BRPI0805401A2

BRPI0805401A2 - vedação, conjunto, sistema de célula eletroquìmica, e, método para ajustar uma vedação

Info

Publication number: BRPI0805401A2
Application number: BRPI0805401-0A
Authority: BR
Inventors: Magali Reytier; Raphaul Couturier; Olivier Gillia; Emmanuel Rigal
Original assignee: Commissariat Energie Atomique
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2011-10-18
Also published as: JP5501605B2; FR2925140A1; DK2071216T3; ZA200809904B; US20090155671A1; CA2646733A1; EP2071216A1; KR20090063175A; CN101459247B; KR101580833B1; EP2071216B1; CA2646733C; CN101459247A; PL2071216T3; ES2393225T3; JP2009144246A; FR2925140B1; US8246056B2

Abstract

VEDAçãO, CONJUNTO, SISTEMA DE CéLULA ELETROQUìMICA, E, MéTODO PARA AJUSTAR UMA VEDAçãO. A invenção relaciona-se a uma vedação (10) pretendida para ser inserida entre um primeiro e um segundo membros, dita vedação incluindo duas porções de contato (16) espaçadas entre si ao longo de uma direção de espaçamento, respectivamente pretendidas para contatar de uma maneira estanque dito primeiro e segundo membros, ditas porções de contato (16) sendo feitas de uma primeira liga exibindo propriedades de superpíasticidade sob condições de tensão predeterminadas incluindo condições de temperatura predeterminadas, ditas porções de contato (16) sendo suportadas por um suporte (22) arranjado entre elas, produzido assim para exibir, sob ditas condições de temperatura predeterminadas, uma maior resistência de compressão mecânica em dita direção de espaçamento do que aquela das porções de contato.

Description

"VEDAÇÃO, CONJUNTO, SISTEMA DE CÉLULA ELETROQUÍMICA, E, MÉTODO PARA AJUSTAR UMA VEDAÇÃO"

A invenção relaciona-se geralmente a uma vedação pretendida para ser inserida entre dois membros de qualquer tipo, e preferencialmente entre dois membros tendo coeficientes de expansão térmica diferentes.

A presente invenção se aplica mais especificamente, mas não exclusivamente, ao campo de sistemas de célula eletroquímica, preferencialmente sistemas do tipo de eletrolisador de alta temperatura, também referidos como HTE, e/ou do tipo de célula de combustível, preferencialmente operando a temperaturas altas tais como denominadas células de SOFC (Célula de Combustível de Oxido Sólido).

Um eletrolisador a vapor alta temperatura água pretendido para produzir hidrogênio é conhecido. Para este propósito, ele inclui uma pluralidade de células eletroquímicas empilhadas, cada célula sendo provida com um anodo poroso e um catodo poroso, e um eletrólito arranjado entre o anodo e o catodo. Além disso, cada célula eletroquímica tem um interconector anódico e interconector catódico associados, conectados ao anodo e ao catodo respectivamente, cada um em contato estanque com o eletrólito.

No catodo poroso do eletrolisador provido com vapor de água, dissociação de molécula de água acontece. Os íons migram pelo eletrólito sólido, geralmente feito de cerâmica, por meio da aplicação de uma tensão elétrica adequada, para se recombinar nos eletrodos.

Para prevenir a recombinação de hidrogênio e oxigênio, é portanto considerado vedar a conexão entre o eletrólito e o interconector catódico, e a conexão entre o eletrólito e o interconector anódico, tornando possível prevenir simultaneamente o vazamento de gases para o exterior do eletrolisador, e mistura dos gases formados.

Neste respeito, é notado que um projeto substancialmente semelhante é achado em uma célula de combustível operando a altas temperaturas, dado que opera de acordo com o princípio oposto daquele do eletrolisador.

Para prover a estanqueidade mencionada acima, vários constrangimentos devem ser observados, particularmente a aplicação de uma força baixa para a inserção e engaxetamento da vedação, para evitar danificar/romper o eletrólito cerâmico frágil. Porém, esta força baixa requerida é incompatível com soluções de metal, dado que a mesma requer uma plastificação de suas superfícies de contato para assegurar a estanqueidade desejada, e esta operação geralmente requer forças significantes. Além disso, a vedação de metal deformado plasticamente deste modo, devido a forças altas, às vezes não é capaz de assegurar estanqueidade ao longo do período requerido, devido à deformação do material constituinte da vedação.

Para solucionar estas desvantagens pelo menos parcialmente, a invenção relaciona-se a uma vedação pretendida para ser inserida entre um primeiro e um segundo membros, dita vedação incluindo duas porções de contato espaçadas entre si ao longo de uma direção de espaçamento, respectivamente pretendidas para contatar de uma maneira estanque dito primeiro e segundo membros, ditas porções de contato sendo feitas de uma primeira liga exibindo propriedades de superplasticidade sob condições de tensão predeterminadas incluindo condições de temperatura predeterminadas, ditas porções de contato sendo suportadas por um suporte arranjado entre elas, produzido assim para exibir, sob ditas condições de temperatura predeterminadas, uma maior resistência de compressão mecânica em dita direção de espaçamento do que aquela de ditas porções de contato.

