JP2023140335A - 高温ｓｏｅｃ／ｓｏｆｃ型の固体酸化物セルの複数の重なり合ったサブスタックを調整するためのシステム - Google Patents

高温ｓｏｅｃ／ｓｏｆｃ型の固体酸化物セルの複数の重なり合ったサブスタックを調整するためのシステム Download PDF

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Abstract

【課題】同時に複数のサブスタックを調整するシステムの提供。【解決手段】モジュールスタック（２０）を形成する高温ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルの複数のサブスタック（２０ａ）を調整するためのシステム（１００）であって、熱包囲部（１０２）と、複数のサブスタックと、複数のエンドプレート（４０）であって、それぞれが上面（４０ｓ）および下面（４０ｉ）を有し、サブスタックと重なり合わない１つまたは複数の自由面（４０ｌ）を得るように、上面の表面がサブスタックの下面（２０ａｉ）の表面よりも大きな寸法であり、下面の表面がサブスタックの上面（２０ａｓ）の表面よりも大きな寸法である、複数のエンドプレートと、凹部（１０４）を含む複数のダイ形成支持体（１０３）と、凹部の上の複数の可撓性要素（１０５）と、可撓性要素を変形させるように可撓性要素と接触することができる複数の当接要素（１０６）と、を含むシステムである。【選択図】図５

Description

本発明は、高温電解（ＨＴＥ）の一般的分野、詳細には、高温水蒸気電解（ＨＴＳＥ）、二酸化炭素（ＣＯ２）電解、または水蒸気と二酸化炭素（ＣＯ２）との高温共電解に関する。
より詳細には、本発明は、略語ＳＯＥＣ（固体酸化物電解セル）によって通常示される、高温固体酸化物電解槽の分野に関する。
本発明はさらに、略語ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）によって通常示される、高温固体酸化物燃料電池の分野に関する。
したがって、より一般的に言えば、本発明は、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックの分野に関する。
より詳細には、本発明は、サブスタックの同時の調整を可能にする、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルの複数の重なり合ったサブスタックを調整するためのシステムに関する。
ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の範囲は、同じ電気化学装置内で、電流を用いて、水蒸気（Ｈ２Ｏ）を二水素（Ｈ２）と二酸素（Ｏ２）とに変換する、かつ／または、二酸化炭素（ＣＯ２）を一酸化炭素（ＣＯ）と二酸素（Ｏ２）とに変換することを含む。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池の範囲内では、この動作は逆になり、二水素（Ｈ２）または他の燃料、例えばメタン（ＣＨ４）、天然ガスもしくはバイオガスの供給と、二酸素（Ｏ２）、典型的には空気の供給と、を受けて電流および熱を生成する。簡略化のために、以下の説明は、水蒸気の電気分解を行うＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の機能性を優先する。しかし、この機能性は、二酸化炭素（ＣＯ２）の電気分解、または、二酸化炭素（ＣＯ２）による水蒸気の高温共電解（ＨＴＥ）にも適用可能である。さらに、この機能性を、ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池の場合に置き換えることも可能である。
水の電気分解は、高温、典型的には６００℃～１，０００℃で行うことが有利である。なぜなら、液体の水よりも水蒸気を電気分解する方が有利であり、また反応に必要なエネルギーの一部を、電気よりも安価な熱により供給できるからである。
水蒸気の高温電解（ＨＴＥまたはＨＴＳＥ）を行うために、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽は、上下に重ね合わせたアノード／電解質／カソードの３つの層により形成された固体酸化物電解セルまたは電気化学セルをそれぞれ含む繰り返しユニット(repeat unit)と、二極プレートまたはインターコネクタ(interconnect)とも称される金属合金の相互接続プレートと、のスタックによって形成される。各電気化学セルは、２枚の相互接続プレートの間にクランプされる。したがって、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽は、電気化学セルとインターコネクタとの交互スタックである。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池は、繰り返しユニットのスタックと同じ型のスタックで形成される。この高温技術が可逆的であれば、同じスタックが電気分解モードで動作して、水および電気から水素および酸素を生成でき、または、燃料電池モードでは、水素および酸素から電気を生成することができる。
各電気化学セルは、一般に多層のセラミックアセンブリである電解質／電極アセンブリに対応し、その電解質が中央のイオン導体層により形成され、この層は固体で、高密度で不透過性であり、電極を形成する２つの多孔質層の間にクランプされている。追加の層が存在してもよいが、その目的は本明細書で上述した層の１つまたは複数の改良に過ぎないことに留意されたい。
