PT2304832E - Processo para a limpeza de pelo menos um canal de entrada para gás operacional de uma célula de combustível de uma disposição de células de combustível e disposição de células de combustível - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA A LIMPEZA DE PELO MENOS UM CANAL DE ENTRADA PARA GÁS OPERACIONAL DE UMA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL DE UMA DISPOSIÇÃO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL E DISPOSIÇÃO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL" A presente invenção refere-se a um processo para a limpeza de pelo menos um canal de entrada para gás operacional de uma célula de combustível de uma disposição de células de combustível, em que através de células de combustível eletricamente conectadas em série são conduzidos gás operacional e corrente elétrica. Além disso a presente invenção refere-se a uma disposição de células de combustível com uma multiplicidade de células de combustível eletricamente conectadas em série e um dispositivo de controlo para o controlo de uma alimentação de gás operacional para as células de combustível e de uma condução de corrente através das células de combustível.

Numa instalação de células de combustível uma multiplicidade de células de combustível é eletricamente conectada em série, por exemplo, para disponibilizar uma tensão suficiente para o acionamento de um veículo. Quando ocorre uma falha numa das células de combustível, devido à qual a conversão de hidrogénio e de oxigénio em corrente elétrica e em calor é significativamente perturbada, a tensão das células na referida célula de combustível pode falhar por colapso e por conseguinte a instalação de células de combustível gera uma potência elétrica mais reduzida.

Uma origem possível para uma falha por colapso da tensão de uma célula de combustível é o respetivo entupimento. Devido 2 às impurezas existentes nos gases operacionais os canais de entrada podem ser entupidos, de modo que a célula de combustível afetada já não é suficientemente alimentada com gás operacional correspondente. Particularmente no caso de células de combustível, que utilizam papel químico como portador do catalisador e para o transporte de corrente, pode suceder, que os referidos papéis químicos libertem fibras individuais, que são arrastadas pelo fluxo de gás e/ou água e se depositam em pontos com uma velocidade de fluxo reduzida. Os referidos pontos preferencialmente são impurezas no percurso do gás, extremidades de um tubo ou de um canal, ramificações terminais e similares. A alimentação de gás de uma célula de combustível afetada é perturbada, no pior dos casos completamente evitada, com resultado de uma diminuição de potência até à falha da célula. Para o bom funcionamento da disposição de células de combustível esta tem de ser limpa. Para este efeito é conhecido, desmontá-la, limpar os respetivos canais e voltar a montá-la . A EP 1 194 968 BI divulga um processo para a limpeza de canais de gás operacional de uma disposição de células de combustível em que a alimentação do gás hidrogenado é interrompida mediante manutenção da corrente elétrica e é realizada uma eletrólise em pelo menos uma das células de combustível. A evacuação de impurezas locais da alimentação de gás operacional é realizada através da introdução de gases inertes, enquanto a eletrólise é utilizada para a eliminação de impurezas na superfície do catalisador de elétrodos. A presente invenção tem por objetivo conceber um processo simples para a limpeza de uma disposição de células de 3 combustível e uma disposição de células de combustível, na qual seja possível realizar uma limpeza simples. 0 objetivo de acordo com a presente invenção é alcançado através de uma processo da natureza acima referida, em que de acordo com a presente invenção é realizada uma limpeza de impurezas de pelo menos um canal de entrada para gás operacional em pelo menos uma célula de combustível subalimentada com gás operacional de uma disposição de células de combustível, que obstruem o pelo menos um canal de entrada na área do orifício para um canal de alimentação que conduz o gás operacional, sendo que através de células de combustível eletricamente conectadas em série da disposição de células de combustível são conduzidos gás operacional e corrente elétrica, sendo que é interrompida uma alimentação de gás operacional mediante manutenção da corrente elétrica, sendo que em pelo menos a pelo menos uma célula de combustível subalimentada é gerada uma formação de gás e o neste caso o gás formado é gerado numa quantidade, de modo que o gás formado pelo menos parcialmente flui da pelo menos uma célula de combustível subalimentada através de pelo menos um canal de entrada para o canal de alimentação.

Devido à interrupção da alimentação de gás operacional mediante manutenção da corrente elétrica é gerada uma eletrólise em pelo menos uma célula de combustível subalimentada com gás operacional, sendo que em vez da degradação de gás, como normalmente ocorre durante o funcionamento de uma célula de combustível, é realizada uma formação de gás. 4 0 efeito temido da eletrólise no caso do gás operacional desligado para a limpeza da disposição de células de combustível pode ser utilizado, de modo a evitar uma falha de uma célula de combustível.

