JP2019081952A - 圧力および分離された圧縮力の下で動作する、水の電気分解もしくは共電解用の可逆的個別ユニット(soec)、または燃料電池用の可逆的個別ユニット(sofc) - Google Patents
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Abstract
Description
H2O→H2+1/2O2
2H2O+4e−→2H2+2O2−
2O2−→O2+4e−
A/ 2つのインタコネクタの間に挿入された個々の電解セルの短絡を防止するために、スタックにおける2つの隣接したインタコネクタの間に十分な電気的絶縁を与えること。
B/ 生成されたガスの再結合を防止するために、2つの個別の隔室、すなわち陽極室と陰極室の間に十分な耐漏えい性を与えること。ガスが再結合すると、収量が減少し、とりわけホットポイントが出現して電解槽に被害を与える恐れがある。これは開放セル電圧(OCV)を求めることに対応する。
C/ 収量の損失、様々な個々のセルの内部の圧力および温度の不均一性、またはセルの容認できない劣化さえも防止するために、ガスの入口および生成されたガスの回収の両方においてガスを十分に分散させること。これは最低の分極抵抗を求めることに対応する。
D/ セルとインタコネクタの間のオーム抵抗を最小にするために、それぞれのセルとインタコネクタの間に優れた電気接触および十分な接触表面積を与えること。
− 等化ガスを供給するための水平方向のパイプ14は下部のインタコネクタ5.2または5.3の水平方向の供給コンジット58に接続され、一方、等化ガスを回収するためのパイプ15は下部のインタコネクタの水平方向の回収コンジット58に接続されている。
− 空気を供給するための中央のパイプ16は下部のインタコネクタ5.2または5.3の中央の供給コンジットに接続され、一方、生成された酸素を回収するためのパイプ19は下部のインタコネクタ5.2または5.3の環状溝57に接続されている。
− 水蒸気を供給するための中央のパイプ17は、下部のインタコネクタ5.2または5.3の水平方向の供給コンジットに接続され、それ自体が上部のインタコネクタ5.1の水平方向の供給コンジット上に開き、一方、生成された水素を回収するためのパイプ18は下部のインタコネクタの水平方向の回収コンジット59に接続されている。
− 陰極と、陽極と、陰極と陽極の間に挿入された電解質とから形成された個々の電気化学セルと、
− それぞれが、電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素から成り、それぞれが電気および流体のインタコネクタを形成する第1および第2のデバイスであって、第1および第2のインタコネクタが、それぞれ個々のセルの両側に配置されており、第2のインタコネクタを貫通している、生成された水素を回収するためのコンジットが、陰極側のセルの周囲において開き、第2のインタコネクタを貫通している、生成された酸素を回収するためのコンジットが、生成された酸素を回収コンジットへと均一に分配するように陽極側のセルの周囲において開く、第1および第2のデバイスと、
− 個々のセルの周囲に配置されて、第1のインタコネクタおよび第2のインタコネクタの両方を担持する第1の電気的絶縁シールと、
− 個々のセルの陽極の周囲に配置されて、第2のインタコネクタと電解質の両方を担持する第2のシールであって、ガラスベースおよび/またはガラスセラミックベースである第2のシールと、
− インタコネクタを互いに組み立てるための機械的手段であって、第1のシールを圧縮によってクランプするのに適している機械的手段と、
− 電極のうちの1つとインタコネクタのうちの1つの間に配置された少なくとも1つの電気接触要素と、
− 電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素を備え、第1のインタコネクタの内部でスライドするように取り付けられて、電気接触要素を圧縮するのに適切な圧縮ピストンであって、水蒸気およびモジュールの内部で生成された水素の圧力が上昇するときこのピストンの圧縮力が調節され、この圧縮ピストンを貫通する、水蒸気を供給するためのコンジットが、供給された水蒸気および生成された水素をそれぞれ、供給コンジットから回収コンジットへ均一に分配するように陰極側のセルにおいて開く、圧縮ピストンと、
