BRPI0607581B1

BRPI0607581B1 - Fuel cell arrangement

Info

Publication number: BRPI0607581B1
Application number: BRPI0607581-9A
Authority: BR
Inventors: Martin Townsend James; Bozzolo Michele; Daniel Agnew Gerard
Original assignee: Lg Fuel Cell Systems Inc.
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2018-01-16
Also published as: KR101264197B1; DK1878081T3; EP1878081B9; AU2006231097B2; CN100585931C; KR20070117612A; CA2602298A1; AU2006231097A1; SG163563A1; EP1878081B1; CA2602298C; EP1878081A2; WO2006106288A3; JP5200307B2; CN101189753A; JP2008535196A; US8241813B2; ES2584870T3; RU2007135250A; BRPI0607581A2

Abstract

arranjo de célula de combustível. trata-se de arranjo de célula de combustível (10) que compreende pelo menos um módulo de célula de combustivel (12), cada módulo de célula de combustível (12) compreende uma pluralidade de células de combustível (14) . cada módulo de célula de combustível (12) é oco e define uma câmara (16). cada módulo de célula de combustível (12) fica arranjado dentro de um vaso interno (24) e o vaso interno (24) fica arranjado dentro do vaso de pressão externo (28) dispositivo (32) para suprir oxidante fica arranjado para suprir oxidante ao espaço (26) dentro do vaso interno (24) de maneira a suprir oxidante aos eletrodos do catodo (22) dispositivo (34) para suprir combustível fica arranjado para suprir combustível à câmara (16) em cada módulo de célula de combustível (12) de maneira a suprir combustível aos eletrodos do anodo (18) . o vaso de pressão externo (24) projeta-se de ambientes de alta temperatura das células de combustível (14) pelo vaso interno (24) . o vaso de pressão externo (28) forma a contenção de pressão principal do arranjo e opera a uma menor temperatura e opera com uma maior margem de segurança do que um arranjo de um único vaso de pressão.

Description

(54) Título: ARRANJO DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL (51) lnt.CI.: H01M 8/2475; H01M 8/04 (30) Prioridade Unionista: 05/04/2005 GB 0506866.3 (73) Titular(es): LG FUEL CELL SYSTEMS INC.

(72) Inventor(es): JAMES MARTIN TOWNSEND; MICHELE BOZZOLO; GERARD DANIEL AGNEW

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ARRANJO DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL

CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção refere-se a um arranjo de célula de combustível e, em particular, a um arranjo de célula de combustível de óxido sólido.

[002] Sabe-se que um arranjo de célula de combustível compreende um ou mais módulos de célula de combustível, cada módulo de célula de combustível compreende uma pluralidade de células de combustível disposta dentro de um alojamento e cada alojamento é disposto dentro de um vaso de pressão. Convencionalmente, o vaso de pressão tem isolamento interno e/ou fluido de resfriamento que usa passagens dentro do vaso de pressão para manter a temperatura do vaso de pressão a um valor suficientemente baixo para garantir a integridade do vaso de pressão. No caso de células de combustível de óxido sólido que operam a temperaturas mais altas, por exemplo, 700 °C a 1.000 °C, o arranjo térmico do fluxo de calor para o vaso de pressão é difícil.

[003] O arranjo convencional apresenta problemas. A manutenção de um gradiente térmico uniforme no vaso de pressão é comprometido pelas passagens de fluido de resfriamento que produz gradientes térmicos pelo desenho, e isto pode resultar na perda de partes do isolamento em serviço, levando a pontos quentes localizados no vaso de pressão. Esses pontos quentes localizados causam concentrações de tensões localizadas no vaso de pressão por causa da expansão térmica diferencial, e assim reduzem a vida do vaso de pressão. O isolamento interno dá origem a condensação, em alguma zona dentro do isolamento, que pode promover o desprendimento de partes do isolamento interno em serviço, levando a pontos quentes localizados no vaso de pressão. A condensação pode também levar a corrosão acelerada na interface vaso de pressão/isolamento interno.

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Ao contrário, falha localizada do isolamento externo não existe, em virtude de que isso resultaria em pontos frios, ao invés de pontos quentes. A corrosão acelerada do vaso de pressão pode ocorrer na interface do isolamento e o vaso de pressão, até um ponto que depende do material do vaso de pressão, e a inspeção da corrosão no vaso de pressão fica limitada pelo isolamento. 0 resfriamento do vaso de pressão aumenta a perda de calor do sistema, que pode reduzir a eficiência do sistema elétrico.

[004] Existe uma dificuldade em prover um vaso de pressão para módulos de célula de combustível que dê a integridade e disponibilidade exigidas, considerando a combinação de pressão e temperatura e a necessidade de cobrir todas as condições operacionais do arranjo de célula de combustível.

[005] Dessa maneira, a presente invenção procura prover um arranjo de célula de combustível inédito que reduz, preferivelmente supere, os problemas supramencionados.

[006] Dessa maneira, a presente invenção fornece um arranjo de célula de combustível que compreende pelo menos um módulo de célula de combustível, cada módulo de célula de combustível compreende uma pluralidade de células de combustível, cada célula de combustível compreende um eletrodo do anodo, um eletrodo do catodo e um eletrólito, o pelo menos um módulo de célula de combustível é oco e define uma câmara, o pelo menos um módulo de célula de combustível é disposto dentro de pelo menos um vaso interno e o pelo menos um vaso interno é disposto dentro de um vaso de pressão externo, dispositivo para suprir oxidante aos eletrodos do catodo, dispositivo para suprir combustível aos eletrodos do anodo, o dispositivo para suprir oxidante é disposto para suprir oxidante no espaço dentro do vaso interno, o espaço dentro do vaso interno é disposto para

3/34 suprir oxidante aos eletrodos do catodo, o dispositivo para suprir combustível é disposto para suprir combustível à câmara no pelo menos um módulo de célula de combustível e a câmara no pelo menos um módulo de célula de combustível é disposto para suprir combustível aos eletrodos do anodo do pelo menos um módulo de célula de combustível.

[007] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante aos eletrodos do catodo fica disposto de maneira tal que a pressão entre o vaso de pressão externo e o pelo menos um vaso interno é maior que a pressão no pelo menos um vaso interno, de maneira tal que o pelo menos um vaso interno seja sujeito a uma carga compressiva.

[008] Preferivelmente, existe dispositivo para remover os gases de exaustão das células de combustível.

[009] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante supre oxidante em um espaço entre o pelo menos um vaso interno e o vaso de pressão externo.

[0010] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante supre o oxidante do espaço entre o pelo menos um vaso interno e o vaso de pressão externo no pelo menos um vaso interno.

[0011] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante supre o oxidante do espaço entre o pelo menos um vaso interno e o vaso de pressão externo a um espaço entre o vaso interno e o pelo menos um módulo de célula de combustível.

[0012] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante supre o oxidante do espaço entre o pelo menos um vaso interno e o vaso de pressão externo no pelo menos um vaso interno através de pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.

[0013] Alternativamente, o dispositivo para suprir oxidante supre uma primeira parte do oxidante através de

4/34 pelo menos um restritor no espaço entre o pelo menos um vaso interno e o vaso de pressão externo, o dispositivo para suprir oxidante supre uma segunda parte do oxidante no pelo menos um vaso interno.

[0014] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante supre a segunda parte do oxidante no espaço entre o vaso interno e o pelo menos um módulo de célula de combustível.

[0015] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante supre a segunda parte do oxidante no pelo menos um vaso interno através de pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.

[0016] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante supre a primeira parte do oxidante do espaço entre o vaso de pressão externo e o pelo menos um vaso interno no pelo menos um vaso interno através de pelo menos um restritor.

[0017] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante supre a primeira parte de oxidante do espaço entre o vaso de pressão externo e o pelo menos um vaso interno no pelo menos um vaso interno através do pelo menos um restritor e do pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.

[0018] Preferivelmente, existe dispositivo para suprir oxidante não utilizado no espaço entre o pelo menos um vaso interno e o pelo menos um módulo de célula de combustível. [0019] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante não utilizado no espaço entre o pelo menos um vaso interno e o pelo menos um módulo de célula de combustível compreende o pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.

[0020] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante não utilizado no espaço entre o pelo menos um vaso

5/34 interno e o pelo menos um módulo de célula de combustível compreende pelo menos um combustor, dispositivo para suprir oxidante não utilizado ao pelo menos um combustor e dispositivo para suprir combustível não utilizado ao pelo menos um combustor e dispositivo para suprir os produtos do pelo menos um combustor ao pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.

