JP2011504205A - アロサーマル機能及び高生産性を備えた高温高圧電解槽 - Google Patents

Abstract

アロサーマルモードで動作可能な高温電解用の電解槽は、数十ｂａｒの高圧又は超高圧下で電解バスを維持することのできるエンクロージャを備える。そのエンクロージャ内に、少なくとも一つの電解プレート（１００）と加熱手段とが配置される。電解プレート（１００）は、実質的に同一平面上に隣り合って存在する複数の電解セル（８）を備える。各電解セルはアノード及びカソードを備え、加熱手段は熱伝導流体を利用する。

Description

本発明は、液相又は気相の試薬を分解する約数百℃の高温吸熱電解に関する。

本発明は、より詳細には、アロサーマル（ａｌｌｏｔｈｅｒｍａｌ）モードで動作し、安定で一様な動作条件を提供する高温高圧電解槽に関する。

以下においては、説明の明確性のため、水の電解の例を用いる。

電解槽の端子に電流を印加すると、直流源によって供給されるエネルギーの一部が、多様な導体及び電気コンタクト内部において熱に変換されるが、電解質を介したイオンの移動中にも生じる。これらの散逸現象は全て、電気エネルギーの無駄な損失につながり、現状の技術開発は、このような現象の制限及び電解槽の安定機能の持続性に向けられている。

また、水分子の分解反応に必要なエネルギー入力は、一部は電気エネルギー、一部は熱に分けられる。水の分解反応によって吸収可能な最大熱量は、温度と共に増加する。

現状の実験結果によると、７５０℃のオーダの温度閾値未満において、電解槽は発熱動作のみを有し得る。つまり、電流の印加に関連する散逸現象によって生じた熱は、水の電解反応によって消費可能な熱以上である。よって、過剰な熱を、冷熱源に移さなければならない。

電解槽の吸熱閾値となるこの７５０℃のオーダの温度閾値以上においては、電解槽は、自熱機能を有し得る。つまり、水分子を分解するのに必要なエネルギー全て（仕事、熱）が、電解槽に供給される電流によって提供される。

この温度閾値以上においては、理論及び実験結果によると、電解槽は有利に吸熱（つまり、アロサーマル）機能を有し得る。つまり、水分子の分解に必要なエネルギーの一部が、外部熱源から電解槽へと直接熱として伝えられる。

吸熱（つまりアロサーマル）動作は、電解を可能にするために電解槽に供給する必要のある電気エネルギーの量を減少させることができるので、好ましい。

水の電解槽は、アルカリ電解槽と呼ばれ、電解反応はアルカリ性液体媒体中で起きる。アノード及びカソードは、ＯＨ⁻イオンが循環するイオン膜又は隔壁によって分離される。

電極における反応は以下の通りである：
・ カソード側： ２Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２ ＋ ２ＯＨ⁻
・ アノード側： ２ＯＨ⁻ → １／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻

この電解槽は、アルカリ性溶液の飽和値未満の温度値（１ｂａｒにおいて８０℃から９０℃、３０ｂａｒにおいて１３０℃から１６０℃）において動作する。

電極間に維持される電位差は、電極の電気抵抗値及び膜（ＯＨ⁻イオンの通過に対する抵抗）に依存して、１．７５Ｖから２．０５Ｖの間で変化する。これらの値は、液体の水の分解反応に厳密に必要な理論的な電位差の値（この温度レベルでは１．４９Ｖのオーダ）よりも大きい。

過電圧の活性化化学反応及び電極の低い導電率の値に関連するアルカリ性溶液及びイオン膜の散逸熱現象のせいで、設備に供給される電気エネルギー全体の１５％から２５％が、冷熱源に伝えられる熱として失われる。従って、この電解槽の機能は、単に発熱的なものである。

また、その動作が発熱的であるプロトン膜を有する電解槽も存在し、電解は気相で行われる。アノード及びカソードは、Ｈ^＋イオンが循環するプロトン膜によって分離される。電極における反応は以下の通りである：
・ アノード側： Ｈ_２Ｏ → １／２Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻
・ カソード側： ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２

このタイプの電解槽の動作温度は、ポリマー膜の機械抵抗によって制限され、３００〜４００℃の範囲である。

また、超高温で動作する電解槽も存在し、固体酸化物燃料電池の用語に由来して電解質高温電解槽と称され、自熱モードで動作する。このような電解槽は、現状では実験段階であったり、デモンストレーション用のプロトタイプであり、超高温で水蒸気、又は蒸気／水素混合物が供給されるが、高圧下においては、つまり、数十ｂａｒの水蒸気又は食品等級混合物に対しては動作不能である。

電極における酸化還元反応は以下の通りである：
・ アノード側、酸素イオンの酸化：
Ｏ^２− → １／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ （Ｉ）
・ カソード側、水蒸気の還元：
Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻→ Ｈ_２ ＋ Ｏ^２− （ＩＩ）
であり、全体の反応として
Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２ ＋ １／２Ｏ_２

過熱水蒸気はカソードに到達し、反応サイトにおいて還元されて、水素及びＯ^２−イオンを形成する。水蒸気には水素が豊富になる一方、Ｏ^２−イオンは、電場の影響下で膜を介して移動する。アノード側では、イオンは電子を放出して酸素分子を形成する。

一般的に使用される電極物質は、金属バイポーラプレート上に堆積させた金属セラミックタイプのものであり、電解質物質はイオン伝導性セラミックタイプのものである。これらのセラミック物質は、温度と共に減少する電気及びイオン抵抗値を有し、電流が流れることによって発生する熱量を減じ、動作温度を上昇させる。

現在開発されている電解槽の設計は、圧力下での水蒸気／水素混合物の流出が、大気圧中の空気によって囲まれたセラミック物質の電極によって形成されたキャビティ内で生じるようにするものであるが、今のところ、このタイプの電解槽は、高圧、つまり、数十ｂａｒの気体混合物に対して動作不能である。

一方、散逸減少によって生じる熱量の減少と、温度値に対して変化する水の分解反応の熱力学的特性は、このタイプの電解槽が吸熱的に動作可能であることを意味するが、これには、水蒸気を、電解槽全体にわたって、吸熱閾値よりも高い温度に維持することが要される。

吸熱モードで電解槽を機能させるのに必要な熱を提供することには、現状二つの解決策が存在している。

第一の解決策は、電解槽の上流に配置された熱交換器を用いて、分解される水蒸気を直接加熱することによって、そのエネルギーを提供することである。しかしながら、吸熱的に機能する電解槽の熱計算のシミュレーションは以下のことを示している：
‐ 吸熱機能に対する優れた条件、つまり、電解槽全体における吸熱閾値よりも高い温度を維持するためには、電解槽に入る際の水蒸気の高流量及び強力な過熱が必要であり、必要な温度（この場合、１１００℃超）を考慮すると、ボイラー及び設備全体のコストが大幅に増加すること、
‐ この解決策は、食品等級の水蒸気が高質量流量で供給されない限り、電解槽の動作に対する安定で一様な温度条件を提供する最良のものではないこと。

このことは、設備（特に電解槽）によって許容可能な水蒸気圧が数ｂａｒを超えることが出来ない場合における、超大容量のパッケージング及び再循環設備につながる。また、このことは、交換器、電解槽及びパイプにおける高流量、つまりはヘッドロスにもつながり、圧縮設備に対するエネルギーコストに影響する。

第二の解決策は、電解槽に入る水蒸気又は水蒸気／水素混合物と混合した熱い熱伝導気体を用いることによって、必要な熱を提供することである。この解決策は、熱伝導気体を収集するため、電解槽の下流で化学体を分離する追加設備を必要とし、熱伝導気体の損失につながる。また、低圧での熱伝導気体の高質量流も必要とされ、性能の制限、つまり、電解槽を介する気体のヘッドロス、及び電解槽の出力の制限につながる。

特許文献１には、液相でのみ生じるアルカリ電解を実施するための装置が記載されていて、３７４℃の水の臨界温度未満の値に動作温度が制限されている。従って、この装置では、吸熱モードで可逆的電圧値を達成することを可能にする温度範囲での動作は不可能である。吸熱モードでの動作用にこの温度での十分に低い可逆的電圧値を達成するために、１ｂａｒよりもはるかに低い超低圧力値を達成しなければならず、大型又は中型の設備への適用を阻害する。このような低圧力レベルでの大きなヘッドロスを回避することのできるパイプ及び圧縮ステージを設計することは、現実的には不可能である。

従って、現在知られている解決策は、かなりの過熱が必要とされるので、電解槽に供給されるエネルギー消費を効率的に減少させることができない。

よって、現時点では、高温高圧において且つ低強度の電流で吸熱モードにおいて実質的な量の水素を生産することのできる解決策は存在しない。

国際公開第２００４／１１３５９０号

従って、本発明の課題の一つは、最適化されたエネルギー消費で吸熱モードで高圧において動作し、安定で一様な温度において動作し、高い生産性を提供することのできる電解槽を提供することである。

上述の課題は、高圧において気密なチャンバから構成される電解槽であって、該チャンバ内に電解支持プレートが過熱プレートと交互に配置されている、電解槽によって解決される。各支持プレート上に、小型電解セルのモザイクが固定され、少なくともその一部は直列に取り付けられて、電解槽の異なる複数のセルを流れる電流の強度を抑え、熱として散逸する電力を抑えることを可能にする。

加熱プレートは、電解槽に、その機能に必要な量の熱を提供することを可能にする。というのも、不可逆の項が減少した吸熱モードで機能するためにジュール効果によっては熱が提供されないからである。電解槽に集積された加熱プレートを用いることによって、電解槽の流入口と排出口における温度変化を３０℃未満にして、また、電解槽の動作温度に対して熱い熱源の過熱を５０℃未満にして、全ての電解セルの温度を維持することができる。

本発明の好ましい実施形態の一つによると、直列に取り付けられた多数の小型基本セルを用いて、電解槽が提供される。これによって、電解槽の異なる複数のセルを流れる電流の強度を抑え、熱として散逸する電力を抑えることが可能になる。直列に取り付けると、支持プレートに対する電力供給が、一つの超小型電解セルに必要な強度に事実上等しい強度のみを要し得る。

本発明によると、有利には、電解気体の高圧電解槽が製造され、許容可能なサイズの設備で実質的な量の水素を生成することができる。高圧での機能は、循環する電解気体の体積流量を減少させて、電解槽中及び他の設備中の循環に関連するヘッドロスを減少させることを可能にして、循環器の電力消費を減少させることができる。従って、本発明による高圧での電解槽の機能は、全設備の水素生成における性能を改善することができる。