A invenção provê geralmente a vantagem de oferecer um compromisso muito satisfatório entre o nível de estanqueidade capaz de ser obtido com a combinação do meio específico usado, e o baixo nível de força requerido para alcançar dito nível de estanqueidade. Com um tal projeto, o engaxetamento da vedação entre os dois membros a serem vedados pode ser executado vantajosamente forçando as porções de contato sob ditas condições de tensão predeterminadas, particularmente com respeito à temperatura e taxa de deformação/compressão, a fim de se beneficiar das propriedades de superplasticidade da primeira liga constituindo ditas porções de contato. Em tal caso, o suporte resistindo melhor a compressão nesta temperatura, torna possível prevenir o assentamento das porções de contato durante engaxetamento e portanto favorece a compressão disso entre os membros a serem vedados e dito suporte só sendo ligeiramente deformado na direção de espaçamento. As porções de contato podem neste caso ser deformadas localmente em proporções muito significantes durante o engaxetamento da vedação particularmente pretendida para aplicar uma pressão, na direção de espaçamento, entre os dois membros pretendidos para serem vedados. As deformações significantes desejadas favorecem estanqueidade aumentada, como o anterior torna possível corrigir defeitos de superfície, defeitos de alinhamento efetivamente e também torna possível preencher a aspereza/bossas de superfície dos dois membros em questão, entre os quais estanqueidade é requerida.

Em outras palavras, a invenção torna possível obter estanqueidade aumentada devido às deformações significantes das porções de contato, vantajosamente, sujeitas a uma força baixa devido às propriedades de superplasticidade disso. Por esta razão, os membros em questão só são sujeitos a baixas forças durante o engaxetamento da vedação, executado de forma que as porções de contato sejam forçadas sob ditas condições de tensão predeterminadas, particularmente ditas condições de temperatura predeterminadas e condições de taxa de compressão predeterminadas, tal que o risco de dano/ruptura disso seja significativamente limitado, até mesmo se quaisquer de ditos membros for feito de um material frágil, tal como cerâmica.

Como tal, é observado que o nível de força introduzida em ambos os membros durante o engaxetamento da vedação é aproximadamente vinte vezes mais baixo que aquele requerido para obter um nível de estanqueidade substancialmente semelhante, com uma solução de vedação de metal convencional.

Além disso, quando a temperatura de vedação é trazida subseqüentemente abaixo de ditas condições de temperatura predeterminadas relativas ao estado superplástico da primeira liga, enquanto permanecendo a uma alta temperatura e sob tensão, a estanqueidade obtida é retida, particularmente devido à alta resistência mecânica provida pelo suporte de vedação, particularmente devido à falta de deformação disso sob um baixo nível de tensão.

Como uma indicação, é observado que uma liga é julgada oferecer propriedades de superplasticidade quando sua capacidade de alongamento, sob condições predeterminadas, alcança 200%, potencialmente alcançando valores até a ordem de 2.000%, ou mais. As condições predeterminadas incluem aquelas relativas à temperatura mencionada acima, dita temperatura geralmente sendo maior que ou igual à metade do ponto de derretimento da liga em questão. Elas também incluem uma baixa taxa de deformação/compressão, da ordem de 10" a 10" s" por exemplo, e baixas tensões com respeito àquelas aplicadas a materiais padrão durante métodos convencionais, tal como conformação por meio de gravação em relevo, forjamento, etc. Novamente como uma indicação, uma das características destas ligas é geralmente ter um tamanho de grão fino, uma liga que permanece estável durante a deformação superplástica dela.

Várias ligas superplásticas podem ser consideradas para as porções de contato, incluindo uma liga incluindo os elementos Fe, Ni em uma proporção de 50 a 55%, Cr em uma proporção de 17 a 21%, Nb em uma proporção de 4,75 a 5,25%, Mo em uma proporção de 2,8 a 3,3%, e Ti em uma proporção de 0,65 a 1,15%, e preferencialmente exibindo propriedades de superplasticidade ao redor de 950°C, as ligas pertencendo à família referida como Inconel® 718 SPF obedecendo esta definição.

Outras ligas superplásticas podem não obstante serem consideradas, tais como ligas baseadas em titânio e/ou alumínio, com propriedades de superplasticidade a temperaturas ou intervalos de temperatura entre 500°C e IOOO0C.

O suporte de vedação é preferencialmente metálico, feito de uma segunda liga, por exemplo a liga referida como Inconel® 718. Porém, a liga anterior, não exibindo propriedades superplásticas, exibe propriedades elásticas e propriedades de alta resistência mecânica a temperaturas altas, como a primeira liga. Como mencionado acima, é porém assegurado que nas condições de temperatura predeterminadas relativas ao estado superplástico da primeira liga, a segunda liga oferece uma maior resistência de compressão mecânica do que aquela da primeira liga, a fim de prevenir o assentamento das porções de contato durante o engaxetamento da vedação, e, portanto, favorecem a compressão das porções de contato superplásticas. Como uma indicação, é observado que a resistência de compressão do suporte, em dita direção de espaçamento das porções de contato, é preferencialmente considerada ser maior do que aquela das porções de contato, independente do modo de tensão aplicado sob as condições de temperatura predeterminadas. Esta característica é particularmente verificada quando o modo de tensão/compressão selecionado para a vedação torna possível obter ditas condições de taxa de compressão predeterminadas para as porções de contato.

