JP2018528329A - 反応器スタック（ｈｔｅ）又は燃料電池（ｓｏｆｃ）のステージとして組み込まれた交換器を用いる高温での水の（共）電気分解（ｓｏｅｃ）又は発電のための方法 - Google Patents

反応器スタック（ｈｔｅ）又は燃料電池（ｓｏｆｃ）のステージとして組み込まれた交換器を用いる高温での水の（共）電気分解（ｓｏｅｃ）又は発電のための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、HTE反応器又はSOFC燃料電池のスタックの熱管理/調整のための熱移動ガス回路の製造であって、該スタックのあるエリアにおけるあるセルを、それらを、熱移動ガスがその中を通過するのを可能とする電気的接触要素と置き換えるために取り除くことによる、前記製造に関する。
【選択図】図４

Description

(技術分野)
本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の分野、及び同じく固体酸化物を用いる水の高温電気分解(HTE又はHTSE、高温蒸気電気分解(High Temperature Steam Electrolysis)の頭字語)の分野(SOEC、固体酸化物形電気分解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell)の頭字語)に関する。
より特定すると、本発明は、SOECタイプの水反応器の高温電気分解(HTE)を動作させて、蒸気H2Oから水素H2を生成させるか、又は二酸化炭素CO2及び水H2Oの共電気分解のための反応器を動作させて、合成ガス(COとH2との混合物)を生成させるか、又は個別電気化学的セルのスタックを含むSOFCタイプの燃料電池を動作させるための新規の方法に関する。
本発明は、主として水の高温電気分解の応用に関連して記載されるが、二酸化炭素CO2及び水H2Oの共電気分解、又は燃料としてH2又はメタンCH4及び酸化剤として空気又は酸素O2が供給されるSOFC燃料電池にも同様にうまく適用される。
(従来技術)
水の電気分解は、以下の反応:
H2O→H2 + 1/2 O2
により電流を用いて、水を気体の酸素分子(dioxygen)及び水素分子(dihydrogen)へと分解する電解反応である。
水の電気分解を高温で、典型的には600〜950℃で行うことが有利であり、これは、反応に必要とされるエネルギーの一部を、電気よりも安価な熱によって供給することができ、かつ反応の活性化が、高温ではより効率的であり、触媒を必要としないためである。高温電気分解を実施するための、SOEC(「固体酸化物電解装置セル(solid oxide electrolyzer cell)」の頭字語)タイプの電解装置の使用は公知であり、該電解装置は、個別セルであって、該個別セルの各々が、互いに重ね合わされたアノード/電解質/カソードの3層からなる固体酸化物形電気分解セルを備える、前記個別セルと、バイポーラー板又はインターコネクターとも称される金属合金製の相互接続板とのスタックからなる。インターコネクターの機能は、電流の通過、及び各々のセルの近傍でのガス(HTE電解装置においては注入された蒸気、抜き出された水素及び酸素;SOFCセルにおいては、注入された空気及び水素、及び抜き出された水)の流通の双方を提供すること、並びに、セルのアノード側及びカソード側の各々でのガスの流通のためのコンパートメントであるアノード及びカソードコンパートメントを分離することである。蒸気の高温電気分解HTEを行うために、蒸気H2Oが、カソードコンパートメント内に注入される。セルに印加された電流の作用下で、蒸気の形態の水分子の解離が、水素電極(カソード)と電解質との界面で起こり:この解離により、水素分子(dihydrogen)ガスH2及び酸素イオンが生じる。水素分子は集められ、蒸気/水素コンパートメントの出口で放出される。酸素O2-イオンは、電解質を通って移動し、電解質と酸素電極(アノード)との界面で再結合して酸素分子となる。
図1に模式的に示すように、各々の個別電気分解セル1は、固体電解質3の両側に配置されたカソード2及びアノード4から形成される。2つの電極(カソード及びアノード)2、4は、多孔質材料製の電子伝導体であり、電解質3は、気密性であり、電子絶縁体であり、かつイオン伝導体である。電解質は、特に、陰イオン伝導体、より厳密には、O2-イオンの陰イオン伝導体であってもよく、その場合、該電解装置は、陰イオン電解装置と呼ばれる。
電気化学反応は、各々の電子伝導体とイオン伝導体との界面で起こる。
カソード2では、半反応は以下の通りである:
2 H2O + 4 e- → 2 H2 + 2 O2-。
アノード4では、半反応は以下の通りである:
2 O2- → O2+ 4 e-。
2つの電極2、4間に挿入された電解質3は、アノード4とカソード2との間に印加された電位差によって生じた電場の効果の下でのO2-イオンの移動の場である。
図1において括弧内に示されるように、カソード入口の蒸気は、水素H2を伴うことがあり、生成し出口で回収される水素は、蒸気を伴うことがある。同様に、点線内に示されるように、生成する酸素を取り除くために、排出用ガス、例えば、空気が更に入口で注入されることもある。排出用ガスの注入は、熱調節体として作用するという追加の役割を有する。
個別電気分解反応器は、上述のように、カソード2、電解質3、及びアノード4を有する個別セルと、電気的、液圧的、及び熱的分配機能を提供する2つの単極コネクターとからなる。
生成する水素及び酸素の流速を増加させるために、いくつかの個別電気分解セルを互いの上に積み重ね、これらを、通常、バイポーラー相互接続板又はインターコネクターとして知られている相互接続装置を用いて分離することは公知である。該アセンブリーは、電解装置(電気分解反応器)の電気的供給及びガス供給を担う2つの端部相互接続板の間に配置される。
電気分解反応器又は高温水電解装置(HTE)は、従って、少なくとも1つ、一般的には、互いの上に積み重ねられた複数の電気分解セルであって、個別セルの各々が、電解質、カソード、及びアノードから形成され、該電解質が、該アノードと該カソードとの間に挿入されている、前記電気分解セルを備える。
電子伝導体である流体及び電気相互接続装置は、1以上の電極と電気的に接触しており、一般的に、電流を導入し収集するという機能を提供し、かつガスの流通のための1以上のコンパートメントを区切る。より厳密には、インターコネクターは、その一方の面を介する1つのセルのカソードとの電気接触、及びその他方の面を介する隣接するセルのアノードとの電気的接触を提供する。
従って、「カソード」コンパートメントは、電流及び蒸気を分配する役割を有し、かつ接触するカソードで水素を回収する役割も有する。
「アノード」コンパートメントは、電流を分配する役割を有し、かつ、任意に、排出用ガスの助けを借りて、接触するアノードで生成する酸素を回収する役割も有する。
図2は、最新式の高温蒸気電解装置の電気化学的ステージを構成する個別モジュールの分解図を表す。該HTE電解装置は、インターコネクター5と交互に積み重ねられた、固体酸化物(SOEC)タイプの複数の個別電気分解セルC1、C2、...を備える。各々のセルC1、C2、....は、カソード2.1、2.2、...及びアノード4.1、4.2、...からなり、それらの間には、電解質3.1、3.2、...が配置されている。電気分解セルのアセンブリーには、直列に電流が供給され、並列にガスが供給される。
インターコネクター5は、金属合金製の部材であり、インターコネクター5と隣接するカソード2.1との間、及びインターコネクター5と隣接するアノード4.2との間の容積によってそれぞれが画定されるカソードコンパートメント50とアノードコンパートメント51との間の分離を提供する。インターコネクター5はまた、セルへのガスの分配も提供する。各々の個別ユニットへの蒸気の注入は、カソードコンパートメント50内で行われる。カソード2.1、2.2、...で生成した水素及び残留する蒸気の収集は、セルC1、C2、....の下流のカソードコンパートメント50内で、該セルC1、C2、....による蒸気の解離の後に行われる。アノード4.2で生成する酸素の収集は、セルC1、C2、....の下流のアノードコンパートメント51内で、蒸気の解離の後に行われる。
インターコネクター5は、隣接する電極との直接的な接触によってセルC1及びC2間、即ち、アノード4.2及びカソード2.1間の電流の通路を提供する。
図3は、最新式のSOFC燃料電池の電気化学的ステージを構成する個別モジュールの分解図を示す:図2のものと同じ個別ユニットが、個別セルC1、C2のセルとインターコネクター5とを備えるSOFC燃料電池に採用されている。従って、HTE電解装置のカソード2.1、2.2、....は、該SOFCセルにおいてはアノードとして使用され、HTE電解装置のアノード4.1、4.2、....は、それらに関しては、SOFCセルにおいてはカソードとして使用される。従って、SOFCセルとして動作させる場合、各々の個別ユニットへの酸素を含有する空気の注入は、SOFCカソードコンパートメント51において行われる。SOFCアノードで生成する水の収集は、セルC1、C2の下流のSOFCアノードコンパートメント50内で、アノード2.2においてセルC1、C2の上流の各々のアノードコンパートメント内に注入された水素H2との、該セルC1、C2による水の再結合の後に行われる。水素の蒸気への酸化の間に発生する電流は、インターコネクター5によって集められる。