Neste caso a presente invenção parte da reflexão, de que mesmo através de uma célula de combustível subalimentada com gás operacional devido a um entupimento ou a uma obstrução de um ou de todos os respetivos canais com impurezas, devido à conexão em série flui a mesma corrente, que flui pelas restantes células de combustível, suficientemente alimentadas com gás operacional. A referida corrente apresenta um volume de gás, que devido ao entupimento não pode ser coberto por gás operacional subsequente. Gera-se uma subpressão, de modo que a célula de combustível subalimentada suga igualmente gás operacional do canal de saída. Assim o canal de saída temporariamente transforma-se num canal de entrada adicional. A referida alimentação bilateral de gás operacional na célula de combustível conduz a que a célula de combustível já não seja atravessada por fluido e por conseguinte se deposite gás inerte na célula de combustível. Assim na referida célula é gerada uma composição de gás, que difere da composição de gás nas células adjacentes, uma vez que contém mais gás inerte do que estas.

Quando a alimentação de gás operacional da disposição de células de combustível é separada num estado da referida natureza, sem que a corrente seja interrompida, as reservas de gás operacional existentes nas células de combustível são esgotadas, ou até o lado oxigenado ou o lado hidrogenado das células de combustível individuais já não 5 conterem gás operacional. No referido estado a tensão intereléctrodo falha por colapso. Numa disposição de células de combustível, na qual a distribuição de gás é homogénea, as tensões intereléctrodo das células de combustível falham por colapso de forma igualmente homogénea ou aproximadamente simultaneamente. Contudo quando a disposição de células de combustível contem células de combustível subalimentadas, que essencialmente contêm mais gás inerte do que as adjacentes, as respetivas reservas de gás operacional existentes são mais rapidamente consumidas do que nas outras células de combustível. A corrente, movimentada através das células de combustível ainda em funcionamento, continua a fluir e na célula de combustível afetada origina uma formação de gás através de uma eletrólise, mediante a qual no lado hidrogenado é formado oxigénio e no lado oxigenado é formado hidrogénio. Em vez da degradação de gás tem lugar uma formação de gás. 0 gás gerado durante a eletrólise, doravante igualmente designado por gás de eletrólise, é evacuado da célula de combustível através de uma alimentação de gás operacional. Quando se depositam impurezas, que conduzem à perturbação da alimentação de gás, na entrada de uma célula de combustível, as referidas impurezas mediante uma produção de gás suficientemente elevada podem ser evacuadas, por exemplo de volta para um canal de alimentação que conduz gás operacional. Preferencialmente as impurezas, que se possam ter formado devido a uma subpressão na célula de combustível subalimentada através de uma sucção de gás operacional na área da passagem de um canal de saída para um canal de evacuação, podem ser simultaneamente evacuadas através do gás de eletrólise. 6 Aí, quer dizer no canal de alimentação ou adicionalmente no canal de evacuação, as impurezas evacuadas idealmente ficam depositadas num ponto, em que já não possam perturbar a entrada de gás do gás operacional. Embora não possa ser seguramente evitado, que as impurezas evacuadas no canal de alimentação se depositem novamente à frente de uma entrada de célula. Contudo o processo pelo menos se adequa para o melhoramento temporário da potência das células de combustível através de uma limpeza de pontos críticos no interior da disposição de células de combustível. A corrente flui através das células de combustível através de uma carga ligada à disposição de células de combustível, por exemplo uma bateria ou um motor, para cujo funcionamento está prevista uma disposição de células de combustível regular. Vantajosamente a condução de corrente gerada pela referida carga é mantida, quando a alimentação de gás operacional é interrompida. Assim pode ser mantida uma condução de corrente elevada, que é adequada para a geração de uma quantidade significativa de gás de eletrólise, para durante a evacuação das impurezas alcançar uma pressão de gás vantajosamente elevada. Quando a carga é um conversor DC, a corrente pode continuar a ser alimentada por exemplo para uma rede elétrica. A interrupção da alimentação de gás operacional convenientemente é realizada de forma rápida, particularmente em 500 ms, convenientemente em 200 ms, por exemplo através do fecho de uma válvula de interrupção. A interrupção da alimentação de gás operacional neste caso pode ser realizada de forma manual ou através de um comando ou de forma automatizada, por exemplo automaticamente em 7 caso de quebra da tensão de uma célula abaixo dos 90% do respetivo valor de tensão normal. O processo de acordo com a presente invenção pode ser realizado como breve interrupção de um funcionamento regular da disposição de células de combustível. Uma desmontagem total e por exemplo lavagem da disposição de células de combustível não é necessária. Para a conclusão da limpeza a corrente pode ser interrompida, de modo que a eletrólise e por conseguinte a evacuação são concluídas. Subsequentemente pode ser re-estabelecido o funcionamento regular, através do re-estabelecimento da alimentação de gás operacional e do re-accionamento da carga. O gás operacional flui para a disposição de células de combustível e para o gás de eletrólise e elimina este último numa oxidação que gera calor. Para evitar a reação geradora de calor o gás de eletrólise pode ser evacuado da disposição de células de combustível ou eliminado através de uma breve evacuação.