電気的および流体的な相互接続装置は、以下のような電子伝導体である。すなわち、電気的観点からは、繰り返しユニットのスタック内の各繰り返し電気化学セルの接続を提供し、セルの１つの面とカソードとの間の電気的な接触および次のセルの他の面とアノードとの間の電気的な接触を保証する。また、流体的観点からは、セルの各々についての反応物の供給および生成物の放出を保証する。このようにしてインターコネクタは、電流を供給して収集し、ガスの循環、分配および／または取得のために、コンパートメントの境界を定める機能を果たす。
より具体的には、インターコネクタの主な目的は、電流の通過だけでなく、各セル付近でのガス（すなわち、注入された水蒸気、ＨＴＥのために抽出された水素および酸素、ＳＯＦＣのために注入された水素および抽出された水蒸気を含む空気および燃料）の循環を確実にすること、ならびに、セルのアノード側とカソード側とにそれぞれ位置するガス循環コンパートメントである、２つの隣接するセルのアノードとカソードのコンパートメントを隔てることである。
具体的には、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽では、カソードコンパートメントは、電気化学反応により生成された水蒸気および水素を収容し、一方、アノードコンパートメントは、存在するならば、排出ガス、および電気化学反応の別の生成物である酸素を収容する。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池の場合、アノードコンパートメントは燃料を収容し、一方、カソードコンパートメントは酸化剤を収容する。
水蒸気の高温電解（ＨＴＥ）を行うために、水蒸気（Ｈ２Ｏ）をカソードコンパートメントに注入する。セルに印加される電流の作用により、水蒸気の形態での水分子の解離が、水素電極（カソード）と電解質との界面で行われる。この解離により二水素ガス（Ｈ２）および酸素イオン（Ｏ２－）が生成される。二水素（Ｈ２）は、水素コンパートメント出口にて回収されて排出される。酸素イオン（Ｏ２－）は、電解質を通って移動して、電解質と酸素電極（アノード）との界面で二酸素（Ｏ２）に再結合する。排出ガス、例えば空気をアノードにて循環させることができ、これにより、ガスの形態で発生させた酸素をアノードで回収できる。
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の動作を確実にするために、空気（酸素）を燃料電池のカソードコンパートメントに注入し、水素をアノードコンパートメントに注入する。空気中の酸素は解離してＯ２－イオンになる。これらのイオンは、水素を酸化して水を生成し、同時に電気を発生させるために、電解質中をカソードからアノードに向かって移動する。ＳＯＦＣによって、ＳＯＥＣ電解と同様に、水蒸気が二水素（Ｈ２）コンパートメント内に位置する。極性のみが逆になる。
例として、図１に、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の動作原理の概略図が示されている。このような電解槽の目的は、以下の電気化学反応に従って水蒸気を水素および酸素に変換することである。
２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２
この反応は、電解槽のセル内で電気化学的に実行される。図１に概略的に示されているように、各単位電解セル１は、固体電解質３の両側に配置されたカソード２およびアノード４により形成されている。２つの電極（カソードおよびアノード）２および４は、多孔質材料から作られた電子および／またはイオン伝導体であり、電解質３は、気密であり、電子絶縁体およびイオン伝導体である。電解質３は、具体的には、アニオン伝導体であり得、より正確にはＯ２－イオンのアニオン伝導体であり得、この場合、電解槽はプロトン（Ｈ＋）電解質と対比して、アニオン電解槽と称される。
電気化学反応は、電子伝導体の各々とイオン伝導体との界面で行われる。
カソード２では、以下の半反応が生じる。
２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→２Ｈ２＋２Ｏ２－
アノード４では、以下の半反応が生じる。
２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－
２つの電極２および４の間に挿入された電解質３は、Ｏ２－イオンが、アノード４とカソード２との間に与えられる電位差により生じる電界の影響下で移動する場所である。
図１の括弧内に示されているように、カソード入口の水蒸気が水素Ｈ２を同伴していてよく、出口で生成および回収される水素に水蒸気が同伴していてよい。同様に、破線で示されているように、生成した酸素を除去するために、空気などの排出ガスを追加的にアノード側の入口に注入してもよい。排出ガスの注入は、温度調整器として働くという追加の役割を果たす。
単位電解槽または電解反応槽は、カソード２、電解質３およびアノード４を有する本明細書で上述したような単位セル(unit cell)、ならびに、電気および流体分配機能を果たす２つのインターコネクタからなる。
生成される水素および酸素の流量を上げるために、いくつかの単位電解セルを、インターコネクタでそれらを分離しながら互いに積み重ねることが知られている。このアセンブリは、電解槽（電解反応槽）への電気供給およびガス供給を支える２つの端部相互接続プレートの間に配置される。
このように、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽は、少なくとも１つ、一般的には、互いに積み重ねられた複数の電解セルを備え、各単位セルは、電解質、カソードおよびアノードにより形成され、電解質はアノードとカソードとの間に挿入されている。