[0021] Preferivelmente, o pelo menos um vaso interno é tubular e o vaso de pressão externo é tubular.

[0022] Preferivelmente, é provido isolamento na superfície interna do pelo menos um vaso interno. Preferivelmente, é provido um espaço entre o isolamento e a superfície interna do pelo menos um vaso interno. O isolamento pode ser provido na superfície externa do pelo menos um vaso interno.

[0023] Preferivelmente, é provido um espaço entre o isolamento e a superfície externa do pelo menos um vaso interno. Isolamento pode ser provido na superfície externa do vaso de pressão externo.

[0024] Preferivelmente, uma pluralidade de módulos é disposta dentro do pelo menos um vaso interno.

[0025] Preferivelmente, existe uma pluralidade de vasos internos, alternativamente existe apenas um vaso interno. [0026] Preferivelmente, uma pluralidade de módulos fica disposta dentro de cada vaso interno.

[0027] Preferivelmente, os módulos são dispostos em torno de um eixo central.

[0028] Preferivelmente, o dispositivo para suprir oxidante compreende uma bomba ou um compressor.

[0029] Preferivelmente, o compressor é conectado a uma turbina.

[0030] Preferivelmente, uma parte do oxidante não utilizado é suprida à turbina para acionar a turbina.

6/34 [0031] Preferivelmente, um primeiro sensor de pressão é disposto para medir a pressão no espaço entre o pelo menos um vaso interno e o vaso de pressão externo, um segundo sensor de pressão é disposto para medir a pressão no espaço entre o pelo menos um vaso interno e o pelo menos um módulo de célula de combustível e um monitor fica disposto para comparar a pressão medida pelo primeiro sensor de pressão e a pressão medida pelo segundo sensor de pressão para determinar se existe uma sobrepressão por causa de mau funcionamento de componente ou queima de combustível no módulo de célula de combustível.

[0032] Preferivelmente, o pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina fica disposto de maneira tal que ele estenda-se radialmente em relação aos eixos do pelo menos um vaso interno, com a entrada do pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina disposta na extremidade radialmente interna e a exaustão do pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina disposta na extremidade radialmente externa. [0033] O pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina pode ficar disposto de maneira tal que ele estenda-se axialmente em relação aos eixos do pelo menos um vaso interno, com a entrada do pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina disposta em uma extremidade axial do vaso interno e a exaustão do pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina disposta em uma região central do vaso interno. [0034] O pelo menos um vaso interno define um espaço com um elemento de parede preso no pelo menos um vaso interno, o dispositivo para suprir oxidante supre oxidante no espaço entre o pelo menos um vaso interno e o elemento de parede. [0035] O dispositivo para suprir oxidante pode suprir oxidante do espaço entre o pelo menos um vaso interno e o

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elemento interno.	de	parede a um espaço dentro do pelo menos um vaso
[0036]	0	dispositivo para suprir oxidante pode suprir
oxidante	do	espaço entre o pelo menos um vaso interno e o
elemento	de	parede ao espaço entre o pelo menos um vaso
interno e	o	vaso de pressão externo.
[0037]	0	dispositivo para suprir oxidante pode suprir o
oxidante	do	espaço entre o pelo menos um vaso interno e o
elemento	de	parede ao espaço dentro do pelo menos um vaso

interno através do pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.

[0038] O dispositivo para suprir oxidante ao espaço dentro do pelo menos um vaso interno pode suprir o oxidante através de pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina a um espaço entre o pelo menos um vaso interno e o pelo menos um módulo de célula de combustível. [0039] O pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina pode suprir oxidante não utilizado do pelo menos um módulo de célula de combustível ao espaço entre o pelo menos um vaso interno e o pelo menos um módulo de célula de combustível.

[0040] Pode haver dispositivo para suprir oxidante não utilizado do pelo menos um módulo de célula de combustível ao pelo menos um combustor, dispositivo para suprir combustível não utilizado do pelo menos um módulo de célula de combustível ao pelo menos um combustor, e dispositivo para suprir os produtos do pelo menos um combustor ao pelo menos um ejetor, bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.

[0041] Preferivelmente, o pelo menos um vaso interno é provido com uma pluralidade de dispositivos, que permite expansão e contração radial da pelo menos uma extremidade do pelo menos um vaso interno.

8/34 [0042] Preferivelmente, os dispositivos são dispostos em ambas as extremidades do pelo menos um vaso interno.

[0043] Preferivelmente, cada dispositivo compreende um elemento alongado corrugado que tem vales espaçados longitudinalmente e picos espaçados longitudinalmente, o elemento corrugado é preso nos seus vales espaçados longitudinalmente na pelo menos uma extremidade do vaso interno, o elemento alongado corrugado é preso nos seus picos espaçados longitudinalmente em um elemento alongado, o elemento alongado tem seção transversal em forma de U e o elemento alongado corrugado é preso no elemento alongado na superfície entre as pernas do elemento alongado em forma de U.

[0044] Preferivelmente, cada dispositivo estende-se radialmente em relação ao eixo do pelo menos um vaso interno e os dispositivos são espaçado angularmente na pelo menos uma extremidade do pelo menos um vaso interno.

[0045] Preferivelmente, as células de combustível são células de combustível de óxido sólido.

[0046] A presente invenção será descrita com detalhes a título de exemplo com referência aos desenhos anexos, em que:

[0047] A figura 1 é uma vista seccional transversal longitudinal de um arranjo de célula de combustível de

acordo	com a	presente	invenção.
[0048]	A	figura 2	é uma vista isométrica do arranjo de
célula	de combustível	mostrado na figura 1.
[0049]	A	figura 3	é uma vista seccional transversal
ampliada ao	longo da	linha A-A do arranjo de célula de
combustível	da figura	1.
[0050]	A	figura 4	é uma vista seccional transversal

longitudinal de um arranjo de célula de combustível alternativo de acordo com a presente invenção.

9/34 [0051] A figura 5 é uma vista seccional transversal longitudinal de um arranjo de célula de combustível alternativo de acordo com a presente invenção.

[0052] A figura 6 é uma vista seccional transversal longitudinal de um arranjo de célula de combustível alternativo de acordo com a presente invenção.

[0053] A figura 7 é uma vista em perspectiva ampliada de um módulo de célula de combustível.

[0054] A figura 8 é uma vista seccional transversal de um vaso interno de um vaso interno alternativo adequado para uso na figura 6.

[0055] A figura 9 é uma vista seccional transversal esquemática longitudinal de um arranjo de célula de combustível alternativo de acordo com a presente invenção. [0056] A figura 10 é uma vista seccional ao longo da linha W-W da figura 9.

[0057] Um arranjo de célula de combustível 10 de acordo com a presente invenção está mostrado nas figuras 1 a 3. O arranjo de célula de combustível 10 compreende pelo menos um módulo de célula de combustível de óxido sólido 12, preferivelmente existe uma pluralidade de módulos de célula de combustível de óxido sólido 12. Cada módulo de célula de combustível de óxido sólido 12 compreende um elemento de suporte poroso oco 13 e uma pluralidade de células de combustível de óxido sólido 14. Cada elemento de suporte poroso oco 13 tem pelo menos uma câmara 16 que estende-se através dele e compreende duas superfícies planas paralelas lisas 15 e 17 sobre as quais as células de combustível de óxido sólido 14 ficam dispostas, conforme mostrado mais claramente na figura 7. Cada módulo de célula de combustível de óxido sólido 12 é um conjunto selado, embora permitindo o fluxo de combustível através da pelo menos uma câmara 16 no elemento de suporte poroso oco 13. Cada célula de

10/34 combustível de óxido sólido 14 compreende um eletrodo do anodo 18, um eletrodo do catodo 22 e um eletrólito 20. As células de combustível de óxido sólido 14 são dispostas de maneira tal que os eletrodos do anodo 18 fiquem dispostos na superfície externa, as duas superfícies planas paralelas lisas 15 e 17 do elemento de suporte poroso oco 13, os eletrólitos 20 são dispostos nos eletrodos do anodo 18 e os eletrodos do catodo 22 são dispostos nos eletrólitos 20. As células de combustível de óxido sólido 14 são também dispostas de maneira tal que o eletrodo do anodo 18 de uma célula de combustível de óxido sólido 14 seja eletricamente conectado em série com o eletrodo do catodo 22 de uma célula de combustível de óxido sólido adjacente 14.

