JP2022548921A - Ｓｏｅｃ／ｓｏｆｃ型の固体酸化物積層体及び高温封止連結システムを備える組立体 - Google Patents

Abstract

本発明の主な目的は、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック及びパックを締結するためのシステムを有する組立体（８０）である。この組立体（８０）は、高温で気密な連結システム（９０）をさらに有し、この連結システムは、管体（１０３）が通過するための第１貫通内側パイプ（９１ａ）を有する締結基部（９１）と、このパイプ内に位置して第２貫通内側パイプ（９２ｉ）を備える支持基部（９２）と、Ｃ字状を有しかつ支持基部（９２）の第１端部に当接して位置する封止体（９３）と、を有する。締結プレート（４５、４６）のうちの一方は、ガス（Ｇ）を通過させるための貫通パイプ（１０２）を有し、この貫通パイプは、封止体（９３）のための支持面（１０２ａ）と、締結基部（９１）のネジ山（Ｆｉ）を受けるためのネジ山付皿穴（１０２ｂ）と、を備える。

Description

本発明は、英語の用語で「高温電解」（ＨＴＥ）及び「高温蒸気電解」（ＨＴＳＥ）によって各別に指定されている、水の高温電解（ＨＴＥ）の、特に高温蒸気電解（ＨＲＥＶ）の一般的な分野に関し、二酸化炭素（ＣＯ_２）の電解または二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いた高温での水の共電解（ＨＴＥ）に関する。

より詳細には、本発明は、通常（「固体酸化物電解槽セル」を意味する）頭文字ＳＯＥＣで指定されている高温固体酸化物電解槽の分野に関する。

同様に、本発明は、通常（「固体酸化物燃料電池」を意味する）頭文字ＳＯＦＣによって指定されている高温固体酸化物燃料電池の分野に関する。

このため、より一般的には、本発明は、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物パックの分野に関する。

より詳細には、本発明は、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物パック及びパックの高温封止連結のためのシステムを備える組立体と、このような組立体及びこのような連結システムを用いて上記パックに連結された炉を備えるシステムと、に関する。

ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽との関連では、全く同じ電気化学的デバイスにおける電流を用いて蒸気（Ｈ_２Ｏ）を二水素（Ｈ_２）及び二酸素（Ｏ_２）に変換するかつ／または二酸化炭素（ＣＯ_２）を一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸素（Ｏ_２）に変換する事例がある。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池との関連では、二水素（Ｈ_２）及び二酸素（Ｏ_２）を、主として空気及び天然ガスすなわちメタン（ＣＨ_４）を供給する間に電流及び熱を生成するために、動作が反対である。簡素化のために、以下の説明は、水の電解を実行するＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の動作を省略する。しかしながら、この動作は、二酸化炭素ＣＯ_２の電解または二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いた高温での水の共電解（ＨＴＥ）に適用可能である。また、この動作は、ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池の場合に置き換えられ得る。

水の電解を実行するために、有利であることは、電解を高温で、主として６００℃と１０００℃との間で実行すること、であり、これは、液体の水よりも蒸気を電解することがより有利であるため、かつ、反応に必要なエネルギーの一部を電気よりも安価である熱によって提供し得るため、である。

高温で水の電解（ＨＴＥ）を実行するために、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽は、それぞれが固体酸化物電解セルまたは電気化学的セルを有する基本パターンのパックからなり、このセルは、互いに重ね合わされた３つのアノード／電解質／カソード層と、二極プレートまたは相互接続体としても称される金属合金相互接続プレートと、からなる。電気化学的セルそれぞれは、２つの相互接続プレート間に把持されている。そして、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽は、電気化学的セル及び相互接続体を交互にしたパックである。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池は、基本パターンの同じ型のパックからなる。この高温技術が可逆であるので、同じパックは、電解モードで動作して水から水素及び酸素と電気とを生成し得る、または、燃料電池モードで動作して水素及び酸素から電気を生成し得る。

電気化学電池それぞれは、電解質／電極組立体に対応し、この組立体は、主として、多層式セラミック組立体であり、この多層式セラミック組立体の電解質は、中央イオン導電層によって形成され、この層は、固体であり密度が高くかつ気密であり、電極を形成する２つの多孔質層間で把持されている。留意すべきことは、補助層が存在し得るが、この補助層がすでに説明した層のうちの１以上を改善するだけに機能する、ことである。

電気的かつ流体の相互接続デバイスは、電子伝導体であり、この伝導体は、電気的観点から、基本パターンのパックにおける基本パターンの電気化学的セルそれぞれの接続を提供し、一面と一のセルのカソードとの間と、他面と次のセルのアノードとの間と、の電気的接続を保証し、このため、流体的観点から、セルそれぞれの生成を組み合わせる。このため、相互接続は、分配及び／または収集のために、電流を生じさせ収集する及びガス循環区画を画成する。

より詳細には、相互接続体の主機能は、電流の経路を提供することだけでなく、セルそれぞれの近傍においてガス（すなわち、ＨＴＥ電解に関して、注入蒸気、抽出された水素及び酸素；ＳＯＦＣセルに関して、注入された水素を有する燃料及び抽出された水）の循環を提供し、２つの隣接するセルのアノード及びカソード区画であってセルのアノード及びカソードにおける各別のガス循環区画である区画を分離する。