− 一端を圧縮ピストンに組み合わされ、他端を第1のインタコネクタに組み合わされた密封ベローズであって、水蒸気およびモジュールの内部で生成された水素の圧力を包含することと、ピストンの変位の方向に沿って変形することとの両方に適切なベローズとを備える。
− 陰極と、陽極と、陰極と陽極の間に挿入された電解質とから形成された個々の電気化学セルと、
− それぞれが、電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素から成り、それぞれが電気および流体のインタコネクタを形成する第1および第2のデバイスであって、第1および第2のインタコネクタが、それぞれ個々のセルの両側に配置されており、生成された水を回収するためのコンジットが、陽極側のセルの周囲において第2のインタコネクタを貫通しており、第2のインタコネクタを貫通している、空気または酸素を供給するためのコンジットが、陰極側のセルにおいて開き、第2のインタコネクタを貫通している、余分な空気または酸素を回収するためのコンジットが、空気または酸素を供給コンジットから回収コンジットへ均一に分配するように、陰極側のセルの周囲において開く、第1および第2のデバイスと、
− 個々のセルの周囲に配置されて、第1のインタコネクタおよび第2のインタコネクタの両方を担持する第1の電気的絶縁シールと、
− 個々のセルの陰極の周囲に配置されて、第2のインタコネクタと電解質の両方を担持する第2のシールであって、ガラスベースおよび/またはガラスセラミックベースである第2のシールと、
− インタコネクタを互いに組み立てるための機械的手段であって、第1のシールを圧縮によってクランプするのに適している機械的手段と、
− 電極のうちの1つとインタコネクタのうちの1つの間に配置された少なくとも1つの電気接触要素と、
− 電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素を備え、第1のインタコネクタの内部でスライドするように取り付けられて、電気接触要素を圧縮するのに適切な圧縮ピストンであって、燃料およびモジュールの内部で生成された水の圧力が上昇するときこのピストンの圧縮力が調節され、この圧縮ピストンを貫通する、燃料を供給するためのコンジットが、供給された燃料および生成された水をそれぞれ、供給コンジットから回収コンジットへ均一に分配するように陽極側のセルにおいて開く、圧縮ピストンと、
− 一端を圧縮ピストンに組み合わされ、他端を第1のインタコネクタに組み合わされた密封ベローズであって、燃料およびモジュールの内部で生成された水の圧力を包含することと、ピストンの変位の方向に沿って変形することとの両方に適切なベローズとを備える。
− モジュール内部の圧力を維持するための密閉の機能と電気的絶縁の機能とを有するデバイス、
− 圧力下の動作中に、ガラスベースおよび/またはガラスセラミックベースのシールの片側の圧力を、反対側において生成された試薬ガスの圧力と等しくする機能を有する等化ガス回路、
− モジュールの不適当な開きを防止するためのデバイス、といった要素を省くものである。出願WO2016/096752による安全な密閉は、リアクタの動作とは関係のない追加要素である。したがって、この安全性は、組立体が爆発した場合の追加の障壁を形成するものである。反対に、本発明の場合には、インタコネクタを互いに組み合わせるための機械的手段の目的は、モジュール内部の圧力を包含するために第1のシールを圧縮することである。
− 第1のインタコネクタおよび第2のインタコネクタには、それぞれ水蒸気または燃料を供給するための追加のコンジットが貫通し、これら2つの追加の供給コンジットは、電気的絶縁性の接続管を介して互いに接続され、第1のインタコネクタの追加の供給コンジットは、モジュールの外部のパイプによってピストンを貫通する供給コンジットに接続されており、
− 第1のシールの内部にある第3のシールの内側に接続管が収容されている。
− ピストンの供給コンジットには、水蒸気あるいは二酸化炭素および二酸化窒素から選択された別のガスと水蒸気の混合物が供給され、
− リアクタ内部の圧力が上昇するとき、ピストンによって電気接触要素に印加される圧縮力が調節され、
− 水素あるいは水蒸気の電気分解または共電解によって生成された水素と窒素または一酸化炭素とが回収される。
− ピストンの供給コンジットには水素またはメタンなどの燃料が供給され、