また、本発明によって、各支持プレート上に配置された電解セルの数及び支持プレート間の接続に関連した電力分配ネットワークの電流特性に適合した電解槽を製造することができ、これは、水素生成工場の設計を簡略化できるということを意味する。また、特にジュール効果を介した損失が減少することによって、生産工場の電力消費を減少させることができる。

また、本発明によると、数十ｂａｒの高圧又は超高圧下で蒸気を維持する金属閉じ込め部を備えた電解槽が提供される。そして、有利には、含有される生成気体がバスの気体よりも低い圧力下にあるので、電解プレートは機械的な圧迫力に晒される。

セルの設計及び加圧エンクロージャ内でのその配置は、カソード・電解質・アノードアセンブリが、流れている気体間の圧力差に関連した応力に晒されないということを意味する； 水蒸気と生成気体との間の、水蒸気と熱伝導流体との間の、又は、水蒸気と外部との間の圧力差に起因する応力は、酸素が低圧で循環する中空の金属フレームのアップライト等のベッセル内部の部品によって、熱伝導流体用の熱交換器のグリルによって、そして、電解槽のエンクロージャによって、耐えられる。

従って、カソード・電解質・アノードアセンブリを、厚さを減じることによる電気抵抗の減少、多孔質性を増大させることによる電極内の気体拡散に対する抵抗の減少及びイオン抵抗の減少を提供する一方で、電解槽のエンクロージャ内部の高圧動作を可能にするように最適化することができる。

熱伝導流体は流体相、つまり、溶融又は気体状の金属又は塩であり得る。好ましい実施形態の一つによると、熱伝導流体は、電解気体の圧力よりも僅かに低い圧力にされる気体であり、加熱プレートに対する製造上の機械的制約を減じることができる。

本発明の他の側面によると、電解反応によって放出される気体は、支持フレームによって各基本セルにおいて収集される。

本発明の他の側面によると、支持プレート及び電解セルは全て、高圧エンクロージャ内部に収容される。

従って、本発明の主題は、アロサーマルモードで動作可能な高温電解用の電解槽であり、数十ｂａｒの高圧又は超高圧下で電解バスを維持することのできるエンクロージャを備え、該エンクロージャ内に、少なくとも一つの電解プレート及び活性流体用の加熱手段が配置され、その活性流体は高温電解に晒されるものであり、その電解プレートは、同一のプレート上に実質的に隣り合って存在する複数の電解セルを備え、各電解セルは、他のセルのアノード及びカソードから分離されたアノード及びカソードを備え、電解プレートの電解セルの少なくとも一部は、電気的に直列接続されている。

電解バスは有利には気体状である。

熱伝導流体は、高圧下の気体、例えばヘリウムであり得る。または、溶融金属、例えば亜鉛、若しくは、溶融塩であり得て、ヘッドロスを減少させることができる。

一実施例では、電解プレートは、その両面に行列で分布した開口部が提供された支持プレートを備え、支持プレートはアノードで生じる気体を収集するために中空であり、該プレートは気体のマニフォールドを備え、電解セルの少なくとも一部は、セルのカソード上に提供されたフレーム及び隣接するセルのアノード上に提供された穿孔プレートを備えたコネクタによって、対として電気的に接続されて、プレート間の電気接続抵抗の減少を提供し、各開口部は一つの電解セルによって閉じられていて、各アノードは、内側に向けて支持プレートに向き合う。

有利には、アノード及びカソードは、コネクタのフレーム及び他のコネクタの穿孔プレートによって、電解質と共に圧迫が維持される。

電解槽は、細長のアレイを形成するセルのアセンブリを備え得て、各アレイは、行毎又は列毎の開口部の数に等しい数のアノードを備え、アレイは直列に接続される。

電解槽は、各穿孔プレートとこれに附随する外形の開口部との間に密封体を備え、この密封体は、支持プレート上へのセルの固定手段によって、及び、高圧又は超高圧下の電解バスの圧力によって、圧迫される。

両面のセルは直列に接続され、例えば、支持プレートと貫通する又はサイドエッジのうち一つと重畳するコネクタによって接続される。

有利には、電解槽は、数十ｂａｒ（３０から１２０ｂａｒ又はそれ以上）の高圧又は超高圧下に電解気体を維持することのできるエンクロージャを備え、電解によって生じる高圧下での直接的な気体生成を達成することを可能にし、有利には、電解槽の下流での生成ガスの圧縮段階の必要性を無くし又は少なくともこれを減らして、貯蔵及び輸送用にパッケージングされる。

また、これによって、異なる複数のプレート間の電解ガスの流量の減少が可能となり、電解槽のヘッドロスの減少が可能となる。高生産性の設備に対しては、これによって許容可能なサイズの生成ユニットが可能となる一方で、気体流からのヘッドロスを抑えて、回路の加圧手段の電力消費を減少させることができる。

有利には、このタイプの電解槽は、生成工場の異なるステージにおいて、高圧、更には超高圧で動作することができ、その生成工場は、圧縮設備として、電解される液体を供給するポンプのみを工場の供給ステージにおいて備え得る。これによって、工場の多様なステージの小型化が可能になり、必要な圧縮器の数を減らし又はこれを排除して、ヘッドロスの減少に起因して回路内の加圧手段の性能を低下させることができ、工場の電力消費を減少させることができる。

有利には、電解プレートは、行列に配置された矩形のウィンドウを画定するアップライトを備えた支持フレームを備え、その中に、適合する形状の電解セルが取り付けられる。

各電解セルは、プレート状の導電コアから形成された中心ボディを備え得て、その導電コアはアノードで被覆され、そのアノードは電解質で被覆され、その電解質はカソードで被覆されている。また、各電解セルは、中心ボディを取り囲み、カソードと電気的に接触し、中心ボディを形成する層に圧迫力を印加する導電ケーシングと、アノードピンと、ケーシングに備わったカソード電気接続手段とを備え得る。セルは、支持フレームから電気絶縁されたケーシングの取り付け金具によって、支持フレーム上に固定される。

有利には、ケーシングは、中心ボディの両側に延在する二つのセミフレームを備えて、その複数の層が互いに適用されるようになり、アノードをケーシングから電気絶縁する手段が、コア、アノード及びケーシング間に提供される。セミフレームは、電解セルに剛性を与える。

有利には、電解槽は、アノードで生じる気体を電解槽の外部に向けて収集する手段を備える。この収集手段は、アノード中に設けられ収集端部に接続される少なくとも一つのチャネルと支持フレームとを備え、その支持フレームは中空で、気体用のマニフォールドを形成し、その収集端部は、支持フレームに密封して接続されて、フレームは、生じる気体を電解槽に外側に運び、アノードで生じる気体の圧力は、電解バスの圧力よりも低いので、アノード、電解質及びカソードが互いに圧迫される。

そこで、電解セルのコアは、溝及びリザーバを備え得て、リザーバのうち一つは、気体を収集する収集端部に接続されて、その端部は支持フレームに固定されたコネクタ上にろう付けされて、アノードを支持フレームから電気絶縁する手段が、コネクタと支持フレームとの間に提供される。

加熱手段は、例えば、電解プレートに平行に配置された少なくとも一つの加熱プレートから形成され、その中を熱伝導流体が循環する。

熱伝導流体は、例えば、従来の化石燃料若しくはバイオマスボイラー又は原子力ボイラーによって超高温に加熱され得て、又は、太陽エネルギーを用いて電気エネルギーへの依存を減じる。

加熱プレートは電解プレートと実質的に同じサイズのものであり、熱交換体が配置される金属ジャケットを備え、熱い熱伝導流体が供給される一つの端部と冷たい熱伝導流体のマニフォールドに接続された一つの端部との間に延びる複数のチャネルを備える。

エンクロージャは、加熱プレート及び電解プレートのサイドエッジを受け入れるサイドスライドを備え得て、支持フレームをエンクロージャから電気絶縁する手段が、スライド内に提供される。これによってアセンブリが容易になる。

本発明によると、電解槽は、互いに平行な複数の電解プレートと、電解プレートの両側に配置された複数の加熱プレートを備えることが好ましい。

第一の実施形態によると、電解セルは行列に分布して、同一の列のセルは直列に電気接続されて、列は直列に接続されて、電解プレートは互いに直列に接続される。

第二の実施形態では、電解セルは行列に分布して、同一の列のセルは直列に電気接続されて、列は直列に接続されて、電解プレートは並列に接続される。

第三の実施形態では、電解セルは行列に分布して、各列は、ブレークダウン電圧に相当する直列のセルの数よりも少ない数のセルを備え、列は全て、一つのプレートから他のプレートへと並列に接続される。

エンクロージャは活性流体供給用の開口部を備え得て、その開口部は電解プレートに直交する側壁に設けられて、エンクロージャの設計を簡略化する。

エンクロージャは、エンクロージャの上壁の上に、カソードで生じる気体の収集用の開口部を少なくとも一つ備え、電解槽の安全性を改善する。

異なる複数のプレート間の電気接続部及び電源との電気接続部は、有利には、エンクロージャの外側において設けられる。更に好ましくは、電気接続部は冷却される。これによって、導電性が改善される。

本発明の更なる主題は、電解による気体生成設備であり、
‐ 本発明による電解槽を少なくとも一つと、
‐ 所定の電圧の電源とを備え、
同一のプレートのセルは直列に接続され、電解プレートは並列に接続され、電解プレート毎の電解セルの数は、その電源の所定の電圧に応じて選択される。

これによって、あらゆるタイプの電源を容易に電解槽に適用することが可能になる。

本発明の更なる主題は、電解による気体生成設備であり、
‐ 本発明による電解槽を少なくとも一つと、
‐ 所定の電圧の電源とを備え、
電解セルは行列に分布し、各列のセルは直列に接続され、列は並列に接続され、各列のセル数は、その電源の所定の電圧に応じて選択される。

この設備は、非常に高い気体生産性を有する。

本発明の更なる主題は、本発明による電解槽を用いた、電解による少なくとも一種の気体生成方法であり、電解バスの圧力は実質的に、その気体の貯蔵及び／又は分配圧力以上であり、例えば３０ｂａｒから１３０ｂａｒの間である。

有利には、水蒸気のモル流量と生成二水素のモル流量との比は２から５であり、高い二水素蒸気圧が電解槽の排出口において得られる一方で、電解プレート上に十分な水の層が保証される。

