JP2021500472A - Ｓｏｅｃ／ｓｏｆｃタイプ固体酸化物スタックおよび一体型ガス過熱システムを伴うクランプシステムを備えたアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明の主要主題は、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）およびスタック（２０）のためのクランプシステム（６０）を備えたアセンブリ（８０）である。アセンブリ（８０）はさらに、スタック（２０）の入口でガスを過熱するためのシステム（４０）を備え、システム（４０）は、クランプシステム（６０）の上部クランププレート（４５）と下部クランププレート（４６）のうち少なくとも一方の厚さに組み込まれた加熱プレート（６１）と、加熱対象ガスが流れる回路を備えた、ガスを過熱するための上部または下部エンドプレート（６５，４３，６６，４４）と、加熱対象ガス用の流入口（６２）を備えている。

Description

本発明は、一般的分野として高温電気分解（ＨＴＥ）に関し、特に、高温水蒸気電気分解（ＨＴＳＥ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）電気分解、または実際に、水と二酸化炭素（ＣＯ_２）との高温共電解（ＨＴＥ）に関する。

より具体的には、本発明は、頭文字ＳＯＥＣを用いて一般に示される固体酸化物形電解槽セルの分野に関する。

本発明は、頭文字ＳＯＦＣを用いて一般に示される固体酸化物燃料セルの分野にも関する。

従って、より一般的には、本発明は、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプの固体酸化物スタックに関する。

より具体的には、本発明は、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプの固体酸化物スタックと、一体型ガス過熱システムをスタックの入口側に備えるスタッククランプシステムを備えたアセンブリ、ならびにそのようなガス過熱システムの製造方法に関する。

ＳＯＥＣタイプの高温固体酸化物形電解槽セルの枠組みにおいて、同じ電気化学デバイス内で、電流によって水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を二水素（Ｈ_２）と二酸化物（Ｏ_２）に変換する、および／または二酸化炭素（ＣＯ_２）を一酸化炭素（ＣＯ）と二酸化物（Ｏ_２）に変換することが必要である。ＳＯＦＣタイプの高温固体酸化物燃料セルの枠組みでは、典型的に空気および天然ガス、すなわちメタン（ＣＨ_４）での二水素（Ｈ_２）と二酸化物（Ｏ_２）の供給を受けながら、操作を逆転させて電流と熱を生成する。簡略化のため、以下の説明では水の電気分解を実行するＳＯＥＣタイプの高温固体酸化物形電解槽セルの動作を優先する。しかしながら、この操作は、二酸化炭素（ＣＯ_２）の電気分解に、または実際に、水と二酸化炭素（ＣＯ_２）との高温共電解（ＨＴＥ）に適用可能である。さらに、この操作は、ＳＯＦＣタイプの高温固体酸化物燃料セルの場合にも置き換え可能である。

水の電気分解を実行するために、高温で、典型的には６００〜１０００℃の間で実行することが有利であるが、何故ならば、水蒸気を電気分解することは液体水よりも有利であり、また、反応に必要なエネルギーの一部は、電気よりも安価な熱によって供給され得るからである。

高温電気分解（ＨＴＥ）を実行するために、ＳＯＥＣタイプの高温固体酸化物形電解槽セルは、互いに積み重ねられたアノード／電解質／カソード層の３層からなる、固体酸化物形電解槽セル、または実際に、電気化学セルをそれぞれ含む基本ユニットのスタックと、双極のプレートまたはインタコネクタとしても知られる金属合金相互接続プレートから構成される。各電気化学セルは２つの相互接続プレートの間に締め付けられる。するとＳＯＥＣタイプの高温固体酸化物形電解槽セルは電気化学セルとインタコネクタの交互のスタックとなる。ＳＯＦＣタイプの高温固体酸化物燃料セルは、基本ユニットの同じタイプのスタックから構成される。この高温技術は可逆であり、同じスタックが電解モードで動作して水と電気から水素と酸素を生成することができ、または燃料セルモードで動作して水素と酸素から電気を生成できる。

各電気化学セルは、典型的にはセラミック多層アセンブリである電解質／電極アセンブリに対応し、電解質は中心的イオン伝導層から形成され、この層は固体、濃密且つ漏出防止性であり、２層の多孔層間に締め付けられて電極を形成している。付加的な層があってもよいが、それは、上記の１層以上の層を増強するように働くのみであることに留意すべきである。

電気的および流体的相互接続デバイスは、電気的見地からは、基本ユニットのスタック内の各電気化学基本ユニットセルの接続性を提供する電子伝導体であり、セルの一面とカソード間の電気的接触、および次のセルの他の面とアノードの間の電気的接触を確実にし、また、流体的見地からは、各セルの生成物を合成する。こうしてインタコネクタは電流供給および収集機能を実行して、分配および／または収集のためのガス循環区画を区切る。

より具体的には、インタコネクタの主要機能は、各セル近傍で電流の流れだけでなくガス循環も提供し（すなわち、注入蒸気、ＨＴＥ電気分解のための抽出水素および酸素、ＳＯＦＣセルのための水素注入および抽出水を含む空気および燃料）、隣接する２つのセル、すなわちセルのアノード側とカソード側のガス循環区画であるアノード区画とカソード区画を分離することである。

特に、ＳＯＥＣタイプの高温固体酸化物形電解槽セルに関して、カソード区画は電気化学反応から生成された水蒸気と水素を含み、アノード区画は、存在する場合は排ガスと、電気化学反応のもう１つの生成物である酸素を含む。ＳＯＦＣタイプ高温固体酸化物燃料セルの場合、アノード区画は燃料を含み、その一方でカソード区画は酸化剤を含む。

