PT95125A

PT95125A - Conjunto de pilhas de combustivel com tubulacoes inteiramente internas

Info

Publication number: PT95125A
Application number: PT95125A
Authority: PT
Inventors: Leonard G Marianowski; Randy J Petri; Mark G Lawson
Original assignee: Inst Gas Technology
Priority date: 1990-04-10
Filing date: 1990-08-28
Publication date: 1992-03-31
Also published as: GR900100646A; LU87801A1

Description

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Titular: INSTITUTE OF GAS TECHNOLOGY

Epígrafe: "CONJUNTO DE PILHAS DE COMBUSTÍVEL COM TUBULAÇÕES COMPLETAMENTE LIGADAS INTERNAMENTE E PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE ELECTRICIDADE"

MEMÓRIA DESCRITIVA

CAMPO DA INVENÇÃO

Este invento refere-se a conjuntos de pilhas de combustível completamente ligadas internamente, e em particular, a um método e processo para vedação de conjuntos de pilhas completamente ligadas internamente com tampões húmidos de vedação apenas entre o electrólito e as placas separadoras metálicas para permitir uma maior estabilidade.

Geralmente, as unidades eléctricas de saida das pilhas de combustível são formadas por uma multiplicidade de agrupamentos de pilhas individuais, separadas por placas separadoras de metal ferroso condutor, inerte ou electrónicamente bipolar.

As pilhas individuais são comprimidas entre si e guardadas numa única unidade de pilha, para obter as desejadas saldas de energia da pilha de combustível. Cada pilha individual inclui geralmente dois eléctrodos: um ânodo e um cátodo, um azulejo de electrólito comum e uma fonte de combustível e de gás oxidante. Tanto o combustível como o gás oxidante são introduzidos através das tubulações, nas suas respectivas camâras 1 ο ο

'Ν reagentes, entre a placa separadora e o azulejo de electrólito. A área de contacto entre o electrólito e os outros componentes da pilha, para manter a separação do combustível e dos gases oxidantes e evitar e\ou minimizar a perda de gás, é denominada como tampão húmido de vedação. Um factor importante atribuido à deficiência prematura da pilha è a corrosão e esgotamento na área do tampão húmido de vedação. Esta deficiência é acelerada pelo contacto corrosivo do electrólito a elevadas temperaturas e elevadas tensões térmicas resultantes de grandes variações de temperatura durante o circuito térmico da pilha, provocando o enfraquecimento da estrutura por quebra intracristalina e transcristalina. Estas deficiências permitem a passagem indesejada do combustível e/ou gás oxidante e o derrame de gás que interrompe as reações pretendidas de oxidação e redução, provocando assim a quebra e a eventual paragem da geração de corrente na pilha. Nas condições operacionais da pilha de combustível, na gama de temperaturas de 500° a 700° C, os electrólitos de carbonato fundido são muito corrosivos aos metais ferrosos, os quais, devido à sua resistência estrutural são requeridos para o suporte das pilhas de combustível e para as placas separadoras. A elevada temperatura de operação dos conjuntos de pilhas de combustível de carbonato fundido aumenta, quer a corrosão quer os problemas de tensão térmica, na área do tampão húmido de vedação, especialmente quando os coeficientes de expansão térmica dos materiais adjacentes são diferentes.

Esta invenção fornece tubulações completamente internas do combustível e dos gases oxidantes, para as pilhas individuais de um conjunto construído de forma a utilizar 2

electrólitos/tampões húmidos de vedação de metal, os quais, devido ao arranjo dos componentes da pilha, fornecem um maior tempo de duração e estabilidade da operação das pilhas de combustível.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA ANTERIOR

Os conjuntos de pilhas de combustível de carbonato fundido, comercialmente viáveis, devem conter mais do que 600 pilhas individuais, cada uma com uma área plana da ordem dos oito pés quadrados. Ao agrupar estas pilhas individuais, as placas separadoras separam as pilhas individuais com combustível e oxidante cada uma, sendo introduzidas entre uma série de placas separadoras, sendo o combustível introduzido entre uma face da placa separadora e o lado do ânodo de uma matriz de electrólito e o oxidante, entre a outra face da placa separadora e o lado do cátodo de uma segunda matriz de electrólito. O enfâse no desenvolvimento de pilhas de combustível tem sido nas tubulações externas do combustível e dos gases oxidantes usando canais com várias ligações fisicamente separáveis do conjunto de pilhas de combustível. Contudo, as entradas e saldas de cada pilha devem ser abertas aos respectivos tubos de ligação de entrada e saida, os quais devem estar vedados ao exterior do conjunto de pilhas. Para evitar um curto-circuito eléctrico, deve-se usar isolamento entre as tubulações metálicas e o conjunto de pilhas. As tubulações externas têm apresentado sérios problemas em manter tampões adequados ao gás na interface tubulações/tampão das tubulações/conjunto de pilhas, enquanto evitam a bombagem de carbonato para o interior da vedação ao 3 longo do gradiente de potencial do conjunto de pilhas. Várias combinações no isolamento das tubulações metálicas do conjunto de pilhas têm sido feitas, mas com a dificuldade de fornecer um tampão escorregadio que seja impermeável ao gás e eléctricamente isolante, enquanto impermeável ao carbonato a elevadas temperaturas das condições operatórias das pilhas de combustível de carbonato fundido, não se encontra solução satisfatória. 0 problema das tubulações e tampões torna-se mais grave quando no conjunto de pilhas se usa um maior número de pilhas e áreas planas maiores. Quando se usa um maior número de pilhas, o potencial eléctrico, que conduz o carbonato na área do tampão ao longo da altura do conjunto, aumenta, e quando a área plana da pilha aumenta, a tolerância linear a cada um dos componentes e o alinhamento da superfície de cada componente torna-se extremamente dificil de manter, de forma a manter a superfície isolada entre as tubulações/tampão das tubulações/e conjunto de pilhas.