本発明は、以下の説明及び添付図面を参照してより良く理解されるものである。

本発明の電解槽の第一の実施形態による電解槽内の生成した水素の収集及び熱い熱伝導流体の供給用のチャンバの概略図である。 本発明の電解槽の第一の実施形態による電解槽内の活性流体の供給及び冷たい熱伝導流体の収集用のチャンバの概略図である。 本発明による実施形態の中間状態の電解セルの中心ボディの斜視図である。 本発明による実施形態の中間状態の電解セルの中心ボディの斜視図である。 電解セルの完全な中心ボディの斜視図である。 図２Ａ及び図２Ｂの電解セルの中心ボディの縦断面図である。 図３に示される中心ボディを取り囲むためのフレームの斜視図である。 電解セルの斜視図である。 本発明による電解槽の電解プレートにおける断面図である。 本発明による電解槽の電解プレートにおける断面図である。 本発明による電解槽用の加熱プレートの前面図であり、加熱プレートの内側が示されている。 本発明による電解槽用の加熱プレートの断面図である。 本発明による電解槽用の加熱プレートの縦断面図である。 本発明による電解槽の加熱プレートにおける断面図である。 電解プレート及び加熱プレートのサイドエッジを受け入れるためのスライドを有する電解槽の側壁の内面の前面図である。 上部チャンバ上への接続用の接続プレートの底面図である。 上部チャンバ上への接続用の接続プレートの縦断面図である。 上部チャンバ上への接続用の接続プレートの上面図である。 接続プレート無しでのアノード及び／又はカソードピンの接続例である。 下部チャンバ上に取り付けられた接続プレートの底面図である。 電解プレートの詳細を示す。 図１３に示されるプレートの支持フレームのアップライトの縦断面図である。 並列接続用の第二の実施形態による電解プレート単体の前面図である。 第二の実施形態による電解槽の図１５Ａに示されるプレートでの断面図である。 第二の実施形態による電解槽の上部チャンバ上への接続用の接続プレートの底面図である。 第二の実施形態による電解槽の上部チャンバ上への接続用の接続プレートの縦断面図である。 第二の実施形態による電解槽の上部チャンバ上への接続用の接続プレートの上面図である。 第三の実施形態による電解槽の電解プレートにおける断面図である。 第三の実施形態による電解槽の電解プレートの前面図である。 第三の実施形態による電解槽の加熱プレートにおける断面図である。 電解プレート及び加熱プレートを組み立てるためのスライドが設けられた、電解気体の流れを分配する分配プレートにおけるエンクロージャの側壁の内面図である。 本発明による電解槽の電解プレートに沿った（メートル単位）、熱伝導流体の水／水素混合物の温度値の分布を℃単位で示す。 水の分解反応の熱力学関数を示す。 現状の電解槽について温度に対する熱／電気分布を棒グラフで示す。 電解槽の特性の一例であり、電位の傾向が電流密度の関数として示されている。 第四の実施形態による電解プレートの斜視図である。 図２４に示される電解プレートの支持プレートの斜視図である。 図２４に示される電解プレートの電解セル単体の斜視図である。 図２４に示される電解プレートの電解セル単体の斜視図である。 図２４に示される電解プレートの電解セルの詳細図である。 図２６Ａに示されるセルの変形例の断面図である。 第四の実施形態によるセルの列の変形例の上からの斜視図である。 第四の実施形態による電解プレートの変形例の前面図である。

例として、電流Ｉを供給されるアノード、カソード及び電解質から構成される基本的な高温水電解セルの多様な動作手順について説明する。これらの多様な部品はセラミック物質製である。

水の分解反応は、吸熱変換であり、ギブス・ヘルムホルツ方程式によると、吸熱反応中の試薬・生成物混合物の自由エンタルピーの変化は、反応温度と共に減少し、より概略的には、水蒸気、水素混合物及び生成酸素の温度が高くなるほど、水分子の分解に必要な電気エネルギーの部分が少なくなり、一定温度にその混合物を維持するのに必要な熱エネルギーの部分が多くなることを意味する。

１ｂａｒの圧力（標準条件）下での１モルの水の分解に対する、温度の関数としての値ΔＧ°、ΔＨ°及びＴ×ΔＳ°（ΔＨ°は全エネルギー需要で、ΔＨ°＝Ｔ×ΔＳ°＋ΔＧ°）が、図２１のグラフに曲線ΔＧ°、ΔＨ°、Ｔ×ΔＳ°としてそれぞれ与えられていて、飽和温度において、Ｔ×ΔＳ°の減少は、１モルの水に対する気化熱に等しい。

本発明に関連する分野において、つまり気相において、ΔＨ°及びΔＳ°の値は事実上一定であり、１モルの水蒸気の分解において提供可能な熱エネルギー（温度とエントロピーの積Ｔ×ΔＳ°で表される）は温度に比例する。よって、温度Ｔの純粋体の変換に対する電気エネルギー需要を表す項のΔＧ°（Ｔ）は、温度と共に線形に減少する。

このような条件下で、温度Ｔ及び全圧Ｐでの気相の１モルの水の全体的な電解反応は以下のようになる：
Ｈ_２Ｏ（ｇ） → Ｈ_２（ｇ） ＋ １／２Ｏ_２（ｇ） （１）

この反応には、自由エンタルピーの変化ΔＧが伴う。

簡単のため、完全気体の混合物に対してラウールの法則を仮定すると、気相の１モルの水の分解に対する電気エネルギー需要を表す自由エンタルピーの変化ΔＧは以下のように表される：
ΔＧ（Ｔ，Ｐ）＝ΔＧ°（Ｔ，Ｐ_０）＋ＲＴ×ｌｎ（Ｐ_Ｈ２×Ｐ_Ｏ２ ^１／２／Ｐ_Ｈ２Ｏ）
ここで、ΔＧ°（Ｔ）は、温度Ｔ、Ｐ_０＝１ｂａｒ下でのギブスの自由エンタルピーの標準変化であり；
Ｐ_Ｈ２、Ｐ_Ｏ２は、ｂａｒ単位での気体の分圧であり；
Ｐ_Ｈ２Ｏは、ｂａｒ単位での水蒸気の分圧であり；
ＴはＫ単位での温度であり；
Ｒは完全気体の定数（８．３１４Ｊ・ｍｏｌ^−１・Ｋ^−１）である。

ΔＧは、温度Ｔ、全圧Ｐの下での１モルの水蒸気を分解するのに提供されるエネルギーを表す。

２Ｆ×Ｅは、ゼロ参照電位から電位Ｅまでの２Ｆ（Ｆはファラデー数： １モルの電子の電荷の絶対値、つまり９６４８５Ｃ）の電荷の切り替え時において提供される電気エネルギーである。

従って、平衡電位の絶対値（ゼロ電流における）は以下のように表される：
Ｅ_ｉ＝０＝ΔＧ／２Ｆ

従って、ネルンストの法則により：
Ｅ_ｉ＝０＝Ｅ°＋（ＲＴ／２Ｆ）×ｌｎ（Ｐ_Ｈ２×Ｐ_Ｏ２ ^１／２／Ｐ_Ｈ２Ｏ）
Ｅ°はΔＧ°／２Ｆに等しい。

閉回路において、電解端子に印加される電圧は、ネルンストの法則によって与えられる可逆電圧Ｅ_ｉ＝０よりも大きい。セルの多様な構成部分に強度Ｉの電流を印加すると、多数の不可逆現象が生じる。

主な現象は：
・ 電解プレート及び配線を形成する物質中の電流の流れに対する抵抗（Ｒ_オーム）であり、抵抗低下を生じさせ、損失因子の一つは固体電解質に関連する、
・ 電極・気体界面での素反応の活性化及び電極中の気体の拡散に関連する電極の過電圧（η）である。

従って、電解セルの端子に印加される電圧は以下の通りである：
Ｅ＝Ｅ_ｉ＝０＋Ｒ_オーム×Ｉ＋Ση、
又は、
Ｅ＝Ｅ°＋（ＲＴ／２Ｆ）×ｌｎ（Ｐ_Ｈ２×Ｐ_Ｏ２ ^１／２／Ｐ_Ｈ２Ｏ）＋Ｒ_オーム×Ｉ＋Ση

オーム抵抗及び過電圧の値は電解槽の物理的特性に依存し、動作温度と共に減少する。

上述のように、今日の設備では、７５０℃のオーダの温度閾値未満において（図２２に見て取れるように）、電解セルへの電気供給によるジュール効果により発生した熱の量は、電解反応によって消費される熱よりも大きいので、アセンブリの機能は発熱的なものである。

現状の技術開発では、特に、物質の選択、機械抵抗の制約を考慮しての電極及び電解質の厚さの減少において、電解槽が吸熱モードで動作する温度閾値を低下させる傾向にある。

電解中においては、エントロピー部分Ｔ×ΔＳに対応するエネルギー量を、熱として、プロセスに供給しなければならない。この熱の一部は、電解槽内部でジュール効果によって生じ、電解セルを流れる電流強度Ｉに応じて、以下のようになる：
Ｒ_オーム×Ｉ^２＋Ση×Ｉ ＞ Ｔ×ΔＳ×Ｉ／２Ｆ
であると、電解槽が生成する熱は多過ぎて、発熱モードであり、試薬及び生成物を一定温度に維持するのに、冷熱源に向かう熱の排出が必要になる：
Ｒ_オーム×Ｉ^２＋Ση×Ｉ ＝ Ｔ×ΔＳ×Ｉ／２Ｆ
であると、電解槽は十分な熱を生じさせ、熱平衡にあり、試薬及び生成物の温度を維持するのに、外部熱源を必要としないので、電解槽は自熱モードである（つまり、外部熱源を備えない）：
Ｒ_オーム×Ｉ^２＋Ση×Ｉ ＜ Ｔ×ΔＳ×Ｉ／２Ｆ
であると、電解槽が生成する熱は、水の分解反応を熱平衡に維持するのに十分でなく、電解槽は吸熱モードであり、外部熱源からの熱の供給が、一定温度を維持するのに必要である。よって、動作モードはアロサーマルである。

一例として、図２３は、３０ｂａｒの全圧、９００℃の温度、０．５に固定されたＨ_２／Ｈ_２Ｏの平均比率、３０μｍの電解質厚さに対する、Ｖ単位での電位Ｅ（Ｅ＝Ｅ_ｉ＝０＋Ｒ_オーム×Ｉ＋Ση）の傾向の計算結果を、電解プレート上の電流密度Ｄ_Ｃ（Ａ／ｃｍ^２単位での比Ｉ／Ｓであり、ＩはＡ単位でのプレートに供給される電流強度であり、Ｓはｃｍ^２単位でのアノード／電解質／カソードの表面積である）の関数として示す。

ΔＨ／２Ｆの値の電位Ｖ１を超えると、機能モードは発熱的である。

ΔＧ／２Ｆの値の電位Ｖ２は、電解に必要な最小電位である。

Ｖ１とＶ２の間の電位では、機能モードは吸熱的である。

図２３にその特性が示される電解プレートの例では、電流密度値は０．９９Ａ・ｃｍ^−２であり、熱平衡の特定の点に対応する。この温度を超えると、水素は、発熱モードで生成される。