高温水蒸気電解（ＨＴＥ）を実行するために、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）がカソード区画に注入される。セルに印加される電流の影響下で、蒸気の形態の水分子は水素電極（カソード）と電解質との間の界面で分離され、この分離が二水素ガス（Ｈ_２）と酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。二水素（Ｈ_２）が回収され、水素区画出口で排気される。酸素イオン（Ｏ^２−）は電解質を通って移動して、電解質と酸素電極（アノード）との間の界面で二酸化物（Ｏ_２）に再結合する。空気等の排ガスは、アノードのレベルで循環してそれによってアノードでガス状に発生される酸素を集め得る。

固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）の操作を実行するために、セルのカソード区画に空気（酸素）が注入され、また、アノード区画に水素が注入される。空気からの酸素は、Ｏ^２−イオンに分離される。これらのイオンは電解質でカソードからアノードに移動して水素を酸化して水を生成し、同時に電気を発生させる。ＳＯＦＣセルにおいて、ＳＯＥＣ電気分解の場合と同様に、水蒸気は二水素（Ｈ_２）区画内にある。極性のみが反転する。

例として、図１は、ＳＯＥＣタイプの高温固体酸化物形電解槽セルの動作原理を示す模式図を表す。そのような電解槽の機能は、以下の電気化学反応に従って水蒸気を水素と酸素に変換する機能である。
２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２

この反応は、電解槽のセル内で電気化学的に起こる。図１に模式的に表すように、各基本電解セル１は、固体電解質３の各側に配置されたカソード２とアノード４から形成される。２つの電極（カソードおよびアノード）２および４は、多孔質材料製の電子および／またはイオン伝導体であり、電解質３は気密性であり、電子絶縁体およびイオン伝導性である。電解質３は特にアニオン伝導体であってよく、より具体的にはＯ^２−イオンのアニオン伝導体であってよく、その場合電解槽は、プロトン性電解質（Ｈ^＋）とは対照的にアニオン性電解槽と呼ばれる。

電気化学反応は、それぞれ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での半反応式は以下の通りである。
２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→２Ｈ_２＋２Ｏ^２−

アノード４での半反応式は以下の通りである。
２Ｏ^２−→Ｏ_２＋４ｅ⁻

２つの電極２と４の間に挿入された電解質３は、アノード４とカソード２の間に印加される電位差によって生じる電場の影響下でのＯ^２−イオンの移動場所である。

図１の括弧内で示すように、カソード入口側での水蒸気には水素Ｈ_２が付随し、出口で生成され回収される水素には水蒸気が付随していてよい。同様に、破線で示すように、空気等の排ガスをさらに入口に注入して、発生した酸素を排出してもよい。排ガスを注入することは、温度調整器として働くという付加的な機能を有する。

基本電解槽、または電気分解反応器は、カソード２と、電解質３とアノード４と、電気的、液圧的および熱的機能を実行する２つのインタコネクタを備えた上記のような基本セルから構成される。

幾つかの基本電解セルを相互に積み重ね、それらをインタコネクタで分離することによって、生成される水素と酸素流量を増加させ得ることが知られている。アセンブリは、電源と電解槽（電解リアクタ）へのガス供給をサポートする２つのエンド相互接続プレートの間に配置されている。

こうしてＳＯＥＣタイプの高温固体酸化物形電解槽セルは、少なくとも１つの電解セル、一般には互いに積み重ねられた複数の電解セルを備え、各基本セルは電解質とカソードとアノードで形成され、電解質はアノードとカソードの間に挿入されている。

上述したように、１つ以上の電極と電気的に接触している流体的および電気的相互接続デバイスは一般に電流供給および収集機能を実行し、１つ以上のガス循環区画を区切る。

このように、所謂カソード区画の機能は、電流および水蒸気の分配ならびに接触しているカソードでの水素の回収の機能である。

所謂アノード区画の機能は、電流分配ならびに、任意選択的に排ガスを用いて、接触しているアソードで生成される酸素の回収の機能である。

図２は、従来技術によるＳＯＥＣタイプの高温固体酸化物形電解槽セルの基本ユニットの分解図を示す。この電解槽セルは、インタコネクタ５で交互に積み重ねられた固体酸化物タイプ（ＳＯＥＣ）の複数の基本電解セルＣ１、Ｃ２を含む。各セルＣ１、Ｃ２はカソード２．１、２．２およびアノード（セルＣ２のアノード４．２のみを図示している）で構成され、その間に電解質が配置されている（セルＣ２の電解質３．２のみを図示している）。

インタコネクタ５は、インタコネクタ５と隣接するカソード２．１の間、およびインタコネクタ５と隣接するアノード４．２間の体積によってそれぞれ画定される、カソード区画５０とアノード区画５１の間の分離を提供する金属合金構成要素である。インタコネクタ５は、セルへのガス分配も実行する。各基本ユニットへの水蒸気の注入はカソード区画５０によって実行される。カソード２．１、２．２での生成される水素と残留水蒸気の収集は、セルＣ１、Ｃ２から下流のカソード区画５０で、それによる水蒸気の分離後に実行される。アノード４．２での生成された酸素の収集は、セルＣ１、Ｃ２から下流のアノード区画５１において、水蒸気がセルから分離した後に実行される。インタコネクタ５は、隣接する電極と直接的に接触することによって、すなわちアノード４．２とカソード２．１との間で、セルＣ１とＣ２との間に電流を提供する。

高温固体酸化物形電解槽セル（ＳＯＥＣ）の動作条件は固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）の動作条件と非常に類似しているので、同じ技術条件が適用可能である。

従って、高温で動作するそのようなＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックの正しい動作は本質的に、以下に列挙する点を満たすことが必要である。

第１に、２つの連続したインタコネクタ間に電気絶縁を施すことが必要であり、さもなければ、電気化学セルが短絡され、セルとインタコネクタ間の十分な電気的接触と十分な接触面積も必要である。セルとインタコネクタの間には可能な限り低いオーム抵抗が追求される。

さらに、アノード区画とカソード区画の間に緊密性が必要であり、そうでなければ、生成されるガスが再結合し、効率が低下し、またとりわけ、スタックに損傷を与えるホットスポットが生じる。