従って、固体酸化物燃料電池SOFCにおいて、用いられるセルC1、C2、....、及びインターコネクター5は同じ部材であるが、動作は、ちょうど説明したもののように、HTE電解装置のものの逆であり、反対の電流方向が用いられ、SOFCカソードコンパートメントに供給される空気、及びSOFCアノードコンパートメントに供給される燃料としての水素が用いられる。
HTE電解装置又はSOFC燃料電池の満足な動作には、とりわけ、以下の必須の機能:
A/スタックにおける2つの隣接するインターコネクター間の良好な電気絶縁(さもなくば、該2つのインターコネクター間に挿入された個別電気化学的セルが、短絡することとなる)、
B/2つの別個のコンパートメント、すなわちアノード及びカソードコンパートメント間の良好な耐漏性(さもなくば、生成したガスが再結合してしまい、出力低下、及び、特に、電解装置に損傷を与えるホットスポットの出現もたらすこととなる)、
C/入口で、及び生成したガスの回収時の双方でのガスの良好な分配(さもなくば、出力の低下、異なる個別セル内での圧力の不均一性、及び温度の不均一性、又はさらには許容し得ないセルの劣化が生じることとなる)
が必要とされる。
さらに、電気分解反応器又はSOFCセルについて保持される動作温度(operating point)も、スタックにおける熱的条件を設定する。実際に、高温で行われる電気分解については、入口分子(H2O又はCO2)の解離に必要とされるエネルギーΔHは、電気的及び/又は熱的形態で提供され得る。その場合、提供される熱エネルギーQは、以下の関係:
Figure 2018528329
 (式中、Uは電圧であり、Iは電流であり、Fはファラデー定数である)によって、各々の電気分解セルの末端での電圧Uの関数として定義される。
従って、電気分解又は共電気分解には、セルのスタックに関する3つの異なる熱的モードに対応する3つの動作形態が定義される:
−印加電圧UimpがΔH/2Fと等しい「自己熱」モード。解離反応によって消費される熱が、電解装置の種々の電気抵抗によって完全に補われる(不可逆性)。電解装置は、特定の熱管理を何ら必要としないと同時に、温度安定的であり続ける。
−印加電圧UimpがΔH/2F未満である「吸熱」モード。電解装置は、そこでの電気損失よりも多くの熱を消費する。従って、この必要とされる熱は、別の手段によってそれに供給されなければならない。さもなければ、その温度は、回復不可能なほど低下してしまうこととなる。
−印加電圧UimpがΔH/2Fを超える「発熱」モード。この場合、電気分解は、ジュール効果による電気損失よりも少ない熱を消費する。この場合、電解装置内のこの熱の放出は、別の手段によって放出されなければならない。さもなければ、その温度は、許容できないほど上昇してしまう。
メタンCH4が供給されるセルの動作は、それに関しては、いくらかの予防措置を要する。実際に、CH4が供給されるSOFCアノードの、サーメット、一般的に、ニッケル-ジルコニアサーメットによって触媒される、式CH4+H2O→3H2+COによる内部改質反応が、非常に吸熱的であるのに対し、該セル内の水素の酸化反応は、非常に発熱的である。特定の予防措置をとらないと、このことにより、ガスの入口と出口との間で、スタック内の大きな熱グラジエントを管理することが必要となり、これらの大きな熱グラジエントは、高い機械的ストレスを誘起するために、場合によっては許容し得ないものとなる。
従って、このタイプの電解装置スタック又はSOFC燃料電池の動作に必要とされる電気化学的反応は、各々がそれ自身の有利な点及び不利な点を有するさまざまな電気的及び熱的条件下で行い得る。
特に、電気分解のための吸熱モードにおいては、より少ない電気が消費されるが、より少ない水素が生成し、かつ熱をスタックに供給しなければならない。動作のこの点の利点は、安価な熱源を利用できることにある。従って、全ては、この熱源の性質及び温度、並びにこの熱を最大限に利用することを可能とするインターコネクターの設計次第である。
対照的に、電気分解及びセルの発熱モードは、水素又は電気のいずれかの実質的な生成に繋がるが、スタックを冷却しなければならず、この冷却は、達成するのが難しいこともある。インターコネクターの適当な設計のみが、冷却を可能とし得る。従って、本発熱モードの有利な点は、電気のコスト及び余剰熱の使用に強く依存する。
重要な制約は、燃料電池(SOFC)又は電解装置(HTE)のこれら熱的動作形態を出来る限り管理することである。実際に、問題とするモードによらず、スタック内の熱グラジエントが非常に大きいことがあり、この熱グラジエントは、高い、又はさらには非常に高い機械的ストレスを発生させ、この機械的ストレスは、セル及び/又はシールを破壊するまでに及び得る。さらに、スタックが適切に冷却されなかった場合には、特に、シールにとっては高すぎる温度に達してしまうことがある。
ここで、SOFCセル又は電解装置の内部の要素、特に、個別セルは、少なくとも部分的にセラミックから製造されている;従って、これらの要素は、温度グラジエントに対し非常に感受性が高く、熱的ショック、又は大きすぎる熱グラジエント(ガスの入口と出口との間で数十度)に耐える能力は無い。
更に、セル又は電解装置の長寿命、及びそれらの正確な動作を確実なものとするために、反応器内に、可能な限り均一な温度の分布を提供することが好ましい。目標は、典型的には、スタックの全体にわたって10〜20℃を超えて変化しない温度とすることである。
HTE電解装置スタック又はSOFCセルの熱管理/調整のための種々の方針が、すでに実施されている。
HTE電解装置又はSOFCセルの高い動作温度が、プロトン交換膜(又はポリマー電解質膜)(PEM)を電解質として含む電解装置及び燃料電池の場合にあてはまるような液体手段によるいかなる冷却をも不可能とすることを前もって明示することは重要である。
SOFCセルを冷却するための普及した解決手段は、選択的に:
−内部改質、即ち、アノードの触媒活性のおかげで可能な、式CH4+H2O→3H2+COによるメタンと水との混合物の変換をセル内で直接行うこと、
−燃料の使用のレベルを低下させること、
−空気流速を増加させること
にある。
言及された後者2つの解決手段は、熱をガスを介して放出すること目的としているが、これは、セルの出力に対して直接の悪影響を有する。
特許出願第WO2009/040335号から、ガスを相互接続板自体の内部で流通させ、相互接続板がさらに交換器の役割を果たすことも知られており、この解決手段は、SOFCセルにおける動作のため及び電解装置のための双方で実施することができるという有利な点を有している。
スタックのいくつかの設計は、熱を放出することを目的として、ガスを流通させるために、相互接続板の間の管の追加に備えている;ここでは、特許出願第WO2005/122302号について言及し得る。
特許出願第US2006/0105213号に記載されているような別の設計は、外部環境との追加の熱交換を提供するために、スタックの外側に向けて突出するフィンを備えるインターコネクターを有している。
最後に、相互接続金属シートの厚みが薄いと、輻射により冷却する可能性が制限される。従って、例えば特許出願第WO2013/060869号において記載されるように、ある金属シートの厚みの増加に繋がる。
このことは、特許第US4574112号に記載されているように、輻射による主たる熱交換を増加させること、及び/又はこのタイプの厚い板の内部で別の流体を流通させることができるようにすることを可能とするが、ちょうど、板の間の管又は取り付けられる熱交換フィンのように、スタックのコストに対して重大な悪影響を有している。
さらに、HTE電解装置内部においてか又はSOFCセルにおける個別ユニットのスタックはまた、あるユニットと別の隣接するユニットとで異なる制限条件を示す。特に、スタックの端部に近い個別ユニットは、外部環境と熱を適切に交換し得る。このことは、それらの温度をある程度まで管理することを可能とする。
一方で、スタックの中央の個別ユニットは、外部環境と熱を交換する可能性が無い。スタックの中央のこれらのユニットについては、従って、これらのゾーンに供給されるガスのみが、熱を管理することを可能とし得る。
従って、高温で動作する電気分解又は共電気分解反応器及びSOFC燃料電池を、スタックの生産コストを減少させつつ、それらの耐用年数を向上させることを目的として、特に、それらのスタック内部での熱グラジエントを制限するために、特に、追加の材料や部品、例えば、厚い相互接続板及び/又は管及び/又は取り付けられたフィンの追加を何らすることなく、改良する必要がある。
本発明の目的の1つは、少なくとも部分的にこの要求を満たすことである。
(発明の概要)
この目的のために、本発明は、第1の選択肢において、異なるステージの2つのグループの交互スタックを備える高温電気分解反応器であって:
−電気化学的ステージと呼ばれる複数のステージのグループであって、該電気化学的ステージの各々が、カソード、アノード、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質から形成される、SOEC固体酸化物タイプの個別電気分解セルと、各々が電気及び流体相互接続をもたらすのに適しており、該個別セルの両側に配置された2つのインターコネクターとからなる、前記複数のステージのグループと、
−ガスが通過するのを可能とする少なくとも1つの電気的接触要素と、各々が電気及び流体相互接続をもたらすのに適しており、該接触要素の両側に配置された2つのインターコネクターとからなる熱調整ステージと呼ばれる少なくとも1つのステージのグループと
を備え、
該電気化学的ステージ及び該熱的ステージのインターコネクターが:
・該スタックを通じて、蒸気、又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物、排出用ガス、例えば、空気、及び熱交換ガスを流通させること、
・該セルの該カソードで生成する水素H2又は生成する合成ガス(一酸化炭素COと水素H2との混合物)を回収すること、該セルの該アノードで生成する酸素O2を回収すること、及び、適切な場合には、該要素の出口で該排出用ガス及び該熱交換ガスを回収すること
の双方に適しており、
該インターコネクターのうちの該電気化学的ステージ用に意図されたものは、蒸気、又は該蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物を該セルの該カソードへ分配すること、及び該排出用ガスを該セルの該アノードに分配することの双方にも適しており、
一方で、該インターコネクターのうちの該熱調整ステージ用に意図されたものは、ガスが通過するのを可能とする該電気的接触要素に該熱交換ガスのみを分配することに適している、前記高温電気分解反応器に関する。
本発明はまた、第2の選択肢において、異なるステージの2つのグループの交互スタックを備える高温燃料電池(SOFC)であって:
−電気化学的ステージと呼ばれる複数のステージのグループであって、該電気化学的ステージの各々が、カソード、アノード、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質から形成される、SOFC固体酸化物タイプの個別電気化学的セルと、各々が電気及び流体相互接続をもたらすのに適しており、かつ該個別セルの両側に配置された2つのインターコネクターとからなる、前記複数のステージのグループと、
−ガスが通過するのを可能とする少なくとも1つの電気的接触要素と、各々が電気及び流体相互接続をもたらすのに適しており、該接触要素の両側に配置された2つのインターコネクターとからなる熱調整ステージと呼ばれる少なくとも1つのステージのグループと
を備え、
該電気化学的ステージ及び該熱的ステージのインターコネクターが:
・該スタックを通じて、燃料、酸化剤、例えば、空気、及び熱交換ガスを流通させること、
・該セルの該アノードで余剰燃料及び生成する水を回収すること、該セルの該カソードで余剰酸化剤を回収すること、及び該要素の出口で熱交換ガスを回収すること
の双方に適しており、
該インターコネクターのうちの該電気化学的ステージ用に意図されたものは、該燃料を該セルの該アノードに分配すること及び該酸化剤を該セルの該アノードに分配することの双方にも適しており、
一方で、該インターコネクターのうちの該熱調整ステージ用に意図されたものは、ガスが通過するのを可能とする該電気的接触要素に該熱交換ガスのみを分配することに適している、前記高温燃料電池に関する。
好ましくは、ガスが通過するのを可能とする前記電気的接触要素は、金属格子である。該要素は、個々に分離した金属線、多孔質の導電性基板などからなっていてもよい。
有利な一実施態様によれば、前記電気化学的ステージのインターコネクターの各々が、互いに直交する2つの対称軸に沿って伸びた3枚の平らな金属シートからなる装置からなり、端部金属シートのうちの一方が、個別セルのカソードの平面と機械的に接触することが意図され、かつ該端部金属シートのうちの他方が、隣接する個別セルのアノードの平面と機械的に接触することが意図され、
該装置において:
−中央金属シート及び該端部金属シートのうちの第1の端部金属シートと呼ばれる一方の一部には孔が開けられていないのに対し、第2の端部金属シートと呼ばれる他方の端部金属シートの中央部には孔が開けられており、
−該3枚の平らな金属シートの各々には、それらの中央部の周辺において、6つのポートで孔が開けられており、各々の金属シートの該第1〜第4のポートは、該金属シートの軸のうちの一方Xに沿って該中央部の長さの一部に対応する長さにわたって伸びており、かつ該軸Xの両側に対をなして分布しているのに対し、該第5及び第6のポートは、該軸のうちの他方Yに沿って該中央部の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びており、
−該第1の端部金属シートは、その第1〜第4のポートの内側で、該軸Xの両側に対称的に配置され、かつ該軸Xに沿って、該中央部の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びている第7及び第8のポートも備え、
−該第2の端部金属シートは、それぞれが、その第5のポート及びその第6のポートの内側で、該軸Yの両側に対称的に配置され、かつ該軸Yに沿って、該中央部の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びている第7及び第8のポートも備え、かつ
−該中央金属シートの該第1、第3、第5、及び第6のポートは、それぞれ、各々の端部金属シートの該第1、第3、第5、及び第6のポートと比較して幅広であるのに対し、該3枚の金属シートの該第2及び第4のポートは、互いに実質的に同一寸法のものであり、
−該中央金属シートの該幅広ポートは全て、それらの幅広部分において、互いに離間し、櫛を形成する金属シートの舌を備え、幅広スリットの縁部と舌との間又は2つの連続した舌の間に画定されるスリットの各々が、該第1又は第2の端部金属シートの内側ポートのうちの1つの上へ開口しており、
−該3枚の金属シートが:
・該金属シートの舌が、第1の端部金属シートと第2の端部金属シートとの間、それぞれ、該第1の端部金属シートの該第1のポートと該第7のポートとの間、該第1の端部金属シートの該第3のポートと該第8のポートとの間、該第2の端部金属シートの該第5のポートと該第7のポートとの間、及び該第2の端部金属シートの該第6のポートと該第8のポートとの間にスペーサーを形成し、
・該3枚の金属シートのうちの1枚の該第1〜第6のポートの各々が、それぞれ、他の2枚の金属シートの対応する第1〜第6のポートのうちの1つと個別に流体連通し、
・該第1の端部金属シートの該第1の又はその代わりに該第2のポートが、該中央金属シートの該第1の幅広ポートの該スリットを介して、該第1の端部金属シートの該第7のポートと流体連通し、
・該第1の端部金属シートの該第3のポート又はその代わりに該第4のポートが、該中央金属シートの該第3の幅広ポートの該スリットを介して、該第1の端部金属シートの該第8のポートと流体連通し、
・該第2の端部金属シートの該第5及び第7のポートが、該中央金属シートの該第5の幅広ポートの該スリットを介して流体連通し、
・該第2の端部金属シートの該第6及び第8のポートが、該中央金属シートの該第6の幅広ポートの該スリットを介して流体連通する
ように一緒に積層され組み立てられている。
本様態によれば、前記熱調整ステージの前記2つのインターコネクターのうちの少なくとも一方が、前記電気化学的ステージのインターコネクターと同じであるが、前記第2の端部金属シートの前記第7及び前記第8のポートを含まない装置で構成される。
有利には、同じ電気化学的ステージの前記2つのインターコネクターの各々が、3つの同一の平らな金属シートから構成されるが、該インターコネクターのうちの一方の前記中央金属シートが、該インターコネクターのうちの他方の前記中央金属シートと比べて上下逆である。
有利な変形例によれば、電気化学的ステージの数とは異なる数の熱調整ステージを提供することができる。
前記スタックの端部でよりもスタックの中央で数が多い熱調整ステージを提供することもできる。
1つの有利な特性によれば、熱調整ステージは、スタックの外側からは見えない。
従って、本発明は、本質的に、スタックのあるゾーンのあるセルを取り除いて、それらを、熱交換ガスを通過させ得る電気的接触要素と置き換えることによって、HTE反応器又はSOFC燃料電池のスタックの熱管理/調整用に意図された熱交換ガス回路を作製することにある。
言い換えれば、新種のスタックが、HTE反応器又はSOFC燃料電池において作製され、ここでは、セルによる蒸気の(共)電気分解又は発電のいずれかのために意図された通常の電気化学的ステージの大多数が保持されており、かつ熱調整機能を有するステージが、これらのゾーンにおける反応の熱を調整するために電気化学的ステージの代わりにそれに追加される。