特に、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽に関して、カソード区画は、電気化学反応の生成物である蒸気及び水素を有する一方、アノード区画は、電気化学反応の別の生成物である排出ガス、存在する場合には酸素を有する。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池に関して、アノード区画は、燃料を有する一方、カソード区画は、酸化剤を有する。

高温での蒸気の電解（ＨＴＥ）を行うため、蒸気（Ｈ_２Ｏ）をカソード区画に注入する。セルにかけた電流の効果を受けて、蒸気の形態にある水分子の解離は、水素電極（カソード）と電解質との間の接触面で達成され、この解離は、二水素ガス（Ｈ_２）及び酸素イオン（Ｏ^２－）を生成する。二水素ガス（Ｈ_２）は、水素区画の出口において収集されて放出される。酸素イオン（Ｏ^２－）は、電解質を通って移動し、電解質と酸素電極（アノード）との間の接触面において二酸素（Ｏ_２）として再結合される。空気のような排出ガスは、アノードを循環し、このため、アノードにおいて気体状で発生する酸素を収集する。

固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の動作を提供するため、空気（酸素）は、セルのカソード区画内に注入され、水素は、アノード区画内に注入される。空気の酸素は、Ｏ^２－イオンへ解離される。これらイオンは、カソードの電解質内をアノードまで移動し、水素を酸化し、同時に電気を生成して水を形成する。ＳＯＦＣ型のセルにおいて、まさにＳＯＥＣ型の電解のように、蒸気は、二水素（Ｈ_２）区画に位置する。極性のみが逆である。

例示のために、図１は、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の動作原理を示す概略図である。このような電解槽の機能は、以下の電気化学反応に従って、蒸気を水素及び酸素に変換することである。
２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２

この反応は、電解槽のセルにおいて電気化学的に行われる。図１において図式的に示すように、基本電解セル１それぞれは、固体電解質３の各側に配置されたカソード２及びアノード４によって形成されている。２つの電極（アノード及びカソード）２、４は、多孔質材料から形成された電子及び／またはイオン伝導体であり、電解質３は、ガスを通さず、電子を隔離してイオンを伝導する。電解質３は、特に、イオン伝導体、より詳細にはＯ^２－イオンのイオン伝導体であり、そして、電解槽は、プロトン電解質（Ｈ^＋）と対比して、イオン電解槽と称される。

電気化学反応は、電子伝導体それぞれとイオン伝導体との間の接触面でなされる。

カソード２において、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において、半反応式は以下の通りである。
２Ｏ^２－→Ｏ_２＋４ｅ^－

２つの電極２、４間に挟まれた電解質３は、アノード４とカソード２との間の電位差によって形成された電界効果を受けたＯ^２－イオンの移行場所である。

図１の括弧間に図示されるように、カソードに入る蒸気は、水素Ｈ_２によって付随して生じ、出口で生成されかつ回収された水素は、蒸気に付随して生じ得る。同様に、破線で図示されるように、排出ガスは、入口においてさらに注入され得、生成した水素を放出する。排出ガスを注入することは、熱調整の役割を果たす追加の機能を有する。

基本電解槽すなわち電解反応器は、上述したような基本セルからなり、カソード２と、電解質３と、アノード４と、電気の、水の及び熱の分配機能を果たす２つの相互接続体と、を有する。

生成する水素及び酸素の出力を増大させるために、相互接続体によって分離された状態で複数の基本電解セルを互いに積み重ねることは、既知である。組立体は、電解質の電気供給及びガス供給を補助する２つの端部相互接続プレート間に位置付けられている（電解反応器）。

このため、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽は、少なくとも１つの、一般的には複数の互いに積み重ねられた電解セルを備え、基本セルそれぞれは、電解質、カソード及びアノードによって形成されており、電解質は、アノードとカソードとの間に挟まれている。

上述したように、１以上の電極と電気的に接触している流体的及び電気的相互接続デバイスは、一般的に、電流を至らせかつ収集する機能を果たし、１以上のガス循環区画を区画する。

このため、いわゆるカソード区画の機能は、電流及び蒸気を分配すること、並びに、接触しているカソードにおいて水素を回収すること、である。

いわゆるアノード区画の機能は、電流を分配すること、及び、任意で排出ガスを用いて、接触しているアノードで生成された酸素を回収すること、である。

図２は、従来技術にかかるＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽を示す分解図である。この電解槽は、固体酸化物型（ＳＯＥＣ）の複数の基本電解セルＣ１、Ｃ２を有しており、これら基本電解セルは、相互接続体５と交互に積み重ねられている。セルＣ１、Ｃ２それぞれは、カソード２．１、２．２及びアノード（セルＣ２のアノード４．２のみ示す）からなり、これらカソードとアノードとの間には、電解質が配設されている（セルＣ２の電解質３．２のみを示す）。

相互接続体５は、合金から形成された区画であり、この区画は、カソード及びアノード区画５０、５１間に分離を形成し、この分離は、相互接続体５と隣接するカソード２．１との間及び相互接続体５と隣接するアノード４．２との間に位置する空間によって各別に画成される。相互接続体は、同様に、セルへのガスの分配を提供する。蒸気は、カソード区画５０にある基本パターンそれぞれ内へ注入される。生成された水素の収集及びカソード２．１、２．２における残存蒸気の収集は、セルによる蒸気の解離後にセルＣ１、Ｃ２の下流側のカソード区画５０において実行される。アノード４．２で生成された酸素の収集は、セルによる蒸気の解離後にセルＣ１、Ｃ２の下流側のアノード区画５１において実行される。相互接続体５は、隣接する電極との直接接触によってセルＣ１、Ｃ２間の、すなわちアノード４．２とカソード２．１との間の電流の通過をもたらす。