この場合、電解プレートの吸熱機能は、０Ａ・ｃｍ^−２から０．９８Ａ・ｃｍ^−２の電流密度範囲内にあり、過電圧及び抵抗損Δｅｌｅｃが十分な熱を生成しないので、各モルの分解された水に対して、外部熱源からの熱量Ｑ_ａｌｌｏを提供する必要がある。

本発明による電解槽は、安定で一様な温度条件下における吸熱機能での電解を可能にする。

本発明による電解槽は、電解プレート１００及び加熱プレート１０が並列に介在して取り付けられている密封エンクロージャを備え、そのエンクロージャは、電解槽への供給用及び電解槽からの収集用の流体の通路と、加熱プレート内の熱伝導流体の循環用と電解プレートの電気接続用の通路とを備える。

エンクロージャは、数十ｂａｒのオーダの高圧に耐えられるように製造される。有利には、その圧力は、生成される気体の貯蔵及び輸送圧力に対応して、後続の圧縮段階を抑える。その圧力は、例えば２０ｂａｒから１３０ｂａｒの間、又は更に高い。

エンクロージャは、例えば、８００Ｈ鋼製又はハステロイ製であり、所定の厚さ、例えば数センチメートルのオーダを有する。エンクロージャの壁の厚さは、物質の設計及び構築基準に従った圧力レベルに応じて決定され得る。

電解ベッセルの単純な形状を考慮して、内壁を１又は数センチメートルの炭化シリコン（ＳｉＣ）でライニングして、腐食現象に対して機械シェルを保護し、機械壁の温度を若干低下させることが行われ得る。また、耐熱ガラスでのコーティング法を用いることもできて、機械シェルの内壁を保護する。また、炭化シリコンライニングは、設備の熱損失を制限することにも寄与する。

図７Ａ及び図７Ｂには、本発明による電解槽の第一実施形態が電解プレートにおける断面図として示されていて、その個々の部分の詳細は図１から図６に示されている。

本発明による電解プレートは、支持フレーム１０２上に取り付けられたマトリクス又はモザイクを形成する複数の電解セル８を備える。

以下の説明において、簡単のため、電解槽・交換器を、電解槽と称する。

図７Ａ及び図７Ｂに見て取れるように、電解槽は、生成される二水素Ｈ_２用の収集チャンバを形成する上部チャンバ２と、中間ベッセル４と、水蒸気供給チャンバを形成する下部チャンバ６とを備える。これら三つの部品は、互いに溶接されるか、又は、フランジ７を介して組み立て可能であり、その形状が矩形の平行六面体状に極めて類似する形状である密封金属エンクロージャを形成し、大抵は、数十ｂａｒの圧力下で水蒸気が充填されている。

本発明によると、電解槽は、密封エンクロージャ内で加熱プレート１０と交互に配置された電解プレート８も備える。

電力は、上部チャンバ２及び下部チャンバ６において電解プレートに供給される。

以下の説明では、電解槽の各構成要素について詳述する。

上部チャンバ２は、上向きの箱状であり、その上面９は、加熱プレートの端部の通過用の複数の整列した開口部１３が提供された第一の凹部１１を備え、開口部は、上面９に溶接された熱伝導流体用分配ダクト１４で覆われている。

上面９は、電解プレート１００の酸素収集端部の通過用の複数の開口部１５が提供された第二の凹部１２を備え、開口部は、上面９に溶接された又は密閉してネジ付けされた（取り付けられた）上部酸素収集ダクト１６によって覆われている。

有利には、上部電気接続部を冷却する冷却チャネル１８も、第二の凹部１２に溶接されるか又は密閉してネジ留めされて、供給プレートのアノード又はカソードピンの通過用の複数の開口部１９を覆う。

また、上部チャンバ２のハーフシェルは、電解槽内で形成される水蒸気／水素混合物用のメイン排出ダクト２０も備える。

中間ベッセル４は、図１０に示されるような二つの対向面上にサイドスライド２２、２４を有する開放平行六面体状の金属シェルを備え、電解プレート１００が、加熱プレート８と交互に挿入される。

下部チャンバ６の形状は、上部チャンバ２の形状に極めて類似する。下部チャンバは開放箱の形状であり、その下面２６も、冷たい流体収集用の端部の通過用の複数の開口部２９が提供された凹部２８を備え、開口部２９は、凹部２８に溶接された冷たい熱伝導流体用収集ダクト３０によって覆われていて、また、酸素収集端部の通過用の開口部３３を備えた他の凹部３２も備え、開口部は、凹部３２に溶接された下部酸素収集ダクト３４によって覆われている。

有利には、電気接続部を冷却する冷却チャネル３６も、アノード又はカソードピンを通過させる開口部３５上に提供されて、凹部３２上に溶接される。また、下部チャンバ２は、圧力下の水蒸気供給用のメインダクト３８も備える。

電解プレートと電源との電気接続は、冷却チャネル１８、３６内に配置された金属編組を介してなされ、非常に優れた導電性の金属導体が得られる。更に、電気接続は、有利には電解槽の外部でなされ、電解槽内部の高温に晒されない。

中心ボディ８．１及び外部ケーシング８．２を備えた本発明による電解セル８についてこれから説明する。

一般的に、本発明による中心ボディ８．１は層状にされる。つまり、中心ボディは多層に形成される。複数の層を、図４に示される電解セルの縦断面図に見て取ることができる。

本発明による中心ボディ８．１は、その二つの主面がアノード４２で被覆されたリジッドコア４０と、アノードを被覆する電解質４４と、電解質４４を被覆するカソード４６とを備える。

電流を流すため、コア４０は、有利には、アノードと同一の物質の金属又は高密度セラミックであり、アノードに近い膨張特性を有する。コアは、実質的に矩形で数ミリメートルの厚さのものであり、その長手方向の端部において、より厚いヘッド４８を備え、例えば、１センチメートルのオーダの厚さであり、そのヘッド４８にはアノードピン５０が接続されていて、そのアノードピン５０は、アノード４２を電源に接続するためのものである。

コア４０は有利には、アノード４２で発生する酸素を排出する手段５２を備える。この排出手段５２は、図２Ａでは例として、コアの各面に設けられた溝５４及びリザーバ５６で形成されている。リザーバ５６は、アノードの様々なポイントから酸素を収集する中間リザーバ５６．１と、溝５４を介して全ての中間リザーバ５６．１に接続され酸素マニフォールド６２に直接接続されたメインリザーバ５６．２とから構成される。

溝５４及びリザーバ５６．１、５６．２は有利には、多孔質で良導電性の物質、例えば金属発泡体５７で充填されて、酸素の通過と、金属コアの面上へのアノード形成層の堆積との両方を可能にする。

溝５４は、コア４０の面に形成され、効率的で一様な酸素収集を保証する。溝は、その長さ、及びプレート上での位置に応じて、可変の寸法とされる。

図４に見て取れるように、メインリザーバ５６．２は、金属発泡体で充填された貫通カットアウトによって形成されていて、金属コア４０の長手方向に開けられた孔６０を介して酸素収集端部のノズルチップ５８に接続されている。

アノード４２は、多孔質セラミックアノードタイプのものであり、高導電性で、例えば、ストロンチウムのドープされたランタンマンガナイト又はその等価物であり、金属コア上に０．１ミリメートルのオーダの薄層として堆積される。図２Ｂでは、金属コア４０がアノード４２で被覆されているのが見て取れる。

電解質４４は、漏れ防止型で電気絶縁性の優れたイオン伝導体であり、例えば、アノード４２上に非常に薄い層（例えば４０μｍのオーダ）で堆積させた安定化ジルコニウム製である。アノードで被覆されていない金属コア４０の部分上には、電解質がより厚い層で堆積され、連続的で平坦な表面を形成する。

カソード４６は、例えば、金属セラミック、ニッケル又は安定化ジルコニウムである。カソードは、電解質４４上に０．１ミリメートルのオーダの薄層で堆積される。

上述のように、電解セル８は、メインリザーバ５６．２に接続する金属端部５８を備える。図の例では、この端部５８は、コア４０のヘッド上に直接ろう（鑞）付けされている。

図３に、完全な電解セルの完全な中心ボディ８．１が見て取れる。

図５に、二つの金属セミフレーム６６を備えた外枠のケーシング８．２が見て取れる。セミフレームは、中心ボディ８．１及び密閉／クランプシステム６８の両側に置かれるものであり、二つのセミフレーム６６の間で中心ボディ８．１が圧迫される。得られる圧迫は、電解セルの剛性に寄与する。

また、ケーシング８．２は導電性（例えば金属）であり、カソード４６と、ケーシング８．２に備わったカソード雌型タップ７０との間の電気接続が連続的になることを保証する。カソード雌型タップ７０は、アノードピン５０に対して軸対象に設けられる。電気絶縁ガスケット７２は、金属コア４０のヘッドとケーシング８．２との間、及び、中心ボディ８．１と金属フレーム８．２との間に設けられる。カソードをカソード雌型タップ７０に接続するケーシング８．２の使用によって、接続ケーブルに頼らなくてよくなる。

クランプ手段は、例えば、セミシェル６６の側部フランジ７４に取り付けられたナット型のものであり、そのフランジは、セルを支持フレームに固定するのにも用いられる。電気絶縁体７７は、各ネジとそのネジを受け入れる孔との間に配置される。

スライド２２には電気絶縁手段７５が提供されて、カソードをベッセルから絶縁し、短絡を防止する。

高圧の水蒸気が、電解セルの中心ボディ８．１を形成する複数の層を互いに密接且つ連続的に圧迫するのに寄与して、電解セル８の優れた動作性能を保証することには留意されたい。

水蒸気／水素混合物の圧力が排出手段によって収集される酸素の圧力よりもはるかに高く、電解エンクロージャ中に含まれる水蒸気／水素混合物の圧力が高いほど、カソード４６が電解質４４に対して、電解質４４がアノード４２に対して、アノード４２が金属コア４０に対して、より強く且つ連続的に圧迫されるので、これらの異なる部分の間の電気接続がより良くなる。従って、このことが、このタイプの電解槽に対する高い時定数性能レベルの達成することを促進する。電解セルの端子に印加される電圧を考慮すると、不可逆な項は、抵抗降下の項及び活性化過電圧の項Σηから構成される。しかしながら、本発明の電解槽が動作する８００℃よりも高い温度では、水の分解反応は温度によって活性化されるので、極僅かの活性化過電圧Σηしか必要とされず、電解セルの端子における全電圧は、ゼロ電流及び抵抗降下（電流密度に対して線形に変化する）での電圧の和にまで実質的に減じられる。従って、アノード４２上の電解質４４の被覆及び金属コア上のアノード４２の被覆を介して、抵抗降下の項が減じられるので、不可逆の項が減じられ、高吸熱での動作が可能になる。また、抵抗損の減少は、直接に設けられ、電気接続部の長さを減じるために互いに短間隔で配置された複数の小型電解セルを用いることによっても達成され、また、エンクロージャの外側に強強度の送電線を維持して送電線を低温に保つことによっても達成される。