Frequentemente depositam-se impurezas no lado hidrogenado de uma célula de combustível. Quando apenas é interrompida a alimentação de gás hidrogenado mediante manutenção da alimentação de gás oxigenado e da corrente elétrica, apenas o lado hidrogenado de uma célula de combustível afetada pode ser desobstruído, o que habitualmente é suficiente. Geralmente uma interrupção dos gases operacionais, por exemplo do gás operacional hidrogenado, pode ser suficiente, para executar o processo de forma rápida e eficaz.

De acordo com uma forma de realização vantajosa da presente invenção é detetada uma tensão intereléctrodo negativa que 8 surge após a interrupção da alimentação de gás operacional e a corrente é interrompida em função da tensão intereléctrodo negativa, por exemplo através da separação da carga utilizada pela disposição de células de combustível. A referida dependência pode encontrar-se em qualquer parâmetro da tensão intereléctrodo negativa, por exemplo a respetiva duração, o respetivo tamanho, o respetivo percurso. Isto significa, que a corrente é interrompida por exemplo, quando é alcançado um valor limite de tensão intereléctrodo negativa. A seleção de um parâmetro adequado e do respetivo valor crítico, mediante o qual a corrente é interrompida, neste caso depende da construção da disposição de células de combustível, do tipo de células de combustível utilizadas, dos gases operacionais e outros e tem de ser estabelecido especificamente para cada disposição de células de combustível. Pode evitar-se que a quantidade de gás de eletrólise se torne incontroladamente grande, para evitar uma reação por calor incontrolada por oxidação de gás de eletrólise e de gás operacional. A tensão intereléctrodo negativa indica a ocorrência da eletrólise e por conseguinte o surgimento de gás de eletrólise.

Preferencialmente após uma duração crítica a corrente pode ser interrompida e por conseguinte igualmente a geração de ainda mais gás de eletrólise. A duração crítica pode ser um período fixamente ajustado ou uma duração calculada no momento ou antes de acordo com um ou vários parâmetros da disposição de células de combustível. Alternativamente no lugar da interrupção de corrente pode ser re-estabelecida a alimentação de gás operacional e por conseguinte suspendida a geração de ainda mais gás de eletrólise. 9 A quantidade de gás de eletrólise gerado ainda pode ser mais bem controlado, quando mediante o surgimento da tensão intereléctrodo negativa é formado um integral através da corrente no que respeita ao tempo e em caso de ultrapassagem de um valor integral crítico a corrente é interrompida ou a alimentação de gás operacional re-estabelecida. Considerando que a quantidade de gás de eletrólise gerado depende da intensidade e da duração da corrente, a quantidade está em ligação direta com o integral temporal através da corrente. Quando o resultado do referido integral excede o valor predeterminado, a condução de corrente é interrompida e a geração de gás de eletrólise concluída. Quanto maior é um fluxo de gás de gás de eletrólise da célula de combustível, melhor podem ser evacuadas as impurezas da célula de combustível. Por conseguinte é vantajoso, que o fluxo de gás pelo menos durante um curto periodo de tempo seja elevado. Um fluxo de gás elevado pode ser alcançado quando na disposição de células de combustível flui corrente diretamente antes da interrupção do gás operacional, preferencialmente quando a disposição de células de combustível durante um período de pelo menos 30 segundos é operada com pelo menos 50% da respetiva carga nominal, particularmente durante um período de pelo menos 2 minutos com pelo menos 90% da respetiva carga nominal. Devido à corrente elevada ligada a esta através de uma célula de combustível entupida pode ser gerado um teor de gás inerte elevado na referida célula de combustível, considerando que a referida célula de combustível devido ao elevado consumo de gás suga gás operacional de ambos os lados e já não é atravessada por um fluxo. Quanto mais elevado o teor de gás inerte na célula de combustível, mais 10 cedo a respetiva tensão falha por colapso e mais gás de eletrólise pode ser gerado, antes da tensão intereléctrodo das restantes células de combustível da disposição de células de combustível falhe por colapso e por conseguinte igualmente a corrente necessária para a eletrólise. Mais vantajoso ainda é um funcionamento de pelo menos 5 minutos com pelo menos 90%, particularmente 100% da carga nominal.

Enquanto alternativa ou possibilidade adicional para o alcance de um fluxo de gás elevado de uma célula de combustível obstruída ou entupida a disposição de células de combustível vantajosamente pode ser operada diretamente antes da interrupção da alimentação de gás operacional mediante uma temperatura mais elevada em pelo menos 5 K do que uma temperatura nominal prevista para um funcionamento com carga nominal. Devido à temperatura elevada a pressão de gás parcial da água sempre existente nas células de combustível é elevada, o que corresponde a um aumento do teor de gás inerte. Quanto mais vapor de água está presente nas células de combustível, menor é o espaço disponível para gases operacionais. Mediante uma pressão de vapor de água parcial elevada a tensão de uma célula de combustível obstruída ou entupida mais rapidamente falha por colapso, podendo ser gerado mais gás de eletrólise. Convenientemente a disposição de células de combustível é operada a uma temperatura pelo menos 10 K mais elevada do que à temperatura nominal prevista para o funcionamento com valor nominal.