最後に、入口および生成物回収点両方で十分なガス分布を有することが不可欠であり、そうでなければ、効率の損失、異なる基本ユニットでの圧力および温度の非均一性、または電気化学セルに対する許容できない損傷がある。

高温で動作する高温電解槽セル（ＳＯＥＣ）または燃料セル（ＳＯＦＣ）スタックでのガスの流入および流出は、図３を参照して図示するような適切な加熱炉の装置によって管理されてよい。

従って加熱炉１０は、低温部ＰＦと高温部ＰＣを含み、高温部ＰＣは加熱炉炉床１１と、ガスの注入と排出および高温電解槽セル（ＳＯＥＣ）または燃料セル（ＳＯＦＣ）スタック２０を管理するループ状管１２を備えている。

従来、高温電解槽セル（ＳＯＥＣ）または燃料セル（ＳＯＦＣ）スタックにおいて、導入されたガスの過熱を実行するための２つの主な技法がある。

先ず、図３のループ状管１２で模式的に表すように、高温部ＰＣにおいて加熱炉１０の加熱抵抗器の隣に巻かれる長さの管を使用することが可能である。これがシステムで想定されている場合、ガスは、事前に交換器出口で約５００℃の温度にされていることになる。すると、この、またはこれらのガス過熱管（複数可）１２は、スタック２０に導入される前に、スタック２０と加熱炉１０の抵抗器の熱放射によって約３００℃以上を得ることを可能にする。

さらに、図４に示すような電気ヒータ３０にガスを通すことも知られている。そのような電気ヒータ３０は、鋼製の慣性質量３１と、加熱抵抗器３２と、慣性質量３１に巻かれたガスダクト３３を備えた嵩高いアセンブリに類似している。図４では、流入ガスＧＥと流出ガスＧＳも表されている。これらの電気ヒータ３０は、流出ガスＧＳをスタック２０に導入する前に流入ガスＧＥを２０℃から、約８００℃の温度に上げる働きをする。

上記のこれら２つの主要技法の正しい動作は、アセンブリの正しい動作を確実にするためにスタック２０の入口での非常に厳密な温度を必要とする。

従って、交換器にガスを通した後で加熱炉抵抗器からの放射を回収してガスをスタック入口での正しい温度に上昇させるこの第１の技法は、約３ｍの長さの巻線を形成することを必要とし、それは、管が狭い空間内で正しい位置に達することを確実にするために作られる屈曲に複雑さを付加するとともに、それが加熱炉のサイズをかなり増加させるという欠点をもたらす。従って、厳密さが必要となり、典型的に３１６Ｌステンレス鋼またはインコネル６００の直径１０／１２の管が非常に剛性であるため、実装は複雑となる。その上、ガス過熱ループの作製はかなりの空間を占め、電流供給、熱電対通路および電解槽の排出管に干渉することは避けられず、それは、多くの場合、これらのラインが加熱炉内の空間の欠如によって短化することにつながる。さらに、これらのループの接続の解体は破壊的であるため、新たなスタック毎に同じ屈曲加工を繰り返すことが必要である。

通例は、スタック２０の入口で正しい温度を得るために、また、管１２の約１０ｍｍの内径に関して、導入ガスラインにつき約３ｍの展開した長さが必要であり、ガスは典型的にＨ_２ＯとＮ_２Ｏ_２であって、流量は５〜１５Ｎｍ^３／ｓである。約３００℃の温度を得ることを可能にするこの約３ｍの長さは、高温電解槽セル（ＳＯＥＣ）でも燃料セル（ＳＯＦＣ）スタックモードでも同様にうまく働き、スタック入口での正しい温度を確実にする。

さらに、３１６Ｌステンレス鋼が使用された場合に酸化による汚染を防止するために、これらのガスラインへのアルミナ付着による高費用で時間がかかる処理を実行することが必要である。これらの粒子（クロミウム、バナジウム等）はこのセルに結合することがあり、よってＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックのパフォーマンスを低下させる。

さらに、第２の技法はガス入口毎に過熱器３０が必要である。しかしながら、これらはかなりの空間を占める嵩高いアセンブリであり、その一方でトレンドはますます小型システムに向かっている。従って、ガス入口の数と同じだけの電気式過熱器があり、それは、加熱炉に周辺素子を統合するという状況では、深刻な問題を課す。従って、この電気ヒータ３０のガス出口をスタック入口に可能な限り近づけて配置して加熱アーム毎のラインのトレーシングを防止する必要がある。

本発明は、上記のニーズと、従来技術の実施形態に関連する欠点を少なくとも部分的に改善することを目的とする。

本発明は特に、高温電解槽セル（ＳＯＥＣ）または燃料セル（ＳＯＦＣ）スタックの一体型スタック／ガス過熱システムアセンブリの設計の実現に関し、より詳細には、スタックの正にコアの部分の、高温部に、厚さを追加せずに小型のスタック導入ガス過熱システムを実現することに関する。このシステムは従って、仏国特許出願公開第３０４５２１５号に記載のようなプラグアンドプレイ（ＰｎＰ）タイプの特徴を有するスタックに一体化されるのに適していなければならない。

