (203) estão ligadas ao dispositivo de tratamento (205) por pelo menos uma fibra óptica.
11. Produto de programa informático compreendendo uma ou mais sequências de instrução guardadas que são acessíveis a um processador e que, quando são executadas pelo processador, levam o processador a executar os passos do processo de qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
12. Meio legível por computador executando uma ou várias sequências de instruções de produto de programa informático da reivindicação 11.
13. sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, no qual o dispositivo de tratamento (205) compreende meios para implementar o meio legível por computador da reivindicação 12 . Lisboa, 28 de Setembro de 2012 5