高温固体酸化物電解槽（ＳＯＥＣ）の動作状態は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の動作状態と非常に似ており、同じ技術的制約は、同様にみられる。

このため、このような高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パックの収集動作は、後述する点を満たすことを主として必要とする。

まず、２つの連続する相互接続体間には、そうでなければ電気化学的セルが短絡する電気的絶縁を有する必要があるが、セルと相互接続体との間の良好な電気的接触及び十分な接触面を有する必要がある。セルと相互接続体との間の可能性のある最も低いオーム抵抗が探求される。

さらに、アノード及びカソード区画間には、不浸透性を有する必要があり、そうでなければ、生成されたガスの再結合があり、これは、生産における低減、特にパックを損傷させるホットスポットの存在を引き起こす。

最後に、入口及び生産物の回復双方におけるガスの良好な分配を有することが必須であり、そうでなければ、効率の損失、様々な基本パターンにおける圧力及び温度の不均一性または劣化があり、電気化学的セルを損傷させる。

高温で動作する高温電解パック（ＳＯＥＣ）における入出ガスは、図３を参照して図示された炉のような炉の適切なデバイスを用いて管理され得る。

このため、炉１０は、低温部品ＰＦ及び高温部品ＰＣを有しており、高温部品は、炉床１１と、ガスの入出を管理するループ状管体１２と、高温電解（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＥＦ）のための積層体とも称されるパック２０と、を備える。

ガス供給及び出口デバイスは、通常、特に二重リング式機械的締結連結具、ＶＣＲ（登録商標）金属結合体による表面封止型連結具、溶接型接続体または封止隔離通路によって、低温部品ＰＦに連結されている。

二重リング式機械的締結連結具の場合において、２つのリングは、管封止・締結機能を分離する。前方リングは、封止を形成する一方、後方リングは、前方リングを軸方向に前進させることができるようにし、管体の径方向における効率的な締結をかける。
この原理により、非常に良好な管体締結及びガス漏洩に対する非常に良好な不浸透性を得ることができる。また、二重リング式機械的締結連結具を設置することは、容易であり、振動により引き起こされる疲労に対して非常に良好な耐性を有する。しかしながら、その主な欠点は、まさに、高温への耐性がないことであり、それにより、後方リング、前方リング及び管体は、拡散溶接により一緒に溶接され得、結合の分解を不可能にする。

ＶＣＲ（登録商標）金属結合体による表面封止連結の場合において、雄型ナットと雌型ナットを有する六角形状本体との締結中に２つの縁部によって結合体を圧縮すると、封止を得る。この原理は、非常に良好な封止、様々な結合体（ニッケル、銅、ステンレス鋼など）を使用する可能性、及び、これら結合体の動作中に結合体の変更を伴う容易な装着／分解を利用可能にする。
しかしながら、表面封止型連結具の動作がたった約５３７℃の最大温度を許容するので、この解決法は、高温において適切ではない。

溶接型接続体の場合において、（「タングステン不活性ガス」を意味する）ＴＩＧ型の方法によって管体を一緒に溶接することによって、または、軌道溶接機すなわち回転ノズルが連結されたＴＩＧ方法によって、全封止を得る。しかしながら、管体をその周縁部において溶接することができるためのアクセス性が低減されているので、炉１０に装着された積層体２０への溶接動作は、非常に複雑である。

最後に、センサ、プローブ、電気信号及び管体における通過のための気密隔壁通路を用いた、約８７０℃の温度まで耐性を有する連結システムがある。これら気密隔壁通路は、３１６Ｌステンレス鋼から形成されたネジ山付連結具の形態にあり、このネジ山付連結具は、容器のまたはカバーのパイプの壁部に螺着される。気密隔壁通路の型に応じて、これら通路は、様々なタイプ、寸法及び直径の１以上の貫通素子を収容する。したがって、これら通路は、不連続性なく素子が通過することをできるようにし、２つの素子の気密結合を許容しない。

これら低温部品ＰＦが炉１０の加熱素子から離間しており、交換器、絶縁体及び凝縮器のような周辺機器によって阻害されるので、炉１０の低温部品ＰＦにおけるガス供給・出口デバイスの連結は、主要な欠点を構成する。これは、高温部品ＰＦにおける接続体の生成を免れることを伴う一方で、これら高温部品を容易に分解して再使用できるようにすることを望む。

また、入口ガスを予熱するために炉１０のチャンバを使用することにより、約２ｍから約３ｍの長さを有するループ状管体１２を実施することに至り、炉１０の加熱素子の放熱を使用し、この放熱は、管体が密閉空間における正確な場所に到達することを確実にするために曲率に複雑さを加える。

さらに、パック２０を分解して別の場所でパックを動作できるようにすることができ、その後、パックに「プラグアンドプレイ」（ＰｎＰ）型の特性を付与することが望ましい場合に、第１に、例えば金属鋸を用いて接続を機械的に破壊して新たな接続を準備してパック２０を別の炉に配置する必要があり、これは、操作を大きく複雑にする。

最後に、留意すべきことは、このようなパック２０が非常に壊れやすく、場所の変更中にできる限り最小の動作を実行する必要があること、である。このため、特に、振動及び衝撃を回避できること、及び、同様にパックをひっくり返すことを回避できること、である。