従って本発明は、その態様のうち１つにより、以下を含むアセンブリに関する。
−カソード、アノードおよびカソードとアノードの間に挿入された電解質からそれぞれ形成される複数の電気化学セルと、２つの隣接する電気化学セルの間にそれぞれ配置された複数の中間インタコネクタと、
−間に複数の電気化学セルと複数の中間インタコネクタが締め付けられる上部エンドプレートと下部エンドプレートと、
−を備えた、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックと、
−間にＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックが締め付けられる上部クランププレートと下部クランププレートを含む、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックを締め付けるためのシステムと、さらに、
−加熱対象のガスを加熱するのに適した、上部クランププレートと下部クランププレートのうち少なくとも一方の厚さに組み込まれた少なくとも１つの加熱プレートと、
−上部クランププレートとＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックの間に配置された少なくとも１つの上部ガス過熱エンドプレート、および／または、下部クランププレートとＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックの間に配置された下部ガス過熱エンドプレートであって、各ガス過熱エンドプレートは、加熱対象ガスが到来する第１の端部から、加熱済ガスがスタックの方に排出される第２の端部へのガス循環回路を含む、
−ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックの導入されたガスの過熱のためのシステムと、
−ガス過熱エンドプレートの第１の端部と連通する、加熱対象ガスの少なくとも１つの流入口を含み、その結果、前記少なくとも１つの流入口に流入する加熱対象ガスの流れが、ガス循環システム内で第１の端部から第２の端部へと循環して、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックの入口に達することを特徴とする。

本発明により、ガスライン毎に加熱炉のチャンバ内でほぼ２メートルまたは３．６メートルになり得る屈曲管に対比して、革新的かつコンパクトな幾何形状によって、上記で第１のガス過熱技法に関して説明したように実装が複雑である管状巻線を無くすることが可能である。従って、寸法に関する大きな利得が得られる。追加される付加的な部品がないため、これはスタックへの一体化となる。

さらに、従来技術の第１の技法による管状ループシステムは再生できないが、本発明による過熱システムはスタックの一部であるため、新たなスタック毎の管状巻線の繰り返しを避けることが可能である。

本発明による過熱システムは有利に他のスタックに再使用され得る。

さらに、本発明による過熱システムの出口に熱電対を配置して、スタックへのガス流入温度を高精度で確保することが容易であり得るが、その一方で、従来技術による管では、これは、空間の欠如と巻線の湾曲した幾何形状によって、より複雑となる。

さらに、本発明による過熱システムにおけるガスの流路は、ヘッドロスを押さえながら流入ガスの流れにおける十分な連続性を可能にする正弦曲線状幾何形状によって促進される。

さらに、アルミナ付着処理は、クロムおよび他の元素の蒸発による汚染を防止するために、過熱システムに入ってからのみ実行される。

本発明による過熱システムはさらに、単独で、または任意の技術的に可能な組み合わせによって採択される以下の特徴のうち１つ以上を含んでよい。

好ましくは、前記少なくとも１つの加熱プレートは抵抗器を含む。その場合電流は、抵抗器内で循環してジュール効果によって抵抗器を加熱する。熱は、電流の強さを変化させることによって調整され得る。熱および電流調整のためにサーモスタットを使用して、温度を目標に近く維持してもよい。

抵抗器は特に、ニッケルクロム合金製であってよく、それは非常に特別に高抵抗である。抵抗器は螺旋形状を有してよい。

こうして、前記少なくとも１つの加熱プレートは、抵抗器が一体化された支持プレートを含んでよい。従って、支持プレートと、支持プレートに一体化された抵抗器によって形成されるこのアセンブリは、上部クランププレートと下部クランププレートのうち少なくとも一方の厚さに組み込まれた加熱プレートに対応する。支持プレート上の抵抗器の空洞は機械加工によって作製され得る。抵抗器からの熱が支持プレートに伝導される。この支持プレートは例えば、鋳鉄または種々の他の材料で製造されてよい。

代替的に、前記少なくとも１つの加熱プレートは、上部クランププレートと下部クランププレートのうち少なくとも一方の厚さに組み込まれた抵抗器から構成されてよい。言い換えると、先行の構成とは異なって、前記少なくとも１つの加熱プレートは、抵抗器が一体化された支持プレートをなくして、抵抗器のみで構成されてもよい。この場合、クランププレートへの抵抗器の形態の加熱プレートの一体化は、ろう付けによって実行されてよい。関連するクランププレート（複数可）は例えば、３１０Ｓステンレス鋼タイプ合金で製造されてよい。その場合、クランププレートの材料は抵抗器からの熱を吸収してその熱を、周囲の物体に拡散する。

さらに代替的に、抵抗器の代わりに、前記少なくとも１つの加熱プレートは、クランププレートに一体化された支持プレートの１つ以上のオリフィスか、または、支持プレートを用いずにクランププレート内に形成された１つ以上のオリフィスに挿入された１つ以上の加熱カートリッジを含んでもよい。その設置を促進するために、これらの加熱カートリッジは、その公称直径よりも少し小さいサイズを有する。

さらに、下部クランププレートおよび／または上部クランププレート（複数可）は、高温に対する高い耐性を有するオーステナイト系クロム・ニッケルステンレス鋼、特にＡＩＳＩ３１０タイプオーステナイト系鋼で製造されてよい。さらに代替的に、酸化と高温に対する十分な耐性を有するニッケル−クロム合金、特にインコネル６００タイプで製造されてよい。

ガス循環回路は好ましくは、第１の端部から第２の端部へと正弦曲線状またはコイル形状に延在してよく、正弦波の振幅は任意選択的に一定している。代替的に、他の形状も可能である。

本発明の第１の実施形態によれば、前記少なくとも１つの上部ガス過熱エンドプレートおよび／または前記少なくとも１つの下部ガス過熱エンドプレートはそれぞれ、上部クランププレートと上部エンドプレートの間、および下部クランププレートと下部エンドプレートの間に配置されている。

特に、ガス過熱エンドプレート（複数可）は、特にマイカ製である２つの電気絶縁プレートの間に配置されてよい。

本発明の第２の実施形態によれば、前記少なくとも１つの上部ガス過熱エンドプレートおよび／または前記少なくとも１つの下部ガス過熱エンドプレートはそれぞれ、加熱対象ガスが到来する第１の端部から、加熱済みガスがスタックへと排出される第２の端部へのガス循環回路を含む上部エンドプレートと下部エンドプレートによって形成されてよい。