− 第2のインタコネクタの供給コンジットには空気または酸素が供給され、供給される燃料の圧力および空気または酸素の圧力は、水素またはメタンの圧力と実質的に等しく、
− セル内部の圧力が上昇するとき、ピストンによって電気接触要素に印加される圧縮力が調節され、
− 余分な燃料、片側で生成された水および反対側の余分な空気または酸素は、それぞれの回収コンジットに回収される。
2.1 陰極
2.2 陰極
3 電解質
3.1 電解質
3.2 電解質
4 陽極
4.1 陽極
4.2 陽極
5 インタコネクタ
5.1 インタコネクタ
5.2 インタコネクタ
5.3 インタコネクタ
8 電気的絶縁および密封のためのデバイス
9 電気接触グリッド
10 電気接触グリッド
11 ボルト
12 電気的絶縁スリーブ
13 電気的絶縁リング
14 パイプ
15 パイプ
16 パイプ
17 パイプ
18 パイプ
19 パイプ
20 圧縮ピストン
21 ピストン20の周囲の溝
22 溝
30 ベローズ、ばね
31 ベローズ30の終端、ベルト
32 ベローズ30の終端、ベルト
33 ベローズ30の中心部
40 ピン
50 陰極室、コンジット
51 陽極室、コンジット
52 コンジット、溝
53 環状溝
54 環状溝
55 環状溝
56 コンジット、溝
57 環状溝
58 コンジット
59 コンジット
60 パイプ
61 第1のシール
63 第2のシール
64 ガラスセラミックシール
80 電気的絶縁ワッシャ
81 第3の金属シール
82 第4の金属シール
110 ボルトの先端
111 ナット
112 ワッシャ
610 リング
611 スロット
B ストッパ
C1 セル
C2 セル
E 環状空隙
M1 モジュール
T 電気的絶縁性の接続管
Claims (14)
- SOECタイプの電気分解または共電解のリアクタの個々のユニットを形成するように意図されたモジュールであって、
−陰極(2.1)と、陽極(4.1)と、前記陰極と前記陽極との間に挿入された電解質(3.1)とから形成された個々の電気化学セル(C1)と、
−第1のデバイス(5.1)および第2のデバイス(5.2)であって、前記第1のデバイス(5.1)および前記第2のデバイス(5.2)のそれぞれが電気および流体のインタコネクタを形成し、前記第1のデバイス(5.1)および前記第2のデバイス(5.2)のそれぞれが電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素から成り、第1および第2のインタコネクタが、それぞれ前記個々のセルの両側に配置されており、前記第2のインタコネクタ(5.2)を貫通している、生成された水素を回収するためのコンジット(59)が、前記陰極側の前記セルの周囲において開き、前記第2のインタコネクタ(5.2)を貫通している、生成された酸素を回収するためのコンジット(57)が、生成された前記酸素を前記回収コンジットへ均一に分配するように前記陽極(4.1)側のセルの周囲において開く、第1のデバイス(5.1)および第2のデバイス(5.2)と、
−前記個々のセルの周囲に配置されて、前記第1のインタコネクタおよび前記第2のインタコネクタの両方を担持する第1の電気的絶縁シール(61)と、
−前記個々のセルの前記陽極の周囲に配置されて、前記第2のインタコネクタと前記電解質の両方を担持する第2のシール(63)であって、ガラスベースおよび/またはガラスセラミックベースである第2のシール(63)と、
−前記インタコネクタを互いに組み立てるための機械的手段(11)であって、前記第1のシールを圧縮によってクランプするのに適している機械的手段(11)と、
−電極のうちの1つと前記インタコネクタのうちの1つの間に配置された少なくとも1つの電気接触要素(9、10)と、
−電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素を備え、前記第1のインタコネクタの内部でスライドするように取り付けられて、前記電気接触要素を圧縮するのに適切な圧縮ピストン(20)であって、水蒸気および前記モジュールの内部で生成された水素の圧力が上昇するとき前記圧縮ピストンの圧縮力が調節され、前記圧縮ピストンを貫通する、前記水蒸気を供給するためのコンジット(50)が、供給された前記水蒸気および生成された前記水素を、前記供給コンジットから前記回収コンジットへそれぞれ均一に分配するように前記陰極(2.1)側の前記セルにおいて開く、圧縮ピストン(20)と、