また、本発明は、酸素ダクトと水素含有ダクトとの間の密封化を簡略化し、それをより効率的にするという利点も有する。形成される水素の流量に対して十分な水蒸気流量を維持することによって、また、一様な水蒸気／水素混合物を得ることによって、密封体が、電解セルにおいて、水素含有水蒸気の一様な混合物の外部過圧に晒されて、内部過圧に晒されることがないので、密封がより簡単に達成される。従って、本電解槽の寿命が増加する。

好ましくは、電解セルは小型である。例えば、カソードは、一辺５ｃｍの正方形のものであり得る。

これから、複合電解プレート１００を形成する電解セルのモザイク又はマトリクスアセンブリについて説明する。

本発明によると、モザイク又はマトリクスが形成されるように、支持フレーム１０２上に基本セルが取り付けられ、セル８が行列として配置される。

図７Ａ及び図７Ｂには、電解セル８が直列に取り付けられる二つの隣接する電解プレート１００．１、１００．２を備えた実施形態が見て取れる。

プレート１００．１はプレート１００．２に直列に接続されている。

本実施形態では、列のセルが直列に接続されて、列自体が直列に接続されている。

図７Ａ及び図７Ｂに見て取れるように、全てのセルは実質的に同一であるが、列の始まり及び終わりのセルは他のセルと異なっていて、アノードピン５０’又はカソードピン７０’が、隣接する列のセルへの電気接続を可能にするように横方向に提供されている。

上述のように、終わりのセル以外のセルは、ケーシング８．２及びカソード雌型タップ７０の外側に対し軸方向に延伸するアノードピン５０を備える。

プレート１００．１（図７Ａ）のカソードピン７０’は、プレート１００．２（図７Ｂ）のアノードピン５０に電気的に接続されている。

また、図１１Ａから図１１Ｃに示される一つ以上の接続プレート８８（電解槽の長さに依存する）を有し、これを介して、アノードピン５０及びカソードピン７０を通過させる。

各プレート８８は、アノードピン５０及びカソードピン７０’を通すための複数の整列した孔９０を備える。また、周縁部のプレート８８は、チャンバ２又は６上に固定するためのクランプダボ（ｄｏｗｅｌ）９４を通すための孔９２を備える。

接続プレート８８及びその密封ガスケット及び電気絶縁部（図示せず）は、電解ベッセルの密封、及び、電解ベッセルに対するアノード及びカソード接続の電気絶縁を保証する。

アノード５０及びカソード７０対する電気接続及び密封の二つの機能を保証する方法は、電解支持プレートの電気接続のモードに応じて、複数考えられる。

後述の第二及び第三の接続モードに相当する二つの並列接続モードに関して、一つの接続プレートのアノードピンは同じ電位にあるので、プレート８８（この場合、鋼）の孔に直接ろう付け可能である。これら二つの場合では、電気接続プレートは、電気絶縁ガスケットによって電解ベッセルから絶縁される。

直列接続に対しては、同一のプレートの電源ケーブルに接続されていないアノードピン及び／又はカソードピンは互いに電気絶縁されるが、複数の方法を用いることが考えられる： 第一の方法は、金属スリーブ９１がネジ留めされるタップ型ネジ山及びその密封ガスケット９３を備えた高密度セラミックのプレート８８であり（図１１Ｂ）、上部チャンバ２又は下部チャンバ６上に接続プレート８８を取り付けた後に、アノードピン及び／又はカソードピンを金属スリーブにろう付けする。

第二の方法（図１１Ｄ）は、アノードピン５０又はカソードピン７０（この場合、シリンダー状）を絶縁するのに用いられる電気絶縁セラミック堆積物を備えた金属物質（例えばジルコニウム）又はセラミック物質のシート部を用いたケーブル通路に対する密封方法を用いることであり、プレート８８は鋼であり得て、又は、上部チャンバ２又は下部チャンバ６上に金属密封体を用いて溶接されるか若しくはネジ留めされる。後者の場合、あらゆる接続プレート８８を使用することができ、シリンダー状のアノードピン５０及びカソードピン７０はチャンバ２又は６上に直接取り付けられる。金属ボルト９７（図１１Ｄにクランプされる前のものが示される）は、シート部に留められて、Ｏリングを圧迫することによって密封を達成する。

図１１Ｃでは、電解プレートの直列接続のプレート８８が示されている。

第一の電解プレート８のアノードピン５０．１が電源（図示せず）に接続されて、第二の電解プレート８のカソードピン７０．１’がアノードピン５０．１に接続されるといった風になる。

ケーブルの部分をベッセルの内側に設けることができ、入口及び密封体を減らす。

ピン５０、７０はそのハウジングにろう付けされて、熱伝導流体用のフローダクト１４、３０は、継合されるかろう付けされて、酸素ダクト１６、３４のように、分配及び収集チャネルを形成する。

図１３に、本発明による電解プレートの詳細を見て取れる。

基本セルは、電解セル８と実質的に同じサイズの矩形のウィンドウ１０８を画定する縦方向アップライトと１０４及び横方向アップライト１０６を備えた支持フレーム１０２に取り付けられる。

図の例では、フレーム内にネジ留めされるシート部を介したフランジ７４（例えば、セラミック、又はセラミックコーティングされた鋼）を用いて、セル８が縦方向アップライト上に固定されて、セルのフランジを貫通するネジが、ネジ留めされる。

電気絶縁体がアップライト１０４、１０６とフランジ７４との間に挿入されて、カソード４６を支持フレームから絶縁する。

セル７８を取り付ける際には、セルのアノードピン５０がカソード雄型タップ７０内に入るように、セルを支持フレームに配置する。一方、横方向カソード７０’を備えている列の始まり及び終わりのセルは、支持フレーム１０２上に横方向に取り付けられる。

図示されるように、小型の四角形の厚板状の電解セルを有することが特に有利であり、特に列の始まりと終わりのセルに対して、支持フレーム上に容易に配置できるようになる。

本発明による電解プレートの特に有利な実施形態の一つでは、酸素収集用ダクトとして支持フレーム１０２が用いられる。このため、横方向アップライト１０６及び縦方向アップライト１０８は中空であり、酸素収集用の端部５８がアップライト１０６に接続される。

図１４には、電解セル８に対してコネクタ１１４が提供された中空のアップライト１０６の断面図が与えられている。

アップライト１０６は、長手方向のチャネル１１０と、アップライト１０６上に設けられたコネクタ１１４内に開口する側孔１１２とを備える。

このコネクタ自体は、酸素収集端部５８を通す接続孔１１６を備える。電気絶縁密封体１１９が、コネクタ１１４とアップライト１０６との間に配置されて、アノードをフレーム１０２から絶縁する。

支持フレーム上にセル８を取り付ける際には、酸素収集端部をコネクタ１１４の孔１１６に挿入した後に、ろう付けして接続を密封する。

アセンブリを簡略化するため、終わりのセルは、アノード又はカソードピンに平行な横方向酸素収集端部を備え、縦方向アップライト１０４に固定されたコネクタに接続される。

支持フレーム１０２の上部横方向バーは、上部チャンバ（図７Ａ及び図７Ｂ）を通過する支持フレーム内に収集される酸素用の排出端部１１８を一つ以上備える。

このような単純な手段が、アノードで生じる酸素を収集するために、またその電解槽の外部への排出のために提供される。

有利には、全セルのケーシングの下部セミフレームが、上部セミフレームよりも薄くされて、支持フレーム上へのセルの取り付けを容易にする。

支持フレームは例えば金属であり、固体バーで鍛造されたものであり得て、その後、横方向アップライト１０６及び縦方向アップライト１０４に孔が穿たれて、相互にやりとりするチャネルのネットワークが形成される。その後、支持フレームの四辺が溶接されて閉じられて、支持フレームを密封する。

側部プロファイルは、中間ベッセル４のサイドスライド２２に取り付けられる金属ガイド１２０を有する。

プレート１００の電解セル８の直列での取り付けは、単一のセルへの供給に相当する低強度電流（０．０５ｍ×０．０５ｍの数十個の両面セルから構成される列に対して１０Ａで、電流密度は２０００Ａ／ｍ^２）の接触器及びセル８の循環を可能にし、アノード内、カソード内及びそれらの接触器での熱として散逸する電力を顕著に抑える。

図８Ａから図８Ｃに示されるような、本発明による加熱プレート１０についてこれから説明する。加熱プレートは、例えば、８００Ｈ鋼製、又はハステロイ製の二つの金属シート７６を備え、その周縁全体にわたって溶接されている。

二つの金属シート７６の間には、熱交換体７８が配置されていて、上端１０．１と下端１０．２との間を長手方向に延伸する百又は数百のチャネルを備えている。

熱い熱伝導流体用の流入マニフォールド８０は、上端８．１に提供され、冷たい熱伝導流体用の排出マニフォールド８２は下端８．２に設けられる。

端部８４、８６が、流入マニフォールド８０及び排出マニフォールド８２上に提供される。有利には、これらの端部８４、８６は金属であり、マニフォールド８０、８２上にろう付けされる。

また、ガイド８６が、加熱プレート１０の側部上に提供されて、その側部は、中間ベッセル４のスライド２４内に入れられる。

加熱プレートを循環する熱伝導流体は、有利には、電解バスの圧力よりも僅かに低い圧力下の気体であり、例えばヘリウムである。

まず、図７Ａを参照する。

下部チャンバ６は中間ベッセル４に固定される。次に、横方向ガイド７４をスライド２２内にスライドさせることによって、電解プレート１００を中間ベッセル４に挿入する。

カソードピン７０は、下部チャンバ６にこのために設けられた開口部３５に入れられて、冷却チャネル３６に入る。

そして、図９に示されるように、加熱プレート１０が隣接するスライド２４に挿入されて、冷たい熱伝導流体用の排出端部８６が、下部チャンバ６に設けられた開口部２９を通過する。