上述した連結の解決法は、上述した要件を満たすことをできるようにしない。特に、二重リング型機械的締結連結具は、高温で溶接する。溶接が複雑であり（アクセスが困難であり）、溶接が分解のために管体を切断することを回避しないので、溶接は、上述した問題を解決しない。

従来技術の連結の解決法は、結合体を機械的に破壊することなく別の炉１０に再接続できるようにするためにパック２０を炉１０から取り除くことをできるようにせず、すなわち、「プラグアンドプレイ」特性を持たせるようにせず、これにより、装着／分解する可能性のある操作者に湾曲、連結及び適合の面倒な作業を強いる。

特許文献１から、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦモードにおける高温で接続するための分解可能な気密システムの一例が知られている。平滑な基部とネジ山付基部との間には、マイカ結合体が用いられており、分解可能なかつ再使用可能な気密接続を得ている。このシステムにより、高温連結の解決が可能となるが、過剰な高漏洩速度を伴い得る。また、マイカ結合体は、熱サイクルに続く残渣を残し得、この残渣は、別の結合体を装着する前に除去する必要がある。

仏国特許出願第３０６１４９５号明細書 仏国特許出願第３０４５２１５号明細書

高温電解パック（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＦＣ）に関する従来技術の既知の連結解決法を改善する必要性が依然としてある。

本発明の目的は、上述した要件及び従来技術の形態に関連する欠点を少なくとも部分的に緩和することである。

これは、特に、高温電解（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＦＣ）パックを連結する最適化された設計を実施することを目的とする。特に、これは、高温部品、すなわち炉のチャンバの内側においてかつ、ガス入口及び出口と共に、分解可能なかつ再使用可能な接続体であって８６０℃で気密な接続体を生成することである。特許文献２に記載されているように、このシステムは、「プラグアンドプレイ（ＰｎＰ）」型（自己締結システム）の特性を有するパックに一体化されることができなければならない。

このため、本発明の目的は、本発明の態様のうちの１つによれば、組立体であり、この組立体は、
－高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パックであって、
－それぞれがカソード、アノード及びカソードとアノードとの間に挟まれた電解質によって形成された複数の電気化学的セルであって、２つの隣接する電気化学的セル間には複数の中間相互接続体が各別に配設されている、電気化学的セルを有する、
固体酸化物パックと、
－ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パックを締結するための締結システムであって、頂部締結プレート及び底部締結プレートを有し、頂部締結プレートと底部締結プレートとの間にはＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パックが締結されており、頂部締結プレート及び底部締結プレートそれぞれが、少なくとも２つの締結開口部を有し、締結システムが、
－頂部締結プレートにある締結開口部を通してかつ底部締結プレートにある対応する締結開口部を通してそれぞれが延在することを意図した少なくとも２つの締結ロッドであって、頂部及び底部締結プレートを互いに組み立てることを可能とする、締結ロッドと、
－頂部及び底部締結プレートそれぞれにある締結手段であって、少なくとも２つの締結ロッドと協働することを意図し、頂部及び底部締結プレートを互いに組み立てることを可能とする、締結手段と、
をさらに有する、
締結システムと、
を有する組立体であって、
組立体が、
－ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パックのための高温で気密な少なくとも１つの連結システムであって、頂部及び底部締結プレートのうちの少なくとも一方に装着され、連結システムが、
－頂部及び底部締結プレートのうちの少なくとも一方に装着された端部において外面にあるネジ山を備える締結基部であって、締結基部が、ガスのための入口及び／出口管体が通過することができるための第１貫通内側パイプを備える、締結基部と、
－締結基部の第１内側パイプ内に位置する支持基部であって、支持基部の第２端部が、ガスのための入口及び／または出口管体に取り付けられることを意図しており、支持基部が、管体から及び／またはＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パックから到来するガスが通過することを可能とする第２内側貫通パイプを備える、支持基部と、
－Ｃ字形状を有し、支持基部の第２端部とは反対側にある第１端部に当接して位置付けられた封止体と、
を有する、連結システムをさらに有し、
頂部及び底部締結プレートのうちの少なくとも一方が、ガスのための少なくとも１つの貫通通過パイプを有し、貫通通過パイプが、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック並びにガスのための入口及び／または出口管体と流体連通することを意図しており、
少なくとも１つの通過パイプが、
－封止体を支持するための表面であって、封止体が表面と支持基部の第１端部との間に位置付けられている、表面と、
－締結基部のネジ山を受けるためのネジ山付皿穴と、
を備える。

本発明にかかる組立体は、単独でまたは技術的に可能性のある組合せ全てに従って採用される以下の特徴のうちの１以上をさらに有し得る。

締結基部は、第１内側パイプ内に位置する第１支持面を有し得る。支持基部は、第２支持面を有し得る。そして、第１及び第２支持面は、ガスの流動方向に形成された面接触に従って互いに接触し得る。

さらに、支持基部は、支持基部の第１端部において筐体を有し得、封止体を少なくとも部分的に収容する。

締結基部及び支持基部は、頂部及び底部締結プレートのうちの上記少なくとも一方と同じ材料から生成され得る。

さらに、封止体は、Ｃ字状の可撓性金属結合体によって形成され得、連続的な巻回を有する金属螺旋状バネから構成されたコアと、バネが組み込まれた第１金属包囲体と、を備える。