E preferencialmente considerado que, sob ditas condições de superplasticidade predeterminadas, o limite de elasticidade é aproximadamente dez vezes mais baixo para as porções de contato do que para o suporte na segunda liga. Preferencialmente, a vedação inclui meio autorizando um movimento relativo entre ditas duas porções de contato, ao longo de uma direção radial ortogonal à direção de espaçamento entre ditas duas porções de contato. Primeiramente, isto implica que a vedação seja produzida tal que a direção de espaçamento corresponda à direção axial, embora este não seja necessariamente o caso. Em particularmente, a direção de espaçamento das porções de contato poderiam alternativamente corresponder à direção radial da vedação, sem deixar a extensão da invenção.

No primeiro caso mencionado acima, uma certa flexibilidade da vedação é portanto provida preferencialmente em dita direção radial, ao invés da necessidade por uma alta rigidez na direção de espaçamento ou direção axial, requerida para manter estanqueidade. Várias soluções técnicas podem ser consideradas para alcançar tal objetivo, algumas das quais serão descritas abaixo.

Como regra geral, a autorização de dito movimento relativo entre as porções de contato, ao longo da direção radial, torna possível acompanhar qualquer movimento relativo de ambos os membros na mesma direção, sujeito a resultar por exemplo de uma expansão térmica diferencial. Não obstante, é observado que a invenção não só se aplica a casos onde ambos os membros arranjados a qualquer extremidade da vedação exibem coeficientes de expansão térmica diferentes, particularmente para o campo de sistemas de célula eletroquímica.

De acordo com uma primeira concretização preferida da presente invenção, ditas duas porções de contato são feitas de uma peça com uma porção intermediária conectando-as, para formar juntamente uma estrutura de vedação externa.

Em tal caso, é preferencialmente considerado para dita porção intermediária da estrutura de vedação externa ter uma seção transversal na forma de um C, C duplo ou Σ, ou qualquer outra forma habilitando a deformação fácil disso, na direção radial. Como resultado, deveria ser entendido que a porção intermediária flexível, incluindo as duas porções de contato, forma toda ou parte do meio acima mencionado autorizando um movimento relativo entre as duas porções de contato, ao longo de uma direção radial.

Preferencialmente, dito suporte é arranjado em dita estrutura externa, próximo a e em contato com as duas porções de contato. Em tal caso, é preferencialmente considerado para dito suporte exibir com ditas duas porções de contato de dita estrutura externa, duas conexões mecânicas não deslizantes, respectivamente. Estas conexões, não necessariamente estanques, podem ser meros suportes, ou conexões rígidas tais como conexões soldadas.

Preferencialmente novamente, dito suporte adota na seção transversal disso a forma de um C verticalmente afilado, as duas porções de extremidade do C estando em contato com ditas porções de contato, respectivamente.

Com uma tal configuração, no evento de expansão térmica diferencial dos dois membros, as duas porções de contato podem ser movidas com respeito uma a outra na direção radial, por meio de deformação/deflexão da estrutura externa, e mais especificamente da porção intermediária disso. Ao mesmo tempo, nenhum movimento ocorre entre as porções de contato e os membros associados disso, ou entre ditas porções e o suporte arranjado internamente na estrutura externa, tal que a estanqueidade seja preservada perfeitamente, particularmente por meio da rigidez axial provida pelo suporte entre as duas porções de contato. E observado que a conexão não deslizante entre cada porção de contato e o suporte não é necessária, o objetivo sendo não obstante ser capaz de assegurar que dito suporte sempre aplique uma força suficiente nas porções de contato para manter estanqueidade, e portanto proibir o deslizamento de ditas porções dos membros entre os quais estanqueidade é requerida, até mesmo no caso de movimento relativo dos dois membros ao longo da direção radial.

De acordo com uma segunda concretização preferida da presente invenção, ditas duas porções de contato estão conectadas entre si por dois flancos laterais opostos, formando juntamente com cada porção de contato uma estrutura de vedação externa. Preferencialmente, dita estrutura de vedação externa tem uma seção transversal na forma geral de um retângulo ou quadrado.

Em tal caso, dito suporte é preferencialmente arranjado em dita estrutura externa, próximo a e em contato com as duas porções de contato, preferencialmente tal que este suporte exiba, com ditas duas porções de contato de dita estrutura externa, duas conexões mecânicas deslizantes, respectivamente.

Preferencialmente novamente, dito suporte exibe uma forma substancialmente tubular, as faces de extremidade opostas disso estando em contato com as duas porções de contato respectivamente.

Finalmente, é considerado para cada flanco lateral ser montado nas extremidades disso em ambas as porções de contato, por duas conexões mecânicas estanques e flexíveis, respectivamente.