次に、他の電解プレート１００を中間ベッセル４に配置するが、今度は、図７Ｂに示されるように、アノードピン５が開口部３５を通過するようにする。

次に、他の加熱プレート１０を、上述の加熱プレートと同様に隣接させて追加させていき、ベッセルが充填されるまで追加する。

そして、アノードピン５０及びカソードピン７０が開口部１９を通り、酸素収集端部５８が開口部１５を通り、熱い熱伝導流体を供給する端部８４が開口部１３を通るように、上部チャンバ２を中間ベッセル４上に配置する。

そして、上部チャンバ２を中間ベッセル４上に密封してボルト留めする。

流入端部８４は、上部チャンバの凹部１１の上面上にろう付けされ、熱い熱伝導流体のチャネルに接続される。ろう付けは、追加的な密封手段に頼ることを回避し、電解槽の寿命が増加する。

熱い熱伝導流体ダクト１４は、熱い熱伝導流体源に接続される。酸素収集ダクト１６は酸素貯蔵リザーバに接続される。メインダクトは、水／水素混合物を収集するリザーバに接続される。

上部チャンバ２から出て来るアノードピン５０及びカソードピン７０は、図１１に示されるように接続されて、冷却チャネル１８が省略される。この電気接続によって、電解プレート８を直列に取り付けることができる。

上部チャンバ２及び下部チャンバ６の凹部は、アノードピン及びカソードピンの長さを減じることによって、ジュール効果による損失を減じるという利点を有する。

ガスケット８９が提供された接続プレート８８、９８は、電解プレートのピン５０、７０に沿ってスライドされて、上部及び下部チャンバ上にネジ留めされる。

ピン５０、７０はハウジングにろう付けされて、熱伝導流体のフローダクト１４、３０は、継合されて又はろう付けされて、酸素ダクト１６、３４のように、分配及び収集チャネルを形成する。

熱い及び冷たい熱伝導流体用の循環チャネル、酸素排出チャネル、及び、電気接触器用の冷却チャネルは、それぞれのダクトに取り付けられる。

２０００Ａ／ｍ^２の電流密度及び一辺０．０５ｍの両面正方形セルに対して、多様な接合部を流れる電流強度はわずか１０Ａであり、金属コア４０、アノード、電解質及びカソード堆積物での損失の減少を可能にするという利点を有する。更に、その減少したサイズによって、剛性で密封されたセルの形成が簡略化される。

本発明により、また、直列に取り付けられた多数の小型基本セルを用いることにより、熱として散逸する電力を制限し、電解槽の複数のセル、特に電解セル間の多数の金属接続部を流れる電流の強度を制限することが可能になる。

カソード表面積ｓのｎ個の基本セルが直列に取り付けられている場合を考えてみると、全セルを流れる電流強度Ｉは、単一のセルに供給するのに必要な強度Ｉと等しく、以下のようになる：
Ｉ＝ｓ×ｊ
ここでｊは電流密度の値である。

ｒが一つのセル及びその接触器の抵抗の値であるとして、直列に取り付けられた全セルの等価抵抗はＲ＝ｎ×ｒであり、散逸するパワーはＱ＝ｎ×ｒ×（ｊ×ｓ）^２である。

一定の電流密度において、ｎ個のセルと同じ生産性を有するがｋ倍少ない数のセルを有する電解槽を製造することが望まれる場合には、各セルのカソード表面積をｋ倍しなければならず、この構成において熱として散逸する電力は以下のとおりである：
Ｑ１＝（ｎ／ｋ）×ｒ×（ｊ×ｋ×ｓ）^２＝ｋ×Ｑ

つまり、熱として散逸する電力はｋ倍される。

従って、１×１０^−３Ω・ｃｍの抵抗率のサーメットで２ｋＡ／ｍ^２の電流密度で１ｍ×１ｍの両面プレートに対応する、わずか０．０２１ｍｏｌ／ｓの水素生成に相当する４ｋＡの電流に対して、長さ１ｃｍで断面積１ｃｍ^２の導体に対する電位の損失は４Ｖであり、コネクタ内の熱として失われる電力は１６ｋＷである。これは、１ｍｏｌ／ｓの生成に対する９００℃での吸熱パワーの値、つまり４２ｋＷに匹敵するものである。これに対して、本発明では、上述のように、一辺５ｃｍの４００個の正方形セル及び４００個のコネクタ（長さ１ｃｍで断面積１ｃｍ^２）で電解槽のこの部分を形成することによって、全セルに対して同じ値の電圧損失となるが、失われる電力はわずか４０Ｗである。

更に、高圧化で機能することによって、貯蔵及び輸送用に電解槽から出て行く気体の圧縮に必要な設備が減少するので、工場の電力消費の減少が達成される。何故ならば、出て行く気体は、貯蔵及び輸送用の圧力に実質的に近い圧力にあるからである。また、設備の小型化が改善される。

更に、上述のように、ヘッドロスが減じられる。

熱伝導流体及び水蒸気／水素混合物は、並流方向に流れ得て、熱い熱伝導流体用の流入口が、水蒸気／水素混合物用の流入口と同じ側にある。又は、流れが対向流となり得て、熱い熱伝導流体用の流入口が、水蒸気／水素混合物用の流入口の反対側にある。

本発明による電解槽の製造に対して、電解槽の端子における電圧／強度ペアを変調することが可能であるが、これが、直列接続されたプレート数に応じて可変であることは明らかである。各セルの絶縁特性、つまり、厚さ及び製造コストが、電気アークの発現を避ける通過電流の電圧に依存する点には留意されたい。

厚さの薄い電気絶縁体を備えた小型電解槽を製造することが望まれる場合には、全てのプレート１００は並列に接続することができる。何故ならば、強度値の強い供給電流の応力を電解槽の電力リード線上のみに移すことができるからであり、これは、超大型の断面積及び冷却による低温の維持によって達成可能である。

第二の実施形態では、図１５Ａ及び図１５Ｂに示されるように、電解プレートが並列に接続される。直列の電解プレートと比較すると、最後の列の最後のセル８’が接地されていて、隣接する電解プレートの一番目の列の一番目のセルに接続されていない。

以下の例から明らかになるように、通常の３８０Ｖ三相ネットワークの設備に対して、電解槽の上流のダイオードブリッジ及び保護システムを用いることを介し、支持フレーム毎のセル数（国内用の星形結線で２２０Ｖに対して２０５個のセルのオーダ）を計算することによって、電力ネットワークの利用可能な電圧に直接電解槽を適合させることが容易である。一つのプレート上の直列セルの数及びプレートの数との多様な組み合わせが可能である。

支持プレートを並列に接続するのが最も有利であるので、プレート毎のセル数はネットワークの電圧に依存し、支持フレーム数はユニットの生産力に依存する。

並列に取り付けることの利点は、強度の強い電流に関連した応力を超高温のエンクロージャの外側に移すことであり、これによって技術的解決を大幅に容易にする。何故ならば、低温で大きな断面積の金属導体を使用することで十分だからである。

また、単一のメイン導体上に小さなグループの電解プレート１００をまとめることによって、エンクロージャ内への金属導体用の入口の数を減らすことができる。

従って、本発明による電解槽は、設備内に集積可能な電流整流器以外には、電気設備を必要としない。

高電圧が望まれる場合、超大型のプレートを用いること、又は複数の支持フレームを直列に配置することが可能であり、アノードピンが、一部に対しては上部チャンバを通過し、他の一部に対しては下部チャンバを通過する。

プレート毎に１０×１０ｃｍ^２で厚さ１．５３ｃｍのセルを用いて、５モル／秒、つまり、４３２Ｎｍ^３／時の水素を生成することのできる本発明による電解槽のサイズに関する一例を以下に与える。セルは直列に接続されている。

支持金属プレート（例えば、８００Ｈ鋼製又はハステロイ製）は、高さ２．６１ｃｍ、幅１．８１ｍで、厚さ１０ｍｍである。

加熱プレート１０は支持プレートと同じサイズ（高さ及び幅）のものであり、その厚さは７．６ｍｍである。

５ｍｍのオーダの加熱プレートと電解セルのフレームとの間の間隔は、電気絶縁物質のスペーサを用いて、一定に維持される。

各電解プレートは、縦１５列で横２０列で配置された３００個のセルを備える。２０００Ａ／ｍ^２の電流密度に対して、プレートの全セルを流れる電流強度は４０Ａであり、プレートの端子での電圧は３１６ボルトのオーダである。

並列に取り付けられた８１個の電解プレートと８２個の加熱プレート１０が存在している。

サイドスライド２２、２４は１ｃｍであり、電解ベッセルの（内部）寸法は以下の通りである：
‐ 高さ ２．６１ｍ
‐ 幅 １．８３ｍ
‐ 長さ ２．７０ｍ。

電解槽に供給される電力は１．０２３ＭＷであり、供給される熱出力は２１３ｋＷ（８５０℃において）である。

８５０℃で３０ｂａｒの下での食品等級水蒸気の流量は２５ｍｏｌ／ｓであり、加熱プレートと電解プレートとの間の流速は４．５ｃｍ／ｓのオーダであり、電解槽にわたる水蒸気／水素混合物のヘッドロスは５０ｍｂａｒのオーダである。

２９４ｍｏｌ／ｓの熱伝導流体（ここでは９００℃で３０ｂａｒの下での食品等級ヘリウム）の流量に対して、水素混合物の出口温度は８５２℃であり、交換器のチャネル内のヘリウムの流速は３．２ｍ／ｓのオーダであり、交換器にわたるヘッドロスは４００ｍｂａｒのオーダである。

図２０のグラフに見て取れるように、高さ２．６１ｍのプレートの長さ全体に対して、温度変化の最大幅は僅か３０．４℃である。実線は、水蒸気／水素混合物の温度を示し、破線は、熱伝導流体の温度を示す。

上述の例は、機能ポイントの一つのみに関するものであり、食品等級水の流量を減少させることによって、水素の分圧を上昇させることができる。

一例として、本発明を用いると、９００℃で熱伝導流体を運ぶボイラーに対して、生成される水素の流量のわずか五倍の水蒸気の流量を用いて、電解槽全体を低下した高温範囲（８５０℃〜８８０℃）内に維持する一方で、熱として生成される水素の４２ｋＪ／モルを提供することが可能である。つまり、消費される電気エネルギーの五分の一（２０４ｋＪ／モル Ｈ２、残り：４２ｋＪ／モル Ｈ２）は、蒸気発生器中の熱供給を介して、電解槽上流の水の蒸発によって提供される。

水蒸気／生成水素のモル流量に対しては、水素の高い蒸気分圧を得る一方で水蒸気で電解プレートを良好に覆うことを保証するために、２から５の範囲が特に求められる。

図１７Ａから図１９を参照して、第三の特に有利な実施形態についてこれから説明する。各支持フレームの各列は互いに並列に接続されている。図の例では、電気接続は、エンクロージャの下部壁においてのみ為されている。