金属螺旋状バネは、連続的なまたは非連続的な巻回を有し得る。非連続的な巻回を有するバネは、より高い可撓性を提供し得る。

Ｃ字状の可撓性金属結合体は、第１包囲体が組み込まれた第２金属包囲体を有し得る。表面の欠陥に追従することを可能とし、より良好な封止を生じさせるので、第２包囲体が存在することは、有利である。好ましくは、第２包囲体は、第１包囲体よりも延性を有する材料から形成されている。

第１包囲体は、例えば、ニッケルベースの超合金から形成され得る。第２包囲体は、例えば、金または銅から形成され得る。

組立体は、頂端部プレート及び底端部プレートを有し得、これら端部プレート間には、複数の電気化学的セルと複数の中間相互接続体とが締結されている。

また、頂部及び底部締結プレートのうちの少なくとも一方は、有利には、付加製造技術によって製造され得、特に、耐火性オーステナイト鋼、特にＡＩＳＩ３１０型の耐火性オーステナイト鋼によって製造されている。

さらに、頂部及び底部締結プレートのうちの上記少なくとも一方は、２０ｍｍと３０ｍｍとの間の、特に２５ｍｍのオーダーの厚さを有し得る。

また、本発明の別の態様によれば、本発明の別の目的は、システムであり、このシステムは：
－上記で規定した組立体と、
－少なくとも１つのガス入口及び／または出口管体が接続される炉であって、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パックが高温で気密な上記少なくとも１つの連結システムを用いてガスを至らせかつ放出するためにこの炉に連結されている、炉と、
を有することを特徴とする。

支持基部は、特にＴＩＧ型の溶接によって及び／またはアーク溶接によって、上記少なくとも１つのガス入口及び／出口管体の端部にこの端部に一致して溶接され得る。

本発明の非限定的で例示的な実施形態の以下の詳細な説明を読むことによって及び添付の図面の概略的な部分図の検査から、本発明をより理解することができる。

高温固体酸化物電解槽（ＳＯＥＣ）の動作原理を示す概略図である。 従来技術にかかる相互接続体を備える高温固体酸化物電解槽（ＳＯＥＣ）の一部を示す分解概略図である。 炉の構造の原理を示す図であって、この炉には高温で動作する高温電解パック（ＳＯＥＣ）または燃料電池パック（ＳＯＦＣ）が配置されている、図である。 斜視図でかつ上方からの観測によって、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック及びパックを締結するためのシステムを備える本発明の一例にかかる組立体を示す図であって、このシステムが高温で気密な連結システムを有し得る、図ある。 斜視図でかつ下方からの観測によって、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック及びパックを締結するためのシステムを備える本発明の別の例にかかる組立体を示す図であって、このシステムが高温で気密な４つの連結システムを同様に備える、図ある。 図４の組立体の詳細を示す長手方向部分断面であって、底部締結プレート及び高温で気密な２つの連結システムを含む、長手方向部分断面である。 図６に示す領域Ａを示す拡大図であって、図５の組立体の高温で気密な連結システムを示す、拡大図である。

これら図面全てにおいて、同一の参照符号は、同一のまたは同様の要素を示し得る。

また、図面に示す様々な部分は、図面をより明瞭にするために、必ずしも均一な寸法で示されていない。

図１から図３は、従来技術に及び発明の技術的内容に関する部分においてすでに上述されている。図１及び図２に関して、蒸気Ｈ_２Ｏを供給するための参照符号及び矢印並びに二水素Ｈ_２、酸素Ｏ_２、空気及び電流を分配して回収するための参照符号及び矢印は、図示したデバイスの動作を例示するために明確性及び正確性を目的として示されている。

さらに、留意すべきことは、所定の電気化学的セルの構成要素すべて（アノード／電解質／カソード）が好ましくはセラミックスであること、である。高温ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型のパックの動作温度は、より典型的には、６００℃と１０００℃との間である。

また、用語「頂部」及び「底部」は、本明細書において、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型のパックの構成の使用時におけるその向きの通常の方向に従って理解される。

図４を参照すると、組立体８０の一例が図示されており、この組立体は、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック２０及び締結システム６０を備え、この組立体８０は、図５から図７を参照して後述されるように、高温で気密な連結システム９０を備え得る。

有利には、本発明にかかる組立体８０は、本明細書では高温で気密な連結システム９０が存在していることは別として、特許文献２で説明した組立体の構成と同様の構成を有する、すなわち、パック２０は、「プラグアンドプレイ」（ＰｎＰ）型の特性を有する。

このため、本明細書で後述する本発明の様々な実施形態に共通する態様において、図４において示されているように、組立体８０は、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック２０を有する。

このパック２０は、カソード、アノード及びカソードとアノードとの間に挟まれた電解質によってそれぞれが形成された複数の電気化学的セル４１と、２つの隣接する電気化学的セル４１間にそれぞれが配設された複数の中間相互接続体４２と、を有する。電気化学的セル４１及び中間相互接続体４２のこの組立体は、同様に、積層体として示され得る。

また、パック２０は、頂端部プレート４３及び底端部プレート４４を有し、これらプレートは、同様に、頂積層体端部プレート４３及び底積層体端部プレート４４と各別に称され得、これらプレート間には、複数の電気化学的セル４１及び複数の中間相互接続体４２が締結されている、すなわち、これらプレート間には、積層体が位置する。