Com uma tal configuração, no evento de uma expansão térmica diferencial de ambos os membros, as duas porções de contato podem ser movidas com respeito uma a outra na direção radial, por meio de deformação/deflexão da estrutura externa, e mais especificamente por meio de deformação das conexões mecânicas acima mencionadas, e inclinações dos flancos laterais associados. Em outras palavras, a seção transversal quadrada ou retangular da estrutura externa, adotada sob condições normais, é mudada ligeiramente em uma seção transversal do tipo de paralelogramo. Esta deformação de paralelogramo é autorizada pelo deslizamento de qualquer das porções de contato ao longo da extremidade de suporte associada disso, enquanto ao mesmo tempo, nenhum movimento ocorre entre as porções de contato e os membros associados disso. Conseqüentemente, a estanqueidade é preservada perfeitamente, particularmente devido à rigidez axial provida pelo suporte entre as duas porções de contato.

Deste modo, para dita segunda concretização, o meio autorizando um movimento relativo entre as duas porções de contato, ao longo de uma direção radial, é baseado no princípio de deslizamento entre os membros constituintes da vedação, combinado com uma deformação da estrutura externa.

Preferencialmente, independente da concretização preferida adotada, a vedação exibe uma forma substancialmente anular.

A invenção também relaciona-se a qualquer conjunto incluindo pelo menos uma vedação como descrito acima, inserido entre um primeiro e um segundo membro, dito conjunto formando por exemplo uma parte de um sistema de célula eletroquímica. Preferencialmente, o primeiro e segundo membros são feitos respectivamente de materiais exibindo coeficientes de expansão térmica diferentes. Por exemplo, o primeiro e segundo membros são feitos respectivamente de metal e cerâmica, como é normalmente o caso para sistemas de célula eletroquímica, do eletrolisador e/ou tipo de célula de combustível opera a altas temperaturas.

Neste respeito, a invenção também relaciona-se a um sistema de célula eletroquímica incluindo pelo menos uma vedação como descrito acima. Preferencialmente, inclui pelo menos uma célula eletroquímica provida com um anodo, um catodo, e um eletrólito arranjado entre o anodo e o catodo, um interconnector anódico e um interconnector catódico sendo associados com dita célula eletroquímica, conectados ao anodo e o catodo, respectivamente, dito sistema também incluindo pelo menos uma vedação como descrito acima, colocada entre dito eletrólito e o interconnector anódico, e/ou entre dito eletrólito e o interconnector catódico. Preferencialmente, duas vedações separados são providos para ambas as posições acima mencionadas, respectivamente.

Como mencionado acima, o sistema pode ser um eletrolisador de alta temperatura, ou um célula de combustível operando a altas temperaturas, por exemplo do tipo de SOFC.

Finalmente, a invenção também relaciona-se a um método para ajustar uma vedação como descrito acima, pretendida para ser inserida entre um primeiro e segundo membros de um sistema de célula eletroquímica operando a uma temperatura operacional abaixo de ditas condições de temperatura predeterminadas, dito método incluindo as etapas seguintes: ajuste da vedação entre os primeiro e segundos membros; aumento na temperatura assim para trazer a vedação à temperatura de engaxetamento de acordo com as condições de temperatura predeterminadas;

manutenção da temperatura à dita temperatura de engaxetamento e aplicação de uma pressão em dito sistema de célula eletroquímica, para obter uma compressão de ditas porções de contato da vedação;e

redução da temperatura assim para trazer a vedação à dita temperatura operacional de sistema, enquanto mantendo uma pressão em dito sistema de célula eletroquímica.

Naturalmente, a pressão em dito sistema de célula eletroquímica é preferencialmente aplicada tal que tensão de porções de contato resulte sob ditas condições de deformação/compressão predeterminadas, assim tornando possível se beneficiar das propriedades de superplasticidade da primeira liga formando ditas porções de contato.

Preferencialmente, dito temperatura de engaxetamento é fixada ao redor de 950°C, e mais geralmente entre 500°C e 1000°C dependendo dos materiais selecionados, e dita temperatura operacional é fixada ao redor de 800°C, e mais geralmente entre 600 e 850°C, enquanto sempre permanecendo abaixo de dita temperatura de engaxetamento.

Outras vantagens e características da invenção emergirão na descrição abaixo detalhada, não limitativa.

A descrição será dada com referência às figuras anexas, em que:

Figura 1 representa uma vista secional esquemática de uma célula eletroquímica de um eletrolisador de alta temperatura cooperando a qualquer extremidade com interconectores por duas vedações de acordo com a presente invenção;

Figura 2 representa uma vista secional detalhada de uma das duas vedações ilustradas na Figura 1, a vedação sendo na forma de uma primeira concretização preferida da presente invenção, na configuração não forçada;

Figuras 3a e 3b representam vistas esquematizando várias etapas sucessivas de um método de ajuste de vedação mostrado na Figura 2, de acordo com uma concretização preferida da presente invenção;

Figura 4 representa uma vista secional detalhada de uma das duas vedações mostradas na Figura 1, a vedação sendo na forma de uma segunda concretização preferida da presente invenção, em uma configuração não forçada; e

Figuras 5a e 5b representam vistas esquematizando várias etapas sucessivas de um método de ajuste de vedação mostrada na Figura 4, de acordo com uma concretização preferida da presente invenção.

Primeiramente com referência à Figura 1, uma célula eletroquímica 1 de um eletrolisador de alta temperatura, preferencialmente de uma denominada geometria plana, é observada esquematicamente.