[0058] Neste arranjo, cada módulo de célula de combustível de óxido sólido 12 é disposto dentro de um único vaso interno 24 e o vaso interno 24 fica disposto dentro do vaso de pressão externo 28. Neste arranjo, o vaso interno 24 define um espaço 26, e um espaço 30 é definido entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28. O vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28 são de preferência substancialmente tubulares, por exemplo, circulares, na seção transversal, e dispostos coaxialmente. Outras formas adequadas podem ser usadas para o vaso interno e o vaso de pressão e eles não precisam ficar dispostos coaxialmente. [0059] Existe dispositivo 32 para suprir oxidante aos eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 14 do pelo menos um módulo de célula de combustível 12 e existe dispositivo 34 para suprir combustível aos eletrodos do anodo 18 das células de combustível de óxido sólido 14 do pelo menos um módulo de célula de combustível de óxido sólido 12.

[0060] O dispositivo 32 para suprir oxidante compreende uma bomba, não mostrada, para suprir ar comprimido, ou

11/34 oxigênio, por meio de um tubo 36 no espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28. O dispositivo 32 para suprir oxidante também compreende um tubo 38 para suprir o oxidante, ar ou oxigênio comprimido, do espaço 30 no espaço 26 dentro do vaso interno 24. O dispositivo 32 para suprir oxidante pode compreender adicionalmente elementos de guia de fluxo, ou dutos (não mostrados), para direcionar o fluxo de oxidante, ar ou oxigênio comprimido, no espaço 26, de maneira tal que o oxidante ecoe sobre os eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 14 do pelo menos um módulo de célula de combustível de óxido sólido 12, e assim o dispositivo 32 para suprir oxidante fica disposto para suprir oxidante ao espaço 26 dentro do vaso interno 24, e o espaço 2 6 dentro do vaso interno 24 fica disposto para suprir oxidante aos eletrodos do catodo 22.

[0061] O dispositivo 34 para suprir combustível compreende uma bomba, não mostrada, para suprir combustível

pré-reformado,	combustível	reformado, combustível	pré-
processado ou	combustível	não reformado, pelo tubo	42,
diretamente através do vaso	de pressão externo 28, o	vaso

interno 24 dentro de uma câmara 16 no elemento de suporte poroso oco 13 do pelo menos um módulo de célula de combustível 12 e em seguida da câmara 16 através do elemento de suporte poroso oco 13 aos eletrodos do anodo 18 das células de combustível de óxido sólido 14 do pelo menos um módulo de célula de combustível de óxido sólido 12, e assim o dispositivo 34 para suprir combustível fica disposto para suprir combustível à câmara 16 no pelo menos um módulo de célula de combustível 12, e a câmara 16 no pelo menos um módulo de célula de combustível 12 fica disposta para suprir combustível aos eletrodos do anodo 18 do pelo menos um módulo de célula de combustível 12. O pré-formador de

12/34 combustível e o pré-processador de combustível removem hidrocarbonetos superiores e enxofre do combustível.

[0062] Uma parte 42A do tubo de combustível 42, a parte que passa no espaço 30 entre o vaso de pressão 28 e o vaso interno 24, preferivelmente compreende um tubo interno e um tubo externo, de maneira tal que vazamento de qualquer combustível do tubo interno fique contido no tubo externo, e seja impedido de entrar no espaço 30, para que não possa haver acúmulo de combustível não queimado.

[0063] Existe dispositivo 44 para remover os gases de exaustão dos eletrodos do catodo 20 das células de combustível de óxido sólido 14 do pelo menos um módulo de célula de combustível de óxido sólido 12. O dispositivo 44 para remover os gases de exaustão compreende um tubo 46, que passa diretamente através do vaso interno 24 e do vaso de pressão externo 28. O dispositivo 44 para remover os gases de exaustão compreende adicionalmente elementos de guia de fluxo, ou dutos (não mostrados) , para direcionar o fluxo de gases de exaustão no espaço 26 de maneira tal que a exaustão escoe dos eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 14 do pelo menos um módulo de célula de combustível de óxido sólido 12 para o tubo 46.

[0064] O desenho fica disposto de maneira tal que em operação a pressão no espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28 seja diferente, maior, que a pressão no espaço 26 dentro do vaso interno 24, de maneira tal que normalmente o vaso interno 2 4 seja submetido a uma carga compressiva. A diferença de pressão entre o espaço 26 e o espaço 30 em lados opostos do vaso interno 24 fica disposta para ser menos que a diferença de pressão entre o espaço 30 e a atmosfera em lados opostos do vaso de pressão externo 28.

13/34 [0065] Neste arranjo, o vaso de pressão externo do resfriador 28 é altamente carregado, altamente tensionado e o vaso interno mais quente 24 é mais levemente carregado, levemente tensionado, e o vaso interno 24 é projetado para resistir ao estufamento, em vez de ter alta resistência a fluência sob todas condições operacionais.

[0066] Além do mais, o projeto fica disposto de maneira tal que exista oxidante, ar ou oxigênio comprimido, no espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28, e exista oxidante, ar ou oxigênio comprimido, no espaço 26 dentro do vaso interno 24. O projeto fica disposto de maneira tal que o combustível fique somente dentro dos elementos de suporte porosos ocos 13 dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 e o tubo 42.

[0067] Também, a temperatura no espaço 30 pode ser abaixo da temperatura de autoignição do combustível. O espaço entre os tubos interno e externo é ventilado para a atmosfera e preferivelmente o espaço entre os tubos interno e externo é monitorado para detectar a presença de vazamento de combustível, para que o tubo interno possa ser reparado ou substituído.

[0068] Em operação, o fluxo de oxidante, ar ou oxigênio comprimido, através do espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28, indicado pela seta B, age como um fluxo de refrigerante para o vaso interno 2 4 e como uma barreira térmica para o fluxo de calor do vaso interno 24 para o vaso de pressão externo 28. As posições dos tubos 36 e 38 são escolhidas de forma a maximizar a eficiência do fluxo de oxidante, ar ou oxigênio comprimido para proporcionar resfriamento do vaso interno 24 e fornecer uma barreira térmica para o fluxo de calor. Neste arranjo, a posição do tubo 38 para o vaso interno 24 está na

14/34 extremidade oposta do vaso interno 24 em relação à posição do tubo 36 para o vaso de pressão externo 28.

[0069] O fluxo de oxidante, ar ou oxigênio comprimido, através do espaço 26 dentro do vaso interno 24 está indicado pela seta C.

[0070] A figura 3 mostra o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28 com mais detalhes. Uma camada de isolamento 48 é provida na superfície externa do vaso de pressão externo 28 para reduzir a perda de calor de forma a maximizar a eficiência do sistema e proteger o pessoal. O isolamento externo do vaso de pressão externo 28 é preferido ao isolamento interno do vaso de pressão externo 28 em virtude de permitir inspeção da superfície interna do vaso de pressão externo 28, que é exigida periodicamente por motivos de segurança e para satisfazer exigências de inspeção compulsória de vasos de pressão. O isolamento externo do vaso de pressão externo também evita corrosão acelerada, que sabe-se ocorre com o isolamento interno na interface vaso de pressão/isolamento.

[0071] Uma camada de isolamento 50 é provida na superfície interna do vaso interno 24 e preferivelmente um espaço 52 é provido entre a camada de isolamento 50 e a superfície interna do vaso interno 24. Esta camada de isolamento 50 e o espaço 52 permitem que o vaso interno 24 opere a uma temperatura substanciaimente mais baixa que o módulo de célula de combustível de óxido sólido 12. Camadas adicionais de isolamento e espaços podem ser providos dentro do vaso interno 24 para reduzir ainda mais a temperatura operacional do vaso interno 24. Uma camada adicional de isolamento 54 pode ser provida na superfície externa do vaso interno 24 para reduzir ainda mais o fluxo de calor transmitido do vaso interno 24 ao vaso de pressão externo

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28. Um espaço pode ser provido entre a camada de isolamento 54 e a superfície externa do vaso interno 24.