Os conjuntos de pilhas contendo 600 pilhas podem ter, aproximadamente, 10 pés de altura apresentando problemas sérios por requererem tubulações externas firmes e a aplicação de uma força de coesão necessária para forçar a tubulação para o conjunto de pilhas. Devido a gradientes térmicos entre o conjunto de pilhas e as condições operatórias das pilhas, expansões térmicas diferentes, e a resistência estrutural necessária dos materiais usados nas tubulações, as tolerâncias diminuem e criam--se problemas de engenharia de dificil resolução. Têm sido construídos, convencionalmente, conjuntos de pilhas de combustível de carbonato fundido, com faixas espaçadas 4 ««£

D ao longo da periferia de uma placa separadora, para formar tampões húmidos de vedação e fornecer entradas e descargas às tubulações. Várias formas de vedação, no meio de elevada temperatura, da área do tampão húmido de vedação da pilha de combustível, são descritas na Patente Norte Americana 4.579.788, que descreve o fabrico de tiras de tampão húmido, utilizando técnicas metalúrgicas de pó; a Patente Norte Americana 3.723.186 descreve o próprio electrólito que é formado de materiais inertes, em regiões ao longo da sua periferia, para estabelecer um tampão periférico inerte entre o electrólito e a estrutura ou suporte; a Patente Norte Americana 4.160.067 descreve a deposição de materiais inertes, sobre ou impregnados no interior do suporte da pilha de combustível ou no separador das áreas de tampão húmido de vedação; a Patente Norte Americana 3.867.206 descreve um tampão húmido de vedação entre a matriz saturada de electrólito e as extremidades periféricas dos eléctrodos saturadas de electrólito; a Patente Norte Americana 4.761.348 descreve anteparos periféricos de material impermeável ao gás, para permitir uma função tampão ao gás, para isolar o ânodo e o cátodo dos gases oxidante e combustível, respectivamente; A Patente Norte Americana No. 4.329.403 descreve a composição gradativa do electrólito, para transições mais graduais do coeficiente de expansão térmica, ao passar dos eléctrodos para a região interna do electrólito; e a Patente Norte Americana 3.514.333 descreve o suporte de electrólitos de carbonatos de metais alcalinos, em pilhas de combustível de elevada temperatura, usando uma vedação tampão fina de aluminio. Nenhuma das patentes mencionada acima funciona com tampões, em 5 torno do combustível e oxidante internos, em conjuntos de pilhas de combustível.

I A vedação do gás de uma pilha de combustível de ácido fosfórico, que opera entre 150° e 220° C, por enchimento dos poros de um material periférico poroso dos constituintes da pilha com carboneto de silica e/ou nitrito de silica, é descrita na Patente Norte Americana 4.781.727; e por impregnação dos espaços intersticiais na extremidade da placa substracto é descrita pela Patente Norte Americanas 4.786.568 e 4.824.739. A solução dos problemas de vedação e corrosão encontrados em pilhas electroliticas de baixa temperatura, tal como a ligação de grânulos de material inerte com politetrafluoretileno, é descrita na Patente Norte Americana 4.259.389, vedações de polietileno são descritas pela patente Norte Americana 3.012.086; e vedações de anel em forma de "O", como descritas na Patente Norte Americana 3.589.941, para tubulações internas apenas do combustível, não são aconselháveis em pilhas de combustível de carbonato fundido de alta temperatura.

J A Patente Norte Americana 4.510.213 descreve arranjos de transição em redor da porção activa das unidades de pilhas, para fornecer tubulações de combustível e de oxidante aos compartimentos gasosos das pilhas individuais, não passando as tubulações através dos separadores nem dos azulejos electrólitos das pilhas. Os arranjos de transição requerem isolamentos complicados entre as pilhas adjacentes e são feitos de vários componentes separados e complicados. A Patente Norte Americana 4.708.916 descreve tubulações internas de combustível e tubulações externas de oxidante, para pilhas de combustível de 6 carbonato fundido, nos quais grupos de tubulaçOes de combustivel passam através dos eléctrodos, assim como electrólitos e separadores, numa porção central e em extremidades opostas das pilhas individuais, para permitirem caminhos de fluxo de combustivel mais pequenos. As extremidades das tubulaçOes de combustivel estão numa área da parede da extremidade fina da placa separadora, enquanto que as tubulaçOes de combustivel centrais passam numa região central espessa e o tampão de vedação impregnado com carbonato, ou inserções condutoras cilíndricas separadas são fornecidas estendendo-se através do cátodo.

Tem-se tentado proporcionar tubulaçOes internas, nas quais têm sido usados múltiplos orifícios ao longo das extremidades opostas da pilha, para promover quer a co-corrente quer a contra-corrente de fluxo dos combustíveis e dos gases oxidantes. Estes orifícios nas tubulaçOes de combustivel têm sido localizados numa área periférica alargada do tampão de vedação húmido, ao longo de extremidades opostas, mas as tubulaçOes têm complicado estruturas exteriores ao electrólito ou passam através de, pelo menos, um dos eléctrodos. Contudo, são usados orifícios adjacentes nas tubulaçOes para o combustivel e oxidante, que fornecem menores caminhos através de uma menor área do tampão de vedação húmido e perda de gases, assim como a necessária área tampão periférica alargada reduz, indesejávelmente, a área activa da pilha. Do mesmo modo, tentativas anteriores de fornecer tubulaçOes internas têm usado múltiplos orifícios nas tubulaçOes, ao longo das áreas periféricas alargadas do tampão húmido de vedação, em cada uma das quatro extremidades da pilha, para promover o fluxo cruzado, mas também, neste caso, caminhos 7 Γ menores entre tubulações adjacentes de combustível e oxidante complicam de forma semelhante as estruturas, e os orifícios causam fugas de gases e, além disso, reduzem a área activa da pilha.