O projeto geral disso é conhecido, isto é, inclui um anodo poroso 2, um catodo poroso 4 e um eletrólito 6 arranjado em contato entre o anodo e o catodo. Estas partes, preferencialmente circulares em forma, são empilhadas em uma direção de empilhamento correspondendo ao eixo 8 disso.

Esta célula 6 tem um interconnector anódico 2' associado apertado contra o anodo, e definindo com ele uma câmara anódica ou compartimento 2" por qual o fluido pode circular. Semelhantemente, um interconnector catódico 4' apertado contra o catodo, e definindo com ele uma câmara catódica ou compartimento 4" por qual o fluido pode circular é provido.

Convencionalmente, os interconectores 2', 4' são metálicos, enquanto o eletrólito sólido é feito de cerâmica.

Para assegurar a estanqueidade dos compartimentos 2", 4", uma vedação 10 é provida entre o eletrólito 6 e o interconector 2', junto com outra vedação 10, de um projeto idêntico ou similar, entre o eletrólito 6 e o interconnector 4'. Estas vedações são preferencialmente anulares, com um eixo 8, arranjado na periferia da pilha, e mais especificamente radialmente para fora com respeito ao anodo e ao catodo.

A especificidade da invenção se acha no projeto de ditas vedações 10, um dos quais será descrito abaixo, por duas concretizações preferidas.

Primeiramente, com referência à Figura 2 representando uma primeira concretização preferida da presente invenção, pode ser visto que a vedação 10 exibe uma estrutura externa de uma peça 14, nas extremidades do qual duas porções de contato 16 estão localizadas respectivamente. Estas duas porções 16 estão respectivamente em contato externo com a superfície de fundo do eletrólito 6, e com a superfície de topo do interconnector anódico 2', os contatos estanques sendo preferencialmente do tipo de superfície, e mais preferencialmente plano e anular, ortogonal ao eixo 8.

As porções 16, espaçadas entre si ao longo de uma direção de espaçamento correspondendo à direção axial 8, estão conectadas uma a outra por uma porção intermediária 18, exibindo uma flexibilidade em uma direção radial representada esquematicamente pela seta 20, e ortogonal e secante ao eixo 8. Para assegurar esta flexibilidade, é preferencialmente assegurado que esta porção 18 tenha uma seção transversal na forma de um C duplo como mostrado na Figura 2, embora outras formas provendo tal flexibilidade possam ser consideradas, sem deixar a extensão da invenção.

Esta estrutura externa de uma peça 14 é feita de uma primeira liga exibindo propriedades de superplasticidade sob condições de tensão predeterminadas, isto é, condições de temperatura predeterminadas e condições de taxa de deformação/compressão predeterminadas. Preferencialmente, consiste em uma liga incluindo os elementos Fe, Ni em uma proporção de 50 a 55%, Cr em uma proporção de 17 a 21%, Nb em uma proporção de 4,75 a 5,25%, Mo em uma proporção de 2,8 a 3,3%, e Ti em uma proporção de 0,65 a 1,15%, e preferencialmente exibindo propriedades de superplasticidade ao redor de 950°C, tais como ligas pertencendo a família referida como Inconel® 718 SPF.

A vedação 10 é completada por um suporte de vedação 22, arranjado internamente na estrutura 14, próximo a e em contato com as duas porções 16. Preferencialmente exibe na seção transversal disso a forma de um C verticalmente afilado, neste caso na direção do eixo 8, as duas porções de extremidade 22a do C estando em contato com as superfícies internas contrárias às duas porções de contato 16, respectivamente.

Enquanto a forma do suporte 22 pode ser diferente daquela descrita acima, é selecionada assim para oferecer uma rigidez na direção do eixo 8, até mesmo a altas temperaturas, isto é, acima de 500°C. Como uma regra geral, sob condições de temperatura predeterminadas relativas ao estado superplástico da primeira liga, portanto preferencialmente ao redor de 950°C, dito suporte 22 é considerado oferecer uma maior resistência de compressão mecânica, ao longo da direção axial 8, do que aquela das porções 16, a fim de prevenir o assentamento disso, particularmente a fim de comprimir as mesmas na direção dos membros associados 2, 6 disso, para estabelecer a estanqueidade como detalhado abaixo.

Preferencialmente, o suporte é feito com uma segunda liga, tal como a liga referida como Inconel® 718, com preferencialmente, sob condições de tensão de superplasticidade predeterminadas da primeira liga, um limite de elasticidade aproximadamente dez vezes mais alto para o suporte do que para as mesmas porções.

Preferencialmente, as extremidades 22a do suporte 22 cada uma tem, com a porção associada 16 disso, uma conexão mecânica preferencialmente não deslizante. Pode consistir em uma conexão rígida ou um mero suporte, se estendendo em ambos os casos de uma maneira anular, centrado no eixo 8.

O método para ajustar a vedação 10 entre o eletrólito 6 e o interconnector 2' é iniciado primeiramente pelo posicionamento a frio disso entre dito dois membros, como esquematizado na Figura 2. Um jogo leve pode existir neste estágio, entre a vedação IOe um dos membros 2', 6. Então, o conjunto colocado em um forno equipado com uma prensa é sujeita a um aumento em temperatura, assim para alcançar uma temperatura de engaxetamento da ordem de 950°C, dentro da extensão das condições de temperatura predeterminadas associadas relativas à gama superplástica da primeira liga. Uma vez que esta temperatura de engaxetamento tenha sido alcançada no forno, os vários componentes do conjunto que estão sujeitos à expansão térmica livre com respeito entre si, particularmente na direção radial, são mantidos nesta temperatura de engaxetamento, enquanto sendo sujeitos a uma força de pressão aplicada pela prensa de forno, ou por qualquer outro meio conhecido àqueles qualificados na técnica.