[0072] O uso das camadas de isolamento 48, 50 e 54 e os espaços 30 e 52 para um fluxo de resfriamento de oxidante permite o uso de ligas possíveis e facilmente disponíveis para o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28. A massa de liga/metal usada para fazer o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo, particularmente o vaso de pressão externo 28, é significante, e evitar do uso de superligas de alta temperatura caras é importante na minimização do custo do arranjo de célula de combustível 10.

[0073] Um arranjo de célula de combustível alternativo 110 de acordo com a presente invenção está mostrado na figura 4, e partes iguais são denotadas por números iguais. [0074] Neste arranjo, o arranjo de célula de combustível 110 também compreende um motor de turbina a gás 60. O motor de turbina a gás 60 compreende um compressor 62 e uma turbina 64, e a turbina 64 fica disposta para acionar o compressor 62 por meio de um eixo 65.

[0075] Os eletrodos do anodo 18 das células de combustível de óxido sólido 14 no elemento de suporte oco 13 do módulo de célula de combustível de óxido sólido 12 são supridos com um combustível por meio de um coletor de suprimento de combustível 66 do tubo 42. Os eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 14 do módulo de célula de combustível de óxido sólido 12 são supridos com oxidante por um coletor de oxidante 70.

[0076] Os eletrodos do anodo 18 são providos com um coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68 no qual combustível não utilizado é descarregado. O coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68 é conectado no tubo 42 por meio dos tubos 72 e 74, de maneira tal que uma primeira parte do combustível não utilizado seja suprida,

16/34 recirculada para o coletor de combustível 66. Um ejetor de

combustível 76	é provido	para	induzir	o	suprimento,
recirculação, de	combustível	não	utilização	do	coletor de
combustível não	utilizado 68	para	o coletor	de	combustível

66. Os tubos 72, 74 e o ejetor de combustível 76 formam um dispositivo para recircular o combustível não utilizado dos eletrodos do anodo 18 das células de combustível de óxido sólido 16 de volta para os eletrodos do anodo 18 nas células de combustível de óxido sólido 16. 0 ejetor de combustível 76 pressuriza o combustível não utilizado e mistura o combustível não utilizado com o combustível suprido pelo suprimento de combustível 34 através do tubo 42 para o coletor de combustível 66. 0 combustível não utilizado proveniente do coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68 é suprido ao bico secundário 76B do ejetor de combustível 76, combustível proveniente do suprimento de combustível 34 é suprido ao bico primário 7 6A do ejetor de combustível 76 e o combustível não utilizado misturado, e combustível é descarregado pelo bico de exaustão 7 6C no coletor de combustível 66.

[0077] O coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68 é também conectado a um combustor 78 por meio do tubo 72 e um tubo adicional 80 de maneira tal que uma segunda parte do combustível não utilizado seja suprida ao combustor 78. [0078] Os eletrodos do catodo 22 são providos com um duto de coleta de oxidante não utilizado 82 no qual oxidante não utilizado 82 é conectado no espaço 26 dentro do vaso interno 24 por meio de dutos 84 e 86, do combustor 78 e de um duto 88, de maneira tal que uma primeira parte do oxidante não utilizado seja suprida, recirculada, para o coletor de oxidante 70. Um ejetor de oxidante 90 é provido para induzir o suprimento, recirculação, de oxidante não utilizado do duto de coleta de oxidante não utilizado 82 para o coletor

17/34 de oxidante 70. Os dutos 84, 86, 88 e o ejetor de oxidante 90 formam dispositivos para recircular oxidante não utilizado proveniente dos eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 16 de volta para os eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 14. O duto 84, 86 e 88 são definidos por partes do vaso interno 24 .

[0079] A segunda parte do combustível não utilizado suprida a um queimador de combustível no combustor 78 é queimada na primeira parte do oxidante não utilizado suprido ao combustor 78 para produzir gases quentes. Os gases quentes produzidos no combustor 78 são dispostos para escoar com oxidante não utilizado através do duto 88 e do ejetor de oxidante 90 no espaço 2 6 entre o vaso interno 24 e o alojamento 16 e daí para o coletor de oxidante 70. Os produtos, os gases quentes e oxidante não utilizado, do combustor 78 são supridos pelo combustor 78 e o duto 88 ao bico secundário 90B do ejetor de oxidante 90. O ejetor de oxidante 90 pressuriza os produtos do combustor 78 e mistura os produtos do combustor 78 com o oxidante suprido pelo compressor 62 ao bico primário 90A do ejetor de oxidante 90 para pré-aquecer o oxidante suprido pelo compressor 62. O ejetor de oxidante 90 descarrega os gases mistos provenientes do bico de exaustão 9C do ejetor de oxidante 90 no espaço 26.

[0080] O duto de coleta de oxidante não utilizado 82 é também conectado na turbina 64 por meio do duto 84 e um duto adicional 92 de maneira tal que uma segunda parte do oxidante não utilizado seja suprida à turbina 64. A segunda parte do oxidante não utilizado aciona a turbina 64. A segunda parte do oxidante não utilizado então escoa através de um tubo 94 e é descarregada através de uma exaustão 96. A turbina 64 pode também acionar um gerador elétrico 100.

18/34 [0081] Neste arranjo, são criadas três zonas distintas X, Y e Ζ. A zona X, o espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28, a zona Y, o espaço 26 entre o vaso interno 24 e os módulos de célula de combustível de óxido sólido 12, e a zona Ζ, o espaço dentro do tubo de combustível 42, coletor de suprimento de combustível 66, o elemento de suporte poroso oco 13, o coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68, os tubos 72 e 80 para o combustor 78, oi tubo 74 e o ejetor de combustível 76. A zona X, o espaço 30, contém oxidante comprimido, por exemplo, ar ou oxigênio comprimido. A zona Y, o espaço 26, contém oxidante não utilizado proveniente do coletor de acúmulo de oxidante não utilizado 92 e gases quentes produzidos pelo combustor 78 e oxidante suprido pelo compressor 62. Os gases quentes provenientes do combustor 78 não têm teor de combustível com propósitos práticos, e cria uma zona de segurança e fornece uma atmosfera oxidante. A presença de um ambiente oxidante na zona Y, espaço 26, é importante em virtude de permitir o uso de ligas de alta temperatura convencionais para fazer um vaso interno de alta integridade 24. Tais ligas de alta temperatura são projetadas para operar com boa resistência à corrosão a altas temperaturas e resistência mecânica em uma atmosfera oxidante. A zona Z é o único espaço onde combustível está presente e ainda assim fica contido nos tubos 42, 72, 74 e

80, ejetor de combustível 76, o queimador de combustível no combustor 78 e o elemento de suporte oco 13 dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12. Falha de qualquer dos tubos 42, 72, 74 ou 80, ejetor de combustível 76, queimador de combustível ou elemento de suporte oco 13 dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 ocorrería para liberar combustível na zona Y. Se houvesse uma liberação de combustível na zona Y para atingir uma

19/34 temperatura estequiométrica, o pico de pressão seria apenas 30 bar, que pode ser contida pelo sistema de vaso de pressão. Como uma consideração adicional de segurança, a zona Z é um volume compacto e a quantidade total de combustível presente na zona Z é pequena, e assim, mesmo que todo o combustível vaze da zona Z e misture com oxidante, ar ou oxigênio comprimido, na zona Y antes de inflamar, a sobrepressão resultante é modesta e é facilmente contida pelo vaso de pressão externo.

[0082] Um primeiro sensor de pressão 114 fica disposto para medir a pressão no espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28, um segundo sensor de pressão 116 fica disposto para medir a pressão no espaço 26 no vaso interno 24 e um monitor 118 fica disposto para comparar a pressão medida pelo primeiro sensor de pressão 114 e a pressão medida pelo segundo sensor de pressão 116 para determinar se existe uma sobrepressão por causa de mau funcionamento do componente ou queima de combustível em um ou mais dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12. O monitor 118 transmite um sinal a um indicador 120, um alarme ou um mostrador, se for detectada uma sobrepressão. O monitor 118 pode também transmitir um sinal para desligar o arranjo de célula de combustível de óxido sólido se for detectada uma sobrepressão.

[0083] Um arranjo de célula de combustível adicional 210 de acordo com a presente invenção está mostrado na figura 5, e é similar ao arranjo mostrado na figura 4, e partes iguais são denotadas por números iguais.