Para uma evacuação bem-sucedida de uma célula de combustível obstruída ou entupida é vantajoso, que o gás de eletrólise na célula de combustível seja gerado de forma particularmente rápida. A quantidade de gás de eletrólise 11 depende diretamente da intensidade de corrente através da célula de combustível entupida. Uma quantidade elevada de gás de eletrólise pode ser gerada em pouco tempo, quando após a interrupção de gás operacional para o aumento da corrente é gerado um curto-circuito no circuito elétrico da disposição de células de combustível.

Convenientemente o curto-circuito é conduzido através de uma resistência de curto-circuito limitadora da corrente de curto-circuito, para manter a carga elétrica da disposição de células de combustível num intervalo aceitável. Vantajosamente a resistência de curto-circuito é refrigerada através de um dispositivo de refrigeração previsto para a refrigeração e particularmente mais reduzida do que uma resistência mais reduzida, que é acionada através da disposição de células de combustível, mediante a mesma corrente. A corrente gerada através do referido curto-circuito conduzido convenientemente é mais elevada do que a corrente gerada com a carga em funcionamento regular. A ocorrência de um entupimento não tem de ser um processo regular, podendo ocorrer ora mais rapidamente, ora mais lentamente. Por conseguinte é vantajoso, que uma disposição de células de combustível possa ser supervisionada de modo a detetar uma eventual ocorrência ou desenvolvimento de um entupimento. Uma supervisão da referida natureza pode ser alcançada, quando a tensão intereléctrodo de uma célula de combustível pode ser detetada em função da corrente através da célula de combustível. Quando a tensão intereléctrodo falha por colapso para um valor abaixo de um valor mínimo predeterminado, isso é um indício, de que a partir do referido valor mínimo vai ser realizada uma evacuação do 12 gás operacional da saída da célula ou de um orifício de saída e de que a passagem de gás operacional através da célula de combustível vai ser suspensa, de modo que de cada vez se acumula mais gás inerte na referida célula de combustível e a tensão intereléctrodo falha por colapso. Assim pode ser interrompida a alimentação de gás operacional mediante manutenção da corrente elétrica, de modo que é iniciado um processo de limpeza. A alimentação de gás operacional não tem de ser realizada diretamente após a deteção da existência de uma impureza, mas pode igualmente ser realizada mais tarde. 0 aumento da temperatura de serviço pode igualmente ser utilizado para supervisionar uma eventual presença de impurezas na célula de combustível. Através do teor de vapor de água mais elevado nas células de combustível -particularmente mediante carga nominal - um entupimento pode ser detetado através de um colapso da tensão de uma célula de combustível, quando a célula de combustível em funcionamento normal, ou seja, em funcionamento com a temperatura de serviço mais reduzida, ainda não é suspeita. A disposição de células de combustível ainda pode ser utilizada mais um pouco podendo ser escolhido um momento adequado para uma limpeza, sem perturbar o funcionamento.

Com a mesma vantagem o gás operacional pode ser misturado com um gás inerte convenientemente puro e introduzido na disposição de células de combustível. Também nestas condições a tensão intereléctrodo de uma célula de combustível ligeiramente entupida facilmente falha por colapso, sem que isso tenha de suceder mediante um funcionamento regular sem gás inerte adicionalmente introduzido. 13

Além disso pode ser utilizada a alimentação do gás inerte ao gás operacional para aumentar a produção de gás de eletrólise. Através do elevado teor de gás inerte no gás operacional pode ser alcançado um teor particularmente elevado de gás inerte na célula de combustível entupida, de modo que a respetiva tensão intereléctrodo mediante interrupção da alimentação de gás operacional pode ser invertida particularmente rapidamente e gerada uma grande quantidade de gás de eletrólise. 0 objetivo relativamente à disposição de células de combustível é alcançado através de uma disposição de células de combustível da natureza acima referida, na qual de acordo com a presente invenção o dispositivo de controlo está previsto para interromper a alimentação de gás operacional mediante manutenção da condução de corrente elétrica através das células de combustível e para executar o processo de acordo com a presente invenção. Pode ser alcançada uma evacuação de gás de eletrólise da célula de combustível entupida, que por conseguinte é desobstruída.

Convenientemente a corrente elétrica mantida é de 70%, particularmente 100% da corrente nominal, ou seja, da corrente existente mediante plena carga. O dispositivo de controlo vantajosamente está previsto para controlar um, vários ou todos os detalhes processuais acima referidos.