Esta força de pressão ao longo do eixo 8 é aplicada no sistema de célula eletroquímica assim para resultar em tensão das porções de contato 16 sob as condições de deformação/compressão predeterminadas, isto é, a baixas taxas, tornando possível se beneficiar das propriedades de superplasticidade da primeira liga formando ditas porções de contato. Esta etapa de pressurização na temperatura de engaxetamento, esquematizada pelas setas 27 na Figura 3a, é implementada até que o nível desejado de deformação das porções de contato 16 seja alcançado, correspondendo ao nível requerido de estanqueidade. Por outro lado, durante esta etapa, devido à alta resistência mecânica ao longo do eixo 8, o suporte 22 é só comprimido a uma extensão muito pequena, e portanto favorece a compressão das porções de contato 16 suportadas nas extremidades disso.

Como uma indicação, a força de pressão aplicada ao longo de uma linha circular, próxima à vedação, pode ser da ordem de 3 N/mm, e ajustado assim para obter uma taxa de compressão das porções 16 entre 10-3 e 10-5 S-1.

A temperatura de forno é então diminuída à temperatura operacional de sistema de célula eletroquímica, isto é, aproximadamente 800°C, enquanto mantendo uma força de pressão que é preferencialmente a mesma como aquela adotada durante a etapa prévia, embora isto não seja necessariamente o caso, sem deixar a extensão da invenção.

Durante esta diminuição na temperatura, uma expansão térmica diferencial dos dois membros 2', 6 na direção radial 20 é observada, o efeito de dita expansão diferencial na direção axial permanecendo desprezível.

Mais especificamente, como esquematizado de uma maneira voluntariamente exagerada para propósitos de clareza na Figura 3b, o interconnector 2' tende a se retrair mais para o eixo 8 do que o eletrólito 6, como esquematizado pela seta 29. Isto resulta em um movimento das duas porções de contato 16 com respeito uma a outra na direção radial 20, dito movimento sendo autorizado pela deformação/deflexão da porção intermediária 18 da estrutura externa 14. As curvaturas de dita porção intermediária 18 tendem a ser aplainadas, como pode ser visto na Figura 3b. Simultaneamente, nenhum movimento ocorre entre as porções de contato 16 e os membros associados 2', 6 disso, ou entre ditas porções 16 e suporte 22, tal que a estanqueidade é preservada perfeitamente, particularmente novamente devido à rigidez axial provida por dito suporte 22. Preferencialmente, durante a expansão térmica diferencial, nenhum deslizamento é observado entre as porções de contato 16 e o suporte 22, embora um tal deslizamento pudesse ser considerado, sem deixar a extensão da invenção.

Uma vez que a temperatura operacional tenha sido alcançada, a vedação 10 é fixada na posição deformada disso mostrada na Figura 3b, e ainda pressurizado. O sistema de célula eletroquímica pode então operar.

Com referência à Figura 4 representando uma segunda concretização preferida da presente invenção, pode ser visto que a vedação 10 exibe uma estrutura externa 14, nas extremidades de qual duas porções de contato 16 estão localizadas respectivamente. Estas duas porções 16 estão respectivamente em contato externo com a superfície de fundo do eletrólito 6, e com a superfície de topo do interconnector 2', os contatos estanques sendo preferencialmente do tipo de superfície, e mais preferencialmente plano e anular, ortogonal ao eixo 8.

As porções 16, novamente espaçadas uma da outra ao longo de uma direção de espaçamento correspondendo à direção axial 8, são conectadas uma a outra por dois flancos laterais 118, um interno e o outro externo, de uma forma anular e cada um centrado no eixo 8. Este flancos 118, se estendendo axialmente, isto é, ao longo da direção do eixo 8, são cada um fixado às extremidades disso nas duas porções 16 respectivamente, nas extremidades radiais disso. Conseqüentemente, no estado sem tensão da estrutura externa 14 mostrada na Figura 4, dita estrutura exibe uma seção transversal na forma geral de um retângulo ou quadrado. A conexão mecânica adotada entre as extremidades radiais das porções 16 e as extremidades axiais dos flancos 118 é preferencialmente estanque e flexível, por exemplo do tipo de soldagem.

Além disso, o flanco lateral externo é substancialmente deslocado radialmente para fora com respeito às porções de contato 16, enquanto o flanco lateral interno é substancialmente deslocado radialmente para dentro com respeito a ditas porções. Isto habilita uma denominada deformação de "paralelogramo" da estrutura externa 14, assim habilitando a flexibilidade disso na direção radial 20, e portanto o seguinte de qualquer movimento radial relativo entre o interconnector anódico 2' e o eletrólito 6, como detalhado abaixo.