上述したように、１つまたは複数の電極と電気的に接触している流体および電気相互接続装置は、一般的に、電流を供給および回収するという機能を果たし、１つまたは複数のガスの循環のためにコンパートメントの境界を定める。
このように、いわゆるカソードコンパートメントの目的は、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における水素の回収である。
いわゆるアノードコンパートメントの目的は、電流の分配、および接触しているアノードで生成される酸素の、任意選択的に排出ガスを用いた回収である。
図２は、先行技術によるＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の繰り返しユニットの分解図を示す。この電解槽は、固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）型の複数の単位電解セルＣ１、Ｃ２を含み、セルＣ１、Ｃ２は、インターコネクタ５と交互に積み重ねられている。各セルＣ１、Ｃ２は、カソード２．１、２．２とアノード（セルＣ２のアノード４．２のみが示されている）とから成り、カソードとアノードとの間に電解質（セルＣ２の電解質３．２のみが示されている）が配置されている。
インターコネクタ５は、金属合金から作られる構成要素であり、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との分離を提供し、この分離は、インターコネクタ５と隣接するカソード２．１との間に含まれる体積、および、インターコネクタ５と隣接するアノード４．２との間に含まれる体積によりそれぞれ画成される。さらに、インターコネクタ５は、セルへのガスの分配を提供する。各繰り返しユニットへの水蒸気の注入は、カソードコンパートメント５０にて行われる。生成された水素、および、カソード２．１、２．２での残留水蒸気の回収は、セルＣ１、Ｃ２の下流のカソードコンパートメント５０にて、セルＣ１、Ｃ２による水蒸気の解離後に行われる。アノード４．２にて生成された酸素の回収は、セルＣ１、Ｃ２の下流のアノードコンパートメント５１にて、セルＣ１、Ｃ２による水蒸気の解離後に行われる。インターコネクタ５は、セルＣ１とセルＣ２との間の電流の流通を、隣接する電極、すなわち、アノード４．２とカソード２．１との間の直接接触により確実にする。
高温固体酸化物電解槽（ＳＯＥＣ）の動作条件は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）と非常に近いので、同じ技術的な制約が適用される。
したがって、高温で動作するこのようなＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルの適切な動作のためには、主に以下の点を満たす必要がある。
第１に、２つの連続したインターコネクタの間に電気的絶縁をもたらすことが必要である。そうしなければ、電気化学セルが短絡することがある。また、セルとインターコネクタとの間には良好な電気的な接触および十分な接触面があることが必要である。セルとインターコネクタとの間のオーミック抵抗を可能な限り低くすることが求められる。
さらに、アノードコンパートメントとカソードコンパートメントとの間に密封を持たせることが必要である。そうしなければ、生成されたガスが再結合することがあり、それにより効率が低下し、とりわけ、スタックを損傷するホットスポットが出現することになる。
最後に、入口および生成されたガスの回収部の両方において適切なガスの分配が必要とされる。その分配がなければ、効率の低下、様々な繰り返しユニット内での圧力の不均一性および温度の不均一性、または、電気化学セルの許容外の劣化が生じることになる。
高温電解（ＳＯＥＣ）または高温で動作する燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックに流入および流出するガスは、図３を参照して示されるような装置を用いて管理することができる。装置１３は、したがって、低温部ＰＦおよび高温部ＰＣを含み、高温部ＰＣは、炉床１１と、炉ベル(bell)１０と、ガスの入口および出口を管理するためのループ管１２と、高温電解（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック２０と、を含む。
さらに、図４は、スタック２０およびそのクランプシステム６０などを備えるアセンブリ８０の一例を示す。そのようなアセンブリ８０は、特許文献１に記載されるようなものであり得る。
したがって、スタック２０は、カソード、アノードおよびカソードとアノードと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４１と、２つの隣り合う電気化学セル４１の間にそれぞれ配置された複数の中間インターコネクタ４２と、を含む。さらに、スタック２０は、上側スタックエンドプレート４３および下側スタックエンドプレート４４ともそれぞれ称される上側エンドプレート４３および下側エンドプレート４４を含み、上側エンドプレート４３および下側エンドプレート４４の間には、複数の電気化学セル４１および複数の中間インターコネクタ４２がクランプされ、すなわち上側エンドプレート４３および下側エンドプレート４４の間にスタックが配置されている。
クランプシステム６０は、上側クランププレート４５と、下側クランププレート４６と、を含み、上側クランププレート４５と下側クランププレート４６との間にスタック２０がクランプされる。各クランププレート４５、４６は、クランプロッド５５またはタイロッドがその中に延びる４つのクランプホール５４を含む。クランプ手段５６、５７、５８はクランプロッド５５またはタイロッドの端部に設けられる。