SUMARIO DA INVENÇÃO

Esta invenção fornece conjuntos de pilhas de combustível completamente ligadas internamente, especialmente adequadas para o uso em conjuntos de pilhas de combustível de carbonato fundido de alta temperatura. As pilhas de combustível com tubulações completamente internas desta invenção são adequadas a qualquer pilha tendo componentes planos, especialmente pilhas de combustível de alta temperatura, tais como pilhas sólidas de óxidos de combustível. Na generalidade dos conjuntos de pilhas de combustível rectangulares, uma pluralidade de unidades de pilhas de combustível, cada uma compreendendo um ânodo e um cátodo, um electrólito em contacto de vim lado com o ânodo e do lado oposto com o cátodo, e uma placa separadora separando as unidades das pilhas entre o ânodo de uma pilha e o cátodo da pilha adjacente, formando uma camâra anódica entre um lado da placa separadora e o ânodo, e uma camâra catódica entre o lado oposto da placa separadora e o cátodo. As unidades da pilha de combustível são reunidas e providas com placas terminais que têm a mesma configuração interna que as placas separadoras, formando meias pilhas em cada extremidade, e apertadas para formar uma estrutura rigida ao conjunto da pilha de combustível. No conjunto de pilhas de combustível desta invenção, os electrólitos e as placas separadoras têm a mesma

configuração e estendem-se até à extremidade do conjunto da pilha de combustível, enquanto que os eléctrodos e os colectores de corrente não se estendem até à extremidade do conjunto de pilhas de combustível. As placas separadoras têm uma estrutura de tampão húmida plana periférica, estendendo-se para contactar os electrólitos em cada uma das faces das placas separadoras, ao longo de toda a sua periferia formando uma placa separadora continua periférica/tampâo húmido de vedação de electrólito, sob condiçOes operatórias da pilha.

Os electrólitos e as placas separadoras têm várias perfurações alinhadas, em locais apropriados, sendo as perfuraçOes da placa separadora rodeadas por uma estrutura tampão húmida com tubulaçOes planas, estendendo-se de forma a contactar o electrólito em cada uma das faces da placa separadora, formando um tampão húmido com tubulaçOes da placa separadora/electrólito, sob condiçOes operatórias da pilha, à volta de cada perfuração, para formar um tubo de gás através de cada perfuração estendendo-se através do conjunto de pilhas. Condutas ou orifícios, através da estrutura de tampão húmido de vedação com tubulaçOes, estendida, permitem uma comunicação gasosa entre as tubulaçOes de combustível e a camâra anódica, numa das faces das placas separadoras, e condutas ou orifícios, através da estrutura tampão húmido de vedação, com tubulaçOes, estendida, fornecem uma comunicação de gás entre as tubulaçOes de oxidante e a camâra catódica , na outra face das placas separadoras. Esta estrutura fornece tubulaçOes completamente internas de combustível e gases oxidantes, para e a partir de cada unidade das pilhas de combustível, no conjunto das pilhas de 9

combustível.

As placas terminais são configuradas de forma semelhante às placas separadoras, nos seus lados internos, e s3o munidas com meios de fornecimento e descarga de cada um dos conjuntos de tubulações do conjunto de pilhas de combustível. Os meios externos de fornecimento e escape do gás combustivel e gás oxidante, ao conjunto apropriado de tubulações nas conecções das placas terminais, podem ser fornecidos por qualquer meio conhecido apropriado. Por "conjunto de tubulações" entende-se um primeiro conjunto que compõe as entradas de combustivel, um segundo conjunto das saidas de combustivel, um conjunto de entradas de oxidante, e um quarto conjunto de saidas de oxidante. As perfurações através das placas separadoras e electrólitos que formam as tubulações podem ser redondas, quadradas, rectangulares, triangulares, ou qualquer outra forma e tamanho desejados. Enquanto que cada perfuração é referida como uma perfuração única, esta pode compreender chicanas para permitir a desejada distribuição de gás. Qualquer número de tubulações pode ser fornecido através das placas separadoras e electrólitos, conforme as quantidades de fluxo de gás necessárias e percursos desejados através das áreas activas da pilha. Nesta invenção é importante fornecer todos os tampões húmidos, directamente através da placa separadora e electrólito, à volta de cada tubulação com as extremidades das tubulações adjacentes separadas pelo menos de cerca de 0,635 cm (0,25 inches). Esta invenção fornece também um tampão húmido continuo periférico, directamente entre a placa separadora e electrólito exterior às regiões das tubulações internas. 10

Num arranjo preferido, as placas separadoras, de acordo com esta invenção, são placas de metal prensado finas com rugas em toda a área activa da pilha de combustível, e pressionadas para formar, numa face, toda a periferia e as estruturas de tampão húmido de vedação das ligações, com uma estrutura de tampão húmido erecta, soldada à face oposta da placa separadora, para fornecer uma periferia completa e tampões húmidos de vedação das ligações entre a placa separadora e o electrólito, em faces opostas das placas separadoras. Qualquer estrutura pode ser usada para fornecer áreas tampão húmido estendidas, para formar tampões húmidos , directamente entre a placa separadora e o electrólito, tal como barras, tiras formadas por técnicas metalúrgicas de pó, e semelhantes.

Num arranjo preferido, as condutas ou orificios através da estrutura tampão húmido estendida com tubulações, proporcionando a comunicação gasosa entre as tubulações, e as câmaras anódicas e catódicas, podem ser aberturas proporcionadas por metais apropriadamente ondulados, ou podem ser orificios através de placas metálicas ou estruturas com barras.

Esta invenção fornece tampões húmidos simples entre estruturas metálicas planas finas e o electrólito, permitindo, desse modo, vedações seguras de uma conduta de gás proveniente da conduta de gás adjacente. Isto fornece meios efectivos para fornecer tubulações de alimentação e remoção de gás, completamente internas, de pilhas de combustível corrosivo e de alta temperatura, tal como conjuntos de pilhas de combustível de carbonato fundido. 0 uso da estrutura desta invenção também fornece meios efectivos e variados para fornecer carbonato a 11 «ΪΞ

conjuntos de multi-pilhas.

Esta invenção fornece uma configuração de fabrico em massa dos componentes da pilha de combustível, particularmente da placa separadora e do seu custo efectivo de fabrico. 0 uso de unidades de pilhas de combustível de carbonato fundido, nesta invenção, fornece facilidade na montagem do conjunto de pilhas de combustível e na modulação para vários tamanhos dos conjuntos de pilhas de combustível.