さらに、組立体８０は、同様に、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック２０を締結するためのシステム６０を有しており、このシステムは、頂部締結プレート４５及び底部締結プレート４６を有し、これらプレート間には、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック２０が締結されている。

締結システム６０の締結プレート４５、４６それぞれは、４つの締結開口部５４を有する。

また、締結システム６０は、４本の締結ロッド５５すなわちタイロッドをさらに有し、これらロッドは、頂部締結プレート４５にある締結開口部５４を通して及び底部締結プレート４６にある対応する締結開口部５４を通して延在し、頂部及び底部締結プレート４５、４６を一緒に組み立てることをできるようにする。

締結システム６０は、頂部及び底部締結プレート４５、４６の締結開口部５４それぞれにおいて締結手段５６、５７、５８を有し、これら締結手段は、締結ロッド５５と協働して頂部及び底部締結プレート４５、４６を一緒に組み立てることをできるようにする。

より詳細には、締結手段は、頂部締結プレート４５にある締結開口部５４それぞれにおいて、締結開口部５４を通して挿入された対応する締結ロッド５５と協働する第１締結ナット５６を有する。また、締結手段は、底部締結プレート４６にある締結開口部５４それぞれにおいて、締結ワッシャ５８に関連付けられた第２締結ナット５７を有し、これらナットは、締結開口部５４を通して挿入された対応する締結ロッド５５と協働する。締結ワッシャ５８は、第２締結ナット５７と底部締結プレート４６との間に位置する。

本発明に従って、組立体８０は、例えば図５から図７を参照して説明されるが図４では視認されないシステムのような、底部締結プレート４６に装着された、パック２０の高温で気密な少なくとも１つの連結システム９０を有する。

様々な視点で示された同じ実施形態に関する図５から図７を参照して、高温で気密な一例にかかるこのような連結システム９０をここで説明する。この連結は、高温ガス注入領域で実行される。

この例において、組立体８０は、４つの締結ナット５７の近位において底部締結プレート４６に装着された高温で気密な４つの連結システム９０を有する。

このため、炉１０に連結するための高温で気密なこれら４つの締結システム９０は、支持スタッド１００の周りに均等に分布しており、底部締結プレート４６に固定されており、炉１０における組立体８０の支持を可能とすることを意図している。

図７においてより特に視認可能であるように、気密連結システム９０それぞれは、まず、締結基部９１を有する。この締結基部９１は、外面５ｅにネジ山Ｆｉが設けられている第１端部９１ｅと、締結基部９１の螺合頭部を形成する反対側の第２端部９１ｆと、を有する。第１端部９１ｅは、底部締結プレート４６に装着されている。

また、この締結基部９１は、第１及び第２端部９１ｅ、９１ｆにおいて出現する第１貫通内側パイプ９１ａを有し、この管体は、ガスＧの入口及び／または出口を形成することを意図する管体１０３の通過を可能とする。

さらに、気密連結システム９０それぞれは、同様に、支持基部９２を有する。この支持基部９２は、支持基部９２の頭部を形成する第１端部９２ａと、反対側にある第２端部９２ｂと、を有する。支持基部９２は、締結基部９１の第１内側パイプ９１ａ内に位置する。支持基部の第２端部９２ｂは、管体１０３に取り付けられている。例えば、管体１０３と共にＴＩＧ法または他の溶接手段によって溶接して取り付けられ得る。

また、支持基部９２は、第１及び第２端部９２ａ、９２ｂにおいて出現する第２貫通内側パイプ９２ｉを備え、この管体は、管体１０３から及び／またはＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック２０から到来するガスＧの通過を可能とする。

気密連結システム９０それぞれを付ける際、締結基部９１は、好ましくは、導入方向に注意しつつ管体１０３上をスライドされ、それにより、ネジ山は、管体１０３の端部において支持基部９２を溶接する前に、底部締結プレート４６の後述するネジ山付皿穴１０２ｂと協働する。

さらに、気密連結システム９０それぞれは、同様に、Ｃ字形状を有する好ましくは金属の封止体９３を有する。この封止体９３は、支持基部９２の第１端部９２ａに当接して位置付けられている。

この封止体９３は、従来技術の通常の静的結合体から区別されており、むしろ、２つのフランジ間の平坦な結合として機能しており、これら２つのフランジ間の相対移動が非常に小さいまたはない。

有利には、封止体９３は、可撓性金属結合体によって形成されており、この金属結合体は：金属螺旋状バネによって形成されたコアであって、バネ自身に近接する連続的な巻回を有し、静止状態において円環状面の形態を有する、コアと；バネが組み込まれた非延性金属から形成された第１包囲体であって、同様に、静止状態において円環状面の形態を有し、この円環状面の発電円が円環状面が第１包囲体自体に近接していない、第１包囲体と；第１包囲体が組み込まれた延性金属から形成された第２包囲体であって、同様に、静止状態において円環状面の形態を有し、この円環状面の発電面がこの第２包囲体自体に近接していない、第２包囲体と；を有する。このような封止体の一例は、仏国特許出願公開第２１５１１８６号明細書で説明されている。

封止体９３は、特にインコネル７１８型のニッケルベースの超合金から生成され得る。封止体は、約２．５ｍｍの外径及び約１２．５ｍｍの内径を有し得る。封止体は、金で被覆され得、締結トルクは、１２Ｎｍのオーダーであり得る。