[0084] O arranjo de célula de combustível 210 na figura 5 difee em que o fluxo de oxidante suprido pelo compressor 62 é dividido, e uma primeira parte é suprida através do tubo 36A diretamente, a toda pressão, ao bico primário 90A do ejetor de oxidante 90, e uma segunda parte é

20/34 suprida através do tubo 36B e um restritor, ou um dispositivo de queda de pressão alternativo, 102 no espaço 30, zona X, entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28. A segunda parte de oxidante subseqüentemente entra no espaço 2 6, zona Y, escoando através de um restritor, ou um dispositivo de queda de pressão alternativo, 104 e misturando com o fluxo que sai do bico de exaustão 90C do ejetor de oxidante 90. Os tamanhos relativos dos restritores 102 e 104 determina a pressão na zona X, espaço 30. A pressão na zona X, espaço 30, é entre a pressão do oxidante comprimido suprido pelo compressor 62 e a pressão na zona Y, espaço 26. A pressão na zona X é menor que a pressão distribuída pelo compressor 62 e a pressão na zona X é maior que a pressão na zona Y. Assim, este arranjo controla a queda de pressão no vaso interno 24 e é disposto para reduzir a carga/queda de pressão normal através do vaso interno 24, abaixando a pressão na zona X, espaço 30.

[0085] O ejetor de oxidante pode ser uma bomba de jato. Alternativamente, outros dispositivos podem ser providos para pressurizar e misturar os produtos do combustor com o oxidante suprido pelo compressor. Por exemplo, uma turbomáquina, um ventilador, uma bomba ou um soprador pode ser provido para pressurizar os produtos do combustor, e um misturador separado pode ser provido para misturar os produtos do combustor e o oxidante. A turbomáquina pode ser acionada por uma turbina sem energia. O ventilador, bomba ou soprador pode ser acionado por uma turbina sem energia, eletricamente ou por qualquer outro dispositivo adequado. [0086] O ejetor de combustível pode ser uma bomba de jato. Alternativamente, outros dispositivos podem ser providos para pressurizar e misturar o combustível não utilizado com o combustível suprido pelo suprimento de combustível. Por exemplo, uma turbomáquina, um ventilador,

21/34 uma bomba ou um soprador pode ser provido para pressurizar o combustível não utilizado, e um misturador separado pode ser provido para pressurizar o combustível não utilizado e o combustível. A turbomáquina pode ser acionada por uma turbina sem energia. 0 ventilador, bomba ou soprador pode ser acionado por uma turbina sem energia, eletricamente ou por outro dispositivo adequado.

[0087] Um arranjo de célula de combustível alternativo 310 de acordo com a presente invenção está mostrado na figura 6, e é similar ao mostrado na figura 4, e partes iguais são denotadas por números iguais. O arranjo de célula de combustível 310 difere em que existe uma pluralidade de vasos internos 24A e 24B disposta dentro do vaso de pressão externo 28. Neste arranjo, os vasos internos 24A e 24B são dispostos coaxialmente dentro do vaso de pressão externo 28 com um espaço 30 entre eles. Os vasos internos 24A e 24B e o vaso de pressão externo 28 são substancialmente tubulares, por exemplo, circulares na seção transversal, mas outras formas adequadas podem ser usadas. Os vasos internos 24A e 24B podem ser de forma toroidal.

[0088] Além disso, este arranjo apresenta uma pluralidade de módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 em cada um dos vasos internos 24A e 24B.

[0089] Neste arranjo, os módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 são dispostos de maneira tal que a direção longitudinal dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 estendam-se de forma substancialmente radial em relação aos eixos dos vasos internos 24A e 24B, e com as superfícies planas 15 e 17 dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 dispostas em planos perpendiculares aos eixos dos vasos internos 24A e 24B. Os módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 são dispostos em pilhas de maneira tal que os módulos de célula

22/34 de combustível de óxido sólido 12 fique espaçados axialmente e as pilhas fiquem dispostas circunferencialmente em torno dos eixos dos vasos internos 24A e 24B. 0 fluxo de oxidante através das superfícies planas 15 e 17 e, conseqüentemente, nos eletrodos do catodo 22, é disposto para ser radialmente para dentro ou circunferencialmente em relação ao eixo os vasos internos 24A e 24B. Para ajudar no fluxo radialmente para dentro do oxidante, é preferível que o ejetor de oxidante, ou ejetores de oxidante, 90 fiquem dispostos de maneira tal que eles estendam-se radialmente em relação aos eixos dos vasos internos 24A e 24B, com os bicos primários 90A dispostos nas extremidades radialmente internas e os bicos de exaustão 90C nas extremidades radialmente externas. [0090] Em um outro arranjo, não mostrado, os módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 são dispostos de maneira tal que a direção longitudinal dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 estendam-se de forma substancialmente perpendicular em relação ao raio dos eixos dos vasos internos 24A e 24B, e com as superfícies planas 15 e 17 dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 dispostas em planos perpendiculares aos eixos dos vasos internos 24A e 24B. Os módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 são dispostos em pilhas, de maneira tal que os módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 fiquem espaçados axialmente e as pilhas fiquem dispostas circunferencialmente em torno dos eixos dos vasos internos 24A e 24B. O fluxo de oxidante através das superfícies planas 15 e 17 e, conseqüentemente, dos eletrodos do catodo 22, é disposto para ser radialmente para dentro em relação ao eixo dos vasos internos 24A e 24B. Para ajudar o fluxo radialmente para dentro de oxidante, é preferível que o ejetor de oxidante, ou ejetores de oxidante, 90 fiquem dispostos de maneira tal que eles estendam-se radialmente em

23/34 relação aos eixos dos vasos internos 24A e 24B, com os bicos primários 90A dispostos nas extremidades radialmente internas e os bicos de exaustão 90C nas extremidades radialmente externas.

[0091] O fluxo radialmente interno de oxidante através dos módulos de célula de combustível 12 produz um fluxo acelerado por causa da redução na área de fluxo na direção radialmente para dentro e isto impede separação de fluxo. [0092] É preferível arranjar os eixos do vaso de pressão e vasos internos verticalmente, mas pode ser possível arranjar os eixos do vaso de pressão externo e dos vasos internos horizontalmente.

[0093] Um vaso interno alternativo adequado para uso no arranjo de célula de combustível da figura 6 está mostrado na figura 8. O vaso interno 24C é tubular e tem um eixo T. O vaso interno 2 4C tem uma primeira extremidade 400 e uma segunda extremidade 402. O vaso interno 24C é provido com um elemento de suporte tubular interno 404, que é coaxial com o vaso interno 24C e que estende-se entre a primeira e segunda extremidades 400 e 402, e é preso nelas, para reforçar o vaso interno 24C. O vaso interno 24C é provido com uma pluralidade de dispositivos 406, que permite expansão e contração radial da primeira e segunda extremidades 402 e 404 do vaso interno 24C, por causa da expansão e contração térmica do elemento de suporte tubular 404. Os dispositivos 406 resistem a carga axial, compressão ou tensão, no vaso interno 24C. Os dispositivos 406 são preferivelmente dispostos tanto na primeira como na segunda extremidade 400 e 402 do vaso interno 24C, mas pode ser possível provê-los somente em uma da primeira e segunda extremidades 400 e 402 do vaso interno 24C.

[0094] Cada dispositivo alongado corrugado 408

406 compreende um elemento que tem vales espaçados

24/34 longitudinalmente 410 e picos espaçados longitudinalmente 412. O elemento alongado corrugado 408 é preso ou unido, por exemplo, por solda comum, solda forte ou cola nos seus vales separados longitudinalmente 410 a uma extremidade 400 ou 402 do vaso interno 24C. O elemento alongado corrugado 408 é preso ou unido, por exemplo, por solda comum, solda forte ou cola nos seus picos separados longitudinalmente 412 a um elemento alongado 414. O elemento alongado 414 tem forma de U na seção transversal e o elemento alongado corrugado 408 é preso ou unido no elemento alongado 414 na superfície entre as pernas do elemento alongado em forma de U 414.

[0095] Cada dispositivo 406 estende-se radialmente em relação ao eixo T do vaso interno 24C e assim existe uma pluralidade de dispositivos 406 espaçados angularmente em cada uma da primeira e segunda extremidades 400 e 402 ou uma da primeira e segunda extremidades 400 e 402.

[0096] Um primeiro arranjo de célula de combustível 510 de acordo com a presente invenção está mostrado nas figuras 9 e 10 e é similar ao mostrado na figura 4, e partes iguais são denotadas por números iguais.