一般に、現在のところ、スタック２０は、限られた数の電気化学セル４１を有する。典型的には、出願人は、１００ｃｍ２の有効面積に２５個の電気化学セル４１のスタック２０を実装する。調整ステップは、一元的に行われ、各スタックは調整ベンチ(conditioning bench)に単独で置かれる。適用されるサイクルは、電気化学セル４１の封止ステップと還元ステップとの両方の実行を可能にする。サイクルは、使用のために出荷される前に、スタックの性能を特徴づける様々な電気化学測定で終わる。
動作の前に、電気化学セル４１を、初期状態の酸化された形態ではなく、還元された形態にするために、スタック２０を少なくとも１つのいわゆる還元熱処理ステップにかけることが必要である。この還元ステップは、水素電極に対しては還元性ガス、および、酸素電極に対しては空気または中性ガスの下での熱機械的サイクルであってよい。そのような熱処理ステップは、例えば、特許文献２に記載されている。
さらに、現在までに実装されているスタック２０は、典型的には、段の各々においてシールを使用しており、このシールは、２つの隣接する別個のガス循環コンパートメント、すなわちアノードコンパートメントとカソードコンパートメントとの間の漏れ止めを確実にしなければならない。そのようなシールは、特許文献３に記載されている。これらのシールは、熱調整を必要とするという特定の特徴を有し、シールは熱調整の間に押しつぶされる。
さらに、特許文献４に記載されている層、またはニッケル格子(grate)などの、接触要素も、熱調整の間、およびスタック２０の動作の間に押しつぶされ、それによって、それらは正しく配置されることが確実になる。水素チャンバ内で接触要素として働く要素も押しつぶされる。
換言すると、熱調整ステップの間に、スタック２０は、数センチメートルだけ押しつぶされる。現在のところ、積み重ねられたセルの数が比較的少なければ、押しつぶしは正しく行われる。
しかし、本出願人は、より多くの電気化学セル、典型的には２５個を超えるセルを有するスタック設計を企図している。そのような場合、スタックをクランプするときに予想される変位が、ガイドロッド上のジャミングによる妨害などの機械的な問題を引き起こすことがある。これらの妨害は、正しい熱調整を妨げ、その結果、スタックの正常動作を妨げることになる。
これらの欠点に対する１つの解決策は、相当な押しつぶしを管理するために、補強プレートを用いて、いくつかのサブスタックを組み立てるスタッキングコンセプトを提供することである。しかし、各サブスタックは、別個に調整されなければならず、したがって、大量のスタックおよびサブスタックを生成しなければならない。
しかし、そのようなスタックの調整は、時間の浪費であり、加熱にエネルギーを必要とするため、高価である。さらに、現在の装置は、１つのスタックまたはサブスタックしか一度に調整できない。
そのため、高温電解（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックについての調整原理を改善する、具体的には同時に複数のサブスタックを調整することが必要とされている。
仏国特許出願公開第３０４５２１５号明細書 欧州特許出願公開第２８７０６５０号明細書 欧州特許出願公開第３０７８０７１号明細書 欧州特許出願公開第２９００８４６号明細書
本発明の目的は、上述の必要性を少なくとも部分的に満たし、従来技術の生産に関する欠点を克服することである。
したがって、本発明は、その態様のうちの１つによれば、高温ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのモジュールスタックを共同で形成する、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルの複数のサブスタックを調整するためのシステムであって、各サブスタックが、カソード、アノードおよびカソードとアノードと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と、２つの隣り合う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ーコネクタと、を含む、システムにおいて、
－ 内部容積の境界を定める熱包囲部(thermal enclosure)と、
－ 内部容積内に配置された複数のサブスタックであって、少なくとも２つのサブスタックが、互いに少なくとも部分的に重なり合わされ、各サブスタックが、上面と下面とを有する、複数のサブスタックと、
－ 複数のエンドプレートであって、各サブスタックが、上側エンドプレートと下側エンドプレートとの間に配置され、各エンドプレートが、上面と下面とを有し、上面と下面とのうちの少なくとも一方が、少なくとも１つのサブスタックと接触しており、エンドプレートの上面の表面がサブスタックの下面の表面よりも大きな寸法であり、エンドプレートの下面の表面が、サブスタックの上面の表面よりも大きな寸法であり、したがって、少なくとも１つのサブスタックと接触しているエンドプレートの各上面および各下面が、サブスタックと重なり合わずサブスタックと接触していない１つまたは複数の自由面を有する、複数のエンドプレートと、
－ 少なくとも１つのサブスタックと接触しているエンドプレートの上面の１つまたは複数の自由面上に配置された複数のダイ形成支持体(die-forming support)であって、各ダイ形成支持体が、ダイ形成支持体における自由面と反対の上面上に開口する凹部を含む、複数のダイ形成支持体と、
－ 複数の可撓性要素であって、可撓性要素の各々が、ダイ形成支持体上に位置する凹部の上において凹部の両側に配置され、特に座ぐり(counterbore)上に位置決めされた、複数の可撓性要素と、