最新式の熱調整の解決手段と比較すると、本発明は、管の追加、板の過度の厚み、あるいは外部と接触している冷却用フィンを用いて特定のインターコネクターを製造する必要性をなくすことを可能とする。
特に、一緒に積層され組み立てられた3枚の平らな金属シートを備えるインターコネクターの有利な実施態様において:
−電気化学的ステージ用に意図されたインターコネクターにおいて、インターコネクターの中央金属シートを、隣接するインターコネクターのそれと比べて上下逆にすること;
−熱調整ステージ用に意図されたインターコネクターにおいて、排出用ガス又は酸化剤のいずれかの供給及び回収のためのポートを取り除くことは十分である。従って、より低いコストで、インターコネクターの全てが、同じ設計の3枚の平らな金属シートを用いて製造されたスタックが得られる。
従って、インターコネクターの全てを、それらが、電気化学的ステージ用に意図されたものであろうと、熱調整ステージに意図されたものであろうと、同じ製造ツール上でかつ同じ生産範囲で製造することができる。言い換えれば、本発明による熱調整ステージは、これらのステージを備えていないスタックにおけるものと同じ生産、組み立て、及びフィッティングツールを用いて製造される。
有利には、熱交換ガスは、(共)電気分解運転モードにおける燃料、例えば、蒸気、又は該SOFCセル運転モードにおける排出用ガスもしくは酸化剤のいずれかであり得る。2つの運転モードSOFC又はSOECに対しては、従って、熱交換ガスの雰囲気の酸化性又は還元性の性質を考慮に入れた、電気的接触のための多孔質材料を選択するための規定が用意される。
従って、互いに分離した多岐管を保持することにより並列でか、又はスタックの外側でそれらを互いに接続することにより直列でかのいずれかで、電気化学的ステージのグループ及び該電気化学的ステージに隣接する熱調整ステージのグループの双方に対する熱交換ガスの供給/回収を行うことができる。
本発明は、電気分解もしくは共電気分解反応器としてか、又は燃料として水素又はメタンを用いるSOFCセルとして同様に良好に用い得るスタック反応器の可逆性を変化させない。
まとめると、本発明によるHTE反応器、SOFC燃料電池、及びそれらを動作させる方法は、多数の特徴及び有利な点を有しており、そのうちで:
−スタックの中央の実質的に断熱的な反応ゾーンを標的とする可能性のためのスタックの熱の調整/管理、
−電気化学的ステージを予熱又は冷却するために、熱交換ガスをセルへの供給ガスH2/H2Oと直列に連結すること、
−熱調整ステージに関する設計の低コスト改良(これらの改良が、電気的接触要素、例えば金属格子での固体酸化物セルの置き換えからなるため)、及び酸化剤ガスの供給及び回収のためのポートの孔を開けないことのみを意図するインターコネクターに関する設計の低コスト改良、並びに、従って、厚い板を用いるか、又は熱交換ガスを流通させるための特定の管を用いるインターコネクターを製造するという制約の非存在、
−最新式の解決手段のアセンブリーと比べて、より安価なインターコネクターのアセンブリーの製造(生産手段、生産及びフィッティング範囲が、積層され組み立てられた平らな金属シートを備えるインターコネクターの全てについて同一であるため)
に言及し得る。
本発明の別の主題は、上述のものによる反応器において実施される、蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法であって:
−蒸気(EH2(1))又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物が、燃料として前記電気化学的ステージのインターコネクターから供給され、かつそれが、前記セルの前記カソードに分配され、その後、生成する水素H2(SH2(1))又は合成ガス(一酸化炭素COと水素H2との混合物)が、該カソードの出口で回収され、
−排出用ガス、例えば、空気(E(O2))が、該電気化学的ステージの該インターコネクターから供給され、かつそれが、該セルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O2、及び適切な場合には、該排出用ガス(S(O2))が、該アノードの出口で回収され、
−熱交換ガス(EH2(2))が、前記熱調整ステージの前記インターコネクターから供給され、かつそれが、前記電気的接触要素に分配され、その後、それが、該要素の出口で回収される、前記方法である。
有利な変形例によれば、前記熱交換ガス(EH2(2))は、燃料(蒸気H2O、もしくは蒸気H2Oと水素H2との混合物、もしくは蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物)、又は排出用ガス、例えば、空気(E(O2))である。
本発明の別の主題は、上述の固体酸化物燃料電池(SOFC)において実施される高温での発電のための方法であって:
−前記燃料(EH2(1))が、前記電気化学的ステージの前記インターコネクターから供給され、かつそれが、前記セルの前記アノードに分配され、その後、前記余剰燃料及び生成する水(SH2(1))が、該アノードの出口で回収され、
−前記酸化剤、例えば、空気(E(O2))が、該電気化学的ステージの該インターコネクターから供給され、かつそれが、該セルの前記カソードに分配され、その後、前記余剰酸化剤(S(O2))が、該カソードの出口で回収され、
−熱交換ガス(EH2(2))が、前記熱調整ステージの前記インターコネクターから供給され、かつそれが、前記電気的接触要素に分配され、その後、それが、該要素の出口で回収される、前記方法である。
前記燃料は、好ましくは水素又はメタン(CH4)である。
有利には、前記燃料ガスの供給が、前記熱交換ガスの供給と直列に接続される。
一変形例によれば、前記燃料ガスの供給は、前記熱交換ガスの供給と並行流であってもよい。
あるいは、前記燃料ガスの供給は、前記熱交換ガスの供給に対して対向流である。
有利には、発熱又は吸熱化学反応を、前記熱交換ガスと前記電気的接触要素との間で行ってもよい。
本明細書において及び本発明との関連で、「カソード支持セル(Cathode-supported cell)」(CSC)は、水の高温電気分解HTEの分野で既に与えられている定義に従い用いられる、即ち、電解質及び酸素電極(アノード)が、より厚い水素又は一酸化炭素電極(カソード)上に配置されており、従ってそれが、担体として働くセルを意味するよう用いられる。
(詳細な説明)
本発明の別の有利な点及び特徴は、以下の図面に関連してなされる本発明の例示的な実施態様の非限定的かつ例示的な詳細な説明を読むことにより、よりはっきりと明らかとなろう。
図1は、高温水電解装置の動作原理を示す模式図である。 図2は、最新式のインターコネクターを備える高温蒸気電解装置の一部の分解模式図である。 図3は、最新式のインターコネクターを備える高温SOFC燃料電池の一部の分解模式図である。 図4は、発明の一様態による高温電気分解のための方法を実施する電気分解反応器の断面である。 図5は、熱調整ステージに隣接した電気分解ステージを備える、本発明による電気分解反応器の一部の分解図である。 図6A及び図6Bは、蒸気及び生成する水素の供給/回収、並びに熱交換ガスの供給/回収を可能にする、本発明による電気分解ステージのインターコネクターの分解図である。図6Aは、蒸気及び生成する水素の供給、分配、及び回収を示し、図6Bは、熱交換ガスの供給、分配、及び回収を示す。図6Cは、排出用ガス及び生成する酸素の供給、分配、及び回収を示す、図6A及び図6Bによるインターコネクターの分解図である。 図7Aは、蒸気及び生成する水素の供給、分配、及び回収を示す、図6Aによるインターコネクターの端部金属シートの正面図である。図7Bは、本発明による熱交換ガスの供給、分配、及び回収を示す、図6Bによるインターコネクターの端部金属シートの正面図である。図7Cは、排出用ガス及び生成する酸素の供給、分配、及び回収を示す、図6A又は図6Bによるインターコネクターの端部金属シートの正面図である。図7Dは、図6A又は図6Bによるインターコネクターの斜視図である。 図8は、本発明による熱調整ステージのインターコネクターの分解図である。本図は、熱調整ステージに、排出用ガス及び酸素の供給、分配、及び回収のためのポートが無いことを示している。 図9A及び図9Bは、本発明によるインターコネクターの一部の詳細図である。
ここで、図1〜図8の全てにおいて、符号、並びに蒸気H2Oの供給、水素分子H2、及び酸素O2、及び電流の分配及び回収の矢印は、最新式の蒸気電気分解反応器及び本発明による蒸気電気分解反応器の動作を説明するために、明確性及び正確性を目的として示されたものであることを明示する。
記載される全ての電解装置が、高温で動作する固体酸化物タイプのもの(SOEC、固体酸化物形電気分解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell)の頭字語)であることも明示する。従って、電気分解セルの全ての構成要素(アノード/電解質/カソード)は、セラミックである。電解装置(電気分解反応器)の高い動作温度とは、典型的には、600℃〜950℃である。