[0097] Neste arranjo, o arranjo de célula de combustível 510 também compreende um motor de turbina a gás 60. O motor de turbina a gás 60 compreende um compressor 62 e uma turbina 64, e a turbina 64 fica disposta para acionar o compressor 62 por meio de um eixo 65.

[0098] Os eletrodos do anodo 18 das células de combustível de óxido sólido 14 no elemento de suporte oco 13 do módulo de célula de combustível de óxido sólido 12 são supridos com combustível por um coletor de suprimento de combustível 66 a partir do tubo 42. Os eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 14 do módulo de célula de combustível de óxido sólido 12 são supridas com oxidante por um coletor de oxidante 70.

25/34 [0099] Os eletrodos do anodo 18 são providos com um coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68 no qual combustível não utilizado é descarregado. O coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68 é conectado no tubo 42 por meio dos tubos 72 e 74, de maneira tal que uma primeira parte do combustível não utilizado seja suprida, recirculada, para o coletor de combustível 66. Um ejetor de combustível 76 é provido para induzir o suprimento, recirculação, de combustível não utilizado do coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68 para o coletor de combustível 66. Os tubos 72, 74 e ejetor de combustível 76 formam dispositivos para recircular o combustível não utilizado dos eletrodos do anodo 18 das células de combustível de óxido sólido 14 de volta para os eletrodos do anodo 18 das células de combustível de óxido sólido 14. O ejetor de combustível 76 pressuriza o combustível não utilizado e mistura o combustível não utilizado com o combustível suprido pelo suprimento de combustível 34 através do tubo 42 para o coletor de combustível 66. O combustível não utilizado proveniente do coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68 é suprido ao bico secundário 76B do ejetor de combustível 76, combustível do suprimento de combustível 34 é suprido ao bico primário 7 6A do ejetor de combustível 76, e o combustível não utilizado e combustível misturados são descarregados pelo bico de exaustão 76C no coletor de combustível 66.

[00100] O coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68 é também conectado a um combustor 78 por meio do tubo 72 e um tubo adicional 80, de maneira tal que uma segunda parte do combustível não utilizada seja suprida ao combustor 78. [00101] Os eletrodos do catodo 22 são providos com um duto de coleta de oxidante não utilizado 82 no qual oxidante não utilizado é descarregado. O duto de coleta de oxidante não

26/34 utilizado 82 é definido pelo espaço 26 dentro do vaso interno 24. 0 duto de coleta de oxidante não utilizado 82 é conectado no duto 86, no combustor 78 e em um duto 88, de maneira tal que uma primeira parte do oxidante não utilizado seja suprida, recirculada, para o coletor de oxidante 70. Um ejetor de oxidante 90 é provido para induzir o suprimento, recirculação, de oxidante não utilizado do duto de coleta de oxidante não utilizado 82 para o coletor de oxidante 70. Os dutos 86, 88 e o ejetor de oxidante 90 formam dispositivos para recircular oxidante não utilizado proveniente nos eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 14. Os dutos 84, 86 e 88 são definidos pelas partes do vaso interno 24.

[00102] A segunda parte do combustível não utilizado é suprida a um queimador de combustível no combustor 78 e é queimada na primeira parte do oxidante não utilizado suprido ao combustor 78 para produzir gases quentes. Os gases quentes produzidos no combustor 78 são dispostos para escoar com oxidante não utilizado através do duto 88 e o ejetor de oxidante 90 no espaço 26 dentro do vaso interno 24 e daí para o coletor de oxidante 70. Os produtos, os gases quentes e oxidante não utilizado do combustor 78 são supridos pelo combustor 78 e pelo duto 88 ao bico secundário 90B do ejetor de oxidante 90. O ejetor de oxidante 90 pressuriza os produtos do combustor 78 e mistura os produtos do combustor 78 com o oxidante suprido pelo compressor 62 ao bico primário 90A do ejetor de oxidante 90 para pré-aquecer o oxidante suprido pelo compressor 62. O ejetor de oxidante 90 descarrega os gases mistos provenientes do bico de exaustão 90C do ejetor de oxidante 90 no espaço 26.

[00103] O duto de coleta de oxidante não utilizado 82 é também conectado na turbina 64 por meio do duto 92 de maneira tal que uma segunda parte do oxidante não utilizado

27/34 seja suprida à turbina 64. A segunda parte do oxidante não utilizado aciona a turbina 64. A segunda parte do oxidante não utilizado então escoa através de um tubo 94 e é descarregado através de uma exaustão 96. A turbina 64 pode também acionar um gerador elétrico 100.

[00104] Neste arranjo, os eixos do vaso de pressão externo 28 e do vaso interno 24 são dispostos coaxialmente com o espaço 30 entre eles e os eixos do vaso de pressão externo 28 e do vaso interno 24 estendem-se horizontalmente. Uma pluralidade de módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 fica disposta dentro do vaso interno 24, e os módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 são dispostos de maneira tal que a direção longitudinal dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 estendam-se de forma substancialmente horizontal e paralela ao eixo do vaso interno 24, e com as superfícies planas 15 e 17 dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 dispostos em planos substancialmente horizontais. Os módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 são dispostos em pilhas 512 de maneira tal que os módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 em cada pilha 512 fiquem espaçados verticalmente e as pilhas 512 fiquem espaçadas horizontalmente na direção axial. Também, em cada posição axial, existe uma pluralidade de pilhas 512 de módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 espaçadas de forma substancialmente horizontal transversais à direção axial. O fluxo de oxidante através das superfícies planas 15 e 17, e conseqüentemente os eletrodos do catodo 22, dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 é disposto para atravessa na direção axial em relação ao eixo do vaso interno 24. Para ajudar no fluxo de oxidante, as pilhas 512 dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 em cada posição axial ficam localizados em caixas 514. As

28/34 caixas 514 têm uma base 516, um topo 518, dois lados espaçados axialmente 520 e 522 e duas extremidades abertas. Cada pilha 512 dos ditos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 é suprida com combustível de um coletor de suprimento de combustível 66 e supre combustível não utilizado a um coletor de acúmulo de combustível não utilizado 68, discutido previamente. Oxidante escoa para as caixas 514 através de uma extremidade aberta de cada caixa 514 a partir do coletor de suprimento de oxidante 70, sobre os eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 14 dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12 e para fora da outra extremidade aberta de cada caixa 514 para um respectivo reformador de combustível 524. Cada reformador de combustível 524 é aquecido pelo respectivo fluxo de oxidante. O oxidante de cada caixa 514 então escoa para o duto de coleta de oxidante 82 e em seguida escoa tanto através do duto 92 para a turbina 64 como através do duto 86 para o combustor 78. Cada reformador de combustível 524 supre combustível ao coletor de suprimento de combustível 66 para as pilhas 512 na caixa associada 514. O combustível não utilizado nos coletores de acúmulo de combustível não utilizado 68 é suprido através do duto 80 ao combustor 7 8 ou através do duto 74 ao ejetor de combustível 76 previamente discutido. O topo 518 e os lados 520 e 522 das caixas 514 são providos com isolamento. As caixas 514 definem elementos de guia de fluxo para direcionar o fluxo de oxidante, ar ou oxigênio comprimido, no espaço 26, de maneira tal que o oxidante escoe sobre os eletrodos do catodo 22 das células de combustível de óxido sólido 14 dos módulos de célula de combustível de óxido sólido 12. Os eletrodos do catodo 22 ficam assim em contato com o oxidante no espaço 26 dentro do vaso interno 24.

29/34 [00105] O arranjo na figura 9 difere em que o oxidante do compressor 62 não é suprido diretamente no espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28, em vez disso o oxidante é suprido diretamente a um espaço 26B definido por uma parte 24C do vaso interno 24 e um elemento de parede 24B preso no vaso interno 24. O oxidante é então suprido do espaço 26B ao bico primário 90A do ejetor de oxidante 90. O espaço 26B é pressurizado a uma pressão substancialmente igual à pressão do oxidante suprido pelo compressor 62, e é a mesma da pressão no espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28. Nenhum gás inflamável está presente no espaço 26B para que a segurança não seja afetada. A compacto sinterizado do tubo 36 do compressor 62 no espaço 2 6B não é selada, para que o espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28 seja pressurizado até a pressão do oxidante suprido pelo compressor 62, mas não existe fluxo de oxidante em torno ou através do espaço 30. O espaço 26B é conectado no ejetor de oxidante 90 por um duto 52 6. O espaço 2 6B é separado do espaço 26A no vaso interno 24 pela parte 24C do vaso interno 24, que é uma parede horizontal para que a pressão no espaço 30 entre o vaso interno 24 e o vaso de pressão externo 28 e a pressão no espaço 26B seja maior que a pressão no espaço 26A no vaso interno 24.