－ 少なくとも１つのサブスタックと接触しているエンドプレートの下面の１つまたは複数の自由面の下に配置された複数の当接要素であって、各当接要素が、サブスタックの調整のときに少なくとも１つの可撓性要素と接触することができ、可撓性要素を少なくとも１つの凹部への進入によって変形させることができる、複数の当接要素と、
を含むことを特徴とする、システムに関する。
本発明による調整システムはさらに、単独で、または任意の可能な技術的組合せにより考慮しなければならない以下の特徴のうちの１つまたは複数を含み得る。
凹部が、Ｖ字形断面を有することができる。凹部が、ダイ形成支持体を座ぐり加工することによって形成され得る。
可撓性要素が、可撓性ストリップの形態をとることができる。
同じ第１のサブスタックに関連する１つまたは複数の可撓性要素が、第１のサブスタック上に重ね合わせられた同じ第２のサブスタックに関連する１つまたは複数の可撓性要素の厚さと異なる厚さを有することができる。
具体的には、可撓性要素の厚さが、モジュールスタックの頂部からモジュールスタックの底部へと増加することができる。
さらに、可撓性要素および／またはダイ形成支持体および／または当接要素が、金属、具体的にはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）またはセラミックから作られ得る。
さらに、重ね合わせられ得るサブスタックの数に設計制限はない。しかし、調整ベンチの許容可能な高さを考慮に入れるため、サブスタックの数は２から２０の間が好ましいとされ得る。
モジュールスタックが、上側主負荷分配プレート(upper main load distribution plate)と下側ベースプレートとの間に配置され得る。
さらに、熱包囲部が、内部容積を一緒に画定する、熱包囲部の下側水平壁を形成する炉床、上側水平壁および側壁からなり得る。
システムは、圧縮力をモジュールスタック、特に上側主負荷分配プレートに加えるための力ロッドをさらに含むことができる。
さらに、その態様の他の１つによれば、本発明はさらに、本明細書において上記で定めたような調整システムを用いてモジュールスタックを形成する、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルの複数のサブスタックをクランプするための方法であって、支持体上に位置する可撓性要素により力が取り込まれる(uptake)かたちでサブスタック上に鉛直方向の圧縮力を及ぼすステップを含むことを特徴とする、方法に関する。
方法は、有利には、完全に不活性にさせるため、直接的にサブスタック内で、または熱包囲部を介して天然ガスの下で実装され得る。
本発明は、その非限定的で例示的な実装形態についての以下の詳細な説明を読むことにより、また、添付の図面の概略図および部分図を検討することにより、より良く理解されよう。
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。 従来技術による、インターコネクタおよびセルを備える高温固体酸化物電解槽（ＳＯＥＣ）を示す一部の概略的な分解図である。 高温で動作する高温電解（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックが配置される装置の構成原理を示す図である。 スタックのクランプシステムを含む、従来技術によるＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックの一例を示す上面斜視図である。 金属ストリップがＶ字形に曲げられることでスタックが調整される前の、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルの複数のサブスタックについての、本発明による調整システムの一例を示す概略的な部分断面図である。 金属ストリップＶ字形に曲げられることでスタックが調整された後の、図５における、本発明による調整システムの例を示す概略的な部分断面図である。
これらの図面すべてにおいて、同一の参照符号は、同一または同様の要素を示すことができる。
さらに、図面に示される様々な部材は、図面を見やすくするために、必ずしも均一の縮尺で示されていない。
図１から図４については、本明細書の従来技術の段落および本発明の技術的背景において上述している。ここでは、図１および図２において、水蒸気Ｈ２Ｏの供給、二水素Ｈ２、酸素Ｏ２、空気および電流の分配および回収を示す符号および矢印が図示されており、これらは、図示の装置の動作を明瞭かつ正確に説明するためのものであることが明記されている。
さらに、所与の電気化学セルのすべての構成要素部材（アノード／電解質／カソード）は、優先的に、セラミックスであることに留意されたい。高温ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型のスタックの動作温度は、典型的には、６００℃から１，０００℃までの範囲内にある。
さらに、用語「上側(upper)」および「下側(lower)」は、本明細書では、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型のサブスタックまたはスタックの使用の構成の場合、その通常の配向方向に従って理解されるべきである。
次に、モジュールスタック２０を形成する複数のＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型のサブスタック２０ａのための本発明による調整システム１００の１つの例を、図５および図６を参照して述べる。
一般に、３つのサブスタック２０ａの調整がここでは考えられる。しかし、サブスタック２０ａの数は、設計によってではなく、むしろ、調整ベンチの許容可能な高さを考慮に入れる必要があることによって制限される。したがって、サブスタック２０ａの数は、２から２０の間が好ましい。