その場合各ガス過熱システムは、ガス循環回路を閉じるために、少なくとも１つの閉鎖プレート、特に、上部ガス過熱エンドプレートおよび／または下部ガス過熱エンドプレートの各側に２つの閉鎖プレートを含んでよい。

好ましくは、前記少なくとも１つの閉鎖プレートは上部ガス過熱エンドプレートおよび／または下部ガス過熱エンドプレートと同じ金属で製造されてよいが、使用される金属は異なっていてもよい。

例えば、前記少なくとも１つの閉鎖プレートおよび／または上部ガス過熱エンドプレートおよび／または下部ガス過熱エンドプレートは、とりわけ、例えばＣｒｏｆｅｒ（登録商標）２２ＡＰＵタイプ合金、インコネル６００鋼、３１０Ｓステンレス鋼等、鉄クロム合金製であってよい。前記少なくとも１つの閉鎖プレートが例えば３１０Ｓステンレス鋼製である、上部ガス過熱エンドプレートおよび／または下部ガス過熱エンドプレートがインコネル６００製であってもよい。

さらに、上部ガス過熱エンドプレートおよび／または下部ガス過熱エンドプレートは付加製造によって製造されてよい。この場合、前記少なくとも１つの閉鎖プレートは存在しなくてもよい。

さらに、ガス過熱システムは、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック出口側でガスを回収するための少なくとも１つの出口をさらに含んでもよい。

さらに、クランプシステムの各クランププレートは少なくとも１つのクランプオリフィスを含んでもよく、クランプシステムはさらに以下を含む：
−上部クランププレートのクランプオリフィスを通り、下部クランププレートの対応するクランプオリフィスを通って延出して、上部クランププレートと下部クランププレートの互いに対する組み付けを可能にすることを意図した少なくとも１つのクランプロッド、
−前記少なくとも１つのクランプロッドと係合して、上部クランププレートと下部クランププレートの互いに対する組み付けを可能にすることを意図した、上部クランププレートと下部クランププレートの各クランプオリフィスのレベルにあるクランプ手段、
−任意選択的に、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックと、上部クランププレートと下部クランププレートのうち少なくとも一方との間に配置されることが意図された少なくとも１つの電気絶縁プレート。

さらに、本発明は、さらに別の態様によれば、上記に定義されたアセンブリのＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックの入口でガスを過熱するための少なくとも１つのシステムの製造方法にも関し、方法は、下部ガス過熱エンドプレートおよび／または上部ガス過熱エンドプレートを機械加工してガス循環回路を形成するステップを含むことを特徴とする。

方法はさらに、透明レーザ溶接方法によって、１つの閉鎖プレートを下部ガス過熱エンドプレートおよび／または上部ガス過熱エンドプレートの循環回路上に取り付ける、特に、２つの閉鎖プレートを、下部ガス過熱エンドプレートおよび／または上部ガス過熱エンドプレートの各側に取り付けることからなるステップを含んでよい。

本発明によるアセンブリおよび製造方法は、単独で、または他の特徴との任意の技術的に可能な組み合わせによって採択される特徴のうち１つ以上を含んでよい。

本発明は、その非限定的な実施例の以下の詳細な説明を読み、また添付図面の模式図および部分図を検討すればより明確に理解されよう。

高温固体酸化物形電解槽セル（ＳＯＥＣ）の動作原理を示す模式図である。 従来技術によるインタコネクタを備えた高温固体酸化物形電解槽セル（ＳＯＥＣ）の一部の立体分解模式図である。 高温電解槽セル（ＳＯＥＣ）または高温で動作する燃料セル（ＳＯＦＣ）スタックが上に配置された加熱炉の構造の原理を示す図である。 従来技術による電気式ガスヒータの原理を示す図である。 ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックおよびそれぞれ上部位置と下部位置にさらに２つのガス過熱システムを備え、各システムのガス過熱エンドプレートがスタックエンドプレートとクランププレートの間に設置されているスタッククランプシステムを備えた、本発明によるアセンブリの第１の例の斜視図である。 ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタックおよびそれぞれ上部位置と下部位置にさらに２つのガス過熱システムを備え、各システムのガス過熱エンドプレートがスタックエンドプレート設計に一体化されているスタッククランプシステムを備えた、本発明によるアセンブリの第２の例の斜視図である。 スタックが存在しない、図６のアセンブリの第２の例の部分斜視断面図である。 スタックが存在しない、図６のアセンブリの第２の例の部分斜視断面図である。 任意選択的に、図５の例のスタックエンドプレートと別個である、または、図６の例のスタックエンドプレートと一体化されている、本発明によるアセンブリのガス過熱エンドプレートの一例の斜視図である。 レーザ溶接によって取り付けられた閉鎖プレートが存在する図９のガス過熱エンドプレートを表す図である。

これらの図を通して、同じ参照符号は同じまたは同等の要素を示す。

さらに、図をより判別しやすくするために、図面に示された異なる部分は、必ずしも統一された縮尺であるとは限らない。

図１乃至４については、上記で、関連技術の技術水準と本発明の技術的状況に関する部分で既に説明した。図１および２に関して、水蒸気Ｈ_２Ｏの供給、二水素Ｈ_２、酸素Ｏ_２、空気および電流の分配および回収に関する記号と矢印は、表示されるデバイスの動作を説明するために明瞭性且つ正確性を期して示されていることを明記しておく。

さらに、所与の電気化学セルの全ての構成要素（アノード／電解質／カソード）は好ましくはセラミックであることにも留意されたい。さらに、高温ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプスタックの動作温度は典型的には６００〜１０００℃の間である。

さらに、本明細書では、任意選択的用語「上部」および「下部」は、その使用の構成においてＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプスタックの正常な配向を指すと理解されるものとする。

図５を参照すると、本発明によるＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック２０と、それぞれ上部位置と下部位置にある２つのガス過熱システム４０をさらに備え、各システムのガス過熱エンドプレート６５，６６が、スタックエンドプレート４３，４４とクランププレート４５，４６の間に設置されているクランプシステム６０を備えたアセンブリ８０の第１の例が示されている。

