PT2340322E - Eletrolisador de alta pressão - Google Patents

Description

Descrição

Eletrolisador de alta pressão

Campo da Invenção A invenção refere-se ao campo de eletrolisadores, em especial para a eletrólise da água. Em maior pormenor, a invenção refere-se a um eletrolisador que compreende uma pilha de células dentro de um contentor de pressão para funcionar sob alta pressão.

Antecedentes da Invenção A eletrólise é um processo bem conhecido para separar elementos quimicamente ligados. 0 processo pode funcionar sob alta pressão quando se deseja obter os produtos da eletrólise sob a mesma pressão.

Uma das aplicações mais vulgares da eletrólise é a produção de hidrogénio (H2) através da eletrólise da água e, no resto desta especificação, será feita referência a este uso preferido da invenção. A produção de hidrogénio através da eletrólise da água é bem conhecida em pressões até cerca de 30 bar, para servir processos quimicos. Em anos recentes, surgiu no entanto, a 1/22 necessidade de produzir hidrogénio a uma pressão muito mais alta. 0 hidrogénio é um melhor candidato para o armazenamento e transporte de energia, em especial para a produção de energia distribuída a partir de fontes de energia renováveis e para dar energia a veículos que funcionam a hidrogénio ou células de combustível. 0 armazenamento de hidrogénio para usar como combustível ou transportador de energia necessita no entanto, de uma pressão muito alta, por exemplo 200 bar ou mais. Hoje em dia, as pressões consideradas apropriadas para o armazenamento de hidrogénio combustível são 350 bar (5000 psi) ou 700 bar (10 000 psi). A compressão de hidrogénio para estas pressões muito altas exige compressores dispendiosos de várias fases e consome muita energia. Por isso, há uma grande necessidade de uma eletrólise capaz de produzir de forma direta o hidrogénio com a pressão referida acima. A patente US 4 758 322 apresenta uma estrutura bem conhecida de um eletrolisador, a chamada configuração de pressão do filtro. Empilham-se várias células bipolares em série e juntam-se entre duas placas nas extremidades, inter-ligadas por tirantes. Cada uma das células bipolares compreende um compartimento anódico e um compartimento catódico, separados por um diafragma ou uma membrana. Por seu lado, cada célula está separada da seguinte por uma parede condutora, tendo a chamada placa bipolar, polaridade contrária nas duas faces. A pilha de células é unida pelas placas das extremidades, formando as ligações terminais 2/22 anódicas (+) e catódicas (-) da pilha. As placas terminais pressionam-se mutuamente através dos tirantes que são isolados eletricamente para evitar um curto-circuito das células. Um eletrólito liquido é introduzido nas células e os gases produzidos são retirados.

Este eletrolisador tem uma capacidade limitada para funcionar sob pressão interna, ou seja, com o eletrólito e os gases produzidos sob pressão. As matrizes de células e as placas das extremidades da pilha de células, de facto, têm de aguentar toda a diferença de pressão (delta-p) entre a parte de dentro e a parte de fora, habitualmente à pressão atmosférica. Após um determinado delta-p, as matrizes de células não são capazes de aguentar as pressões mecânicas, nem as juntas que impedem as fugas do eletrólito ou dos gases e, na prática, este eletrolisador está limitado a uma pressão interna de algumas toneladas de bar.

Para ultrapassar este problema, propôs-se um tipo diferente de eletrolisadores pressurizados. A ideia base é equilibrar a pressão interna da pilha de células, em que a mesma pilha de células funciona dentro de um contentor pressurizado. A patente US 6 153 083 apresenta um eletrolisador para a eletrólise da água sob pressão, em que a pilha de células bipolares, reagindo à configuração do filtro de pressão já mencionado, é encapsulada num contentor de pressão. Os dois eletrodos das extremidades da pilha estão ligados à fonte de eletricidade através de dois cabos líderes que passam através do contentor pressurizado, sendo o interior do contentor pressurizado cheio com água pressurizada à volta 3/22 as falhas desta da pilha de células. No entanto, configuração, por não estarem descritas em pormenor, embora sejam muito dificeis de resolver na prática, são a passagem dos cabos através do contentor pressurizado, e os dispositivos para alimentar o eletrólito dentro da pilha de células, assim como para aproveitar os gases de hidrogénio e de oxigénio libertados pela pilha. Na prática, há a necessidade de fornecer entradas e sardas através do contentor pressurizado, em que o aperto é crucial e qualquer fuga pode comprometer o funcionamento do eletrolisador. Uma queda na pressão do contentor, em particular, poderia provocar, em muitos casos, danos irreparáveis no eletrolisador no seu interior. Além disso, esta configuração tem sido usada para pressões até 30 bar, insuficiente para o armazenamento de hidrogénio discutido acima.