気密連結システム９０それぞれを底部締結プレート４６に装着できるようにするため、底部締結プレートは、ガスＧの通過のための貫通パイプ１０２を有し、この管体は、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック２０並びにガスＧのための入口及び／または出口管体１０３と流体連通する。

図７において依然として視認可能であるように、この通過パイプ１０２は、封止体９３のための支持面１０２ａを有し、それにより、封止体９３は、支持面１２ａと支持基部９２の第１端部９２ａとの間に位置付けられている。

また、底部締結プレート４６の通過パイプ１０２は、同様に、締結基部９１のネジ山Ｆｉを受けるためのネジ山付皿穴１０２ｂを有し、そのため、気密連結システム９０を底部締結プレート４６に装着できる。

このため、気密連結システム９０それぞれは、「ネジ／ナット」が他のシステムと同化されており、「ネジ」は、締結基部９１によって形成され、「ナット」は、底部締結プレート４６のネジ山付皿穴１０２ｂによって形成される。

有利には、同様に留意すべきことは、締結基部９１が第１内側パイプ９１ａ内に位置する第１支持面９１ｃを有すること、である。同様に、支持基部９２は、第２支持面９２ｃを有する。このため、第１及び第２支持面９１ｃ、９２ｃは、ガスＧの流動方向に形成された面接触Ｃ_ＰＰ型に従って互いに接触している。したがって、ネジ山付締結基部９１を底部締結プレート４６のネジ山付皿穴１０２ｂ内に締結すると、面接触Ｃ_ＰＰを有することが可能となる。このため、この作動は、封止体９３を底部締結プレート４６の皿穴面に圧接する。そして、締結基部９１付与した締結トルクは、封止体９３における気密性のために必要な力を提供する。

さらに、この結合により、支持基部９２と締結基部９１との間に形成される隙間を用いて、垂直性における欠陥を吸収することができる。この目的は、封止面にわたって分布する当接及び皿穴の底部との封止面の面接触を得ることを可能とすること、である。

さらに、支持基部９２は、支持基部の第１端部９２ａにおいて、筐体９２ｌを有し、封止体９３を収容する。

有利には、締結基部９１及び支持基部９２は、底部締結プレート４６と同じ材料から、特にオーステナイトステンレス鋼、特に３１０Ｓ型のオーステナイトステンレス鋼から製造されている。このようにして、熱膨張は、同じである。

さらに、ネジ山付締結基部９１の公称直径及び底部締結プレート４６のネジ山付皿穴１０２ｂの公称直径は、Ｍ３６であり得る。

付けて締結する前に、締結基部９１及びネジ山付皿穴１０２ｂは、高温に対して耐性を有して分解を容易にしかつ熱サイクル中にネジ山における拡散溶接現象を回避する抗接着ペーストで覆われ得る。この抗接着ペーストにより、同様に、接続体を潤滑し、腐食に耐えることができる。熱機械、高温ガスのためのマニフォルド、バーナ、弁、ディスクブレーキ、火花プラグ、排気坑、ローラ、ボルト、襟体などのネジ山の場合に、極端な温度、すなわちいわゆる攻撃的な環境にさらされる部分の妨害及び過剰な摩耗を回避できる。銅、アルミニウム及びグラファイトに基づいたこの構築は、金属部分を保護し、金属部分の分解を保証し得る。

気密性レベルを試験するための様々な試験は、マイカ結合体及び金属封止体を用いて実施された。明らかになったことは、Ｃ字形状を有する金属封止体９３を使用することによって長期間にわたって最良の気密性を得ることができる一方で漏洩率を大きく制限すること、である。また、この金属封止体は、容易に交換され得る。

すなわち、本発明は、ちょうど説明した例示的な実施形態に限定されない。様々な改変は、当業者によってこれら実施形態になされ得る。

２ カソード，電極、３ 固体電解質、４ アノード，電極、２０ 固体酸化物パック、４１ 電気化学的セル、４２ 中間相互接続体、４３ 頂端部プレート、４４ 底端部プレート、４５ 頂部締結プレート、４６ 底部締結プレート、５４ 締結開口部、５５ 締結ロッド、５６，５７，５８ 締結手段、６０ 締結システム、８０ 組立体、９０ 連結システム、９１ａ 第１内側パイプ、９１ｃ 第１支持面、９１ｅ 端部、９２ 支持基部、９２ｂ 第２端部、９２ｃ 第２支持面、９２ｉ 第２内側貫通パイプ、９２ｌ 筐体、１０２ 通過パイプ、１０２ａ 表面、１０３ 入口及び／出口管体、Ｆｉ ネジ山、Ｇ ガス、Ｓａ 外面

Claims (10)