本明細書の従来技術および本発明の技術的背景の段落において上述したように、各サブスタック２０ａは、カソード、アノードおよびカソードとアノードとの間に挿入された電解質によってそれぞれ形成される複数の電気化学セル４１と、２つの隣り合う電気化学セル４１の間にそれぞれ配置される複数の中間インターコネクタ４２と、を含む。
３つのサブスタック２０ａは、調整システム１００の熱包囲部１０２の内部容積Ｖｉ内に配置される。この熱包囲部１０２は、この場合、図５および図６に見られるように、内部容積Ｖｉを一緒に画定する、熱包囲部１０２の下側水平壁を形成する本明細書で上述したような炉床１１によって、ならびに上側水平壁１０２ｓおよび側壁１０２ｌによって構築される。
このように、３つのサブスタック２０ａは、互いに完全に重ね合わされて熱囲包囲部１０２の内部容積Ｖｉ内に配置される。
サブスタック２０ａの各々は、この場合、表面積は同じである上面２０ａｓおよび下面２０ａｉを有する。
さらに、システム１００は、サブスタック２０ａとともに挿入される４つのエンドプレート４０を含む。より具体的には、各サブスタック２０ａは、上側エンドプレート４０と下側エンドプレート４０との間に配置され、それによって同じエンドプレート４０が、あるサブスタック２０ａについての上側エンドプレートとしてだけでなく他のサブスタック２０ａの下側エンドプレートとしても働くことができる。
各エンドプレート４０は、この場合、表面積が同一である上面４０ｓおよび下面４０ｉを有し、上面４０ｓおよび下面４０ｉのうちの少なくとも一方が、サブスタック２０ａと接触している。
さらに、こうして得られたモジュールスタック２０は、上側主負荷分配プレート１１０と下側スタックベースプレート１２０との間に配置される。下側スタックベースプレート１２０は、炉床１１上に配置される。
さらに、システム１００は、圧縮力をモジュールスタック２０、具体的には上側主負荷分配プレート１１０に加えるために、丸い形状の力ロッド１３０を含む。具体的には、力ロッド１３０は、主負荷分配プレート１１０上に膝蓋支持(patellar support)をもたらす。
本発明によれば、複数のサブスタック２０ａを重ね合わせて組み立てることによるモジュールスタック２０の調整は、調整ベンチが占める床面積を最小限にする一方、制御された機械的クランプが各サブスタック２０ａに対して独立的に行われ得るようにして、行われる。
主な機械的負荷は、こうして、スタック２０が力の取り込みを可能にするように調整されているとき、押しつぶされる間に、異なるサブスタック２０ａ間に分配される。
具体的には、力ロッド１３０によってもたらされる主な機械的圧縮は、異なる厚さｅ１、ｅ２を有することができる金属ストリップの形態の専用の可撓性要素１０５によってサブスタック２０ａ間に分配される。
したがって、有利には、エンドプレート４０の上面４０ｓの表面積は、サブスタック２０ａの下面２０ａｉの表面積よりも大きい。同様に、エンドプレート４０の下面４０ｉの表面積は、サブスタック２０ａの上面２０ａｓの表面積よりも大きい。
このように、少なくとも１つのサブスタック２０ａと接触しているエンドプレート４０の各上面４０ｓおよび各下面４０ｉは、サブスタック２０ａ上に重なり合わずサブスタック２０ａに接触していない１つまたは複数の自由面４０ｌを有する。図５および図６には、これらの自由面４０ｌが示されている。したがって、これら自由面４０ｌは、エンドプレート４０上に形成された、サブスタック２０ａのその４辺すべてにおいて横方向に突出した部分に対応する。
ダイ形成支持体１０３は、こうして、これらの自由面４０ｌ上に配置される。この例では、２つの長い支持体１０３が、サブスタック２０ａの段ごと、すなわちサブスタック２０ａの前および後に１つずつ設けられ得ることに留意されたい。図示されない他の例では、４つの支持体１０３が、サブスタック２０ａの段ごと、すなわち例えばサブスタック２０ａの各側に設けられ得る。支持体１０３は、調整後にスタックよりも高さが若干小さく成り得る。支持体１０３は、有利には、金属であり、例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）製である。
図５に示されるように、各ダイ形成支持体１０３はさらに、支持体１０３における自由面４０ｌの反対の上面１０３ｓ上に開口する凹部１０４を含む。各凹部１０４は、Ｖ字形断面を有する。
さらに有利には、この場合、金属ストリップ１０５の形態である複数の可撓性要素１０５は、凹部１０４の上に配置され、ダイ形成支持体１０３上において、凹部１０４の各側にこの目的のために設けられた座ぐり１０８に当接する。各金属ストリップ１０５も、例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）製である。各金属ストリップ１０５は、例えば、約２００ｍｍの長さおよび約１０ｍｍの幅を有する。
金属ストリップ１０５は、有利には、図５に示されるような厚さｅ１、ｅ２を有し、これら厚さは段ごとに異なる。具体的には、金属ストリップ１０５は、この例のように、モジュールスタック２０の上部からモジュールスタック２０の底部へと増加する厚さを有する。
さらに、複数の当接要素１０６は、サブスタック２０ａと接触しているエンドプレート４０の下面４０ｉの自由面４０ｌの下に配置される。各当接要素１０６は、サブスタック２０ａの調整中に、パンチ１０６ｐを形成するその端部によって金属ストリップ１０５と接触する。したがって、この接触によって、金属ストリップ１０５が変形され、それによって「Ｖ」字形形状へと曲がり、凹部１０４に進入することが可能になる。
このように、図６に示されるように、金属ストリップ１０５とダイ形成支持体１０３との間には、非接触スペース１０７が得られる。