Uma técnica diferente de encapsulamento é apresentada na patente DE 44 18 999. O bloco de células é rodeado por um tubo de pressão, fechado nas duas extremidades por dois rebordos que são ao mesmo tempo as coberturas das extremidades do bloco de células e, deste modo, estão fornecidos com as ligações necessárias para levar os fluidos para dentro e para fora das células de eletrólise. O espaço dentro do tubo de pressão e do lado de fora do bloco de células é colocado sob pressão hidráulica através da alimentação de eletrólitos às células de eletrólise. De forma a compensar a expansão diferencial entre o bloco de células e o contentor, obrigados a terem o mesmo comprimento, as matrizes de células (em material não condutor) são alternadas com juntas planas elastómeras. Esta configuração tem um ponto fraco no aperto das referidas juntas e, além disso, o uso de eletrólitos 4/22 condutores como fluído pressurizador aumenta o risco de curto-circuito em caso de fuga nas células.

Um outro problema do estado da técnica anterior é a expansão térmica diferente do contentor ou tubo de pressão, quando comparado com a expansão térmica da pilha de células no interior, o que pode ser a causa do distúrbio mecânico com o risco de fuga do eletrólito. Num sistema de água pressurizado, mesmo uma pequena fuga de eletrólitos é fatal porque a água torna-se condutora e provoca desvios elétricos e correntes de fuga e perdas de energia relacionadas, ou até mesmo curto-circuitos e danos graves da pilha de células.

Deste modo, as desvantagens da técnica anterior podem ser resumidas da seguinte forma. Alguns dos eletrolisadores pressurizados conhecidos podem funcionar em níveis de pressão bem abaixo da necessidade de uma redução razoável do volume específico de hidrogénio para fins de armazenamento da quantidade de gás; o fluido e as ligações elétricas através do contentor de pressão, em particular, são críticos para o aperto do sistema; o uso generalizado de água como meio de pressurização traz o risco de correntes de fuga ou perigosos curto-circuitos, no caso de fuga de eletrólitos; o uso alternativo de eletrólitos para pressurizar o contentor é ainda mais perigoso pelas razões discutidas acima. Estas desvantagens, discutidas em relação à eletrólise da água, podem também ser generalizadas a outras aplicações.

Resumo da Invenção 5/22 0 problema subjacente à invenção é o de fornecer uma estrutura de um eletrolisador de pilha de células pressurizado adaptado para ultrapassar as limitações referidas anteriormente e, em particular para produzir de forma segura e confiante, hidrogénio a partir da água, com uma pressão necessária pelo uso de hidrogénio como um combustível ou até como um condutor de energia.

Este problema é resolvido com um eletrolisador que compreende: - um contentor de pressão com um casco e extremidades opostas fechadas; - uma pilha de células de eletrólise, compreendendo várias células de eletrólise bipolares empilhadas entre um primeiro e um segundo placa extremo terminal, estando a pilha de células organizada de modo a funcionar sob pressão interna; - ligações de fluido para alimentar um eletrólito para a pilha de células e para aproveitar os produtos da eletrólise a partir da pilha de células e compreendendo essas ligações elétricas pelo menos uma ligação ânodo e cátodo, sendo o eletrolisador caracterizado pelo facto de: 6/22 - a primeira placa extrema terminal da pilha de células ser integral com uma das referidas extremidades do contentor pressurizado, formando assim uma cabeça estacionária da pilha de células; a referida cabeça da pilha estar equipada com as referidas ligações do fluido e ligações elétricas ânodo e cátodo com a pilha de células; - a segunda placa do extremo terminal das pilhas de células fica dentro do contentor e pode mover-se numa direção longitudinal em relação à primeira placa do extremo terminal e ao contentor, em reação à expansão ou contração térmica, formando assim uma cabeça flutuante da pilha de células.