本実施形態は、プレート数及び加熱プレート数が増えることが望ましくない大型生成ユニットに対して特に重要である。

直列の多数のセルを備えた超大型支持プレートに対しては、支持フレームとセルとの間に、そしてセルと加熱プレートとの間に、大きな電位差が生じるので、これらの異なる素子間の電気アークの危険性が高まる。

図１７Ａ及び図１７Ｂに示される第三の実施形態によると、プレートの各列において、直列に配置されるセル数は、ブレークダウン数（この数は、ブレークダウン電圧に対応する直列セル数に相当する）よりも少なく、列は全て、一つの支持フレームから他の支持フレームへと並列に接続される。

この第三の実施形態では、水蒸気が横方向に提供される。

中間ベッセル４は、供給バッフル及び水蒸気分配プレート１２３を備え、電解プレートの高さ全体にわたる水蒸気の規則的な分配を可能にする。また、中間ベッセル４は、生成水素と混合した水用の排出バッフル１２４も備える。

有利には、エンクロージャ上部の、水素と混合した水用の排出マニフォールド１２６が、水素の非常に豊富な蒸気混合物の収集を可能にする一方で、エンクロージャ上部での水素ヘッドの形成を防止することを可能にする。

図１８は、横方向供給の本実施形態による電解槽の加熱プレート１０の取り付けを示す。

図１９は、気体通過用のルーメン（管）１３０と、横方向バー上に溶接されたスライドとを備えた活性気体分配プレート１２３を示す。

第三の実施形態の横方向供給が、第一及び第二の実施形態による電解槽にも適用可能であることは明らかである。

図２４から図２６Ｃには、本発明による電解プレートの第四の実施形態が見て取れ、非常に低いセル間接続抵抗を提供し、製造が簡単であり、大型モジュール式であるという利点を有する。

図２４には、完全な電解プレートが見て取れる。図２５は電解プレートのフレームを形成する支持プレートを示し、図２６Ａから図２６Ｃは、フレームから絶縁される電解セルを示す。

電解プレート２００は、その両面に行列で分布するウィンドウ２０４が提供された支持プレート２０２を備える。

また、支持プレート２０２は中空であり、後述するように、アノードで生じた二酸素用のマニフォールドを形成する。

有利には、補強用アップライト及びクロスバーが、支持プレートを固定するために提供され、二酸素の循環を邪魔しないように配置される。

また、支持プレートは、二酸素マニフォールド２０６（図の例では支持プレート２０２の上部のスリーブによって形成されている）と、直列に取り付けられる他の電解プレートに対する又は並列に取り付けられる電解槽電源に対するアノード及びカソードの接続用のピン２０８とを備える。

支持プレート２０２は金属又はセラミック製であり得る。

また、電解プレートは、電解槽のエンクロージャに取り付けるためのサイドガイド２０７を備える。

支持プレート２０２が金属製であり、複数の電解プレートを直列に取り付けることが望まれる場合には、接地はサイドガイド２０７を介して為されるので、プレートはアノードコネクタのみを備える。

セラミック製のプレートは、アノードコネクタ及びカソードコネクタを備え得る。

図２６Ａから図２６Ｃには、電解セル２０８が見て取れ、一方の面がカソード２４６で被覆され、他方の面がアノード（図示せず）で被覆されているプレート状の中心電解質２４４を備える。電解質は有利には、アセンブリ用にサイドエッジにおいてより厚くなる。

本実施形態では、電解質は有利には、より厚いエッジを備え、アセンブリの横方向の密封を可能にする。後述のように、取り付けネジは電解質のみを貫通し、アセンブリを簡略化する。

電解質を取り囲む追加的な周縁密封体を提供して、アセンブリの密封を向上させることができる。または、図２６Ｄに示されるように、周縁密封体２４７のみで密封を達成することもでき、この密封体は、電解質２４４のエッジを共に捉えるリップ型のものである。本例は、サイズが減少し簡単な形状の電解質を用いるという利点を有する。

本実施形態によると、電解セルは、大きな断面積の導電体によって次のセルに電気的に接続される。

セルは、ホール２１３が設けられたプレート（以下においては、隣接するセル２０８’のアノードを覆う穿孔プレート２１２と指称する）に延在するカソード２４６上に配置された金属フレーム２１０を備える。フレームはカソード及び電解質のエッジを圧迫し、穿孔プレートは、アノード及び電解質のエッジを圧迫する。従って、追加的な周縁密封体が存在すると、密封体がフレームと穿孔プレートとの間で圧迫される。

フレーム２１０は、カソード２４６の外縁を覆い、電解反応用に電極の大部分は覆われていない。穿孔プレート２１２の穿孔によって、アノードで生じた二酸素が通過することができる。

図の例では、フレーム２１０及び穿孔プレート２１２は、両表面に実質的に直角な突起部２１４によって接続された二つのずれた平面内に在る。有利には、フレーム２１０、プレート２１２及び突起部２１４はスタンピングによって一体形成される。

図の例では、フレーム２１０及び穿孔プレート２１２は、穿孔プレート２１２’及びフレーム２１０’にそれぞれ固定するためのスレッディングを備え、フレーム２１０’及び穿孔プレート２１２”は同一のセルに属するものではなく、スレッド２１４は電解質に取り付けられる。

電解セルの組み立ては、各アノード・電解質・カソードアセンブリに対する圧迫力の印加を保証する。

スレッド２１２、２１４は、支持プレート上に各セルの全素子を取り付けるために用いられる。ネジはセル素子からは電気絶縁される。

セルは支持プレート２０２上に取り付けられて、各セルのアノードが内側に向けて支持プレート２０２と向き合い、支持プレート２０２による二酸素の収集を可能にする。密封体２１８が各セルと各ウィンドウの周縁との間に提供される。この密封体は、クランプ取り付けの後で圧迫される。また、密封体は電気絶縁体である。

ウィンドウと、該ウィンドウに対して適用される穿孔プレートの面との形状及び配置は、密封の改善及びより良い酸素循環のために最適化可能である。

有利には、ウィンドウ上の密封溝が密封体を受け入れる。また、面取りしたエッジを備えたウィンドウが提供されて、電解プレートの全厚を増大させることなく、より厚い密封体を使用することが可能になる。

加圧水蒸気に対する各アセンブリの不浸透性は、電解質のエッジを圧迫する金属コネクタと、密封体２１８とによって保証される。

図２４に見て取れるように、列間の直列電気接続は横方向になされる。

この第四実施形態による電解プレートの一例についてこれから説明する。

支持プレート上に、穿孔プレート２１２”が配置され、これに、カソード２４６、電解質２４４及びアノードから形成されたアセンブリが続く。アノードは穿孔プレートの横に在る。次に、コネクタのフレーム２１０がカソード２４６上に配置される。そして、その積層体をネジで互いに接続する。

カソード、電解質及びアノードから形成された新たなアセンブリを、新たなコネクタの穿孔プレート２１２上に配置して、既に形成されていたセルと直列に接続された隣接セルを形成する。このように、一つの列に対して取り付けを続ける。列の変更は、コネクタを横に向けることによって達成される。

図の例では、四列の五つのセルが支持プレート２０２の一つの面上に取り付けられている。同様の取り付けを他の面にも行う。一つの電解プレート上に、複数のセル、更には数百のセルを取り付け可能であることは明らかである。

アレイ状のセル、例えば五つのセルのプレアセンブリが考えられる。このため、プレアセンブリ用のスレッド及びネジと、支持プレートを取り付けるためのスレッド及びネジが提供される。

有利には、アノードピン及びカソードピン２０８は穿孔フレームによって形成される（図２４）。

列を並列に取り付けることができることは明らかである。

図２４に示されるように、例えば、支持プレートに重畳し二つの列のセルを接続するコネクタを用いて、電解槽プレートの二つの面が直列に接続され得る。支持プレートを介する端子ブロックへの接続が行われ得る。

並列に取り付けることが望まれる場合には、各面を、電解槽の総電源に直接接続する。

図の例では、列は縦に配置されているが、横に配置することも可能である。

図２８は、支持プレート上のセルの取り付けの有利な変形例を示す。セルは、ネジではなく、支持プレートに対してセルのサイドエッジを共に締め付けるクランプ部３１６を用いて、支持プレート上に固定される。

クランプ部３１６は電気絶縁されている。

図の例では、図２７に示されるように、コネクタのフレーム３１０を次のコネクタの穿孔プレート３１２’と接続することによって、アレイ状のプレアセンブリが提供される。カソード・電解質・アノードアセンブリは、フレーム３１０と穿孔プレート３１２’との間で締め付けられたままである。互いの接続は、フレーム及び穿孔プレートの長手方向端部に設けられた孔３１４を通る電気絶縁ネジによって保証される。

図２８は、支持プレート上にネジによって固定されたクランプ部３１６を示す。列間の直列接続は、支持プレートに固定されたコネクタ３１８によって得られる。取り付けの際には、二つの隣接するアレイの端部がコネクタ３１８内に挿入される。本実施形態では、全てのコネクタが同一であり得る。

取り付け用にクランプ部を用いることによって、セルの列を縦方向及び横方向に沿って自由に拡張することができる。事実上、固定されたポイントは存在せず、セルは、クランプ部に対して及び支持プレートに対して相対的に縦に横にスライド可能である一方、平面内に保持されて、設備の開始及び終了の一時的なフェイズにおける温度変化によって生じるセルの変形に順応することができる。

更に、クランプ部を用いることによって、一つの列の全てのセルを同時に取り付けることができる。

図の例では、二つの列のセルの間に配置されたクランプ部が、二つの列のサイドエッジに締め付け力を印加する。

また、図の例では、支持プレートの高さ全体にわたってクランプ部が延在しているが、端から端に配置された複数のクランプ部も可能であることは明らかである。

本実施形態では、各セルの横方向の密封は、アノード・電解質・カソードアセンブリの周りの周縁密封体を用いて達成され得る。密封体は、フレーム及び穿孔プレートによって圧迫される。

本実施形態に対して、準ゼロ接続抵抗の連続的な接続部を形成することによって、接触抵抗を排除することが可能である。何故ならば、二つの隣接するセル間の接続は、断面積の大きな金属プレート又は金属セラミックプレートを介して達成されるからであり、１ミリメートル又は数ミリメートルの厚さと、電極の幅に少なくとも等しい幅を事実上有し得る。

更に、他の実施形態の酸素収集部分が全て排除されるので、生成酸素の収集を顕著に簡略化することができる。

また、唯一つの平坦な密封体が、ネジ又はクランプ部によって締め付けられたセルに対する密封を、支持プレート上の水蒸気の圧力と共に保証するので、密封の複雑性が減じられる。