[00106] O espaço 26B é também usado para dispor cabos elétricos, tubos, etc.

[00107] Os arranjos de célula de combustível nas figuras 1, 4, 5, 6 e 8 são preferivelmente dispostos de maneira tal que os eixos do vista em perspectiva e do vaso interno fiquem dispostos verticalmente, mas os eixos do vaso de pressão externo e do vaso interno podem ser dispostos horizontalmente.

30/34 de uma temperatura autoignição, para as [00108] 0 arranjo de célula de combustível da presente invenção apresenta inúmeras vantagens. As vantagens mais importantes dizem respeito a riscos de segurança e integridade de contenção de pressão.

[00109] A presença do vaso interno, ou vasos internos, e seus isolamentos e resfriamento associados permitem que o vaso de pressão externo opere com uma maior margem de segurança de temperatura durante operação normal e o vaso de pressão externo é protegido de exposição direta a chamas e altas temperaturas que podem ocorrer após uma falha de um módulo de célula de combustível de óxido sólido.

[00110] Todo o volume no vaso interno, ou vasos internos, no qual o módulo de célula de combustível de óxido sólido, ou módulos de célula de combustível de óxido sólido, pode vazar pode ser mantido acima predeterminada, a temperatura de possíveis misturas de combustível/oxidante. Isto torna o arranjo de célula de combustível mais seguro em virtude de ser impossível que um acúmulo de combustível de vazamento do lado de fora dos tubos de combustível crie condições adequadas para uma explosão, em virtude de o combustível que vaza inflama imediatamente e queima no local de vazamento ou locais de vazamento. Essas condições aplicam-se para todos os pontos de geração de carga para o arranjo de célula de combustível, deixando somente curtos períodos durante as fases de partida e resfriamento, onde isto não é assim e outras precauções contra ignição explosiva são tomadas. [00111] A detecção de sobrepressão no arranjo de célula de combustível por causa de mau funcionamento de componentes ou ignição do combustível no módulo de célula de combustível é fácil, em virtude de produzir uma diferença de pressão através do vaso interno, por exemplo, em condições normais, a pressão no interior do vaso interno é menor que a pressão

31/34 entre o vaso interno e o vaso de pressão externo e, em condições de sobrepressão, a pressão interna no vaso interno é maior que a pressão entre o vaso interno e o vaso de pressão externo.

[00112] O uso de um arranjo de vaso duplo, por exemplo, vaso interno, ou vasos internos, e vaso de pressão externo, permite que o vaso de pressão externo seja protegido do ambiente de alta temperatura da pilha de célula de combustível pelo vaso interno, ou vasos internos. O vaso de pressão externo forma a contenção de pressão principal do arranjo e opera a uma menor temperatura que um arranjo de um único vaso de pressão, e opera com uma maior margem de segurança do que um arranjo de um único vaso de pressão. [00113] Em um arranjo, o uso de isolamento no lado de dentro do vaso interno e o uso de um suprimento de ar aos eletrodos do catodo da pilha de célula de combustível como um refrigerante entre o vaso interno e o vaso de pressão externo permite o uso de ligas de grau inferior e, conseqüentemente, mais baratas, para os vasos de pressão. [00114] Em um outro arranjo, o ar entre o vaso interno e o vaso de pressão externo é estagnado e age como uma camada adicional de isolamento.

[00115] O vaso interno, ou vasos internos, têm somente que suportar carregamento de baixa pressão e, conseqüentemente, níveis de tensão, e permitem que todo o volume encerrado no vaso interno, ou vasos internos, opere acima da temperatura de autoignição do combustível e da mistura de ar que podem estar presentes no caso de uma falha/vazamento. Isto proporciona significativas vantagens de segurança, impedindo o desenvolvimento de condições adequadas para uma explosão, e evita considerável complicação do arranjo de célula de combustível para impedir explosões.

32/34 [00116] A presente invenção permite o uso de uma configuração física para a implementação de baixo custo de um arranjo de célula de combustível com recirculação do oxidante não utilizado proveniente dos eletrodos do catodo de volta para os eletrodos do catodo juntamente com os produtos de combustão do oxidante não utilizado provenientes dos eletrodos do catodo e combustível não utilizado proveniente dos eletrodos do anodo e oxidante fresco. Este arranjo de célula de combustível também tem recirculação do combustível não utilizado proveniente dos eletrodos do anodo de volta para os eletrodos do catodo juntamente com combustível fresco. Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a módulos de célula de combustível de óxido sólido com células de combustível de óxido sólido dispostas neles, e suportados por um elemento de suporte poroso oco com duas superfícies planas paralelas lisas, a presente invenção é também aplicável a módulos de célula de combustível de óxido sólido onde as células de combustível de óxido sólido são suportadas pelos eletrodos do anodo, ou onde as células de combustível de óxido sólido são suportadas pelo(s) eletrólito(s).

[00117] Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a módulos de célula de combustível de óxido sólido com células de combustível de óxido sólido dispostas em um elemento de suporte poroso oco com duas superfícies planas paralelas lisas, a presente invenção é também aplicável a módulos de célula de combustível de óxido sólido tubulares ocos com células de combustível de óxido sólido dispostas com os eletrodos do anodo dentro dos eletrodos do catodo e o combustível suprido nos módulos de célula de combustível de óxido sólido tubulares ocos. As células de combustível de óxido sólido tubulares podem ser suportadas por um elemento tubular poroso oco radialmente dentro dos

33/34 eletrodos do anodo, as células de combustível de óxido sólido podem ser suportadas pelos eletrodos do anodo ou as células de combustível de soprador podem ser suportada pelo(s) eletrólito(s).

[00118] A presença de um arranjo de célula de combustível com recirculação do oxidante não utilizado proveniente dos eletrodos do catodo de volta para os eletrodos do catodo juntamente com oxidante fresco proveniente do espaço entre vaso interno e o vaso externo permite uma maior carga de compressão no vaso interno. A recirculação do oxidante não utilizado proveniente dos eletrodos do catodo de volta para os eletrodos do catodo é provida pelo oxidante fresco, que está a uma maior pressão no espaço entre o vaso interno e o vaso de pressão externo em virtude de ele ser distribuído pelo compressor. A recirculação do oxidante não utilizado proveniente dos eletrodos do catodo de volta para os eletrodos do catodo ocorre completamente no vaso interno. Existe também um combustor no caminho de recirculação para o oxidante não utilizado queimar combustível não utilizado em uma parte do oxidante não utilizado. O oxidante não utilizado proveniente das células de combustível de óxido sólido é coletado no vaso interno e uma parte do oxidante não utilizado é suprida à turbina para acionar o compressor, e uma parte do oxidante não utilizado é recirculada de volta para os eletrodos do catodo das células de combustível de óxido sólido. Uma diferença de pressão através do vaso interno garante que, no caso de um caminho de vazamento através do vaso interno, haja um fluxo de oxidante fresco frio do espaço entre o vaso interno e o vaso de pressão externo para o espaço no vaso interno para melhorar a segurança inerente do arranjo.

[00119] A recirculação do oxidante não utilizado pode ser obtida usando um soprador, ou outro dispositivo adequado

34/34 previamente mencionado, mas havería uma menor diferença de pressão entre o espaço no vaso interno e o espaço entre o vaso interno e o vaso de pressão externo.