Numa realização preferida da invenção, as referidas extremidades fechadas formam uma cobertura num lado e uma cobertura plana da extremidade, ou rebordo morto, o que também constitui a primeira placa da extremidade terminal da pilha de células, no outro lado.

De acordo com as caracteristicas preferidas, as referidas ligações elétricas anódicas e catódicas compreendem: pelo menos um primeiro conector elétrico, de preferência na forma de um tirante, passando através da primeira placa do extremo terminal, isolado da referida placa e ligado de forma elétrica à primeira célula da pilha, nomeadamente a célula mais perto da cabeça estacionária; pelo menos um segundo conector elétrico associado e ligado de forma 7/22 elétrica à primeira placa do extremo terminal, estando a primeira placa do extremo terminal ligada de forma elétrica à segunda placa do extremo terminal. Por exemplo, o primeiro conector elétrico é positivo, transportando a corrente anódica para a primeira célula e o referido segundo conector elétrico é negativo, tendo por isso o dever de terminação catódica para a última célula da pilha.

Numa realização preferida, as placas da extremidade terminal da pilha de células estão juntas por tirantes, fornecendo uma ligação mecânica e elétrica entre as duas placas.

Uma realização preferida da invenção garante que o eletrolisador está completamente polarizado com o mesmo potencial da cabeça flutuante e que apenas uma das ligações elétricas (ânodo/ cátodo) tem de ser retirada do interior do eletrolisador através de qualquer cobertura do contentor. Por exemplo, os tirantes que constituem a ligação elétrica negativa estão fixos à extremidade fechada que forma a cabeça estacionária, que está ligada de forma elétrica e mecânica através de tirantes à cabeça flutuante interna e depois à placa da extremidade terminal da pilha de células; um tirante isolado passa através da cabeça flutuante, fornecendo a ligação elétrica positiva à primeira e à segunda placa da pilha.

De acordo com um outro aspecto da invenção, o contentor é mantido sob pressão com um gás, ao invés de um liquido, tal como na técnica anterior. Deste modo, um aspecto da invenção é um eletrolisador que compreende um contentor de 8/22 pressão e um pilha de células eletrólise encaixada entre uma primeira placa e uma segunda placa terminal, caracterizado pelo facto de o contentor ser pressurizado por um gás. 0 gás que pressuriza o contentor pode estar envolvido ou não no processo de eletrólise. Mais especificamente, o gás que pressuriza o contentor é, por exemplo, um gás inerte, isto é, com uma natureza inerte em relação ao processo de eletrólise ou, como alternativa, um gás produzido sob pressão no próprio processo de eletrólise. De preferência, o gás é retirado do processo de eletrólise que acontece na pilha de células sob uma pressão que pode ser mais alta do que o nivel de pressão no contentor, de modo a que não seja necessário qualquer gás intermédio para o uso do referido gás para pressurizar o contentor.

Um equipamento para a eletrólise, de acordo com a invenção, compreende: um eletrolisador com uma pilha de células dentro de um contentor, estando a pilha de células adaptada para fornecer pelo menos um produto de gás sob pressão; pelo menos um contentor que recebe o referido produto de gás e adaptado para separar o produto de gás do eletrólito arrastado; uma linha condutora que alimenta pelo menos uma parte do referido produto de gás como um meio pressurizante para dentro de um contentor de pressão.

De preferência, num eletrolisador de pressão a gás, de acordo com a invenção, a pilha de células tem a disposição mencionada acima com a cabeça estacionária e a cabeça flutuante, nomeadamente: a primeira placa da extremidade 9/22 terminal da pilha de células é integral com uma das coberturas da extremidade do contentor de pressão, formando deste modo, a cabeça estacionária, equipada com ligações de fluidos apropriada para alimentar o eletrólito à pilha de células e para recolher o(s) produto(s) da eletrólise, e também equipada com ligações elétricas anódicas e catódicas à pilha de células; a segunda placa da extremidade terminal é movivel numa direção longitudinal em relação à primeira extremidade terminal e o contentor, em reacção à expansão e à contração térmica, constituindo deste modo a cabeça flutuante.