Esta invenção fornece ainda um processo de produção de electricidade usando o conjunto de pilhas de combustível com tubulações completamente internas, particularmente conjuntos de pilhas de combustível de carbonatos de metais alcalinos fundidos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Outras caracteristicas promovidas por esta invenção serão mais bem compreendidas a partir da seguinte descrição detalhada da invenção lida em conjunto com o desenho, no qual: A Fig.l é um esquema alargado da secção lateral de uma única pilha, ao longo da diagonal, para ilustrar os princípios desta invenção; A Fig.2 é uma perspectiva expandida de uma unidade de uma única pilha de um conjunto de pilhas de combustivel, de acordo com um arranjo desta invenção; A Fig.3 é uma vista da secção lateral de uma área tampão húmido de vedação periférica, de uma pilha de combustivel, de acordo com um arranjo desta invenção; A Fig.4 é tuna vista da secção lateral de uma unidade de 12 uma única pilha mostrando a abertura de uma conduta de combustivel com tubulações para o compartimento anódico; A Fig.5 é uma vista da secção lateral da unidade da pilha mostrada na Fig.4, que mostra a abertura de uma conduta de oxidante com tubulações para o compartimento catódico; A Fig.6 é uma vista da face central de outro arranjo de uma placa com tubulações, para um conjunto de pilhas de combustivel com tubulações, de acordo com esta invenção; A Fig.7 é uma vista da face oposta à da placa com tubulações mostrada na figura 6; A Fig. 8 é uma vista da secção recta alargada, ao longo de 8 - 8, mostrada na Fig.6; A Fig.9 é uma vista da secção recta alargada, ao longo de 9 - 9, mostrada na Fig.6; A Fig.10 é uma vista da secção recta alargada, ao longo de 10 - 10 , mostrada na Fig.6.

DESCRIÇÃO DOS ARRANJOS PREFERIDOS

Esta invenção diz respeito a conjuntos de pilhas de combustivel completamente ligadas internamente. Nos arranjos preferidos o azulejo electrólito é penetrado pelas condutas com várias tubulações e, em áreas especificas, o electrólito contacta a placa separadora para fornecer um tampão húmido periférico da placa separadora/electrólito, para contenção dos fluidos no interior do conjunto de pilhas, e uma vedação da placa separadora com tubulações/electrólito para isolamento dos compartimentos de reagentes e para direcionar os fluidos para dentro e para fora dos compartimentos de reagentes, no interior das pilhas 13 Ο individuais de combustível de carbonato fundido. Esta invenção utiliza, preferencialmente, placas separadoras finas contendo áreas tampão prensadas que se prolongam a partir de uma face da placa separadora, e arranjos de placas planas finas que se prolongam a partir da face oposta da placa separadora para formar áreas tampaõ. As áreas tampão de lâminas finas proporcionam flexibilidade e elasticidade limitadas para permitirem uma vedação firme.

Em referência à Figura 1 é mostrada uma vista esquemática da secção expandida, de um canto ao canto diagonal oposto, de uma única pilha de um conjunto de pilhas de combustível, de acordo com esta invenção, o que permite um fluxo de combustível e de gases oxidantes completamente interior, para o conjunto de pilhas. De acordo com este arranjo, os orificios de ligação são fornecidos às áreas dos cantos do electrólito que se estendem até à extremidade da pilha, juntamente com as placas separadoras das pilhas. Através do contacto entre o electrólito e a placa separadora, em cada face, formando tampões húmidos convencionais, em cada face, em torno da periferia do electrólito, é mantida a contenção dos fluidos. Através das aberturas desejadas que permitem a comunicação de fluidos entre os orificios de ligação e os compartimentos anódicos e catódicos, pode-se obter o fluxo gasoso desejado, enquanto se fornece uma vedação dos orificios de ligação, com tampões húmidos convencionais da placa separadora/electrólito.

Os orificios das ligações nas placas separadoras e azulejos electrólitos correspondentes formam condutas das ligações para fornecimento e escape de gás, que são continuas em 14 toda a altura do conjunto de pilhas de combustível. Esta invenção mostra que uma conduta com tubulações estendida a todas as pilhas, num conjunto de pilhas de combustível, é abastecida a partir de uma única abertura externa, enquanto que conjuntos anteriores de pilhas de combustível com tubulações externas requereram aberturas externas, para e a partir de cada pilha de combustível individual. Os gases são alimentados ao conjunto de pilhas de combustível, através de uma placa terminal que actua como tuna meia pilha, e são expelidos através de uma placa terminal semelhante que actua como outra meia pilha. A maneira como os fluidos são alimentados para, e expelidos do conjunto de pilhas de combustível, podem apresentar um grande número de variações, sendo o aspecto mais importante da presente invenção o facto do tampão do gás ser acompanhado pelo tampão entre o azulejo electrólito e a placa separadora, num modo convencional de tampão húmido, quer em torno da periferia da placa separadora quer na área de tubulações de gás, como desejado, para conduzir o gás para as localizações desejadas no interior de cada pilha individual.

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Como é mostrado na Figura 1, o electrólito 20 e a placa separadora 40 que se estendem para o rebordo exterior da pilha e estão vedados entre si, em redor da sua periferia nas áreas tampão húmido 23. Na Figura 1 mostra-se a unidade individual da pilha de combustível de carbonato fundido, com o ânodo 26 espaçado de uma face da placa separadora 40, para proporcionar uma camâra anódica alimentada pelo orificio com tubulações 24, de combustível, como indicado pela seta 38. Na outra face da placa separadora 40, o cátodo 27 é espaçado da placa separadora 40, 15