−一端を前記圧縮ピストンに組み合わされ、他端を前記第1のインタコネクタに組み合わされた密封ベローズ(30)であって、前記水蒸気および前記モジュールの内部で生成された前記水素の前記圧力を包含することと、前記圧縮ピストンの変位の方向に沿って変形することとの両方に適切な密封ベローズ(30)と、
を備える、モジュール。 - 前記第2のインタコネクタ(5.2)には、空気などの供給された排出ガスおよび生成された前記酸素をそれぞれ前記供給コンジット(51)から前記回収コンジット(57)へ均一に分配するように、前記排出ガスを前記陽極側の前記セル上に供給するためのコンジット(51)が貫通している、請求項1に記載のモジュール。
- SOFCタイプの燃料電池の個々のユニットを形成するように意図されたモジュールであって、
−陰極(2)と、陽極(4)と、前記陰極と前記陽極との間に挿入された電解質(3)とから形成された個々の電気化学セル(C1)と、
−第1のデバイス(5.1)および第2のデバイス(5.2)であって、前記第1のデバイス(5.1)および前記第2のデバイス(5.2)のそれぞれが、電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素から成り、それぞれが電気および流体のインタコネクタを形成し、前記第1および第2のインタコネクタが、それぞれ前記個々のセルの両側に配置されており、生成された水を回収するためのコンジット(59)が、前記陽極側の前記セルの周囲において前記第2のインタコネクタ(5.2)を貫通しており、前記第2のインタコネクタ(5.2)を貫通している、空気または酸素を供給するためのコンジット(51)が、前記陰極(2.1)側の前記セルにおいて開き、前記第2のインタコネクタを貫通している、余分な空気または酸素を回収するためのコンジットが、空気または酸素を前記供給コンジットから前記回収コンジットへ均一に分配するように、前記陰極側の前記セルの周囲において開く、第1のデバイス(5.1)および第2のデバイス(5.2)と、
−前記個々のセルの周囲に配置されて、前記第1のインタコネクタおよび前記第2のインタコネクタの両方を担持する第1の電気的絶縁シール(61)と、
−前記個々のセルの前記陰極の周囲に配置されて、前記第2のインタコネクタと前記電解質の両方を担持する第2のシール(63)であって、ガラスベースおよび/またはガラスセラミックベースである第2のシール(63)と、
−前記インタコネクタを互いに組み立てるための機械的手段(11)であって、前記第1のシールを圧縮によってクランプするのに適している機械的手段(11)と、
−前記電極のうちの1つと前記インタコネクタのうちの1つの間に配置された少なくとも1つの電気接触要素(9、10)と、
−電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素を備え、前記第1のインタコネクタの内部でスライドするように取り付けられて、前記電気接触要素を圧縮するのに適切な圧縮ピストン(20)であって、燃料および前記モジュールの内部で生成された水の圧力が上昇するとき前記圧縮ピストンの圧縮力が調節され、前記圧縮ピストンを貫通する、燃料を供給するためのコンジット(50)が、供給された前記燃料および生成された前記水をそれぞれ、前記供給コンジットから前記回収コンジットへ均一に分配するように前記陽極(4.1)側の前記セルにおいて開く、圧縮ピストン(20)と、
−一端を前記圧縮ピストンに組み合わされ、他端を前記第1のインタコネクタに組み合わされた密封ベローズ(30)であって、前記燃料および前記モジュールの内部で生成された前記水の圧力を包含することと、前記圧縮ピストンの変位の方向に沿って変形することとの両方に適切な密封ベローズと、
を備える、モジュール。 - 前記第1のシールが、マイカ製のワッシャまたはリングから成るものである請求項1から3のいずれか一項に記載のモジュール。
- 好ましくは金属グリッド(9、10)である2つの電気接触要素を備え、1つが一方の前記陰極(2.1)と一方の前記インタコネクタ(5.1)の間にあり、もう1つが他方の前記電極(4.1)と他方の前記インタコネクタ(5.2)の間にある、請求項1から4のいずれか一項に記載のモジュール。