Em regra as impurezas depositam-se na área da entrada das células de combustível, de modo que mediante inversão da direção do fluxo de gás podem ser evacuadas. Para conceber a referida evacuação de um modo particularmente eficaz, é vantajoso, que o gás de eletrólise preferencialmente flua 14 pela entrada prevista para a alimentação de gás operacional de uma célula de combustível subalimentada e não através da respetiva saída prevista para a evacuação de gases operacionais.

Para o referido efeito as células de combustível vantajosamente respetivamente estão ligadas através de uma disposição de canais de entrada com um canal de alimentação e de uma disposição de canais de saída com um canal de evacuação, sendo que a disposição de canais de entrada apresenta uma resistência à circulação mais reduzida do que a disposição de canais de saída. Quando a resistência à circulação na entrada é reduzida e maior na saída, o gás de eletrólise produzido é evacuado predominantemente na direção de saída, ou seja, no ponto em que deve ser eliminado o entupimento. A resistência à circulação pode ser ajustada através do número de canais, de modo que preferencialmente a disposição de canais de entrada apresenta mais canais de entrada do que a disposição de canais de saída canais de saída. Alternativamente ou adicionalmente a disposição de canais de entrada pode ser mais comprida do que a disposição de canais de saída. É igualmente possível, que a disposição de canais de entrada apresente uma secção transversal estreita maior, do que a disposição de canais de saída. A presente invenção é mais detalhadamente explicada com base em exemplos de realização, que são apresentados nas figuras. Em que a: 15 FIG 1 apresenta um corte de uma disposição de células de combustível com uma unidade de controlo e com uma carga elétrica numa representação esquemática, e; FIG 2 apresenta uma representação em corte esquemática através de um compartimento de gás de uma célula de combustível. A FIG 1 apresenta um corte de uma disposição de células de combustível 2 numa representação funcional esquemática. A disposição de células de combustível 2 é concebida como bloco de células de combustível e compreende uma multiplicidade de células de combustível tipo PEM 4 (Polymer-Elektrolyt-Membran ou Proton Exchange Membran) , dos quais por razões de clareza apenas são assinaladas algumas. As células de combustível 4 respetivamente compreendem dois compartimentos de gás 6, dos quais respetivamente na FIG 1 apenas é representado um. Os dois compartimentos de gás 6 são um compartimento de hidrogénio e um compartimento de oxigénio, sendo que respetivamente entre um compartimento de hidrogénio de uma célula de combustível e um compartimento de oxigénio de uma célula de combustível adjacente 4 está disposto um eletrólito 8.

As células de combustível 4 são alimentadas com gás operacional 10, que através de um canal de alimentação 12 flui para as células de combustível 4 e através de uma disposição de canais de entrada 14 para o compartimento de gás correspondente 6 das células de combustível 4. Através de uma disposição de canais de saída 16 o gás operacional não utilizado 10 flui para fora das células de combustível 4 e através de um canal de evacuação 18 é afastado das 16 células de combustível 4. Deste modo as células de combustível individuais 4 da disposição de células de combustível 2 são paralelamente alimentadas com ambos os gases. Como gás hidrogenado é utilizado gás com um teor de hidrogénio superior a 98% e um teor de gás inerte mais reduzido. Como gás oxigenado são considerados ar ou oxigénio altamente concentrado.

As células de combustível 4 são eletricamente conectadas em série, conforme assinalado através de um circuito elétrico 20 com uma carga 22. A carga 22 é um motor para o acionamento de um veículo. O circuito elétrico 20 pode ser interrompido e fechado através de um comutador 24, que é acionado por uma unidade de controlo 26. Por meio de um comutador adicional 28 pode ser fechado um circuito curto-circuitado 30 através de uma resistência de curto-circuito 32, convenientemente mediante um comutador aberto 24.

Igualmente acionada pela unidade de controlo 26 é uma válvula 34 para a abertura e para o fecho do canal de alimentação 12, de modo que uma alimentação de gás operacional, por exemplo do gás operacional hidrogenado 10, pode ser interrompida e aberta. A válvula 34 é uma válvula esférica, que se fecha mediante um acionamento correspondente num período de tempo inferior a 200 ms e deste modo fecha o canal de alimentação 12.

Durante o funcionamento da disposição de células de combustível 2 acumulam-se impurezas 36 em pontos no interior do fluxo de gás, em que o fluxo de gás é restringido ou abrandado, por exemplo em vincos, estreitamentos ou vias sem saída. Na FIG 1 a título exemplificativo está representado, como as impurezas 36 ser 17 acumularam no orifício de abertura da disposição de canais de entrada 14 para o canal de alimentação 12 e obstruem significativamente a disposição de canais de entrada 14. Por conseguinte mediante o funcionamento com carga nominal da disposição de células de combustível 2 por exemplo apenas chega metade do gás operacional hidrogenado 10 ao compartimento de hidrogénio correspondente 6 da célula de combustível entupida 4.