さらに、図６，７および８を参照すると、本発明によるＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック２０と、それぞれ上部位置と下部位置にある２つのガス過熱システム４０をさらに備え、スタックエンドプレート４３，４４に対応するガス過熱エンドプレート４３，４４を伴うクランプシステム６０を備えたアセンブリ８０の第２の例が示されている。

言い換えると、従って、本発明をこれらの２つの実施形態に従って実装することが可能であり、第１の実施形態では、ガス過熱エンドプレート６５，６６がクランププレート４５，４６とスタックエンドプレート４３，４４の間に圧設され、第２の実施形態では、ガス過熱エンドプレートがスタックエンドプレート４３，４４に直接対応し、ガス循環回路、単チャネル回路が、このスタックエンドプレート４３，４４に一体化されている。

各過熱システム４０は、図３を参照して上記で説明したように、加熱炉１０に関連付けられたＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプスタック２０の入口でガスを加熱することを可能にする。

加熱炉１０の領域での種々の熱伝達モードのなかでも、これらの温度レベル、すなわち６５０〜８００℃での支配的なモードは、放射による輻射熱交換に対応する。次に他の伝達モードは熱伝導であり、これは、より少ない外部熱損失をもたらすという利点を有するため、本発明によって使用される。これは、感知できる材料変位なく接触している同じ媒体の２つの領域間の温度差、または２つの媒体間の温度差によって誘起される熱伝達モードからなる。以下に説明するような、過熱システム４０での加熱プレート６１の使用は、熱伝達を回復してガスを正しい温度に上昇させることを可能にする。従って、ガス循環回路内で循環しているガスは、熱伝導によって加熱プレート６１によって加熱される。

有利には、本発明によるアセンブリ８０は、本発明ではガス過熱システムが存在する、すなわちスタック２０がプラグアンドプレイ（ＰｎＰ）機構を有するということ以外は、仏国特許ＦＲ３０４５２１５Ａ１号に記載されるアセンブリと同様の構造を有する。

さらに、図５乃至８でわかるように本発明の両方の実施形態に共通な態様で、各アセンブリ８０は、高温で動作しているＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック２０を含む。

このスタック２０は、それぞれカソード、アノードおよびカソードとアノードの間に挿入された電解質から形成される複数の電気化学セル４１と、２つの隣接する電気化学セル４１の間にそれぞれ配置された複数の中間インタコネクタ４２を備え、この電気化学セル４１および中間インタコネクタ４２のアセンブリは「スタック」とも呼ばれてよい。

さらに、スタック２０は、それぞれ上部スタックエンドプレート４３と下部スタックエンドプレート４４とも呼ばれる上部エンドプレート４３と下部エンドプレート４４を含み、それらの間に複数の電気化学セル４１と複数の中間インタコネクタ４２が締め付けられる、すなわち、それらの間にスタックが配置される。

さらに、アセンブリ８０は、その間にＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック２０が締め付けられる上部クランププレート４５と下部クランププレート４６を含むＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック２０を締め付けるためのシステム６０も含む。

クランプシステム６０の各クランププレート４５，４６は４つのクランプオリフィス５４を含む。

さらに、クランプシステム６０は、上部クランププレート４５のクランプオリフィス５４を通り、下部クランププレート４６の対応するクランプオリフィス５４を通って延在して上部クランププレート４５と下部クランププレート４６の互いに対する組み付けを可能にする４つのクランプロッド５５を含む。

クランプシステム６０はさらに、上部クランププレート４５と下部クランププレート４６の各クランプオリフィス５４のレベルに、クランプロッド５５と係合して上部クランププレート４５と下部クランププレート４６の互いに対する組み付けを可能にするクランプ手段５６，５７，５８を含む。

より具体的には、クランプ手段は、上部クランププレート４５の各クランプオリフィス５４のレベルに、クランプオリフィス５４を通して挿入される対応するクランプロッド５５と係合する第１のクランプナット５６を含む。さらに、クランプ手段は、下部クランププレート４６の各クランプオリフィス５４のレベルに、クランプオリフィス５４を通して挿入される対応するクランプロッド５５と係合する第２のクランプナット５７を、クランプワッシャー５８と結合して含む。クランプワッシャー５８は、第２のクランプナット５７と下部クランププレート４６の間に配置されている。

さらに、本発明により、アセンブリ８０は、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック２０の入口に上部ガスＧＳ過熱システム４０と下部ガスＧＳ過熱システムをさらに含む。

各上部または下部過熱システム４０は、加熱対象ガスＧＥの加熱を可能にするために、上部クランププレート４５または下部クランププレート４６の厚さに一体化された加熱プレート６１を含む。

さらに、各上部または下部過熱システム４０は上部または下部ガス過熱エンドプレートを含む。上部ガス過熱エンドプレート６５，４３は上部クランププレート４５とＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック２０の間に配置され、下部ガス過熱プレート６６，４４は下部クランププレート４６とＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック２０の間に配置されている。

より具体的には、図５を参照すると、第１の実施形態は、ガス過熱エンドプレート６５，６６がスタックエンドプレート４３，４４から独立していると想定している。

従って、上部ガス過熱エンドプレート６５は上部エンドプレート４５と上部スタックエンドプレート４３の間に配置されている。同様に、下部ガス過熱エンドプレート６６は下部クランププレート４６と下部スタックエンドプレート４４の間に配置されている。

各ガス過熱エンドプレート６５，６６がマイカ製の２つの電気絶縁プレート５９の間に設置されていると有利である。これらの電気絶縁プレート５９は電気絶縁シムとして働く。それがないと、クランプシステムは好ましくは金属製であるため、スタック２０の頂部と底部の間に一般に短絡を引き起こし得る。