As porções 16 da estrutura externa 14 são feitas da primeira liga superplástica descrita acima, enquanto os flancos podem ser feitos de qualquer liga compatível com soldagem ao material superplástico, a solução mais simples provando ser o uso da mesma liga superplástica como aquela das porções de contato 16.

A vedação 10 é completada por um suporte de vedação 22, arranjado internamente na estrutura 14, próximo a e em contato com as duas porções 16. Preferencialmente exibe uma forma tubular, por exemplo um anel com um eixo 8 tendo uma seção transversal quadrada ou retangular, incluindo as duas faces opostas 22b, 22b da extremidade axial 22a, 22a, preferencialmente plana e ortogonal a dito eixo 8, por meio de deformação/deflexão da estrutura externa, e mais especificamente por meio de deformação das conexões mecânicas supracitadas, e inclinações dos flancos laterais associados. Em outras palavras, a seção transversal quadrada ou retangular da estrutura externa, adotada sob condições normais, é mudada ligeiramente em uma seção transversal do tipo de paralelogramo. Esta deformação de paralelogramo é autorizada pelo deslizamento de qualquer das porções de contato ao longo da extremidade de suporte associada disso, enquanto ao mesmo tempo, nenhum movimento ocorre entre as porções de contato 16 e os membros associados disso 2\ 6. Conseqüentemente, a estanqueidade é preservada perfeitamente, particularmente devido à rigidez axial provida pelo suporte entre as duas porções de contato.

Enquanto a forma do suporte 22 pode ser diferente daquela descrita acima, neste caso também é selecionada assim para oferecer uma rigidez na direção do eixo 8, até mesmo a altas temperaturas, isto é, acima de 500°C. Como uma regra geral, sob condições de temperatura predeterminadas relativas ao estado superplástico da primeira liga, portanto preferencialmente ao redor de 950°C, dito suporte 22 é considerado oferecer uma maior resistência de compressão mecânica do que aquela das porções 16, a fim de prevenir o assentamento disso, particularmente a fim de comprimir as mesmas na direção dos membros associados 2, 6 disso.

Preferencialmente, o suporte 22 é feito da segunda liga mencionada acima.

O método para ajustar esta vedação é comparável àquele descrito acima, particularmente visto que inclui sucessivamente o posicionamento da vedação entre os membros 2', 6, a elevação de temperatura até que a temperatura de engaxetamento seja obtida, manutenção na temperatura de engaxetamento combinada com pressurização esquematizada na Figura 5a pelas setas 27, servindo para deformar sob níveis de baixa tensão as porções de contato 16 a fim de obter a estanqueidade requerida, e a diminuição na temperatura de forno à temperatura operacional, enquanto mantendo a pressão, e antes de operar o sistema de célula eletroquímica.

Neste caso, a diferença se acha no comportamento da vedação 10 durante a etapa de redução de temperatura, durante a qual uma expansão térmica diferencial dos dois membros 2', 6, na direção radial 20 é observada, com o interconnector 2' se retraindo mais para o eixo 8 do que o eletrólito 6, como esquematizado pela seta 29. Isto também resulta em um movimento das duas porções de contato 16 com respeito uma a outra na direção radial 20, por meio de deformação do conexões mecânicas acima mencionadas, e inclinações dos flancos laterais associados 118. Mais especificamente, a seção transversal quadrada ou retangular da estrutura 118, 118, 16, 16 adotada sob condições sem tensão é mudada ligeiramente em uma seção transversal do tipo de paralelogramo. Esta deformação de paralelogramo é autorizada pelo deslizamento de qualquer uma das porções de contato 16 ao longo da face 22b associada da extremidade axial 22a do suporte. Simultaneamente, nenhum movimento entre as porções de contato 16 e os elementos associados 2', 6 disso ocorre vantajosamente. Deste modo, a estanqueidade é preservada perfeitamente, novamente particularmente devido à rigidez axial provida pelo suporte 22 entre as duas porções de contato 16, e por meio do deslizamento entre os membros constituintes da vedação.

Naturalmente, várias modificações podem ser feitas por aqueles qualificados na técnica à invenção descrita acima, só na forma de exemplos de não limitativos.

Claims

1. Vedação (10), caracterizada pelo fato de ser pretendida para ser inserida entre um primeiro e um segundo membros, dita vedação incluindo duas porções de contato (16) espaçadas entre si ao longo de uma direção de espaçamento, respectivamente pretendidas para contatar de uma maneira estanque dito primeiro e segundo membros, ditas porções de contato (16) sendo feitas de uma primeira liga exibindo propriedades de superplasticidade sob condições de tensão predeterminadas incluindo condições de temperatura predeterminadas, ditas porções de contato (16) sendo suportadas por um suporte (22) arranjado entre elas, produzido assim para exibir, sob ditas condições de temperatura predeterminadas, uma maior resistência de compressão mecânica em dita direção de espaçamento do que aquela de ditas porções de contato (16).

2. Vedação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que inclui meio autorizando um movimento relativo entre ditas duas porções de contato (16), ao longo de uma direção radial (20) ortogonal à dita direção de espaçamento.

3. Vedação de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que ditas duas porções de contato (16) são feitas de uma peça com uma porção intermediária (18) conectando-as, para formar juntamente uma estrutura de vedação externa (14).