para formar uma camâra catódica com comunicação com os orificios com tubulações 25 com oxidante, como indicado pela seta 39. 0 electrólito 20 e a placa separadora 40 estende-se para o rebordo exterior da pilha formando as áreas tampão húmido 23 periféricas que proporcionam tampões húmidos periféricos entre o electrólito e a placa separadora para contenção do fluido. A área 45 do tampão húmido com tubulações de combustível, e a área 46 do tampão húmido de oxidante fornecem um tampão com tubulações através dos tampões húmidos de electrólito/placa separadora, e fornecem a desejada direcção ao fluido para a camâra anódica e catódica, nos lados opostos da placa separadora 40. Não são usadas vedações adicionais e a unidade da pilha pode acomodar uma larga variedade de técnicas de adição de carbonato, incluindo o uso de tiras de carbonato. Quando são usadas tiras de carbonato, estas e a matriz de electrólito estendem-se até aos rebordos da pilha, e apesar do espaçamento entre as pilhas decrescer proporcionalmente à espessura das tiras de carbonato, quando se fundem, mantêm-se sempre o tampão e a conformidade de todos os componentes da pilha. Durante o aquecimento da pilha, anterior à fusão da tira de carbonato, o tampão é mantido em torno de cada orificio com tubulações 24 e 25, uma vez que as tiras de carbonato e a matriz de electrólito, tal como LÍA102/ se estendem adjacentes às respectivas superfícies tampão e contêm um ligante semelhante à borracha. Durante a combustão do ligante, que ocorre antes da fusão do carbonato, os fluxos de gás são mantidos e obtem-se um tampão. Quando o ligante é queimado e a temperatura da pilha atinge o ponto de fusão do carbonato, o carbonato fundido é absorvido pelas tiras de LÍAIO2 poroso e pelos 16 eléctrodos. 0 espaçamento entre as pilhas diminui à medida que as tiras de carbonato se fundem mas a vedação das pilhas é mantida em todos os estádios, da temperatura ambiente até às temperaturas de operação de cerca de 650°C. A limitada flexibilidade e elasticidade das placas de metal finas nas áreas tampão ajuda a manter a vedação das pilhas. A Figura 2 é uma vista em perspectiva estendida de uma unidade de uma pilha de combustível de um conjunto de pilhas de combustível de carbonato fundido, de acordo com um arranjo desta invenção com placas separadoras 40, cátodo 27, colector de _/ corrente do cátodo 28, electrólitos 20, ânodo 26 e colector de corrente do ânodo 29. Tanto as placas separadoras 40, como os electrólitos 20, estendem-se até ao rebordo da pilha e formam tampOes húmidos em ambas as faces das placas separadoras 40 em torno de toda a sua periferia em áreas tampão húmido periféricas 43. As áreas tampão húmido periféricas 43 estendem-se quer para cima quer para baixo do plano geral da placa separadora 40, para permitir o contacto com a periferia dos electrólitos 20, em ambas as faces da placa separadora 40. As placas separadoras 40 e os J azulejos electrólitos 20 são ambos atravessados pelos orifícios de ligação de combustível 24 e orifícios de ligação de oxidante 25, correspondentes. No arranjo mostrado na Figura 2, tanto as placas separadoras 40 como os azulejos electrólitos 20 são atravessados apenas nos seus cantos por orifícios de ligação, para permitir o maior espaçamento possível entre os orifícios de ligação. Como é mostrado na Figura 2, é preferível ter orifícios de ligação em cada canto das placas separadoras 40 e dos azulejos electrólitos 20. Embora os orifícios de ligação mostrados na 17

Figura 2 tenham uma configuração preferencialmente triangular fornecendo facilmente áreas tampão húmido, com tubulações em placas finas e rectas, os orifícios de ligação podem ser redondos, rectangulares ou com qualquer outra forma desejada. Os orifícios de ligação mostrados na Figura 2 são aberturas únicas, mas podem ser usadas partições nas aberturas únicas, como se desejar, para direccionar o fluxo de gás através das camâras reagentes das pilhas. As áreas tampão húmido com tubulações de combustível 45, e as áreas tampão húmido com tubulações de oxidante 46 estendem-se para cima e para baixo do plano geral da placa separadora 40, para permitir o contacto com o electrõlito 20, em ambas as faces da placa separadora 40, para formar tampões húmidos com o electrólito adjacente 20 definindo condutas de gás. A superfície do ânodo 26 ê nivelada com o nivel do tampão húmido periférico 43 e tampão húmido com tubulações de oxidante 46, para fornecer vim contacto do tampão húmido entre as placas separadoras 40 e o electrólito 20 nestas áreas. Na face oposta da placa separadora 40, a superfície do cátodo 27 é nivelada com o nivel do tampão húmido periférico 43, para fornecer contacto do tampão húmido com tubulações de combustível 45 entre a placa separadora 40 e o electrólito 20, nestas áreas.

Como se vê bem na Figura 2, os orificios de ligação de oxidante 25 são vedados por tampões húmidos de vedação das ligações de oxidante 46, permitindo um fluxo de oxidante apenas para a camâra catódica (adjacente à face superior da placa separadora como é mostrado) através das aberturas de fornecimento de oxidante 48, e evitando o fluxo de gás, para ou a partir da camâra anódica, enquanto os orificios de ligação de combustível 18 24 são vedados pelos tampões húmidos de vedação das ligações de combustível 45, permitindo o fluxo de combustível gás através das aberturas de fornecimento de combustível 47, para a camâra anódica (adjacente à face inferior da placa separadora, como é mostrado) e evitando o fluxo de gás para ou a partir da camâra catódica. Embora os tampões húmidos de vedação das ligações sejam mostrados como estruturas de placas metálicas finas prensadas e planas, elas podem ter qualquer forma ou estrutura desejada para evitar o fluxo de gás. Os tampões húmidos de vedação das ligações formam uma vedação húmida dupla entre o orifício de ligação do combustível 24 e o orifício de ligação do oxidante 25.

As placas separadoras 40 podem ser constituídas de materiais adequados que fornecem a desejada resistência fisica e separação de gás. Em muitos conjuntos de pilhas é preferível usar placas separadoras com dois metais, nas quais o aço inoxidável deve ser usado na face catódica, e o níquel ou cobre na face anódica, para evitar a corrosão metálica do ferro. As placas separadoras podem também ser fabricadas de ligas ferrosas, tal como as ligas de aço inoxidável das séries tipo 300. As placas separadoras permitem a dupla função de fornecer um separador nâo-reactivo da camâra de gás, assim como fornecer resistência estrutural à pilha de combustível, como um elemento com capacidade de suporte de carga interna. Embora seja preferível o uso de placas separadoras tendo uma secção recta ondulada, para permitir tanto resistência como uma melhor circulação de gás adjacente aos eléctrodos, os princípios desta invenção são também aplicáveis a placas separadoras com estrutura plana para fornecer áreas tampão húmido periféricas e tampões húmidos em torno de 19 orifícios das várias tubulações, internos, enquanto permitem a passagem de gás, para e a partir das tubulações internas, como é requerido na operação das pilhas de combustível. As placas separadoras internas do conjunto de pilhas de combustível são desejávelmente placas muito finas, da ordem das cerca de 0,0254 cm (0,010 inch).