Em referência à aplicação preferida da eletrólise da água, pode usar-se nitrogénio ou qualquer ou gás inerte como meio de pressurização, em relação à eletrólise da água, num eletrolisador pressurizado a gás, de acordo com a invenção; numa segunda opção, pelo menos uma parte do hidrogénio ou uma parte do oxigénio libertado sob pressão pela pilha de células é usado para pressurizar o contentor. A pressão interna da pilha de células em funcionamento é, de preferência de pelo menos 30 bar, de maior preferência maior do que 100 bar e ainda de maior preferência, no âmbito de 100 a 700 bar.

Um equipamento para a eletrólise da água, de acordo com uma realização preferida da realização compreende: um eletrolisador que compreende uma pilha de células dentro de um contentor de pressão, estando a pilha de células adaptada para fornecer hidrogénio e oxigénio sob pressão; pelo menos um contentor de separação que recebe o hidrogénio e outro contentor de separação que recebe o oxigénio produzidos no eletrolisador, estando os referidos 10/22 contentores adaptados para separar o hidrogénio e o oxigénio, respectivamente, a partir do eletrólito arrastado; uma linha condutora que alimenta pelo menos uma parte do referido hidrogénio ou uma parte do referido oxigénio como um meio de pressurização para dentro do referido contentor de pressão, a partir do respectivo contentor. 0 eletrolisador do referido equipamento para eletrólise da água tem de preferência, a disposição discutida anteriormente com uma cabeça estacionária e uma cabeça flutuante. A pressão pode ser controlada, por exemplo com um controlador de pressão diferencial, sensível ao delta-p entre os dois contentores, ou mantendo constante o nível de eletrólitos arrastados no respectivo contentor, do qual o meio de pressurização (hidrogénio ou oxigénio) é retirado.

Em todas as realizações da invenção mencionadas acima, o aperto do fluido na pilha de células é obtido de preferência de acordo com a apresentação da patente EP 0212240. Cada célula bipolar tem dois elementos, chamados de elemento de separação e elemento bipolar, na forma de matrizes que transportam internamente o diafragma ou membrana e, respectivamente, a placa bipolar. As matrizes têm de preferência uma forma circular para suportar a pressão interna e estão moldadas em plástico reforçado, o que as torna eletricamente não condutoras. O seu aperto é simplesmente obtido através de juntas em forma de anel, necessitando de muito pouco esforço dos tirantes e das coberturas das extremidades relacionadas que completam a configuração do filtro de pressão da pilha. Os elétrodos líquidos e os gases produzidos são distribuídos e 11/22 recolhidos das células através de canais moldados dentro destas matrizes e terminando numa das placas de metal terminais.

As matrizes são relativamente finas, no âmbito de alguns milímetros, assim como a câmara catódica e a câmara anódica de cada célula, que são ocupadas por elétrodos muito finos e flexíveis. A técnica de moldagem permite produzir grandes séries de matrizes em pouco tempo. Além disso, as matrizes de diferentes tamanhos podem ser facilmente moldadas para produzir células de capacidades diferentes. A alta densidade da corrente e o tamanho limitado das células permite uma construção muito compacta, com a possibilidade de montar totalmente a instalação de eletrólise antes do embarque. A invenção tem muitas vantagens que permitem realizar o processo de eletrólise de forma segura e confiante com uma pressão muito maior do que a técnica anterior. A invenção permite tornar disponível o produto de gás a uma pressão bem acima dos 30 bar que são substancialmente o limite da técnica anterior; em particular, a invenção é apropriada para a produção deH2 a partir da eletrólise da água, directamente a uma pressão de centenas de bar, tal como é necessário para veículos movidos a hidrogénio. Como o hidrogénio está directamente disponível a partir da eletrólise a uma pressão de uso, os custos relacionados com a compressão são economizados, ou bastante reduzidos e o uso de hidrogénio como combustível ou transportador de energia torna-se mais atractivo. 12/22 A pilha de células com a cabeça estacionária e a cabeça flutuante resolve os problemas do alongamento térmico diferencial entre a pilha e o contentor que contém, uma vez que a cabeça flutuante não está associada firmemente ao casco do contentor, mas pelo contrário é livre de se mover sob expansão térmica. Além disso, graças à invenção, as ligações elétricas ficam disponíveis na cabeça estacionária, já não sendo necessário fornecer as ligações elétricas através do casco ou da cobertura do contentor, que são pontos criticos para o aperto do sistema. Uma outra vantagem da invenção, como se mostrará é a garantia de um encalhe seguro de todo o eletrolisador de modo a prevenir acidentes aos operadores. A utilização de um meio de pressurização gasoso mantém um melhor isolamento elétrico e reduz o risco de perda de energia ou um curto-circuito provocado por fuga de eletrólitos. Na técnica anterior, os sistemas de pressurização por água, uma pequena perda de eletrólitos devido à fuga da pilha pode tornar condutora a água que pressuriza o contentor, permitindo o surgimento de correntes parasitas que envolvem a pilha e o contentor. Pode haver consequências muito mais prejudiciais quando a pressão hidráulica é directamente fornecida pelo eletrólito, uma vez que a solução do eletrólito é muito mais condutora do que a água. A utilização de um gás produzido no próprio processo, como meio pressurizador, tem ainda a vantagem não ser necessária qualquer unidade externa. 0 gás fornecido pela pilha de células, por exemplo hidrogénio ou oxigénio na eletrólise da água, pode ser enviado para o contentor sem uma 13/22 compressão intermédia entre a sarda da pilha de células e a entrada para o contentor de pressão, por exemplo, uma única fase, ao invés de várias fases. Além disso, quando se lida com eletrolisadores de pressão muito alta a funcionar a 5 000 psi ou mais, os gases inertes não estão comercialmente disponíveis nesses níveis de pressão e seria necessário fornecer um sistema de compressão de gás adicional e dispendioso.