換言すると、モジュールスタック２０の調整のとき、自由面４０ｌは、有利には、凹部１０４を含むダイ形成支持体１０３、金属ストリップ１０５およびパンチ１０６ｐを形成する端部を備える当接要素１０６によって形成されたアセンブリをその中に挿入するために使用され、それによって、サブスタック２０ａの各々が受ける重さによって発生する機械的な力が相殺される。
実際、この力は、金属ストリップ１０５をＶ字形に曲げるために必要な力によって、全体的ではないが部分的に相殺される。
したがって、調整ベンチを修正することなく、システム１００は、サブスタックが押しつぶされるとき、および動作中に、機械的負荷を、モジュールスタック２０全体を作り上げるサブスタック２０ａ間に均等に分配することができる。
支持体１０３、可撓性要素１０５および当接要素１０６を備えるアセンブリは、有利には、高温、特に９００℃までの高温に耐えられる合金から作られ、したがってＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）タイプのものを選ぶことが好ましい。このアセンブリは、有利には、スタックが押しつぶされた後、スタックの押しつぶされる距離を制限せず、したがってセルとスタックのシーリングとの間に良好な封止を確実にするように、それが表面全体にわたって接触しないように、寸法設定される。
有利には、金属ストリップ１０５の厚さｅ１、ｅ２は、Ｖ字形屈曲力の式（冷間形成の力の計算）、すなわち、
Ｆ＝ＣＲＬｅ２／Ｖ
を用いて得られ、
式中、
Ｆ（Ｎで表される）は、屈曲力であり（この場合、それが受ける重さを相殺するように、中間段では７５Ｎ、または下側段では１５０Ｎであるが、これを超えない）、
Ｒ（ＭＰａで表される）は、金属の引っ張り強さであり（Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標登録）では最大約１，０００ＭＰａ）、
Ｌ（ｍｍで表される）は、屈曲長さであり（この場合１０ｍｍ）、
Ｅ（ｍｍで表される）は、金属ストリップの厚さであり、
Ｖ（ｍｍで表される）は、サブスタック押しつぶし前後の高さの差＋１ｍｍであり（すなわち約１００ｍｍ）、
Ｃは、１．１６に等しい係数（Ｖ＞３０＊ｅのときに使用される値）である。
結果として、中間段の２つの金属ストリップ１０５（前方および後方）は、約０．８ｍｍの厚さｅ１を有し、底部段の２つの金属ストリップ１０５（前方および後方）は、約１．１４ｍｍの厚さｅ２を有する。
金属ストリップ１０５の両端は、ダイ形成支持体１０３上に水平方向に、支持体１０３の傾斜面にある座ぐりによって形成される凹部１０８により、繰り返し可能に位置決めされる。
調整ベンチ内にてスタックの組み立てが完了した後、それが力ロッド１３０によって機械的に押されるとすぐに、パンチ１０６ｐが、パンチ１０６ｐと上側エンドプレート４０との間のスタックの側部(side)の中間に配置されたねじにより、金属ストリップ１０５に当接する。ねじの両側に装着された２つのガイドロッドによって、パンチ１０６ｐの上側ベースが、上側エンドプレート４０に対して平行に保持されることを可能にし得る。同一のクランプ力が、トルクレンチを用いることによってストリップ１０５上の各ねじについて保証され得る。
図６に示される構成において、押しつぶされた後、スタックの全高さは、各セル間にあるシールの形成の結果、およびスタックの押しつぶしを阻止しないようにダイ形成支持体１０３と部分的に接触している折り曲げられたストリップ１０５により、約４０％まで減少されることに留意されたい。力ロッド１３０は、炉の加熱の間、スタック押しつぶしプロセス全体を通して一定の力を加えることになる。
本発明は、上述の例示的な実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者によって、それに様々な修正を加えることができる。
１１ 炉床
２０ モジュールスタック
２０ａ サブスタック
２０ａｉ 下面
２０ａｓ 上面
４０ エンドプレート
４０ｉ 下面
４０ｌ 自由面
４０ｓ 上面
４１ 電気化学セル
４２ 中間インターコネクタ
１００ 調整システム
１０２ 熱包囲部
１０２ｌ 側壁
１０２ｓ 上側水平壁
１０３ ダイ形成支持体
１０３ｓ 上面
１０４ 凹部
１０５ 可撓性要素、金属ストリップ
１０６ 当接要素
１０６ｐ パンチ
１０７ 非接触スペース
１０８ 座ぐり、凹部
１１０ 上側主負荷分配プレート
１２０ 下側スタックベースプレート
１３０ 力ロッド
ｅ１ 厚さ
ｅ２ 厚さ
Ｖｉ 内部容積

Claims (11)

  1. 高温ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのモジュールスタック（２０）を共同で形成する、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルの複数のサブスタック（２０ａ）を調整するためのシステム（１００）であって、各サブスタック（２０ａ）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と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つの隣り合う電気化学セル（４１）の間にそれぞれ配置された複数の中間インターコネクタ（４２）と、を含む、システム（１００）において、
    － 内部容積（Ｖｉ）の境界を定める熱包囲部（１０２）と、
    － 前記内部容積（Ｖｉ）内に配置された複数のサブスタック（２０ａ）であって、少なくとも２つのサブスタック（２０ａ）が、互いに少なくとも部分的に重なり合わされ、各サブスタック（２０ａ）が、上面（２０ａｓ）と下面（２０ａｉ）とを有する、複数のサブスタック（２０ａ）と、