Placas de aço inoxidável de espessura fina têm sido usadas em tecnologia de transferência de calor, como exemplificado pelas publicações "Modern Designs For Effective Heat Transfer", da American Heat Reclaiming Corp., 1270 Avenue of the Américas, New York , New York 10020 e "Superehanger Plate and Frame Heat Exchanger", Tránter, Inc. Wichita Falis, Texas 76307. Estes permutadores de calor usam uma série de vedações modeladas ou placas metálicas prensadas, aparafusadas em conjunto, entre as estruturas finais, para formar canais de passagem do meio quente, num lado da placa, e passagem de meio frio do outro lado da placa. Contudo, as placas separadoras do conjunto de pilhas de combustível apresentam problemas muito diferentes de vedação e corrosão, sob condições operatórias das pilhas de combustível de carbonatos de metais alcalinos fundidos, e diferentes configurações das tubulações, vedações e meios de comunicação de fluidos, uma vez que os dois fluidos devem passar, sem qualquer relação entre si, entre placas separadoras adjacentes. Na transferência de calor, apenas um fluido passa entre placas de transferência de calor adjacentes. No entanto, a tecnologia de fluxo de fluido, sobre os eléctrodos de conjuntos de pilhas de combustível desta invenção, pode utilizar, com vantagem, técnicas de projecto e modelos de permutadores de calor em placas, como em 20

forma de espinha, tabular, corrugações planas e corrugações mistas. A Figura 3 mostra com maior detalhe uma área tampão húmido periférica, de acordo com um arranjo desta invenção, em que uma placa separadora plana fina 40 é ondulada com os picos numa face da placa suporte com ondulações 28 do cátodo adjacente 27, com perfurações 29, e formada para se obter uma área de vedação plana com uma placa fina separadora 44 que se encontra adjacente ao electrólito 20, na face catódica da pilha. A tira 41 do tampão húmido da placa separadora, formada de uma faixa fina de material metálico, é soldada pelas soldaduras 42, ou, de outra forma, ligadas à face anódica da placa separadora 40, para fornecer uma área tampão húmido da soldadura da placa separadora plana, 43, que se encontra adjacente ao electrólito 20 do lado anódico da pilha. Rápidamente se percebe que a posição da placa separadora e a soldadura do tampão húmido podem ser viradas em sentido contrário, e que o espaçamento entre a soldadura do tampão húmido, separador da área do tampão húmido 43, e a área do tampão húmido separador 44, deve ser tal que cumpra os requesitos de espaçamento de pilhas individual. A Figura 4 mostra uma vista da secção recta através de uma conduta entre as tubulações de combustível 24, e a camâra anódica, de forma que a área tampão húmido 45 com tubulações de combustível, da placa separadora, entre a face inferior da placa separadora 40 e o electrólito 20, evita o fluxo de combustível para a camâra catódica e fornece o fluxo de combustível para a camâra anódica, entre o ânodo 26 e a face superior da placa separadora 40. Do mesmo modo, a Figura 5 mostra uma vista da 21 secção recta através de uma conduta entre as tubulações com oxidante 25 e a camâra catódica, de forma a que a área tampão húmido 44 com tubulações de oxidante na placa separadora 40, entre a face superior da placa separadora e o electrólito 20, evita o fluxo de oxidante para a camâra anódica, enquanto permite o fluxo de oxidante para a camâra catódica entre o cátodo 27 e a face inferior da placa separadora 40. As passagens de combustível e oxidante podem ser formadas por ondulações na placa separadora 40, por orifícios através de uma soldadura fixada à placa separadora 40, ou por qualquer outro meio apropriado para distribuir os gases, como desejado.

Um outro arranjo de uma placa separadora, de acordo com esta invenção, é mostrado nas Figuras 6-10. Neste arranjo, as tubulações fornecedoras de combustível e oxidante são dispostas alternadamente ao longo de extremidades opostas de placas separadoras planas finas, e tubulações de combustível e oxidante esgotados são dispostas alternadamente através de uma região central das placas separadoras planas finas, para fornecer um fluxo dividido de gás e uma maior estabilidade mecânica às placas separadoras finas, de maior área superficial. As placas separadoras metálicas finas são construídas de maneira semelhante à descrita acima, com ondulações prensadas nas áreas activas, para suportar os eléctrodos, e para fornecer o volume apropriado da camâra anódica e camâra catódica de gás, e com as áreas prensadas estendidas para fora do plano da placa separadora fina, para formar áreas de tampões húmidos de placa fina, numa das faces da placa e uma soldadura metálica plana fina ligada, estendendo-se para fora, para formar áreas de vedação húmida na 22 outra face da placa separadora. A Figura 6 representa a face superior ou frontal de uma placa separadora, enquanto a Figura 7 representa a face contrária da mesma placa separadora. As áreas electroquimicamente activas da placa separadora 140 têm ondulações, como se mostra melhor na Figura 9, com a área tampão húmido prensada periférica, 123, estendendo-se para além das ondulações, para contactar com o electrólito de uma pilha adjacente, na área tampão húmido periférica 123, e a soldadura de metal fino, prensado, 141, ligada à periferia da face oposta da placa separadora, 140, e estendendo-se para além das ondulações para contactar com os electrólitos da pilha adjacente, na periferia da área de tampão húmido 123. Os orifícios de ligação de oxidante 125 estão dispostos alternadamente aos orifícios de ligação de combustível 124, através das regiões terminais opostas, e os orifícios de ligação de oxidante 125A dispostos alternadamente aos orifícios de ligação de combustível 124A, na região central da placa separadora 140. As séries de orifícios de ligação de oxidante e orifícios de ligação de combustível, como se mostra nestas figuras, permitem o fornecimento do combustível e oxidante em extremidades opostas da placa separadora 140, e a remoção de combustível e oxidante na parte central da placa separadora 140. Como se vê melhor na Figura 8, o oxidante é fornecido através de orifícios de ligação 125, e passa através das aberturas 148, fornecedoras de oxidante, para a superfície activa da placa separadora 140, como se mostra pelas setas na Figura 6. 0 oxidante passa através dos canais da placa separadora 140, com ondulações, formando o compartimento catódico de gás até às aberturas 158 de salda do oxidante, como é mostrado pelas 23 setas na Figura 6, alimentando os orificios de ligação 125A de oxidante. De forma semelhante, o combustível é fornecido através dos orificios de ligação de combustível 124, para as aberturas 147 de fornecimento de combustível, passa através dos canais da placa separadora com ondulações 140, formando o compartimento anódico de gás, até às aberturas 157 de salda de combustível, como é mostrado pelas setas na Figura 7, alimentando os orificios de ligação de combustível 124A. 0 fluxo co-linear dos gases combustível e oxidante, em faces opostas da placa separadora, é mostrado nas Figuras 6 e 7 com as tubulações fornecidas em extremidades opostas da placa separadora, e as tubulações de salda na região central da placa separadora. Usando a mesma placa separadora, pode-se obter um fluxo de combustível e gases oxidantes co-linear em contra-corrente, em faces opostas da placa, usando, para fornecimento, tubulações centrais de oxidante e de combustível , e, para saldas, tubulações terminais de combustível e de oxidante. Usando as mesmas placas separadoras pode-se obter fluxos de combustível e de gases oxidantes, em contra-corrente, nas faces opostas da placa separadora, fornecendo combustível ou oxidante através das tubulações centrais de combustível ou oxidante, enquanto se remove o gás através das correspondentes tubulações terminais nas duas extremidades, e introduzindo o outro gás através das tubulações terminais, e retirando-o através das tubulações centrais. Assim, verifica-se que vários padrões de fluxos de gás desejados podem ser obtidos em faces opostas da placa separadora, usando uma placa separadora idêntica, e alterando apenas o fornecimento à tubulação ou tubulações exteriores à pilha. 24