Uma outra vantagem é que desde o inicio do processo de eletrólise a uma pressão baixa, até à pressão funcional final, a pressurização do gás do contentor de pressão do eletrolisador cresce proporcionalmente, seguindo o crescimento da pressão do processo de eletrólise.

Descrição dos Desenhos A figura 1 ilustra de forma esquemática um eletrolisador, de acordo com uma realização da presente invenção. A Figura 2 é um pormenor da alimentação de corrente anódica do eletrolisador da Figura 1.

As Figuras 3 e 4 mostram exemplos do diagrama do fluxo, em relação à aplicação desta invenção à eletrólise da água de alta pressão.

Descrição pormenorizada de realizações preferidas 14/22

Em relação à Figura 1, um eletrolisador 100 é instalado, colocando um item de pilha de células 101 num contentor de pressão 115, pressurizado internamente por uma fase de gás quando em funcionamento. O contentor é formado por um casco horizontal, cilíndrico, com extremidades fechadas, sendo uma delas uma cobertura com rebordo, a segunda uma cobertura com rebordo, ou uma extremidade integral, com uma forma plana ou em disco. A realização preferida da segunda extremidade é uma extremidade em forma de disco, soldada ao casco cilíndrico. O material de construção do contentor pode ser um material de metal ou composto, como por exemplo uma construção reforçada por fibra. A pilha de células 101 é formada por células bipolares, compreendendo cada uma, um ânodo 102 e cátodo 103, separados por um diafragma ou uma membrana 104. Por seu lado, cada célula está separada da seguinte por uma placa 105. As células têm matrizes 106 que contêm canais 113 para a distribuição dos eletrólitos e outros canais 114 para a recolha dos produtos da eletrólise.

De acordo com a invenção, uma primeira placa de extremidade terminal 107a da pilha de células 101 é integral com uma cobertura de placa da extremidade do contentor de pressão, enquanto a segunda placa da extremidade 108a da pilha de células 101 é movível dentro do contentor, numa direção longitudinal em relação à placa 107a e ao casco do contentor 115, como reação à expansão e à contração térmica. Deste modo, a placa da extremidade 107a forma uma cabeça estacionária 107 da pilha de células 101, enquanto a placa da extremidade contrária 108a forma uma cabeça flutuante 108 da mesma pilha de células. 15/22 A cabeça estacionária 107 está equipada com ligações de fluido para alimentar um eletrólito na pilha de células e para recolher os produtos da eletrólise e está igualmente equipada com ligações eléctricas anódicas e catódicas com a pilha de células.