典型的には、本発明に適した、カソードに支持されたタイプ(CSC)の個別SOEC電気分解セルの特徴は、以下の表において以下のように示されるものであり得る。
表
Figure 2018528329
図1〜図3は、導入部においてすでに詳細に説明した。従って、それらは、以下においては説明しない。
慣例により、かつ異なる図面におけるガスの流通の読み取りを容易にするために、以下の記号を用いる:
−EH2(1):電気分解セルC1、C2に供給される「燃料」としての蒸気の、スタックを通じた流通を示す;
−SH2(1):電気分解セルC1、C2により生成される水素の、スタックを通じた流通を示す;
−EH2(2):熱調整ステージに供給される熱交換ガスの、スタックを通じた流通を示す;
−SH2(2):熱調整ステージの出口での熱交換ガスの、スタックを通じた流通を示す;
−E(O2):電気分解セルC1、C2に供給される排出用ガスの、スタックを通じた流通を示す;
−S(O2):電気分解セルC1、C2で生成する酸素の、スタックを通じた流通を示す。
電気化学的ステージ、より特定すると、外部環境との交換の可能性が無いスタックの中央のものの電気分解反応器の熱的動作の管理を向上させるために、本発明者らは、賢明にも、構造が電気化学的ステージ用に意図されたものと比べてほとんど改造されていない平らな金属シートインターコネクターを採用すること、及び電気分解セルの代わりに、ガスが通過するのを可能とする電気的接触要素を配置することによって、スタック内で熱調整ステージを統合することを考えた。
従って、図4において示されるように、以下の工程が、本発明によるスタック内で同時に行われる:
−蒸気EH2(1)が、燃料として、電気化学的ステージのインターコネクター5.1、5.2から供給され、かつ、それが、電気分解セルC1、C2のカソードへ分配され、その後、生成する水素H2 SH2(1)が、カソード2.1、2.2の出口で回収される、
−排出用ガス、例えば、空気E(O2)が、電気化学的ステージのインターコネクター5.1、5.2から供給され、かつ、それが、セルのアノード4.1、4.2に分配され、その後、生成する酸素O2、及び適切な場合には、排出用ガスS(O2)が、アノードの出口で回収される、
−熱交換ガスEH2(2)が、熱調整ステージのインターコネクター5.2、5.3から供給され、かつ、それが、電気的接触要素14に分配され、その後、それは、これらの要素14の出口SH2(2)で回収される。
従って、本発明によれば、蒸気の電気分解用に意図されたステージであるEHT反応器スタックの通常の電気化学的ステージの大多数は保持され、熱調整機能を有するステージが、これらのゾーンにおける反応の熱を調整するために、電気化学的ステージの代わりにそれに追加される。
本発明によれば、熱調整ステージの回路に、接触要素14の酸化を避けるために十分に還元性の熱交換ガスを通すことが提供される。従って、熱交換体は、有利には、蒸気及び水素の混合物であってもよい。この場合、特にニッケル格子の形態である接触要素14の酸化を避けるために、水素が少なくとも10％で存在する。
図5は、本発明による高温固体酸化物電解装置(SOEC)の一部の模式的描写を示す。
この電解装置電気分解反応器は、カソード2.1、2.2、アノード4.1、4.2、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質3.1、3.2、及び金属格子14から形成されるSOECタイプの個別電気分解セル(C1)の交互スタックを備える。
この金属格子は、熱調整ステージを介する直列の電気的連続性を提供する。
電気化学的ステージは、個別セルC1の両側に配置された、2つの電気的及び流体インターコネクター5.1、5.2を備え、カソードが、上のインターコネクター5.1の下面と電気的に接触しており、アノードが、下のインターコネクター5.2の上面と電気的に接触している。
熱調整ステージはまた、2つの電気的及び流体インターコネクター5.2、5.3を備え、そのうちの上のもの5.2は、電気化学的ステージと共有されている。2つのインターコネクター5.2、5.3は、金属格子14の両側に配置されている。
図5に示されるように、絶縁かつ耐漏フレーム9も提供され、一方ではインターコネクター5.1及び5.2間の、他方ではインターコネクター5.2、5.3間の電気絶縁を提供することを可能としている。2つのインターコネクター5.2及び5.3間では、熱管理用に意図されたこのステージでは電気絶縁は必要とされないために、フレーム9は、何よりもまず耐漏性のために働くことに留意すべきである。
各々のフレーム9は、スタックを固定するための棒を収容するのに適したポート99の孔が開けられており、ガスH2O及び空気を供給するためかつ生成するガスH2、O2を空気とともに回収するためのポートの周囲に、かつ熱交換ガス用に意図された多岐管の周囲にも耐漏性を生じさせるためのシール10も提供されている。
ニッケル製の金属格子などの接触層11は、セルC1のカソードと、上のインターコネクター5.1との間に接触を提供することを可能とする。
別のシール12も、セルのアノードの周辺部に提供され、生成する酸素の耐漏性を提供する。
電気分解セルC1及び熱交換ガスの通過のための金属格子11を備えるスタックのアセンブリーには、同じ電流が通される。
本発明による反応器において、供給された蒸気H2O及び生成する水素H2がその中を流通する電気化学的ステージのカソードコンパートメント50は全て、互いに連通している。
同様に、熱交換ガスがその中を流通する熱調整ステージは全て、互いに連通している。
本発明によれば、金属格子14で、燃料の導入を行わずに、熱交換ガスの供給のみを行うことができるようするために、熱調整ステージ用に意図されたインターコネクター5.3は、電気化学的ステージ用に意図されたインターコネクター5.1とは異なる。
図6A〜図6Cはそれぞれ:
−「燃料」としての蒸気H2Oの供給、蒸気及びセルC1で生成する水素の流通、生成する水素の回収、並びにそれに加え電気分解反応器のスタック内で生成する酸素O2の供給及び回収、
−熱交換ガスの供給、金属格子14での該熱交換ガスの流通、及びそれに加え電気分解反応器のスタック内で金属格子14を超えて流通した熱交換ガスの回収、
の双方を提供することを可能とする、本発明による電気化学的ステージのインターコネクター5.1又は5.2の分解図を示す。
電気化学的ステージ用に意図された各々のインターコネクター5.1、5.2は、セルのアノードでの回収されたガス(O2)及び排出用ガスの流通と90度交差流れでの、セルのカソードへのガス(H2O/H2)の流通を提供することを可能とする。
インターコネクター5.1又は5.2は、互いに直交する2つの対称軸(X、Y)に沿って伸びた3枚の平らな金属シート6、7、8からなり、該平らな金属シートは、溶接によって一緒に積層され組み立てられている。中央金属シート7は、第1の端部金属シート6と第2の端部金属シート8との間に挿入されている。
第1の端部金属シート6は、個別電気分解セルC1のカソード2.1の平面と機械的に接触することが意図されており、中央金属シート7は、隣接する個別電気分解セルのアノード4.1の平面と機械的に接触することが意図されており、SOECタイプの2つの隣接する個別電気分解セル(C1、C2)の各々は、カソード2.1、2.2、アノード4.1、4.2、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質3.1、3.2から形成される。
3枚の平らな金属シート6、7、8の各々は、中央部60、70、80を備える。
中央金属シート7及び第1の端部金属シート6の中央部60、70には、孔が開けられていないのに対し、第2の端部金属シート80の中央部80には、孔が開けられている。
各々の金属シート6、7、8には、それらの中央部の周辺において、6つのポート61、62、63、64、65、66;71、72、73、74、75、66;81、82、83、84、85、86の孔が開けられている。
各々の金属シートの第1〜第4のポート61、71、81〜64、74、84は、該金属シートの軸のうちの一方Xに沿って、中央部60、70、80の長さの一部に対応する長さにわたって伸びており、該軸Xの両側に対をなして分布している。
第5のポート65、75、85は、前記軸のうちの他方の軸Yに沿って、中央部60、70、80の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びている。
第6のポート66、76、86は、前記軸のうちの他方の軸Yに沿って、中央部60、70、80の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びている。
第1の端部金属シート6はまた、その第1〜第4のポート61〜64の内部で、軸Xの両側に対称的に配置され、軸Xに沿って、中央部の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びている第7のポート67及び第8のポート68も備える。
第2の端部金属シート8はまた、それぞれが、その第5のポート85及びその第6のポート86の内側で、軸Yの両側に対称的に配置され、該軸Yに沿って、中央部の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びている第7のポート87及び第8のポート88も備える。