Constatou-se que usando material metálico plano fino em todas as áreas tampão húmido da placa separadora, devido à limitada flexibilidade e elasticidade na área tampão húmido, durante a construção do conjunto de pilhas de combustível, pode-se evitar ou minimizar as fugas de gás através dos tampões húmidos, separando as tubulações adjacentes de combustível e de oxidante de uma distância de, pelo menos, 0,635 cm (1/4 inch). As placas separadoras metálicas planas finas, de acordo com esta invenção, apresentam uma boa resistência mecânica e facilidade no seu fabrico. 0 arranjo do fluxo dividido da placa separadora, como representado nas Figuras 6-10, fornece uma maior firmeza a toda a placa separadora, pelo suporte das áreas tampão húmido que rodeiam os orifícios de ligação na parte central da placa. Este arranjo permite também o fabrico dos eléctrodos que são apenas uma parte, neste caso metade da área activa produtora de corrente das pilhas de combustível, facilitando o manuseamento dos eléctrodos e permitindo o processo continuo, tal como o revestimento de fitas e sinterização, para ser ensaiado com equipamento menor. Um aspecto importante desta invenção são as placas de metal fino sobre as áreas tampão húmido da placa separadora, que fornecem contacto directo com o electrólito de uma pilha, numa face, e da pilha adjacente na face oposta, passando as condutas de combustível e oxidante apenas através das placas separadoras e dos electrólitos, no conjunto de pilhas de combustível.

Utilizando áreas de tampões húmido placa separadora/electrólito, a comunicação entre a tubulação de combustível e a face apenas anódica da placa separadora, e 25

Claims

entre a tubulação de oxidante e apenas a face oposta do cátodo da placa separadora, pode ser obtida, sem vedações porosas que são essenciais quando se usam tubulações externas. Além disso, cada área de vedação da tubulação de gás deve ser revestida de alumínio para reduzir a corrosão e outros processos perigosos. Usando as tubulações completamente internas desta invenção, as trocas entre pilhas distantes, resultantes da fusão das tiras de carbonato, ocorrem no local da fábrica de montagem e, uma vez ocorrida esta fusão, não há mais modificações nas distâncias entre pilhas. A altura do conjunto de pilhas recebido da fábrica será o mesmo durante a operação, num vaso sob pressão, no local de uso. Assim, o único requesito a seguir durante a operação do conjunto da pilha de combustível é o necessário para manter a força que segura a pilha, nas áreas activas e de tampão. Embora na anterior especificação esta invenção tenha sido descrita em relação a cêrtos arranjos preferidos, e muitos detalhes tenham sido apresentados com fins de ilustração ilustração, tornar-se-á evidente para os peritos no ramo que a invenção é susceptivel de arranjos adicionais. REIVINDICAÇÕES 1- Um conjunto de pilhas de combustível geralmente rectangular, compreendendo uma pluralidade de unidades de pilhas de combustível, incluindo cada unidade de pilha de combustível um ânodo e um cátodo, um electrólito em contacto com uma face do ânodo referido, e um electrólito em contacto com uma face oposta ao dito cátodo, e uma placa separadora separando a referida unidade de pilha, entre os referidos ânodo e cátodo, formando uma 26

câmara anódica entre uma face da referida placa separadora e o dito ânodo, e uma câmara catódica entre a face oposta da referida placa separadora e o cátodo referido, encontrando-se a referida câmara anódica em comunicação gasosa com o fornecimento e descarga de gás combustivel, e a câmara catódica em comunicação gasosa com o fornecimento e descarga de gás oxidante, caracterizado pelo facto de os referidos electrólitos e das referidas placas separadoras, estendendo-se até ao rebordo do referido conjunto de pilhas de combustivel, possuindo as referidas placas separadoras uma estrutura tampão húmido de vedação periférica e plana, estendendo-se de forma a contactar com os referidos electrólitos em cada um dos lados das referidas placas separadoras, completamente em redor da sua periferia, formando um tampão húmido electrólito/placa separadora, sob condições de funcionamento da pilha, possuindo os referidos electrólitos e as referidas placas separadoras, cada um, uma pluralidade de perfurações alinhadas, sendo as mesmas, nas placas separadoras referidas, rodeadas por uma estrutura tampão húmido de vedação das ligações, plana, estendendo-se de forma a contactar o electrólito referido em cada face da referida placa separadora, formando um tampão húmido electrólito/placa separadora, sob condições de funcionamento da pilha, para formar uma pluralidade de tubulações para o gás, que se estende através do referido conjunto de pilhas, e prolongando-se as condutas através da referida estrutura tampão húmido de vedação das ligações , estendida, fornecendo uma comunicação de gás combustivel entre um conjunto das tubulações referidas e das referidas câmaras anódicas, numa das faces das referidas pi acas 27