Voltando novamente à Figura 1, todas as ligações do processo 122 da pilha 101, no que respeita a gases e líquidos, estão agrupadas na placa 107a, deixando a pilha livre para se expandir dentro do contentor 115. A ligação anódica é dada por uma haste 120, passando através da placa 107a e isolada eletricamente no que respeita à referida cobertura através de uma bucha 119, transportando a corrente anódica directamente ao primeiro ânodo 117 da pilha 101. O referido primeiro ânodo 117 está isolado eletricamente da placa 107a através uma placa de isolamento 118. A haste 120 é fornecido com juntas adequadas, tornando o apertado para fugas, no que respeita ao espaço interno sob pressão. A placa da extremidade 108a está eletricamente em contacto com o cátodo da extremidade da pilha 101 e está ligada através de tirantes 109 à placa 107a. Desta forma, as placas 107a e 108a têm a mesma potência. A ligação terminal catódica está também localizada directamente na placa 107a, na forma de um tirante 121. Ao dar terra a esta ligação, todo o eletrolisador fica com 16/22 terra, para além da única ligação anódica 120 que pode ser facilmente protegida de qualquer contacto com os operadores, tornando deste modo, a configuração particularmente segura.

Deve salientar-se que o contentor 115 tem a mesma potência das placas da pilha de células 107a e 108a, devido à ligação eléctrica dada pelos tirantes 109. Deste modo, a única ligação isolada a ser passada de dentro para fora do eletrolisador é a haste 120, no exemplo passando através da cobertura da extremidade do contentor representado pela placa 107a.

Uma realização preferida da haste de ligação anódica 120 é mostrada em maior pormenor na Figura 2. O tirante 120 é soldado ao primeiro ânodo 117 da pilha, enquanto na extremidade contrária está entrelaçado e transporta duas arruelas 131 e duas porcas 132, com a finalidade de fixar o cabo eléctrico anódico. A bucha tubular isolado electricamente 119 evita o contacto entre a haste 120, sob polarização anódica e a placa com terra 107.

Uma bucha isolado 125 e as juntas planas 126 separam o espaço de alta pressão, actuando no diâmetro exterior da referida bucha 125 e das juntas 126, do espaço de baixa pressão, que rodeiam a haste 120. As duas juntas 126 são comprimidas entre a bucha 125 e a placa 107a e, respectivamente, entre a bucha 125 e o ânodo 117. De modo a manter apertadas as juntas 126, uma porca 130 pressiona o ânodo 117 contra a placa 107a através do tirante 120, molas de capa 129, localizados entre duas arruelas 128 e uma 17/22 bucha isolador 127. 0 espaço entre a placa 107a e o ânodo 117 é ocupado por uma placa 118. A seleção dos materiais para a realização de buchas isoladoras eletricamente 125 e 127 necessitam de um cuidado especial pois ambos têm de suportar forças de alta compressão e, principalmente o item 125, tem de ser impermeável à humidade ambiente, evitando a criação de shunts eléctricos entre os itens sob polarização anódica e a terra. Um material utilizável para o item 125 é, por exemplo, um composto de vidro-mica, enquanto que para o item 127, uma material laminado de mica-papel poderá ser mais adequado.

Voltando à Figura 1, uma porta 123 é fornecida na cabeça estacionária 107 para a pressurização do espaço interno para o contentor de pressão 115, e externo para a pilha de células 101. Em alternativa, esta ligação pode ser localizada em qualquer lugar do casco 115.

Numa realização preferida desta invenção, em que a selagem das matrizes das células da pilha é obtida através de juntas em forma de anel, tal como apresentado na Patente EP 0212240, a pressão interna para o contentor 115 tem de ser proporcional à pressão em funcionamento dentro da pilha 101. 0 meio de pressurização, de acordo com um aspecto da invenção, é de preferência gás. O gás pressurizante pode ser por exemplo nitrogénio ou argão, ou dióxido de carbono, 18/22 todos estranhos ao processo da eletrólise. Uma fonte de um desses gases inertes, como uma garrafa, pode estar ligada à porta 123 através da ligação tubular, fornecido com um redutor ou controlador da pressão. Num segundo exemplo, o gás que pressuriza o invólucro do eletrolisador pode ser um produto de gás libertado pelo processo de eletrólise, tais como hidrogénio ou oxigénio no caso da eletrólise da água. A Figura 3 é um exemplo de equipamento para a eletrólise da água, compreendendo um eletrolisador pressurizado a gás 200 substancialmente realizado como nas Figuras 1 a 2. O eletrolisador 200 compreende uma pilha de células 210 dentro do contentor de pressão 220 e os produtos hidrogénio e oxigénio, que são libertados da cabeça estacionária da pilha de células para os contentores V-l e V-2, respectivamente, através de tubos 201 e 202. Juntamente com os gases, alguns eletrólitos são arrastados e os referidos contentores V-l e V-2 têm o dever de separar os gases do liquido arrastado, que regressa para o eletrolisador através dos tubos 203 e 204. 0 hidrogénio sai do contentor V-l através do tubo 205, no qual o controlador de pressão PC-1 ajusta a pressão do lado do hidrogénio dentro do contentor ao apertar a válvula PCV- 1 e, a seguir o hidrogénio é libertado para o seu uso final através de um tubo 207.