図6Aにおいて分かるように、中央金属シート7の第1のポート71、第3のポート73、第5のポート75、及び第6のポート76はそれぞれ、各々の端部金属シート6、8の第1のポート61、81、第3のポート63、83、第5のポート65、85、及び第6のポート66、86よりも幅広である。
3枚の金属シートの第2のポート62、72、82、及び第4のポート64、74、84は、互いに実質的に同一寸法のものである。
3枚の金属シート6、7、8の互いの積層及び組み立ては:
・3枚の金属シートのうちの1枚の第1〜第6のポート61〜66の各々が、それぞれ、他の2枚の金属シート7、8の対応する第1〜第6のポート71〜76及び81〜86のうちの1つと、個別に流体連通し、
・第1の端部金属シート6の第1のポート61が、中央金属シート7の第1のポート71を介して第1の端部金属シート6の第7のポート67と流体連通し、
・第1の端部金属シート6の第3のポート63が、中央金属シート7の第3のポート73を介して第1の端部金属シート6の第8のポート68と流体連通し、
・第2の端部金属シート8の第5のポート85及び第7のポート87が、中央金属シート7の第5のポート75を介して流体連通し、
・第2の端部金属シート8の第6のポート86及び第8のポート88が、中央金属シート7の第6のポート76を介して流体連通する
ように行われる。
図9A及び図9Bは、ここでは、以下に詳述されるような、電気分解セルへの蒸気H2Oの供給又は熱調整ステージでの金属格子14への供給を可能にするための、中央金属シートの幅広スリット71における金属シートの舌710で形成される櫛の製造、及び2枚の端部金属シート6、8間でのその配置を詳細に示す。一例として、形成される櫛710、711は、蒸気が、2枚の端部金属シート6、8間の空間内に進むことによって、供給用多岐管61、71、81から分配スリット67へと通過することを可能にする。該櫛710、711での中央金属シート7の厚みは、それにスペーサー機能を提供し、かつ、それにより、蒸気の端部金属シート6、8間の空間内への通路の高さを保証する。インターコネクター5.1の内部を介する本発明によるそのようなガスの通路は、シールを生じさせるための平面を解放するという有利な点を有する。加えて、幅広スリット71、75のこれらの櫛形のおかげで、各々の電気分解セル及び熱的ステージの各々の金属格子にわたる各々のガス(H2O、空気)の均質な分配が得られ、かつ幅広スリット73、76のこれらの櫛形のおかげで、生成するガス(H2、O2)又は熱交換ガスの回収が得られる。これらの均質な分配もしくは回収、又は、言い換えれば、流速に関して一様であるこれらの分配もしくは回収を、互いに離間した小さい矢印の形態で、異なる図6A〜図8に示す。
排出用ガスのセルC1への運搬及び熱交換ガスの金属格子14への運搬の双方を可能とする図6Bに示すインターコネクター5.2を製造するためには、インターコネクター5.1を製造するために使用するものと同じ3枚の平らな金属シート6、7、8を使用するが、中央金属シート7は、2枚の端部金属シート6、8とそれとの積層及び組み立ての前に、単に、上下逆にされるのみである。
従って、インターコネクター5.2において、3枚の金属シート6、7、8は:
・3枚の金属シートのうちの１枚の第1〜第6のポート61〜66の各々が、それぞれ、2つの他の金属シート7、8の対応する第1〜第6のポート71〜76及び81〜86のうちの1つと個別に流体連通し、
・第1の端部金属シート6の第2のポート62が、中央金属シート7の第3のポート73を介して、第1の端部金属シート6の第7のポート67と流体連通し、
・第1の端部金属シート6の第4のポート64が、中央金属シート7の第1のポート71を介して、第1の端部金属シート6の第8のポート68と流体連通し、
・第2の端部金属シート8の第5のポート85及び第7のポート87が、中央金属シート7の第5のポート75を介して流体連通し、
・第2の端部金属シート8の第6のポート86及び第8のポート88が、中央金属シート7の第6のポート76を介して流体連通する
ように一緒に積層され組み立てられる。
排出用ガス又は酸素を運搬しないことと、金属格子14において酸化剤ガスを回収しないことを可能とする、図8に示されるインターコネクター5.3を製造するために、取り除かれたポート87、88を除けば、ガスの供給/回収用に意図された全てのポートを保持している、インターコネクター5.1及び5.2を製造するために使用するものと同じ3枚の平らな金属シート6、7、8を使用する。
言い換えれば、インターコネクター5.3は、電気化学的ステージ用に意図されたインターコネクター5.1、5.2を構成する全く同じ平らな金属シート6、7、8から開始して、通常、排出用ガスを供給する機能及び生成する酸素O2を回収する機能のために意図されるポート87、88又はスリットのみを取り除いて、熱調整ステージ用に意図して作製される。
このように、本発明によれば、積層され組み立てられた平らな金属シートとその構造が同一であり、かつ電気化学的ステージ用に意図されたものとその厚み及び形態が同一であるインターコネクターの手段によって、熱調整用に意図されたステージが製造される。
本発明のおかげで、熱調整ステージ及び電気化学的ステージの交互スタックがこのように得られ、その熱調整、特に、スタックの中央におけるものは、非常に効果的であり、その生産コストは最新技術による解決手段と比べて低い。これは、インターコネクター5.1、5.2、5.3が全て、同じ平らな金属シート6、7、8を用いて、従って、同じ生産範囲によって製造され、かついくつかの電気分解セルが、スタックを通して電気的連続性を提供する金属格子によって置き換えられるためである。
今説明した本発明による電気分解反応器の動作方法を、図6A〜図8に関連して説明する。
インターコネクター5.1〜5.3の第1のポート61、71、81に、蒸気EH2(1)が供給されるのと同時に、インターコネクター5.1〜5.3の第2のポート62、72、82に、熱交換ガスEH2(2)が供給される。
熱交換ガスEH2(2)は、セルC1のカソード2.1に分配されることなくインターコネクター5.1を通過する。それは、インターコネクター5.2のポート62、73、及び82に供給される。
同様に、蒸気EH2(1)は、金属格子14上で分配されること無くインターコネクター5.2を通過する。
インターコネクター5.1内での、注入された蒸気及び生成する水素の経路を、図6A及び図7Aに模式的に示す。
インターコネクター5.2内での、熱交換ガスのインターコネクター5.2内での経路を、図6B及び図7Bに模式的に示す。
加えて、各々のインターコネクター5.1、5.2、5.3の3枚の金属シート8の第5のポート65、75、85には、排出用ガスE(O2)、例えば、空気が供給される。
インターコネクター5.1又は5.2内での、注入される排出用ガスとしての空気の経路、及び生成する酸素の経路を図6Cに模式的に示す。
インターコネクター5.3内でのポート87、88の非存在のために、排出用ガスは、金属格子14上では分配/回収されない。
セルC1での蒸気電気分解によって生成する水素SH2(1)は、従って、インターコネクター5.1の第3のポート63、73、83において回収される。
金属格子14において熱管理の目的のために流通された熱交換ガスSH2(2)は、端部金属シートの第4のポート64、84及びインターコネクター5.2の第1のポート71において別々に回収される。
同時に、生成する酸素O2 S(O2)は、各々のインターコネクター5.1、5.2の3枚の金属シート8の第6のポート66、76、86において回収される。
図6A〜図6Cに示される蒸気の供給及び生成する水素の回収、並びに排出用ガスの供給及び生成する酸素の回収は、セルC1の燃料/熱交換ガスの隣接する金属格子14に対する並流での流通、及び排出用ガス/生成する酸素の共有された流通と交差流での流通を構成する。
2種類のインターコネクター5.1、5.2を用いて、変形例として、セルC1の燃料/熱交換ガスの、隣接する金属格子14に対して向流での流通、及び排出用ガス/生成する酸素の流通と交差流での流通を生じさせることが可能となる。
本発明による各々のインターコネクター5.1、5.2、5.3を構成する3枚の平らな金属シート6、7、8は、孔が開けられており、溶接によって互いに組み立てられた薄い平らな金属シートである。該薄い金属シートは、好ましくは、3mm未満の厚み、典型的には、0.2mmのオーダーの厚みの金属シートである。電解装置の任意の動作以外での、生産時に生じる金属シート間の溶接部は全て、有利には、典型的には、0.2mmのオーダーの薄い金属シートの薄さのために可能となる透過レーザー技術により生じさせ得る。
金属シートは全て、有利には、クロムが約20％のフェライト鋼製であり、好ましくは、典型的には、0.1〜1mmの厚みの、Inconel(登録商標)600又はHaynes(登録商標)タイプのニッケルベースのCROFER(登録商標)22APU又はFT18TNb製である。