他方で、図６乃至８を参照すると、第２の実施形態は、ガス過熱エンドプレートがスタックエンドプレート４３，４４に対応すると想定している。言い換えると、ガス循環回路Ｃは通常のスタックエンドプレート４３，４４に形成されている。

このタイプのスタックエンドプレート４３，４４は従来２つの機能を有する。第一の機能は、スタックを挟持する機能であり、第二の機能は、スタック入口／出口ならびに熱伝対を、特に下部スタックエンドプレート４４のレベルに受容する機能である。

このように、本発明の第２の実施形態は、このガス過熱プレートを、スタック入口で用いる機能を追加している。

各スタックエンドプレート４３，４４および／または各ガス過熱エンドプレート６５，６６は、例えば、Ｃｒｏｆｅｒ（登録商標）２２ＡＰＵ等の高温フェライト系ステンレス鋼製であり得る。

それぞれ図５による、および図６乃至８による２つの実施形態において、上部ガス過熱エンドプレート４３または６５は下部ガス過熱エンドプレート４４または６６と同じである。しかしながら、それは別様であってもよい。プレートの幾何形状は需要に応じて修正されてもよいが、それらの動作原理は変わらない。

このように、図８および図９で特にわかるように、加熱対象ガスＧＥは流入口６２に入ってガス過熱エンドプレート６５，４３の単チャネルガス循環回路Ｃの第１の端部Ｐ１に達する。図９は上部ガス過熱エンドプレート６５または４３を表しているが、原理は下部ガス過熱エンドプレート６６または４４と同じである。

第１の端部Ｐ１のレベルに達すると、ガスは、図９に示すように、矢印Ｆに従って、第２の端部Ｐ２に達するまで正弦曲線またはコイルの経路で循環回路Ｃを辿り、第２の端部Ｐ２で、加熱プレート６１によって加熱されたガスＧＳが、スタック２０に排出される。ガスが移動する総長さは循環回路Ｃ内にある、言い換えると、第１の端部Ｐ１と第２の端部Ｐ２の間の長さは例えば２ｍ程度である。例として、この構成に関して計算されるヘッドロスは、２ｍの長さにわたり５ｍｍ×５ｍｍのチャネルに関して８１ミリバール程度である。

通例は、ガス循環回路の長さ、すなわち、第１の端部Ｐ１と第２の端部Ｐ２の間に循環回路Ｃが通る総長さは、その内部で循環するガスの性質と速度、ならびに管の内部温度に従って決まり得る。この長さは例えば、説明される実施形態に拘らず一般に２ｍから３ｍの間であってよい。

循環回路Ｃの全体形状、すなわち、循環回路Ｃが収容されている筐体の全体形状は任意のタイプであってよく、例えば、正方形、円形または実際に、図９の例の場合のように長方形であってよく、その場合、上部ガス過熱エンドプレート４３または６５も長方形の形状である。

循環回路Ｃは、所望の幾何形状を得るために数値制御ミルまたは任意の他の適切な機械加工システムによる機械加工によって得られてよい。いずれにせよ、循環回路Ｃを形成する単チャネルの断面およびその長さは、ヘッドロスを最小にしながらガスを正しく過熱するために最適化されなければならない。

さらに、図８および９に示すように、各ガスＧＳ過熱システム４０は、対応するガス過熱エンドプレートを介した、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック２０の出口でのガス回収出口ＴＳを含む。

さらに、図５の例による本発明の第１の実施形態において、マイカ製の２つの電気絶縁プレート１９が、すなわち上部および下部スタックエンドプレートのチャネルを閉じるためのプレートと、電気絶縁のための別のプレートが、各ガス過熱エンドプレート６５および６６の各側に配置されているため、上部ガス過熱エンドプレート６５と下部ガス過熱エンドプレート６６の閉鎖具は必要ない。

電気絶縁プレート１９のマイカは伝統的に、電気的または熱的絶縁体として使用されている。熱絶縁プレート１９は好ましくは、特に０．８ｍｍ程度のマイカの薄い層を有してよい。この場合、マイカは、熱伝達バリアを形成するため以外は、スタックを電気的に絶縁することを可能にし得る。

他方で、図６乃至８の例による本発明の第２の実施形態において、各過熱システム４０は、図１０でわかるように循環回路Ｃを閉じるために、少なくとも１つの閉鎖プレート４８、特に、ガス過熱エンドプレート４３または４４の各側に２つの閉鎖プレート４８を含む。

閉鎖プレート（複数可）４８は好ましくは透明レーザ溶接によって取り付けられる。レーザ溶接技法は、レーザ技術の特性を用いて金属を溶接するために使用され、レーザビームの高エネルギー密度と適合性により、標的区域は溶け始め、次に冷却によって急速に溶接される。これが、縮減された表面積への強力な溶接をもたらす。

図１０に示すように、透明レーザ溶接は好ましくは輪郭Ｃｔまたはレーザシールラインを、図示のように辿って、ガスが全経路を辿るようにすべきである。

図６乃至８のこの例において、電気絶縁プレートは極性を設定するべく想定されてもよい。

明らかに、本発明は上記で説明した実施例に限定されない。当業者によって本発明に種々の修正がなされてよい。

２０ ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック
４０ ガス過熱システム
４１ 電気化学セル
４２ 中間インタコネクタ
４３、６５ 上部エンドプレート
４４、６６ 下部エンドプレート
４５ 上部クランププレート
４６ 下部クランププレート
４８ 閉鎖プレート
５４ クランプオリフィス
５５ クランプロッド
５６，５７，５８ クランプ手段
５９ 電気絶縁プレート
６０ クランプシステム
６１ 加熱プレート
６２ 流入口
８０ アセンブリ

Claims (10)