O oxigénio sai do contentor V-2 através do tubo 206, para ser libertado para o seu uso final através do tubo 20 9. A 19/22 pressão do lado do oxigénio dentro do contentor V-2 é controlada por um controlador de pressão diferencial PDC, apertando uma válvula PDCV, de modo a manter-se no âmbito da pressão do lado do hidrogénio.

Uma linha 208, que liga a linha 206 ao contentor de pressão 200, mantém a pressão interna do próprio contentor num valor controlado pelo instrumento PC-2 ao apertar a válvula PCV-02. A realização descrita pode ser revertida trocando-se os papeis dos dois gases, usando-se então hidrogénio como meio de pressurização do contentor 220.

Um outro exemplo é ilustrado na Figura 4, correspondendo a critérios de controlo alternativos do processo de eletrólise. Os contentores V-l e V-2 estão inter-ligados na parte inferior por um tubo, de modo a equilibrara a pressão interna dos dois contentores e, consequentemente, dos compartimentos catódicos e anódicos das células. Neste caso, a pressão da libertação do hidrogénio é controlada tal como no caso anterior da Figura 3. A libertação de oxigénio é controlada mantendo-se o nivel de eletrólitos constante dentro de V-2. A pressurização do contentor 220 está ilustrada como sendo feita pelo próprio hidrogénio, através da volta PC-2/ PCV-2, embora pudesse ser feita pelo oxigénio, como no caso da Figura 3. Podem seleccionar-se critérios de controlo alternativos por um perito nesta arte. 20/22 A invenção alcança os objectivos e os fins declarados acima e é particularmente apropriada para a produção de hidrogénio a alta pressão a partir da eletrólise da água.

Lisboa, 28 de Junho de 2013 21/22

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo Titular tem como único objectivo ajudar o leitor e não forma parte do documento de patente europeia. Ainda que na sua elaboração se tenha tido o máximo cuidado, não se podem excluir erros ou omissões e a EPO não assume qualquer responsabilidade a este respeito.

Documentos de Pedidos de Patente citadas na descrição

US 4758322 A US 6153083 A DE 4418999 EP 0212240 A 22/22

Claims (14)