平らな金属シート6、7、8間のポートの周囲の溶接線lでの組み立ては、電解装置の動作時の、「燃料」としてインターコネクター5.1に運ばれる蒸気EH2(1)と、熱管理としてインターコネクター5.2、5.3に運ばれる熱交換ガスEH2(2)と、インターコネクター5.1で回収される水素SH2(1)と、インターコネクター5.2で回収される熱交換ガスSH2(2)と、運ばれる排出用ガスE(O2)と、回収される酸素S(O2)との間の良好な耐漏性を保証する。溶接線は、図10A〜図10Cに例示されている。
図5〜図8の全てに記載されているように、3枚の金属シート6、7、8は、それらの周辺部で、固定用の棒を収容するのに適した追加のポート69、79、89によって孔が開けられている。これらの固定用の棒は、電気分解反応器の電気化学的ステージ及び熱調整ステージの双方の異なる部材のスタックに保持力をかけることを可能とする。
別の変形例及び改良が、本発明に関連して想定され得る。
従って、例示された実施態様において、熱交換ガスが、水素タイプを伴う蒸気のものである場合、排出用ガスもまた熱交換ガスであることを同様に想定することが可能である。より一般的には、熱交換ガスは、それが、接触要素14の材料に適している、即ち、それが、後者を酸化しないという条件の下で、任意のガスであってもよい。
蒸気/水素の供給及び生成する水素の回収用に意図されたインターコネクター5.2のポート67、68を取り除くこと、及び熱調整ステージでのインターコネクター5.3上の87及び88を保持することを条件として、専用のインターコネクターを用いること、専用のインターコネクターを製造すること、例示したもの6、7、8などの3枚の平らな金属シートを積層し組み立てることもできる。本変形例によれば、熱調整は、排出用ガス(又はSOFCセルにおいては酸化性ガス)によって行われるであろう。この場合、金属格子14は、酸化抵抗性の格子、又は2つの連続するインターコネクター5.2、5.3を互いに溶接することによって直接提供される電気的接触のいずれかである。その場合、これら2つのインターコネクター5.2、5.3間の溶接部は、耐漏性及び電流の通路を提供しなければならない。
電気化学的ステージ及び熱調整ステージは、ガスを供給/回収するための多岐管が独立したままである場合には、並列であってもよく、又は、これらが、スタックの外側で互いに接続されている場合には、直列であってもよい。
電気化学的ステージと熱調整ステージとの間を直列に接続することは、水の電気分解のために意図された蒸気を、それが電気分解セルのカソード上に入る前に、効果的に予熱することを可能とする。

Claims (17)

  1. 異なるステージの2つのグループの交互スタックを備える高温電気分解(HTE)反応器であって:
    −電気化学的ステージと呼ばれる複数のステージのグループであって、該電気化学的ステージの各々が、カソード(2.1、2.2、…)、アノード(4.1、4.2、…)、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質(3.1、3.2…)から形成される、SOEC固体酸化物タイプの個別電気分解セル(C1、C2、C3)と、各々が電気及び流体相互接続に適しており、該個別セル(C1、C2)の両側に配置された2つのインターコネクター(5.1、5.2)とからなる、前記複数のステージのグループと、
    −ガスが通過するのを可能とする少なくとも1つの電気的接触要素(14)と、各々が電気及び流体相互接続に適しており、該接触要素の両側に配置された2つのインターコネクター(5.2、5.3)とからなる熱調整ステージと呼ばれる少なくとも1つのステージのグループとを備え、
    該電気化学的ステージ及び該熱的ステージのインターコネクターが:
    ・該スタックを通じて、蒸気(EH2(1))、又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物、排出用ガス、例えば、空気(E(O2))、及び熱交換ガス(EH2(2))を流通させること、
    ・該セルの該カソードで生成する水素H2(SH2(1))又は生成する合成ガス(一酸化炭素COと水素H2との混合物)を回収すること、該セルの該アノードで生成する酸素O2(S(O2))を回収すること、及び、適切な場合には、該要素(14)の出口で該排出用ガス及び該熱交換ガス(SH2(2))を回収すること
    の双方に適しており、
    該インターコネクターのうちの該電気化学的ステージ用に意図されたものは、蒸気(EH2(1))又は該蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物を該セルの該カソードへ分配すること、及び該排出用ガス(E(O2))を該セルの該アノードに分配することの双方にも適しており、
    一方で、該インターコネクターのうちの該熱調整ステージ用に意図されたものは、ガスが通過するのを可能とする該電気的接触要素(14)に該熱交換ガスのみを分配することに適している、前記高温電気分解(HTE)反応器。
  2. 異なるステージの2つのグループの交互スタックを備える高温燃料電池(SOFC)であって:
    −電気化学的ステージと呼ばれる複数のステージのグループであって、該電気化学的ステージの各々が、カソード(2.1、2.2、…)、アノード(4.1、4.2、…)、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質(3.1、3.2…)から形成される、SOFC固体酸化物タイプの個別電気化学的セル(C1、C2、C3)と、各々が電気及び流体相互接続に適しており、かつ該個別セル(C1、C2)の両側に配置された2つのインターコネクター(5.1、5.2)とからなる、前記複数のステージのグループと、
    −ガスが通過するのを可能とする少なくとも1つの電気的接触要素(14)と、各々が電気及び流体相互接続に適しており、該接触要素の両側に配置された2つのインターコネクター(5.2、5.3)とからなる熱調整ステージと呼ばれる少なくとも1つのステージのグループとを備え、
    該電気化学的ステージ及び該熱的ステージのインターコネクターが:
    ・該スタックを通じて、燃料(EH2(1))、酸化剤、例えば、空気(E(O2))、及び熱交換ガス(EH2(2))を流通させること、
    ・該セルの該アノードで余剰燃料及び生成する水(SH2(1))を回収すること、該セルの該カソードで余剰酸化剤(S(O2))を回収すること、及び該要素(14)の出口で熱交換ガス(SH2(2))を回収すること
    の双方に適しており、
    該インターコネクターのうちの該電気化学的ステージ用に意図されたものは、該燃料(EH2(1))を該セルの該アノードに分配すること及び該酸化剤(E(O2))を該セルの該アノードに分配することの双方にも適しており、
    一方で、該インターコネクターのうちの該熱調整ステージ用に意図されたものは、ガスが通過するのを可能とする該電気的接触要素(14)に該熱交換ガスのみを分配することに適している、前記高温燃料電池(SOFC)。
  3. ガスが通過するのを可能とする前記電気的接触要素が、金属格子である、請求項1又は2記載の高温電気分解(HTE)反応器又は高温燃料電池(SOFC)。
  4. 前記電気化学的ステージのインターコネクターの各々が、互いに直交する2つの対称軸(X、Y)に沿って伸びた3枚の平らな金属シート(6、7、8)からなる装置からなり、端部金属シートのうちの一方が、個別セル(C2)のカソード(2)の平面と機械的に接触することが意図され、かつ該端部金属シートのうちの他方が、隣接する個別セル(C1)のアノード(4)の平面と機械的に接触することが意図され、
    該装置において:
    −中央金属シート(7)及び該端部金属シートのうちの第1の端部金属シート(6)と呼ばれる一方の金属シートの中央部(60、70)には孔が開けられていないのに対し、第2の端部金属シート(8)と呼ばれる他方の端部金属シートの中央部(8)には孔が開けられており(80)、
    −該3枚の平らな金属シート(6、7、8)の各々には、それらの中央部の周辺において、6つのポート(61、62、63、64、65、66;71、72、73、74、75、76;81、82、83、84、85、86)で孔が開けられており、各々の金属シートの該第1〜第4のポート(61〜64;71〜74;81〜84)は、該金属シートの軸のうちの一方Xに沿って該中央部の長さの一部に対応する長さにわたって伸びており、かつ該軸Xの両側に対をなして分布しているのに対し、該第5及び第6のポート(65、75、85;66、76、86)は、該軸のうちの他方Yに沿って該中央部の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びており、
    −該第1の端部金属シート(6)は、その第1〜第4のポート(61、62、63、64)の内側で、該軸Xの両側に対称的に配置され、かつ該軸Xに沿って、該中央部の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びている第7のポート(67)及び第8のポート(68)も備え、