4. Vedação de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que dita porção intermediária (18) da estrutura de vedação externa tem uma seção transversal na forma de um C, C duplo ou Σ.

5. Vedação de acordo com a reivindicação 3 ou reivindicação -4, caracterizada pelo fato de que dito suporte (22) é arranjado em dita estrutura externa (14), próximo a e em contato com as duas porções de contato (16).

6. Vedação de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que dito suporte (22) exibe com ditas duas porções de contato (16) de dita estrutura externa (14), duas conexões mecânicas não deslizantes, respectivamente.

7. Vedação de acordo com quaisquer das reivindicações 3 a 6, caracterizada pelo fato de que dito suporte (22) adota na seção transversal dele a forma de um C verticalmente afilado, as duas porções de extremidade do C (22a) estando em contato com ditas porções de contato (16), respectivamente.

8. Vedação de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação -2, caracterizada pelo fato de que ditas duas porções de contato (16) estão conectadas entre si por dois flancos laterais opostos (118), formando juntamente com cada porção de contato (16) uma estrutura de vedação externa (14).

9. Vedação de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que dita estrutura de vedação externa (14) tem uma seção transversal na forma geral de um retângulo ou quadrado.

10. Vedação de acordo com a reivindicação 8 ou reivindicação -9, caracterizada pelo fato de que dito suporte (22) é arranjado em dita estrutura externa (14), próximo a e em contato com as duas porções de contato (16).

11. Vedação de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que dito suporte (22) exibe com ditas duas porções de contato (16) de dita estrutura externa (14), duas conexões mecânicas deslizantes, respectivamente.

12. Vedação de acordo com quaisquer das reivindicações 8 a -11, caracterizada pelo fato de que dito suporte (22) exibe uma forma substancialmente tubular, as faces de extremidade opostas (22b, 22b) dele estando em contato com as duas porções de contato (16) respectivamente.

13. Vedação de acordo com quaisquer das reivindicações 8 a -12, caracterizada pelo fato de que cada flanco lateral (118) está montado nas extremidades dele em ambas as porções de contato (16), por duas conexões mecânicas estanques e flexíveis, respectivamente.

14. Vedação de acordo com quaisquer das reivindicações acima, caracterizada pelo fato de que dita primeira liga é uma liga incluindo os elementos Fe, Ni em uma proporção de 50 a 55%, Cr em uma proporção de -17 a 21%, Nb em uma proporção de 4,75 a 5,25%, Mo em uma proporção de -2,8 a 3,3%, e Ti em uma proporção de 0,65 a 1,15%, esta liga exibindo propriedades de superplasticidade ao redor de 950°C.

15. Vedação de acordo com quaisquer das reivindicações acima, caracterizada pelo fato de que dito suporte (22) é metálico, feito de uma segunda liga.

16. Vedação de acordo com quaisquer das reivindicações acima, caracterizada pelo fato de que exibe uma forma substancialmente anular.

17. Conjunto, caracterizado pelo fato de que inclui pelo menos uma vedação (10) como definida em quaisquer das reivindicações acima, inserido entre um primeiro e um segundo membro (2', 6).

18. Conjunto de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o primeiro e segundo membros (2', 6) são feitos respectivamente de materiais exibindo coeficientes de expansão térmica diferentes.

19. Conjunto de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o primeiro e segundo membros são feitos respectivamente de metal e cerâmica.

20. Sistema de célula eletroquímica (1), caracterizado pelo fato de que inclui pelo menos uma vedação (10) como definida em quaisquer das reivindicações 1 a 16.

21. Sistema de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que inclui pelo menos uma célula eletroquímica (1) provida com um anodo (2), um catodo (4), e um eletrólito (6) arranjado entre o anodo e o catodo, um interconnector anódico (21) e um interconnector catódico (4') sendo associado com dita célula eletroquímica (1), conectado ao anodo e ao catodo, respectivamente, dito sistema também incluindo pelo menos uma vedação (10) como definida em quaisquer das reivindicações 1 a 16, colocada entre dito eletrólito (6) e o interconnector anódico (2'), e/ou entre dito eletrólito (6) e o interconnector de catódico (41).

22. Sistema de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que é um eletrolisador de alta temperatura, ou uma célula de combustível operando a altas temperaturas.

23. Método para ajustar uma vedação como definida em quaisquer das reivindicações 1 a 16, pretendida para ser inserida entre um primeiro e segundo membros de um sistema de célula eletroquímica operando a uma temperatura operacional sob ditas condições de temperatura predeterminadas, caracterizado pelo fato de que inclui as etapas seguintes: ajuste da vedação entre o primeiro e segundo membros; aumento na temperatura assim para trazer a vedação à temperatura de engaxetamento de acordo com as condições de temperatura predeterminadas; manutenção da temperatura à dita temperatura de engaxetamento e aplicação de uma pressão em dito sistema de célula eletroquímica, assim para obter uma compressão de contato ditas porções da vedação; e redução da temperatura assim para trazer a vedação à dita temperatura operacional de sistema, enquanto mantendo uma pressão em dito sistema de célula eletroquímica.

24. Método de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que dita temperatura de engaxetamento é fixada ao redor de -950°C, e pelo fato de que dita temperatura operacional é fixada ao redor de -800°C.