1. Reivindicações 1. Um eletrolisador (100) que compreende: - um contentor de pressão (115) com um casco e extremidades opostas fechadas; uma pilha de células de eletrólise (101) dentro do referido contentor de pressão, compreendendo várias células bipolares de eletrólise entre uma primeira placa da extremidade terminal (107a) e uma segunda placa da extremidade terminal (108a), estando a pilha de células disposta de modo a funcionar sob pressão interna; - ligações de fluido para alimentar um eletrólito para a pilha de células e para recolher os produtos da eletrólise da pilha de células, e ligações eléctricas compreendendo pelo menos uma ligação anódica e catódica, caracterizado pelo facto de: a primeira placa da extremidade terminal (107a) da pilha de células ser integral com uma das referidas extremidades fechadas do contentor de pressão, formando assim uma cabeça estacionária (107) da pilha de células; 1/6 a referida cabeça estacionária (107) estar equipada com as referidas ligações de fluido (122) e confecções catódicas e anódicas eléctricas (120, 121) com a pilha de células; a segunda placa da extremidade terminal (108a) da pilha de células estar dentro do contentor de pressão (115) e ser livre de se movimentar numa direção longitudinal em relação à primeira placa da extremidade terminal e ao contentor, em reação à expansão contração terminal, formando deste modo uma cabeça flutuante (108) dentro da pilha de células.
2. 2. Um eletrolisador de acordo com a reivindicação 1, em que o contentor (115) tem uma cobertura da extremidade plana (107a) que também constitui a referida primeira placa da extremidade terminal da pilha de células (101) .
3. 3. Um eletrolisador de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que as referidas ligações eléctricas compreendem: pelo menos uma primeira ligação eléctrica (120) que passa através da referida placa da extremidade terminal (107a) da pilha de células (101) , isolada da referida placa e ligada electricamente à primeira placa da extremidade terminal, estando a primeira placa da extremidade terminal (107a) ligada eletricamente à segunda placa da extremidade terminal (108) da pilha (101).
4. 4. Um eletrolisador de acordo com a reivindicação 3, em que as referidas primeira e segunda placas da extremidade terminal da pilha de células estão dispostas juntas por meio de tirantes (109), fornecendo ligação mecânica entre 2/6 as referidas primeira e segunda placas da extremidade terminal (107a, 108a).
5. 5. Um eletrolisador de acordo com a reivindicação 3 ou 4, em que o referido primeiro conector eléctrico (120) e/ ou o referido segundo conector eléctrico (120) actuam com um tirante.
6. 6. Um eletrolisador de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, em que o referido primeiro conector (120) é o positivo, transportando a corrente anódica para a primeira célula da pilha de células (101), e o referido segundo conector (121) é o negativo, tendo por isso o dever de terminação catódica para a última célula da pilha.
7. 7. Um eletrolisador de acordo com a reivindicação 6, em que o primeiro conector eléctrico (120) é um tirante que passa através da cabeça estacionária (107) da pilha de células (101) e está isolado da referida cabeça estacionária por uma bucha tubular (119); o tirante (120) está fixo ao primeiro ânodo (117) da pilha (101); uma placa isolada (118) é fornecida entre o referido primeiro ânodo (117) e a cabeça estacionária (107); uma bucha isoladora (125) e juntas (126) são fornecidas para separar o referido tirante do espaço de pressão dentro da pilha de células.
8. 8. Um processo de eletrólise, em particular para a eletrólise da água, num eletrolisador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo um contentor de pressão e uma pilha de células de 3/6 eletrólise dentro do referido contentor de pressão, compreendendo a pilha de células várias células de eletrólise bipolares empilhadas entre uma primeira e uma segunda placas de extremidade terminal e dispostas para funcionar sob pressão interna, caracterizado pelo facto de o contentor, durante o funcionamento da pilha de células, estar sob pressão de um meio gasoso.
9. 9. Um processo de eletrólise de acordo com a reivindicação 8, em que o referido meio gasoso é produzido sob pressão na referida pilha de células.
10. 10. Um processo de eletrólise de acordo com a reivindicação 9, em que a pressão na pilha de células é maior do que a pressão no contentor.
11. 11. Um processo de eletrólise de acordo com a reivindicação 8 para a eletrólise da água, em que a pressão de hidrogénio fornecido pela pilha de células é maior do que 30 bar e, de preferência está no âmbito de 100 a 700 bar.
12. 12. Um equipamento para a eletrólise, compreendendo: - um eletrolisador (200) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, compreendendo uma pilha de células (210) dentro de um referido contentor de pressão (220); estando a pilha de células adaptada para fornecer pelo menos um produto de gás sob pressão; 4/6 pelo menos um contentor (V-l) que recebe o referido produto de gás e adaptado para separar o produto de gás de um eletrólito arrastado; - uma linha de fluxo (208) que alimenta pelo menos uma parte do referido produto de gás como um meio pressurizante para o referido contentor de pressão (220).
13. 13. Um equipamento de acordo com a reivindicação 12 para a eletrólise da água, em que a pilha de células (210) está adaptada para fornecer hidrogénio e oxigénio sob pressão, compreendendo: - pelo menos um contentor (V-l) que recebe o hidrogénio e outro contentor (V-2) que recebe o oxigénio produzidos no eletrolisador (200); estando os referidos contentores adaptados para separar o hidrogénio e o oxigénio respectivamente dos eletrólitos arrastados; - uma linha de fluxo (208) que alimenta pelo menos uma parte do referido hidrogénio ou uma parte do referido oxigénio como um meio de pressurização para o referido contentor de pressão (220) do respectivo contentor.
14. 14. Uso de um eletrolisador ou equipamento de acordo com as reivindicações 1 a 7 ou 12 a 13, para a produção de hidrogénio com alta pressão a partir da eletrólise da água. 5/6 Lisboa, 28 de Junho de 2013 6/6