separadoras, e condutas através da referida estrutura tampão húmido de vedação das ligações, estendida, fornecendo uma comunicação de gás oxidante entre o outro conjunto de tubulações referidas e as referidas câmaras catódicas na outra face das referidas placas separadoras, fornecendo, desta forma, tubulações completamente ligadas internamente de combustivel e gases oxidantes, para e a partir de cada unidade de pilha de combustivel, no referido conjunto de pilhas de combustivel.
2- Um conjunto de pilhas de combustivel, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto das placas da extremidade estarem configuradas da mesma forma que as referidas placas separadoras, nas suas faces internas, formando metades de pilhas em cada extremidade do conjunto de pilhas de t combustivel referido.
3- Um conjunto de pilhas de combustivel, conforme reivindicado na reivindicação 2, caracterizado pelo facto de as referidas placas separadoras serem placas de metal prensadas.
4- Um conjunto de pilhas de combustivel,' conforme reivindicado na reivindicação 3, caracterizado pelo facto da referida estrutura tampão húmido periférica plana, numa face da placa separadora, compreender uma configuração prensada da referida placa separadora, para formar o referido tampão húmido periférico estendido, numa face da referida placa separadora, e compreendendo, na outra face da referida placa separadora, uma forma de lâmina de metal prensada formando o referido tampão húmido periférico estendido, ligado à outra face da referida placa separadora.
5- Um conjunto de pilhas de combustivel, conforme 28 -4-?- reivindicado na reivindicação 4, caracterizado pelo facto da referida estrutura tampão húmido de vedação das ligações, estendida, numa face da dita placa separadora, compreender uma configuração prensada da dita placa separadora, para formar o referido tampão húmido de vedação das ligações, estendido, na dita face da referida placa separadora e compreendendo, na outra face da referida placa separadora, uma configuração de lâmina de metal prensada formando o dito tampão húmido de vedação das ligações, estendido, ligado à outra face referida da dita placa separadora.
6- Um conjunto de pilhas de combustível, conforme reivindicado na reivindicação 5, caracterizado pelo facto das referidas condutas, através da referida estrutura tampão húmido de vedação das ligações estendida, serem formadas por metal ondulado,
7- Um conjunto de pilhas de combustível, conforme reivindicado na reivindicação 5, caracterizado pelo facto das referidas condutas que atravessam a referida estrutura tampão húmido das ligações estendida, serem orifícios através das estruturas das lâminas de metal.
8- Um conjunto de pilhas de combustível, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto da referida estrutura tampão húmido periférica e plana, numa face da referida placa separadora, compreender uma configuração prensada da referida placa separadora, de modo a formar um tampão húmido periférico estendido, numa face da referida placa separadora, e compreendendo a outra face da referida placa separadora uma forma de lâmina de metal prensada formando o referido tampão húmido 29

tmr—TS* periférico estendido, ligado à outra face da referida placa separadora.
9- Um conjunto de pilhas de combustível, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto da referida estrutura tampão húmido de vedação das ligaçOes, estendida, numa face da referida placa separadora, compreender uma configuração prensada da referida placa separadora, de modo a formar o referido tampão húmido de vedação das ligaçOes, estendido, na referida face da placa separadora referida, e compreendendo a outra face da placa separadora uma forma de lâmina de metal prensada formando o referido tampão húmido de vedação das ligaçOes, estendido, ligado à outra face da referida placa separadora.
10- Um conjunto de pilhas de combustível, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto de as ditas perfurações se encontrarem em cada área de canto dos referidos electrólitos e placas separadoras.
11- Um conjunto de pilhas de combustível, conforme reivindicado na reivindicação 10, caracterizado pelo facto de cada uma das referidas perfurações ter uma forma triangular possuindo dois lados paralelos aos rebordos externos do referido conjunto de pilhas.
12- Um conjunto de pilhas de combustível, conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido electrólito compreender carbonatos de metais alcalinos.
13- Um processo para a produção de electricidade num conjunto de pilhas de combustível geralmente rectangular, caracterizado pelo facto de compreender uma pluralidade de 30 I unidades de pilhas de coxnbustivel, compreendendo cada unidade de pilhas de combustível um ânodo e um cátodo, um electrólito em contacto com uma face do referido ânodo, e um electrólito em contacto com uma face oposta ao cátodo referido, e ' uma placa separadora separando a referida unidade de pilha entre os referidos ânodo e cátodo, formando uma câmara anódica entre uma face da referida placa separadora e o referido ânodo, e uma câmara catódica entre a face oposta da referida placa separadora e do cátodo referido, compreendendo o aperfeiçoamento: a passagem de combustível e de gases oxidantes através das condutas de ligações completamente internas de, e a partir de cada unidade de pilha de combustível no referido conjunto de pilhas de combustível, possuindo as referidas condutas de ligações internas, formadas pelos electrólitos referidos e pelas referidas placas separadoras, cada uma, uma pluralidade de perfurações alinhadas, sendo cada perfuração rodeada de uma estrutura tampão húmido de vedação das ligações, plana, estendendo-se para contactar com o referido electrólito em cada face da referida placa separadora, formando um tampão húmido placa separadora/electrólito, sob condições de funcionamento da pilha, de modo a formar uma pluralidade de tubulações de gás, estendendo-se através do referido conjunto de pilhas, fornecendo as condutas que atravessam a referida estrutura tampão húmido de vedação das ligações estendida, uma comunicação de gás combustível entre um conjunto das referidas tubulações e das referidas câmaras anódicas, numa face das referidas placas separadoras e condutas, através da referida estrutura tampão húmido de vedação das ligações estendida, fornecendo uma 31 comunicação de gás oxidante entre o outro conjunto dos ditos tubos de ligações e das ditas câmaras catódicas, na outra face das referidas placas separadoras, fornecendo, desse modo, tubos completamente ligados internamente de combustível e gases oxidantes, para e a partir de cada unidade de pilha de combustível no referido conjunto de pilha de combustível.
14- Um processo, conforme reivindicado na reivindicação 13, caracterizado pelo facto dos referidos electrólitos serem carbonatos de metais alcalinos.
15- Um processo, conforme reivindicado na reivindicação 13, caracterizado pelo facto das referidas perfurações se encontrarem em cada área de canto dos referidos electrólitos e das referidas placas separadoras. J Lisboa, 28 de Agosto de 1990 KLO AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL 0 ADJUNTO

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