また、接触抵抗無く、支持プレートの両側のセルの直列接続を可能にする。

更に、一つの支持プレート上のセル数を増やすことができるので、各セルの表面積を減少させることができる一方、一つの支持プレートに対する総カソード表面積が一定に維持されて、電気抵抗に関連する電位降下及びセルに提供される電流が減じられる。

本実施形態によって、非常に大きな総セル表面積が許容される。所定の水素生成レベルに対して、２０００Ａ／ｍ^２未満という非常に低い値の電流密度が許容されて、電解槽の吸熱が増大する。

最後に、本実施形態は、電解セルの製造を簡略化し、支持プレート上に配置される用意の整った数十個、更には数百個のセルのアレイの大量生産が想定される。その結果、電解槽の多様な部品のモジュール式製造に向けた大量生産が対象となる。従って、一つの製造ユニットで製造された数十個のセルのアレイを提供することが可能であり、次に、アレイは支持プレート上に取り付けるために取り付けユニットに送られ、次に、電解槽アセンブリユニットに送られる。

図の例では、ウィンドウのサイズはセルのサイズに近いものであるが、これは必須ではない。より小型のウィンドウを提供可能であり、プレート２１２内のチャネルが、アノードで生じた酸素をウィンドウに向けて排出することができる。この構造は、セルと支持プレートとの間の密封を促進する。

本発明による電解槽について、水の電解及び酸素の収集を例として用いて説明してきた。しかしながら、本発明のよる電解槽の設計が、他の気体の電気分解及び他の気体の収集に適用可能であることは明らかである。

２ 上部チャンバ
４ 中間ベッセル
６ 下部チャンバ
８ 電解セル
１０ 加熱プレート
２０ 排出ダクト
３８ メインダクト
４２ アノード
４４ 電解質
４６ カソード
５０ アノードピン
７０ カソードピン
１００ 電解プレート
１０２ 支持フレーム

Claims (30)

1. 数十ｂａｒの高圧又は超高圧に電解バスを維持することのできるエンクロージャを備えた、アロサーマルモードで動作可能な高温電解用の電解槽であって、前記エンクロージャ内に、少なくとも一つの電解プレート（１００）と、高温電解に晒される活性流体を加熱する加熱手段（１０）とが配置され、前記加熱手段が熱伝導流体を利用し、前記電解プレート（１００）が同一平面上に実質的に隣り合わせで存在する複数の電解セル（８、２０８）を備え、各電解セルが、他のセルのアノード及びカソードから分離されるアノード及びカソードを備え、前記電解プレートの電解セルの少なくとも一部が直列に電気接続されている、電解槽。
2. 前記電解バスが気体状である、請求項１に記載の電解槽。
3. 前記熱伝導流体が高圧下の気体、例えばヘリウムである、請求項１又は２に記載の電解槽。
4. 前記熱伝導流体が溶融金属、例えば亜鉛である、請求項１又は２に記載の電解槽。
5. 前記熱伝導流体が溶融塩から形成される、請求項１又は２に記載の電解槽。
6. 前記電解プレートが、両面に行と列に分布する開口部が設けられた支持プレート（２０２）を備え、前記支持プレート（２００）が前記アノードで生じる気体を収集するために中空であり、該プレートが前記気体用のマニフォールドを備え、前記電解セル（２０８）の少なくとも一部が、該プレート間の電気接続抵抗の減少を提供するように、セルのカソード上に提供されたフレームと隣接するセルのアノード上に提供された穿孔プレートとを備えたコネクタによって、二つずつ電気的に接続されていて、各開口部が一つの電解セルによって閉じられていて、各アノードが内側に向けて前記支持プレート（２０２）と向かい合う、請求項１から５のいずれか一項に記載の電解槽。
7. 前記アノード及び前記カソードが、一つのコネクタの前記フレームと、他のコネクタの前記穿孔プレートとによって、電解質と共に圧迫されている、請求項６に記載の電解槽。
8. 細長のアレイを形成するセルのアセンブリを備え、各アレイが行毎又は列毎の開口部の数に等しい数のアノードを備え、前記アレイが直列に接続されている、請求項７に記載の電解槽。
9. 各穿孔プレートと対応する外形の開口部との間の密封体を備え、前記密封体が、前記支持プレート上に前記セルを固定する手段と、高圧又は超高圧の前記電解バスの圧力とによって圧迫される、請求項６から８のいずれか一項に記載の電解槽。
10. 前記両面のセルが、前記支持プレートを貫通する又はサイドエッジの一つに重畳するコネクタによって、直列に接続されている、請求項６から９のいずれか一項に記載の電解槽。
11. 前記電解プレートが、行と列に配置された矩形のウィンドウを画定するアップライト（１０６、１０８）を備えた支持フレーム（１０２）を備え、該ウィンドウ内に対応する形状の前記電解セル（８）が配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電解槽。
12. 各電解セルがプレート状の導電コア（４０）によって形成された中心ボディ（８．１）を備え、該導電コアの両面がアノード（４２）で被覆されていて、該アノードが電解質（４４）で被覆されていて、該電解質（４４）がカソード（４６）で被覆されていて、更に、前記中心ボディ（８．１）を取り囲み前記カソード（４６）と電気的に接触し前記中心ボディ（８．１）を形成する複数の層に圧迫力を加える導電ケーシング（８．２）と、アノードピン（５０、５０’）と、前記ケーシング（８．２）に備わったカソード電気接続手段（７０、７０’）とを備え、前記セル（８）が前記ケーシング（８．２）によって前記支持フレーム（１０２）上に固定されている、請求項１１に記載の電解槽。
13. 前記ケーシング（８．２）が、前記複数の層が互いに適用されるように前記中心ボディ（８．１）の両側に延在する二つのセミフレーム（６６）を備え、前記アノード（４２）を前記ケーシング（８．２）から電気絶縁する手段（７２）が、前記コア（４０）、前記アノード（４２）及び前記ケーシング（８．２）の間に提供されている、請求項１２に記載の電解槽。
14. 前記アノードで生じる気体を前記電解槽の外側に向けて収集する収集手段を備える、請求項１２又は１３に記載の電解槽。
15. 前記収集手段が、前記アノードに設けられ収集端部に接続された少なくとも一つのチャネルと、前記支持フレーム（１０２）とを備え、該支持フレーム（１０２）が中空で、前記気体のマニフォールドを形成し、前記収集端部が前記支持フレーム（１０２）に密封して接続されていて、前記フレームが前記電解槽の外に生成する気体を運び、前記アノードで生じる気体の圧力が前記電解バスのカソードでの圧力よりも低いことによって、前記アノード、前記電解質及び前記カソードが互いに圧迫される、請求項１４に記載の電解槽。
16. 溝（５４）及びリザーバ（５６．１、５６．２）が前記電解セル（８）のコア（４０）に設けられていて、該リザーバの一つ（５６．２）が前記気体の収集端部（５８）に接続されていて、前記端部（５８）が、前記支持フレーム（１０２）に固定されたコネクタ（１１４）上にろう付けされていて、前記アノードを前記支持フレームから電気絶縁する手段が、前記コネクタ（１１４）と前記支持フレーム（１０２）との間に提供されている、請求項１５に記載の電解槽。
17. 前記加熱手段（１０）が、前記電解プレート（１００）に平行に配置された少なくとも一つの加熱プレートから形成されていて、該加熱プレート中を前記熱伝導流体が循環する、請求項１から１６のいずれか一項に記載の電解槽。
18. 前記加熱プレート（１０）が、前記電解プレート（１００）と実質的に同じサイズのものであり、熱交換体（７８）が配置される金属ケーシングを備え、該熱交換体が、熱い熱伝導流体が供給される一つの端部（１０．１）と冷たい熱伝導流体のマニフォールドに接続された一つの端部（１０．２）との間に伸びる複数のチャネルを備える、請求項１７に記載の電解槽。
19. 前記エンクロージャが、前記加熱プレート（１０）及び前記電解プレート（１００）のサイドエッジを受け入れるサイドスライド（２４、２２）を備え、前記支持フレーム（１０２）を前記エンクロージャから電気絶縁する手段（７５）が前記スライド（２２）内に提供されている、請求項１７又は１８に記載の電解槽。
20. 互いに平行な複数の電解プレート（１００）と、該電解プレート（１００）の両側に配置された複数の加熱プレート（１０）とを備えた請求項１７から１９のいずれか一項に記載の電解槽。
21. 前記電解セル（８）が行と列に分布し、同一の列の前記セル（８）が直列に電気接続され、前記列が直列に接続され、前記電解プレートが互いに直列に接続されている、請求項２０に記載の電解槽。
22. 前記電解セル（８）が行と列に分布し、同一の列の前記セル（８）が直列に電気接続され、前記列が直列に接続され、前記電解プレートが並列に接続されている、請求項２１に記載の電解槽。
23. 異なるプレート間の電気接続部及び電源との電気接続部が前記エンクロージャの外側に提供されている、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の電解槽。
24. 前記電気接続部が冷却される、請求項２３に記載の電解槽。
25. 前記エンクロージャが、前記電解プレート（１００）に直交する側壁に設けられた、活性流体用の流入開口部を備える、請求項１から２４のいずれか一項に記載の電解槽。
26. 前記エンクロージャが、該エンクロージャの上壁の上に、前記カソードで生じる気体を収集するための開口部を少なくとも一つ備える、請求項１から２５のいずれか一項に記載の電解槽。
27. 請求項１７に記載の電解槽を少なくとも一つと、
    所定の電圧の電源とを備えた、電解による気体生成設備であって、
    同一のプレートの前記セルが直列に接続され、前記電解プレートが並列に接続され、電解プレート毎の電解セルの数が、前記電源の所定の電圧に応じて選択されている、設備。
28. 請求項１７に記載の電解槽を少なくとも一つと、
    所定の電圧の電源とを備えた、電解による気体生成設備であって、
    各プレートの前記電解セル（８）が行と列に分布し、各列の前記セルが直列に接続され、前記列が並列に接続され、各列のセルの数が、前記電源の所定の電圧に応じて選択されている、設備。
29. 請求項１から２６のいずれか一項に記載の電解槽を用いた、電解により水から二水素及び酸素を生成する方法であって、前記電解バスの圧力が実質的に、二水素又は二酸素の貯蔵及び／又は分配圧力以上であり、例えば３０ｂａｒから１３０ｂａｒの間である、方法。
30. 水蒸気のモル流量と生成される二水素のモル流量との比が２から５である、請求項２９に記載の二水素及び二酸素を生成する方法。

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