    － 複数のエンドプレート（４０）であって、各サブスタック（２０ａ）が、上側エンドプレート（４０）と下側エンドプレート（４０）との間に配置され、各エンドプレート（４０）が、上面（４０ｓ）と下面（４０ｉ）とを有し、前記上面（４０ｓ）と前記下面（４０ｉ）とのうちの少なくとも一方が、少なくとも１つのサブスタック（２０ａ）と接触しており、エンドプレート（４０）の上面（４０ｓ）の表面がサブスタック（２０ａ）の下面（２０ａｉ）の表面よりも大きな寸法であり、エンドプレート（４０）の下面（４０ｉ）の表面が、サブスタック（２０ａ）の上面（２０ａｓ）の表面よりも大きな寸法であり、したがって、少なくとも１つのサブスタック（２０ａ）と接触しているエンドプレート（４０）の各上面（４０ｓ）および各下面（４０ｉ）が、サブスタック（２０ａ）と重なり合わずサブスタック（２０ａ）と接触していない１つまたは複数の自由面（４０ｌ）を有する、複数のエンドプレート（４０）と、
    － 少なくとも１つのサブスタック（２０ａ）と接触している前記エンドプレート（４０）の前記上面（４０ｓ）の前記１つまたは複数の自由面（４０ｌ）上に配置された複数のダイ形成支持体（１０３）であって、各ダイ形成支持体（１０３）が、前記ダイ形成支持体（１０３）における自由面（４０ｌ）と反対の上面（１０３ｓ）上に開口する凹部（１０４）を含む、複数のダイ形成支持体（１０３）と、
    － 複数の可撓性要素（１０５）であって、前記複数の可撓性要素（１０５）の各々が、前記ダイ形成支持体（１０３）上に位置する凹部（１０４）の上において前記凹部（１０４）の両側に配置され、特に座ぐり（１０８）上に位置決めされている、複数の可撓性要素（１０５）と、
    － 少なくとも１つのサブスタック（２０ａ）と接触している前記エンドプレート（４０）の前記下面（４０ｉ）の前記１つまたは複数の自由面（４０ｌ）の下に配置された複数の当接要素（１０６）であって、各当接要素（１０６）が、前記サブスタック（２０ａ）の調整のときに少なくとも１つの可撓性要素（１０５）と接触することができ、前記可撓性要素（１０５）を少なくとも１つの凹部（１０４）への進入によって変形させることができる、複数の当接要素（１０６）と、
    を含むことを特徴とする、システム（１００）。
  2. 前記凹部（１０４）が、Ｖ字形断面を有し、特に、前記ダイ形成支持体（１０３）を座ぐり加工することによって形成されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記可撓性要素（１０５）が、可撓性ストリップの形態をとることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。
  4. 同じ第１のサブスタック（２０ａ）に関連する前記１つまたは複数の可撓性要素（１０５）が、前記第１のサブスタック（２０ａ）上に重ね合わせられた同じ第２のサブスタック（２０ａ）に関連する前記１つまたは複数の可撓性要素（１０５）の厚さ（ｅ２）と異なる厚さ（ｅ１）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
  5. 前記可撓性要素（１０５）の前記厚さ（ｅ１、ｅ２）が、前記モジュールスタック（２０）の頂部から前記モジュールスタック（２０）の底部へと増加することを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記可撓性要素（１０５）および／または前記ダイ形成支持体（１０３）および／または前記当接要素（１０６）が、金属、特にＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）またはセラミックから作られることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
  7. サブスタック（２０ａ）の数が、２から２０の間であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
  8. 前記モジュールスタック（２０）が、上側主負荷分配プレート（１１０）と下側ベースプレート（１２０）との間に配置されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
  9. 前記熱包囲部（１０２）が、前記内部容積（Ｖｉ）を一緒に画定する、前記熱包囲部（１０２）の下側水平壁を形成する炉床（１１）、上側水平壁（１０２ｓ）および側壁（１０２ｌ）からなることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
  10. 圧縮力を前記モジュールスタック（２０）、特に上側主負荷分配プレート（１１０）に加えるための力ロッド（１３０）を含むことを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
  11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の調整システム（１００）を用いてモジュールスタック（２０）を形成する、高温で動作する前記ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルの複数のサブスタック（２０ａ）をクランプするための方法であって、前記ダイ形成支持体（１０３）に位置する前記可撓性要素（１０５）により力が取り込まれるかたちで前記サブスタック（２０ａ）上に鉛直方向の圧縮力を及ぼすステップを含むことを特徴とする、方法。
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