- 前記第1のインタコネクタおよび/または前記第2のインタコネクタが、前記第1のシール(61)と前記セル(C1)の間に形成された第1の溝(54)を備え、前記第1のインタコネクタの前記供給コンジット(50)が、供給された水蒸気および生成された水素あるいは供給された燃料および生成された水を、前記第1のインタコネクタの前記回収コンジットへ均一に分配するように、前記第1の溝(54)と連通している、請求項1から5のいずれか一項に記載のモジュール。
- 前記第2のインタコネクタ(5.2)が、前記第2のシール(63)によって境界を定められた領域の内部に形成された第2の溝(57)を備え、前記第2のインタコネクタの前記供給コンジット(51)が、生成された酸素または供給された空気を、前記第2のインタコネクタの前記回収コンジット(57)へ均一に分配するように、前記第2の溝(57)と連通している、請求項1から6のいずれか一項に記載のモジュール。
- −前記第1のインタコネクタおよび前記第2のインタコネクタには、それぞれ水蒸気または燃料を供給するための追加のコンジット(52、56)が貫通し、前記2つの追加の供給コンジットは、電気的絶縁性の接続管(T)を介して互いに接続され、前記第1のインタコネクタ(5.1)の前記追加の供給コンジット(52)が、前記モジュールの外部のパイプ(60)によって前記圧縮ピストン(20)を貫通する前記供給コンジット(50)に接続されており、
−前記第1のシール(61)の内部にある第3のシール(64)の内部に前記接続管(T)が収容されている、
請求項1から7のいずれか一項に記載のモジュール。 - 前記個々の電気化学セル(C1)、前記第1のインタコネクタ(5.1)および前記第2のインタコネクタ(5.2)、前記第1のシール(61)および前記第2のシール(63)、前記圧縮ピストン(20)および前記密封ベローズ(30)が、中心軸(X)のまわりに線対称の形であり、試薬ガス(水蒸気または燃料)を供給するための前記コンジット(50)および試薬ガス(空気または酸素などの排出ガス)を供給するための前記コンジット(51)が、前記中心軸(X)に沿って開く、請求項1から8のいずれか一項に記載のモジュール。
- 前記第1のインタコネクタおよび/または前記第2のインタコネクタおよび/または前記圧縮ピストンの金属部品が、およそ20%のクロムを含有しているフェライト鋼製であって、好ましくはCROFER(登録商標)22APUもしくはF18TNbで作製されており、またはInconel(登録商標)600もしくはHaynes(登録商標)230(登録商標)タイプのニッケルベースである、請求項1から9のいずれか一項に記載のモジュール。
- 前記密封ベローズが、およそ20%のクロムを含有しているフェライト鋼製であり、好ましくはInconel(登録商標)625またはHaynes(登録商標)230(登録商標)ベースである、請求項1から10のいずれか一項に記載のモジュール。
- 請求項1、2、および4から11のいずれか一項に記載のHTEまたは共電解の電気分解モジュール(M1)を動作させるためのプロセスであって、
−前記圧縮ピストン(20)の前記供給コンジット(50)には、水蒸気あるいは二酸化炭素および二酸化窒素から選択された別のガスと水蒸気の混合物が供給され、
−前記リアクタ内部の前記圧力が上昇するとき、前記圧縮ピストンによって前記電気接触要素に印加される前記圧縮力が調節され、
−水素あるいは水蒸気の電気分解または共電解によって生成された水素と窒素または一酸化炭素とが回収される、プロセス。 - 前記第2のインタコネクタ(5.2)の前記供給コンジット(51)に、空気などの排出ガスが供給され、供給される前記排出ガスの圧力が、前記水蒸気または前記水蒸気と他のガスの混合物の圧力と実質的に等しく、生成された前記酸素が回収される、請求項12に記載のプロセス。
- 請求項3から12のいずれか一項に記載のSOFC燃料電池モジュール(M1)を動作させるためのプロセスであって、
−前記圧縮ピストンの前記供給コンジットには水素またはメタンなどの燃料が供給され、
−前記第2のインタコネクタの前記供給コンジットには空気または酸素が供給され、供給される前記燃料の圧力および前記空気または酸素の圧力が、前記水素またはメタンの圧力と実質的に等しく、
−前記セルの内部の圧力が上昇するとき、前記圧縮ピストンによって前記電気接触要素に印加される前記圧縮力が調節され、
−余分な燃料、片側で生成された水および反対側の余分な空気または酸素が、それぞれの回収コンジットに回収される、プロセス。
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