Através da conexão em série das células de combustível 4 contudo flui a mesma corrente através de todas as células de combustível 4 da disposição de células de combustível 2. Considerando que para a manutenção da tensão intereléctrodo da célula de combustível afetada 4 não é disponibilizado gás operacional hidrogenado 10 suficiente, a referida célula de combustível 4 suga gás operacional 10 do canal de evacuação 18 para o respetivo compartimento de gás hidrogenado 6, conforme assinalado através das setas 38. O compartimento de gás hidrogenado 6 já não é atravessado por gás operacional 10 sendo que com o passar do tempo se acumula de cada vez mais gás inerte no compartimento de gás hidrogenado 6. Quanto mais elevado o teor de gás inerte, mais cai a tensão intereléctrodo, até que finalmente quebra e a célula de combustível 4 falha.

As impurezas na FIG 1 apenas estão representadas numa desembocadura de uma disposição de canais de entrada 14 no canal de alimentação 12, sendo as impurezas 36 durante o funcionamento regular da disposição de células de combustível 2 se podem acumular em vários pontos no interior do dispositivo de células de combustível 2. Por conseguinte com o passar do tempo pode falhar uma 18 multiplicidade de células de combustível 4 prejudicando a potência da disposição de células de combustível 2.

Para atrasar o referido processo de formação de impurezas, num primeiro exemplo de realização simples a alimentação de gás operacional de ambos os gases operacionais sob carga pode ser simultaneamente interrompida. Subsequentemente aguarda-se que a tensão geral da disposição de células de combustível colapse. As impurezas podem agora ser afastadas de um ponto crítico para outro lugar. Subsequentemente a alimentação de gás operacional pode ser restabelecida e o funcionamento regular retomado.

Outras possibilidades para o refinamento do processo são descritas em seguida. Assim a corrente pode ser interrompida num momento adequado para a conclusão da eletrólise. É igualmente possível, evacuar a disposição de células de combustível antes da continuação do funcionamento ou lavá-la com gás inerte, por exemplo N2.

Além disso a tensão intereléctrodo das células de combustível 4 pode ser supervisionada a partir da unidade de controlo 26. Além disso através de linhas elétricas 40, das quais na FIG 1 por razões de clareza apenas estão representadas três para a supervisão de duas células de combustível adjacentes 4, esta está ligada às células de combustível 4. A tensão intereléctrodo das células de combustível individuais 4 é detetada em função da intensidade de corrente sendo reconhecido quando uma tensão intereléctrodo quebra intensivamente ou colapsa.

Em caso de uma falha por colapso de uma tensão intereléctrodo o funcionamento da disposição de células de 19 combustível 2 já está significativamente danificado. Para poder detetar atempadamente uma falha da natureza acima referida de uma célula de combustível 4, a unidade de controlo 26 controla uma unidade de refrigeração 42, de modo que a temperatura no interior da disposição de células de combustível 2 é elevada em mais de 5 K, particularmente em mais de 10 K, relativamente a uma temperatura nominal para um funcionamento com carga nominal. A unidade de refrigeração 42 pode compreender um dispositivo refrigerador e um agente de refrigeração que flui através da disposição de células de combustível 2 com um elemento de regulação ou de controlo para o ajuste da temperatura.

Devido à temperatura elevada a pressão de vapor de água parcial no interior das células de combustível 4 é elevada, de modo que é disponibilizado menos gás operacional hidrogenado 10 nos compartimentos de gás hidrogenado 6 para a manutenção da reação eletroquímica no eletrólito 8. Em caso de uma carga elevada, por exemplo o funcionamento com carga nominal, quer dizer em caso de funcionamento com plena carga, a tensão intereléctrodo mediante uma passagem deficiente de uma célula de combustível parcialmente obstruída 4 falha mais rapidamente por colapso. Através do referido funcionamento de teste pode ser detetada a danificação devida a impurezas 36, quando ainda não é percetível num funcionamento regular. 0 mesmo efeito pode ser alcançado através da mistura de gás inerte de um dispositivo de armazenamento de gás inerte 44 no gás operacional 10 no canal de alimentação 12. Para o referido efeito a unidade de controlo 26 está ligada a uma válvula 46, mediante a abertura da qual flui gás inerte para o canal de alimentação 12. Através da elevação do teor 20 de gás inerte no gás operacional 10 a tensão intereléctrodo de uma célula de combustível parcialmente obstruída 4 falha mais rapidamente por colapso mediante um funcionamento de teste da referida natureza do que no funcionamento regular, de modo que pode ser detetada uma perturbação eminente.