1. －高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の固体酸化物パック（２０）であって、
   －それぞれがカソード、アノード及び前記カソードと前記アノードとの間に挟まれた電解質によって形成された複数の電気化学的セル（４１）であって、２つの隣接する当該電気化学的セル（４１）間には複数の中間相互接続体（４２）が各別に配設されている、電気化学的セルを有する、
   固体酸化物パック（２０）と、
   －ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の前記固体酸化物パック（２０）を締結するための締結システム（６０）であって、頂部締結プレート（４５）及び底部締結プレート（４６）を有し、前記頂部締結プレートと前記底部締結プレートとの間にはＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の前記固体酸化物パック（２０）が締結されており、前記頂部締結プレート（４５）及び前記底部締結プレート（４６）それぞれが、少なくとも２つの締結開口部（５４）を有し、当該締結システム（６０）が、
   －前記頂部締結プレート（４５）にある締結開口部（５４）を通してかつ前記底部締結プレート（４６）にある対応する締結開口部（５４）を通してそれぞれが延在することを意図した少なくとも２つの締結ロッド（５５）であって、前記頂部及び底部締結プレート（４５、４６）を互いに組み立てることを可能とする、締結ロッドと、
   －前記頂部及び底部締結プレート（４５、４６）それぞれにある締結手段（５６、５７、５８）であって、少なくとも２つの前記締結ロッド（５５）と協働することを意図し、前記頂部及び底部締結プレート（４５、４６）を互いに組み立てることを可能とする、締結手段と、
   をさらに有する、
   締結システムと、
   を有する組立体であって、
   当該組立体が、
   －ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の前記固体酸化物パック（２０）のための高温で気密な少なくとも１つの連結システム（９０）であって、前記頂部及び底部締結プレート（４５、４６）のうちの少なくとも一方に装着され、当該連結システムが、
   －前記頂部及び底部締結プレート（４５、４６）のうちの少なくとも一方に装着された端部（９１ｅ）において外面（Ｓａ）にあるネジ山（Ｆｉ）を備える締結基部（９１）であって、当該締結基部（９１）が、ガス（Ｇ）のための入口及び／出口管体（１０３）が通過することができるための第１貫通内側パイプ（９１ａ）を備える、締結基部と、
   －前記締結基部（９１）の前記第１内側パイプ（９１ａ）内に位置する支持基部（９２）であって、当該支持基部の第２端部（９２ｂ）が、ガス（Ｇ）のための前記入口及び／または出口管体（１０３）に取り付けられることを意図しており、当該支持基部（９２）が、前記管体（１０３）から及び／またはＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の前記固体酸化物パック（２０）から到来するガス（Ｇ）が通過することを可能とする第２内側貫通パイプ（９２ｉ）を備える、支持基部（９２）と、
   －Ｃ字形状を有し、前記支持基部（９２）の前記第２端部（９２ｂ）とは反対側にある第１端部（９２ａ）に当接して位置付けられた封止体（９３）と、
   を有する、連結システムをさらに有し、
   前記頂部及び底部締結プレート（４５、４６）のうちの少なくとも一方が、ガス（Ｇ）のための少なくとも１つの貫通通過パイプ（１０２）を有し、当該貫通通過パイプが、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の前記固体酸化物パック（２０）並びにガス（Ｇ）のための前記入口及び／または出口管体（１０３）と流体連通することを意図しており、
   少なくとも１つの前記通過パイプ（１０２）が、
   －前記封止体（９３）を支持するための表面（１０２ａ）であって、前記封止体（９３）が当該表面（１０２ａ）と前記支持基部（９２）の前記第１端部（９２ａ)との間に位置付けられている、表面と、
   －前記締結基部（９１）の前記ネジ山（Ｆｉ）を受けるためのネジ山付皿穴（１０２ｂ）と、
   を備え、
   前記封止体（９３）が、Ｃ字状の可撓性金属結合体によって形成されており、金属螺旋状バネからなるコアと、前記バネが組み込まれた第１金属包囲体と、を備えることを特徴とする組立体。
2. 前記締結基部（９１）が、前記第１内側パイプ（９１ａ）に位置する第１支持面（９１ｃ）を有し、
   前記支持基部（９２）が、第２支持面（９２ｃ）を有し、
   前記第１及び第２支持面（９１ｃ、９２ｃ）が、ガス（Ｇ）の流動方向に形成された面接触型（Ｃ_ＰＰ）に従って互いに接触していることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
3. 前記支持基部（９２）が、当前記封止体（９２）の少なくとも一部を収容するために、該支持基部の第１端部（９２ａ）に筐体（９２ｌ）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の組立体。
4. 前記締結プレート（９１）及び前記支持基部（９２）が、前記頂部及び底部締結プレート（４５、４６）のうちの少なくとも一方と同じ材料から生成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の組立体。
5. Ｃ字状の前記可撓性金属結合体が、前記第１包囲体が組み込まれた第２金属包囲体を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の組立体。
6. 頂端部プレート（４３）及び底端部プレート（４４）を有し、
   前記頂端部及び底端部プレート間には、複数の電気化学的セル（４１）及び複数の中間相互接続体（４２）が把持されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の組立体。
7. 前記頂部及び底部締結プレート（４５、４６）のうちの少なくとも一方が、付加製造技術によって製造されており、特に耐火性オーステナイト鋼から生成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の組立体。
8. 前記頂部及び底部締結プレート（４５、４６）のうちの少なくとも一方が、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の、特に２５ｍｍのオーダーの厚さを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の組立体。
9. －請求項１から８のいずれか１項に記載の組立体（８０）と、
   －炉（１０）であって、当該炉にはガス（Ｇ）のための少なくとも１つの入口及び／または出口管体（１０２）が接続され、かつ、当該炉には、高温で気密な少なくとも前記連結システム（９０）を用いて、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＥＦ型の前記固体酸化物パック（２０）が前記ガスを供給し放出するために連結されている、炉と、
   を有することを特徴とするシステム。
10. 前記支持基部（９２）が、特にＴＩＧ型の溶接によってかつ／またはアーク溶接によって、ガス（Ｇ）のための少なくとも１つの前記入口及び／または出口管体（１０３）の端部に溶接されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。

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