    −該第2の端部金属シート(8)は、それぞれが、その第5のポート(85)及びその第6のポート(86)の内側で、該軸Yの両側に対称的に配置され、かつ該軸Yに沿って、該中央部の長さに実質的に対応する長さにわたって伸びている第7のポート(87)及び第8のポート(88)も備え、かつ
    −該中央金属シート(7)の該第1のポート(71)、第3のポート(73)、第5のポート(75)、及び第6のポートは、それぞれ、各々の端部金属シートの該第1のポート(61、81)、第3のポート(63、83)、第5のポート(65、85)、及び第6のポート(66、86)と比較して幅広であるのに対し、該3枚の金属シートの該第2のポート(62、72、82)及び第4のポート(64、74、84)は、互いに実質的に同一寸法のものであり、
    −該中央金属シート(7)の該幅広ポート(71、73、75、76)は全て、それらの幅広部分において、互いに離間し、櫛を形成する金属シートの舌を備え、幅広スリット(71、73、75、76)の縁部と舌との間又は2つの連続した舌の間に画定されるスリットの各々が、該第1の端部金属シート(6)又は該第2の端部金属シート(8)の内側ポートのうちの1つの上へ開口しており、
    −該3枚の金属シート(6、7、8)が:
    ・該金属シートの舌が、第1の端部金属シート(6)と第2の端部金属シート(8)との間、それぞれ、該第1の端部金属シート(6)の該第1のポート(61)と該第7のポート(67)との間、該第1の端部金属シート(6)の該第3のポート(63)と該第8のポート(68)との間、該第2の端部金属シート(8)の該第5のポート(85)と該第7のポート(87)との間、及び該第2の端部金属シート(8)の該第6のポート(86)と該第8のポート(88)との間にスペーサーを形成し、
    ・該3枚の金属シートのうちの１枚の第1〜第6のポート(61〜66)の各々が、それぞれ、他の2枚の金属シートの対応する第1〜第6のポート(71〜76;81〜86)のうちの1つと個別に流体連通し、
    ・該第1の端部金属シート(6)の該第1のポート(61)又はその代わりに該第2のポート(62)が、該中央金属シート(7)の該第1の幅広ポート(71)の該スリットを介して、該第1の端部金属シート(6)の該第7のポート(66)と流体連通し、
    ・該第1の端部金属シート(6)の該第3のポート(63)又はその代わりに該第4のポート(64)が、該中央金属シート(7)の該第3の幅広ポート(73)の該スリットを介して、該第1の端部金属シート(6)の該第8のポート(68)と流体連通し、
    ・該第2の端部金属シート(8)の該第5のポート(85)及び該第7のポート(87)が、該中央金属シート(7)の該第5の幅広ポート(75)の該スリットを介して流体連通し、
    ・該第2の端部金属シート(8)の該第6のポート(86)及び該第8のポート(88)が、該中央金属シート(7)の該第6の幅広ポート(76)の該スリットを介して流体連通する
    ように、一緒に積層され組み立てられている、請求項1〜3のいずれか1項記載の高温電気分解(HTE)反応器又は高温燃料電池(SOFC)。
  5. 前記熱調整ステージの前記2つのインターコネクターのうちの少なくとも一方が、前記電気化学的ステージのインターコネクターとしての前記3枚の金属シートから構成されるが、前記第2の端部金属シート(8)の前記第7のポート(87)及び前記第8のポート(88)は含まない、請求項4記載の高温電気分解(HTE)反応器又は高温燃料電池(SOFC)。
  6. 同じ電気化学的ステージ(5.1、5.2)の前記2つのインターコネクターの各々が、3つの同一の平らな金属シート(6、7、8)から構成されるが、該インターコネクターのうちの一方の前記中央金属シートが、該インターコネクターのうちの他方の前記中央金属シートと比べて上下逆である、請求項4又は5記載の高温電気分解(HTE)反応器又は高温燃料電池(SOFC)。
  7. 電気化学的ステージの数とは異なる数の熱調整ステージを備える、請求項1〜6のいずれか1項記載の高温電気分解(HTE)反応器又は高温燃料電池(SOFC)。
  8. 前記スタックの端部でよりも該スタックの中央部で数が多い熱調整ステージを備える、請求項1〜7のいずれか1項記載の高温電気分解(HTE)反応器又は高温燃料電池(SOFC)。
  9. 熱調整ステージが、前記スタックの外側からは見えない、請求項1〜8のいずれか1項記載の高温電気分解(HTE)反応器又は高温燃料電池(SOFC)。
  10. 請求項1及び3〜9のいずれか1項記載の反応器において実施される、蒸気H2Oの高温電気分解、又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法であって:
    −蒸気(EH2(1))又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物が、燃料として前記電気化学的ステージの前記インターコネクター(5.1、5.2)から供給され、かつそれが、前記セルの前記カソードに分配され、その後、生成する水素H2(SH2(1))又は合成ガス(一酸化炭素COと水素H2との混合物)が、該カソードの出口で回収され、
    −排出用ガス、例えば、空気(E(O2))が、該電気化学的ステージの該インターコネクター(5.1、5.2)から供給され、かつそれが、該セルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O2、及び適切な場合には、該排出用ガス(S(O2))が、該アノードの出口で回収され、
    −熱交換ガス(EH2(2))が、前記熱調整ステージの前記インターコネクター(5.2、5.3)から供給され、かつそれが、前記電気的接触要素(14)に分配され、その後、それが、該要素(14)の出口で回収される、前記方法。
  11. 前記熱交換ガス(EH2(2))が、前記燃料(蒸気H2O、もしくは蒸気H2Oと水素H2との混合物、もしくは蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物)、又は前記排出用ガス、例えば、空気(E(O2))である、請求項10記載の蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法。
  12. 請求項3〜9のいずれか1項記載の固体酸化物燃料電池(SOFC)において実施される、高温での発電のための方法であって:
    −前記燃料(EH2(1))が、前記電気化学的ステージの前記インターコネクター(5.1、5.2)から供給され、かつそれが、前記セルの前記アノードに分配され、その後、前記余剰燃料及び生成する水(SH2(1))が、該アノードの出口で回収され、
    −前記酸化剤、例えば、空気(E(O2))が、該電気化学的ステージの該インターコネクター(5.1、5.2)から供給され、かつそれが、該セルの前記カソードに分配され、その後、前記余剰酸化剤(S(O2))が、該カソードの出口で回収され、
    −熱交換ガス(EH2(2))が、前記熱調整ステージの前記インターコネクター(5.2、5.3)から供給され、かつそれが、前記電気的接触要素(14)に分配され、その後、それが、該要素(14)の出口で回収される、前記方法。
  13. 前記燃料が、水素又はメタン(CH4)である、請求項12記載の高温での発電のための方法。
  14. 前記燃料ガスの供給が、前記熱交換ガスの供給と直列に接続される、請求項10又は11記載の蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法、及び請求項13又は12記載の高温での発電のための方法。
  15. 前記燃料ガスの供給が、前記熱交換ガスの供給に対して並行流である、請求項10、11、及び14のいずれか1項記載の蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法、及び請求項12、13、及び14のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
  16. 前記燃料ガスの供給が、前記熱交換ガスの供給に対して対向流である、請求項10、11、及び14のいずれか1項記載の蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法、及び請求項12、13、及び14のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
  17. 発熱又は吸熱化学反応が、前記熱交換ガスと前記電気的接触要素(14)との間で行われる、請求項10、11、及び14〜16のいずれか1項記載の蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法、及び請求項12、13、及び14〜16のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
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