Quando é detetada uma perturbação eminente ou já existente no funcionamento regular, a disposição de células de combustível 2 é limpa. Para o referido efeito em primeiro lugar pode ser elevado o teor de gás inerte e/ou o teor de vapor de água na célula de combustível afetada 4. Além disso a disposição de células de combustível 2 durante um determinado período de tempo é operada com carga nominal, de modo que no compartimento de gás da célula de combustível afetada 4 se deposita o máximo gás inerte possível. O período de tempo pode ser estipulado em avanço, por exemplo 10 minutos ou pelo menos 10 minutos, ou a partir de parâmetros de funcionamento e determinado, por exemplo, em função da tensão residual da célula de combustível 4. Quando a tensão intereléctrodo cai abaixo de um determinado valor, o funcionamento com carga nominal pode ser terminado podendo ser iniciada a limpeza.

Após as referidas preparações a válvula 34 é fechada e por conseguinte interrompida a alimentação de gás operacional. A corrente através das células de combustível 4 é mantida através da carga 22 ainda ligada, de modo que a reação eletroquímica em todas as células de combustível prossegue. Assim que o gás operacional na célula de combustível obstruída é consumido, a tensão intereléctrodo falha por colapso e devido à corrente impulsionada através da referida célula de combustível 4 é invertida. Por conseguinte é iniciada uma eletrólise, através da qual por 21 exemplo no compartimento de gás hidrogenado 6 da célula de combustível obstruída 4 se forma oxigénio. Em caso de formação suficiente de oxigénio é gerada uma sobrepressão no compartimento de gás hidrogenado 6 sendo gue o gás é evacuado da célula de combustível 4. As impurezas 36 são pelo menos parcialmente evacuadas sendo limpa a disposição de canais de entrada 14, de modo que através desta pode voltar a fluir gás operacional suficiente para a célula de combustível obstruída 4, para assegurar um funcionamento regular.

Para não deixar gerar gás de eletrólise incontroladamente abundante a unidade de controlo 26 supervisiona o período de tempo de permanência da tensão intereléctrodo negativa, quer dizer da tensão intereléctrodo invertida no sinal relativamente ao funcionamento regular e interrompe o circuito elétrico 20 após um período de tempo predeterminado. De acordo com uma forma de realização melhorada a unidade de controlo 26 através da medição da intensidade de corrente e do período de tempo da tensão intereléctrodo negativa forma o integral temporal através de uma intensidade de corrente a partir do momento, em que a tensão intereléctrodo é negativa, até ao tempo atualmente presente. Quando o resultado do integral ultrapassa um valor predeterminado o circuito elétrico 20 é interrompido.

Para reforçar a eletrólise o comutador 28 pode ser fechado e o comutador 24 aberto, de modo que é gerado um curto-circuito acima da disposição de células de combustível 2, que no entanto através da resistência de curto-circuito 32 convenientemente decorre de forma controlada, de modo que a disposição de células de combustível 2 não é danificada. Por conseguinte a eletrólise pode ser acionada de um modo 22 tão intenso, que um jato de gás da célula de combustível entupida 4 actua no sentido de possibilitar uma limpeza enérgica da disposição de células de combustível 2. 0 gás de eletrólise flui para fora da célula de combustível afetada, quando conjuntamente com o gás inerte forma uma sobrepressão relativamente ao meio envolvente, ou seja, para o canal de alimentação 12. Para alcançar uma limpeza através do referido fluxo de gás é vantajoso que, quando o gás flui para a entrada na célula de combustível 4 e tanto quanto possível pouco através da saída, considerando que aí não é alcançada qualquer inversão da direção do fluxo de gás. Para o referido efeito a resistência na entrada é mais reduzida do que na saída. Na FIG 1 isto é representado através de um corte transversal maior da disposição de canais de entrada 14 relativamente à disposição de canais de saída 16. Além disso a disposição de canais de entrada 14 é concebida de forma mais curta do que a disposição de canais de saída 16, pelo que pode igualmente ser alcançada uma resistência à circulação mais reduzida na disposição de canais de entrada 14. A FIG 2 apresenta uma possibilidade adicional para um ajuste da resistência à circulação na disposição de canais de entrada 14 e na disposição de canais de saída 16. Na representação esquemática da FIG 2 é demonstrado, que a disposição de canais de entrada 14 compreende quatro canais de entrada 48 e a disposição de canais de saída compreende três canais de saída 50. Como medida adicional os canais de saída 50 são mais compridos do que os canais de entrada 48. Como terceira medida a secção transversal de circulação mais estreita dos canais de entrada 48 é maior do que a dos canais de saída 50. Embora as secções transversais de 23 circulação dos canais de entrada 48 e dos canais de saída 50 ao longo do comprimento dos canais sejam iguais, nas respetivas extremidades exteriores apresentam estreitamentos 52, que formam a secção transversal de circulação mais estreita respetivamente. Os estreitamentos 52 nos canais de entrada 48 são concebidos de forma mais estreita do que nos canais de saída 50. Igualmente por este motivo a resistência à circulação da disposição de canais de entrada 14 é mais reduzida do que aquela da disposição de canais de saída 16.