[00120] Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a células de combustível de óxido sólido, a presente invenção é igualmente aplicável a células de combustível de carbonato fundido, ou outros tipos de células de combustível que operam a altas temperaturas, por exemplo, acima de 300 °C.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Arranjo de célula de combustível (110), compreendendo pelo menos um módulo de célula de combustível (12), cada módulo de célula de combustível (12) compreende uma pluralidade de células de combustível (14), cada célula de combustível (14) compreende um eletrodo do anodo (18), um eletrodo do catodo (22) e um eletrólito (20), o pelo menos um módulo de célula de combustível (12) é oco e define pelo menos uma câmara (16), o pelo menos um módulo de célula de combustível (12) é disposto dentro de pelo menos um vaso interno (24) e o pelo menos um vaso interno (24) é disposto dentro de um vaso de pressão externo (28), dispositivo (32) para suprir oxidante aos eletrodos do catodo (22) , dispositivo (34) para suprir combustível aos eletrodos do anodo (18), o dispositivo (32) para suprir o oxidante fornece no espaço (30) dentro do vaso interno (24) e o vaso de pressão externo (28), caracterizado por o dispositivo (32) para suprir o oxidante ser disposto para fornecer oxidante no espaço (26) dentro do vaso interno (24), o espaço (26) dentro do vaso interno (24) ser disposto para suprir o oxidante aos eletrodos do· catodo (22) , o dispositivo (34) para suprir combustível ser disposto para suprir combustível a pelo menos uma câmara (16) no pelo menos um módulo de célula de combustível (12) e pelo menos uma câmara (16) no pelo menos um módulo de célula de combustível (12) ser disposta para suprir combustível aos eletrodos do anodo (18) do pelo menos um módulo de célula de combustível (12), o dispositivo (84, 86, 88, 90) para recircular o oxidante não usado dos eletrodos do catodo (22) de volta aos eletrodos do catodo (22) e o dispositivo (32) para suprir oxidante aos eletrodos do catodo (22) ser disposto de modo que a pressão no espaço (30) entre o vaso de pressão externa (28) e o pelo menos um vaso interno (24)
2/7 é superior à pressão no pelo menos um vaso interno (24), de modo que o pelo menos um vaso interno (24) é submetido a uma carga cotnpressível.

2. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dispositivo (84, 86, 88, 90) recircular o oxidante nào usado dos eletrodos do catodo (22) de volta aos eletrodos do catodo (22) compreender pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomãquina.
3. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o dispositivo (32) para suprir oxidante suprir o oxidante do espaço (30) entre o pelo menos um vaso interno (24) e o vaso de pressão externo (28) no pelo menos um vaso interno (24).
4. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o dispositivo (32) para suprir oxidante suprir o oxidante do espaço (30) entre o pelo menos ura vaso interno (24) e o vaso de pressão externo (28) no pelo menos um vaso interno (24) através do pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomãquina.
5. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o dispositivo (32) para suprir oxidante suprir uma primeira parte (36B) do oxidante através de pelo menos ura restritor (102) no espaço (30) entre o pelo menos um vaso interno (24) e o vaso de pressão externo (28), o dispositivo (32) para suprir oxidante suprir uma segunda parte (36A) do oxidante no pelo menos um vaso interno (24), o dispositivo (32) para, suprir oxidante suprir a segunda parte (36A) do oxidante no pelo menos vaso interno (24), através do pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomãquina, o dispositivo (32) para suprir oxidante suprir a primeira parte do oxidante

3/7 (36Α) do espaço (30) entre o vaso de pressão externo (28) e o pelo menos um vaso interno (24) no pelo menos um vaso interno (24) através de pelo menos um restritor (104) e pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.
6. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o dispositivo (32) para suprir oxidante suprir o oxidante do espaço (30)entre o pelo menos um vaso interno (24) e o vaso de pressão externo (28) a um espaço (26) entre o vaso interno (24) e o pelo menos um módulo de célula de combustível (12), existir dispositivos para suprir o oxidante não usado era ura espaço (26) entre o pelo menos um vaso interno (24) e o pelo menos um módulo de célula de combustível (12), o dispositivo para suprir oxidante não usado ao espaço (26) entre o pelo menos ura vaso interno (24) e o pelo menos um módulo de célula de combustível (12) compreender o pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.
7. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o dispositivo para suprir oxidante não usado ao espaço entre o pelo menos um vaso interno (24) e o pelo menos um módulo de célula de combustível (12) compreender pelo menos um combustor (78) , dispositivo para suprir o oxidante não usado ao pelo menos um combustor (78) e dispositivo para suprir combustível não usado ao pelo menos um combustor (78) e dispositivo para suprir produtos do pelo menos um combustor (78) ao pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.
8. Arranjo de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o isolamento (50) ser provido na superfície interna do pelo menos um vaso interno (24), um espaço (52) ser provido entre

4/7 o isolamento ¢50) e a superfície interna do pelo menos um vaso interno (24), o isolamento (54) ser provido na superfície externa do vaso interno (24), um espaço Ser provido entre o isolamento (54) e a superfície externa do pelo menos um vaso interno (24), o isolamento (48) ser provido na superfície externa do vaso de pressão externo (28) .
9. Arranjo de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por existir uma pluralidade de vasos internos (24) ou um único vaso interno (24) e uma pluralidade de módulos de célula de combustível (12) ser disposta dentro de cada vaso interno (24) .
10. Arranjo de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o dispositivo (32) para suprir oxidante compreender uma bomba ou um compressor (62), em que o compressor (62) é conectado a uma turbina (64) e uma parte do oxidante nâo utilizado é suprida à turbina (64) para acionar a turbina (64) .
11. Arranjo de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por um primeiro sensor de pressão (114) ser disposto para medir a pressão no espaço (30) entre o pelo menos um vaso interno (24) e o vaso de pressão externo (28), um segundo sensor de pressão (116) ser disposto para medir a pressão no espaço (26) entre o pelo menos um vaso interno (24) e o pelo menos um módulo de célula de combustível (12) e um monitor (118) ser disposto para comparar a pressão medida pelo primeiro sensor de pressão (114) e a pressão medida pelo segundo sensor de pressão (116) para determinar se existe uma sobrepressão por causa de mau funcionamento de

5/7 componente ου queima de combustível no módulo de célula de combustível (12).
12. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 4, reivindicação 5, reivindicação 6, ou reivindicação 7, caracterizado por o pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina ser disposto de maneira tal que se estenda radialmente em relação aos eixos do pelo menos um. vaso interno (24), com a entrada (90A) do pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina disposta na extremidade radialmente interna e a exaustão (90C) do pelo menos ura ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina disposta na extremidade radialmente externa.
13. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o pelo menos um vaso interno (24) definir um espaço (30) com um elemento de parede (24C) preso no pelo menos um vaso interno (24), o dispositivo (32) para suprir oxidante suprir oxidante no espaço (26B) entre o pelo menos um vaso interno (24) e o elemento de parede (24C).
14. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o dispositivo (32) para suprir oxidante suprir oxidante do espaço entre o pelo menos ura vaso interno (24) e o elemento de parede ao espaço (26) dentro do pelo menos um vaso interno (24).
15. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o dispositivo (32) para suprir oxidante supre o oxidante do espaço entre o pelo menos um vaso interno (24) e o elemento de parede no espaço dentro do pelo menos um vaso interno (24) através do pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.

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16. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 13, reivindicação 14 ou reivindicação 15, caracterizado por o dispositivo (32) para suprir oxidante suprir oxidante do espaço entre o pelo menos ura vaso interno (24) e o elemento de parede ao espaço entre o pelo menos um vaso interno (24) e o vaso de pressão externo (28) »
17. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 4, reivindicação 5, reivindicação 6, reivindicação 7, ou reivindicação 15, carac teri z ado por o pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina ser disposto de maneira tal que se estenda axialmente em relação aos eixos do pelo menos um vaso interno (24), com a entrada (9QA) do pelo menos um ejetor (90) , bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina disposta na extremidade axial do vaso interno· (24) e a exaustão (90C) do pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina disposta em uma região central do vaso interno (24) .
18. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o· dispositivo (32) para suprir oxidante ao espaço (26) dentro do pelo menos ura vaso interno (24) suprir o oxidante através do pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina a um espaço entre o pelo menos um vaso interno (24) e o pelo menos um módulo de célula de combustível (12).
19. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por o pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina suprir oxidante não utilizado do pelo menos um módulo de célula de combustível (12) ao espaço entre o pelo menos um vaso interno (24) e o pelo menos ura módulo de célula de combustível (12).

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20. Arranjo de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por existirem dispositivos para suprir oxidante nàó utilizado dó pelo menos um módulo de célula de combustível (12) ao pelo menos um combustor (78), dispositivo para suprir combustível não utilizado do pelo menos um módulo de célula de combustível (12) ao pelo menos um combustor (78), e dispositivo para suprir os produtos do pelo menos um combustor (78) ao pelo menos um ejetor (90), bomba, ventilador, soprador ou turbomáquina.
21» Arranjo de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado por as células de combustível (14) serem células de combustível de óxido sólido.

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