1. アセンブリ（８０）であって、
   −高温で動作しているＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）を備え、前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）が、
   −カソード、アノードおよび前記カソードと前記アノードの間に挿入された電解質からそれぞれ形成された複数の電気化学セル（４１）と、２つの隣接する電気化学セル（４１）の間にそれぞれ配置されている複数の中間インタコネクタ（４２）と、
   −間に前記複数の電気化学セル（４１）と前記複数の中間インタコネクタ（４２）が締め付けられる上部エンドプレート（４３）および下部エンドプレート（４４）を備えており、
   −間に前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）が締め付けられる上部クランププレート（４５）と下部クランププレート（４６）を含む、前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）を締め付けるためのクランプシステム（６０）とを備え、さらに、
   −前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）の入口でガス（ＧＳ）を過熱するためのガス過熱システム（４０）を備えることを特徴とし、前記ガス過熱システム（４０）がさらに、
   −加熱対象ガス（ＧＥ）を加熱するのに適した、前記上部クランププレート（４５）および前記下部クランププレート（４６）のうち少なくとも１つの厚さ内に組み込まれた少なくとも１つの加熱プレート（６１）と、
   −前記上部クランププレート（４５）と前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）の間に配置された少なくとも１つの上部ガス過熱エンドプレート（６５，４３）および／または前記下部クランププレート（４６）と前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）の間に配置された下部ガス過熱エンドプレート（６６，４４）を含み、前記各ガス過熱エンドプレート（６５，４３，６６，４４）が、前記加熱対象ガス（ＧＥ）が到来する第１の端部（Ｐ１）から、加熱済みガス（ＧＳ）が前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）のほうに排出される第２の端部（Ｐ２）へのガス循環回路（Ｃ）を含み、さらに、
   −前記ガス過熱エンドプレート（６５，４３，６６，４４）の前記第１の端部（Ｐ１）と連通する、前記加熱対象ガス（ＧＥ）の少なくとも１つの流入口（６２）を備え、その結果、前記少なくとも１つの流入口（６２）に流入する前記加熱対象ガス（ＧＥ）の流れが、前記ガス循環回路（Ｃ）内で、前記第１の端部（Ｐ１）から前記第２の端部（Ｐ２）へと循環して、前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）の入口に達する、アセンブリ。
2. 前記ガス循環回路（Ｃ）は前記第１の端部（Ｐ１）から前記第２の端部（Ｐ２）へと、正弦曲線形状に延在する、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記少なくとも１つの上部ガス過熱エンドプレート（６５）および／または前記少なくとも１つの下部ガス過熱エンドプレート（６６）はそれぞれ、前記上部クランププレート（４５）と前記上部エンドプレート（４３）の間、および前記下部クランププレート（４６）と前記下部エンドプレート（４４）の間に配置されている、請求項１または２に記載のアセンブリ。
4. 前記ガス過熱エンドプレート（複数可）（６５，６６）は、特にマイカ製の２つの電気絶縁プレート（５９）間に配置されている、請求項３に記載のアセンブリ。
5. 前記少なくとも１つの上部ガス過熱エンドプレート（４３）および／または前記少なくとも１つの下部ガス過熱エンドプレート（４４）はそれぞれ、前記加熱対象ガス（ＧＥ）が到来する前記第１の端部（Ｐ１）から、前記加熱済みガス（ＧＳ）が前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）へと排出される前記第２の端部（Ｐ２）への前記ガス循環回路（Ｃ）を含む前記上部エンドプレート（４３）および前記下部エンドプレート（４４）によって形成される、請求項１または２に記載のアセンブリ。
6. 前記各ガス過熱システム（４０）が、前記ガス循環回路（Ｃ）を閉じるために、少なくとも１つの閉鎖プレート（４８）、特に、前記上部ガス過熱エンドプレート（４３）および／または前記下部ガス過熱エンドプレート（４４）の各側に２つの閉鎖プレート（４８）を含む、請求項５に記載のアセンブリ。
7. 前記ガス過熱システム（４０）がさらに、前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）の出口でガスを受容するための少なくとも１つの出口（ＴＳ）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
8. 前記クランプシステム（６０）の各クランププレート（４５，４６）が少なくとも１つのクランプオリフィス（５４）を含み、前記クランプシステム（６０）がさらに、
   −前記上部クランププレート（４５）のクランプオリフィス（５４）を通り、前記下部クランププレート（４６）の対応するクランプオリフィス（５４）を通って延出して、前記上部クランププレート（４５）と前記下部クランププレート（４６）の互いに対する組み付けを可能にすることを意図した少なくとも１つのクランプロッド（５５）と、
   −前記少なくとも１つのクランプロッド（５５）と係合して、前記上部クランププレート（４５）と前記下部クランププレート（４６）の互いに対する組み付けを可能にすることを意図した前記上部クランププレート（４５）および前記下部クランププレート（４６）の前記各クランプオリフィス（５４）のレベルにあるクランプ手段（５６，５７，５８）と、
   −任意選択的に、前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）と、前記上部クランププレート（４５）と前記下部クランププレート（４６）のうち少なくとも一方との間に配置されることが意図された少なくとも１つの電気絶縁プレート（１９）と、
   を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のアセンブリ（８０）のＳＯＥＣ／ＳＯＦＣタイプ固体酸化物スタック（２０）の入口でガス（ＧＳ）を過熱するための少なくとも１つのガス過熱システム（４０）の製造方法であって、下部ガス過熱エンドプレート（４４，６６）および／または上部ガス過熱エンドプレート（４３，６５）を機械加工してガス循環回路（Ｃ）を形成するステップを含む、方法。
10. 前記方法がさらに、透明レーザ溶接方法によって、１つの閉鎖プレート（４８）を前記下部ガス過熱エンドプレート（４４，６６）および／または前記上部ガス過熱エンドプレート（４３，６５）の前記ガス循環回路（Ｃ）上に取り付ける、特に、２つの閉鎖プレート（４８）を、前記下部ガス過熱エンドプレート（４４，６６）および／または前記上部ガス過熱エンドプレート（４３，６５）の各側に取り付けることからなるステップを含む、請求項９に記載の方法。

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