Enquanto a FIG 2 apresenta as três medidas em combinação, evidentemente podem igualmente ser utilizadas individualmente para o ajuste das resistências à circulação. Além disso são igualmente utilizáveis individualmente as medidas para a elevação do jato de gás da célula de combustível 4 e as medidas para a análise de um entupimento.

Lisboa, 5 de Abril de 2012

Claims (7)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um processo para a limpeza de impurezas de pelo menos um canal de entrada para gás operacional de pelo menos uma célula de combustível subalimentada de uma disposição de células de combustível (2), que obstruem o pelo menos um canal de entrada na área de um orifício para um canal de alimentação que conduz o gás operacional, em que através de células de combustível (4) eletricamente conectadas em série da disposição de células de combustível (2) são conduzidos o gás operacional (10) e a corrente elétrica, sendo que é interrompida uma alimentação de gás operacional mediante manutenção da corrente elétrica, sendo que pelo menos na pelo menos uma célula de combustível subalimentada é gerada uma formação de gás e neste caso o gás formado é produzido numa quantidade, de modo que o gás formado pelo menos parcialmente flui da pelo menos uma célula de combustível subalimentada através do pelo menos um canal de entrada para o canal de alimentação. 2. 0 processo de acordo com a revindicação 1, caracterizado por a alimentação de gás operacional ser re-estabelecida e por fluir gás operacional (10) para o gás formado.

3. O processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por gás oxigenado e hidrogenado como dois gases operacionais (10) serem conduzidos através das células de combustível (4) e por a alimentação do gás hidrogenado ser interrompida mediante manutenção da alimentação de gás oxigenado e da corrente elétrica. 2 4. 0 processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por serem detetadas tensões intereléctrodo negativas geradas após a interrupção da alimentação de gás operacional e a corrente ser interrompida mediante o alcance de um valor limite da tensão intereléctrodo negativa. 5. 0 processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por ser detetada uma tensão intereléctrodo negativa gerada após a interrupção da alimentação de gás operacional, por ser detetada uma duração da ocorrência da tensão intereléctrodo negativa e por mediante ultrapassagem de uma duração crítica a corrente ser interrompida. 6. 0 processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por serem detetadas uma tensão intereléctrodo negativa gerada após a interrupção da alimentação de gás operacional e uma duração da ocorrência da tensão intereléctrodo negativa, por durante a ocorrência da tensão intereléctrodo negativa ser gerado um integral através da corrente no que respeita ao tempo e por mediante ultrapassagem de um valor integral crítico a corrente ser interrompida. 7. 0 processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a disposição de células de combustível (2) ser operada imediatamente antes da interrupção da alimentação de gás operacional durante um período de pelo menos 2 min. com pelo menos 90% da respetiva carga nominal. 3 8. 0 processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a disposição de células de combustível (2) ser operada imediatamente antes da interrupção da alimentação de gás operacional a uma temperatura pelo menos 5 K mais elevada do que a uma temperatura de permanência prevista para um funcionamento com carga nominal. 9. 0 processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por após a interrupção da alimentação de gás operacional para o aumento da corrente ser gerado um curto-circuito num circuito elétrico (20) da disposição de células de combustível (2). 10. 0 processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a tensão intereléctrodo das células de combustível (4) em função da corrente ser detetada através das células de combustível (4) e mediante uma falha por colapso da tensão intereléctrodo para um valor abaixo de um valor mínimo a alimentação de gás operacional ser interrompida mediante manutenção da corrente elétrica.

11. O processo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o gás operacional (10) ser introduzido na disposição de células de combustível (2) misturado com gás inerte.

12. Uma disposição de células de combustível (2) com uma multiplicidade de células de combustível (4) eletricamente conectadas em série e um dispositivo de controlo (26) para o controlo de uma alimentação de gás operacional das 4 células de combustível (4) e de uma condução de corrente através das células de combustível (4), caracterizada por o dispositivo de controlo (26) estar previsto para interromper a alimentação de gás operacional mediante manutenção da condução de corrente elétrica através das células de combustível (4) e para realizar um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 11.

13. A disposição de células de combustível (2) de acordo com a reivindicação 12, caracterizada por as células de combustível (4) respetivamente estarem ligadas através de uma disposição de canais de entrada (14) com um canal de alimentação (12) e de uma disposição de canais de saída (16) com um canal para a evacuação de resíduos (18) e por a disposição de canais de entrada (14) apresentar uma resistência à circulação mais reduzida do que a disposição de canais de saída (16).

14. A disposição de células de combustível (2) de acordo com a reivindicação 13, caracterizada por a disposição de canais de entrada (14) apresentar mais canais de entrada (48) do que a disposição de canais de saída (16) canais de saída (50) .

15. A disposição de células de combustível (2) de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizada por a disposição de canais de entrada (14) ser mais comprida do que a disposição de canais de saída (16). Lisboa, 5 de Abril de 2012