JP5777644B2 - 電解セルのスタックを有し、かつ動作の信頼性が向上した高効率の高温電解槽（ｈｔｅ） - Google Patents

電解セルのスタックを有し、かつ動作の信頼性が向上した高効率の高温電解槽（ｈｔｅ） Download PDF

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Description

本発明は、水素を生成する目的で、セルのスタックを有する種類の高温水電解(EHT)用リアクタと組み合わされた密閉格納容器を備えたモジュールに関する。
本発明による密閉格納容器を備えたモジュールは、効率低下、および/または高温電解槽の要素の全体または一部の破損を生じ得る漏れの危険を低減させることによって、高温電解槽の動作上の安全性を向上させることができる。
本発明は、より詳細には、かかるモジュールの高効率の維持に関する。
用語「高温」とは、本発明の場合においては、少なくとも450℃に等しく、典型的には600℃から1000℃の間の温度を意味することを理解されたい。
スタックを備えた種類の高温電解槽(EHT)は、高温水蒸気電解(EVHT)とも呼ばれ、電解質によって分離されたカソードおよびアノードによって形成された複数の基本電解セルを含み、これらの基本セルは、一般に、ある基本セルのアノードと、後続の基本セルのカソードとの間に介挿された相互接続プレートを用いて、直列に電気接続されている。アノード-アノード接続の後にカソード-カソード接続が続くこともやはり可能である。相互接続プレートは、少なくとも1つの金属プレートによって形成された電子導電性の構成要素である。これらのプレートはまた、ある基本セル中を流れるカソード流体と、後続の基本セル中を流れるアノード流体との分離を実現する。
アノードおよびカソードは多孔性材料で作成され、その内部を気体が流れることができる。
高温で水素を生成する水の電解の場合、カソード中を水蒸気が流れ、そこで水素が気体状で生成され、アノード中を排出ガスが流れることができ、それによってアノードで、気体状で生成された酸素が収集される。高温電解槽の大半は、アノード中の排出ガスとして空気を使用している。
したがって、現状では、気体の管理が複雑であり、その理由は、異なる2つの気体入口を、一方はカソードに、他方はアノードに設けなければならず、それとともに異なる2つの気体出口を、その一方をカソードに、他方をアノードにやはり設けなければならないからである。
この複雑さによって、直接の影響として漏れが生じ得る危険が増大し、最終的には、幾分の効率低下、および/または電解槽の破損の可能性が生じ、それによって電解槽が動作不能になり得る。
気体の管理を簡単にする解決策を考案するために、本発明者らは、電解槽の一部分に生じ得るあらゆる漏れについて、その現象、およびそれらの相対的な質的影響とともに考察した。
以下の表は、この評価をまとめたものであり、この表では、慣例により、質的影響を0から3に分類している。
0:危険なし。
1:低い危険度。
2:中程度の危険度:水素が燃焼し得る。
3:かなりの危険度:大量の水素が燃焼し得る。
Figure 0005777644
したがって、本発明者らは、主な有害現象は、水素が空気と接触して燃焼することであり、したがって高温で動作している電解槽内での水素と空気の循環を最小限に抑える必要があるという結論に達した。
効率低下を生じ得る漏れ、および/またはそうした漏れから生じる電解槽の全体または一部の破損の危険を低減させるために、高温電解槽(EHT)内で、水素と空気の流動を最小限に抑えようとする解決策は、最大で1%の水素を含有する水蒸気を(排出ガスとして)アノード、およびカソードの両方に流すことにある。言い換えれば、最大で1%の水素を含有する水蒸気だけが、アノードおよびカソードに接触する流体流中にて搬送される。
したがって、カソードおよびアノードの入口で流れが生じ、この流れは、カソードおよびアノードの全体にわたって接触し、最初に最大で1%の水素を含有している水蒸気は、カソードと接触して流れる際に水素を多く含むことになる。
それによって、漏れに起因する効率低下、および電解槽の部品の破損の可能性が低減する。
したがって、カソードにおいて、水素がほとんど関与しないほぼ完全な反応が予想され(還元反応は前の段階で実現され、この段階では、還元状態を維持するために、必要に応じて最初の水蒸気の含有量1%が使用されるので)、アノードへの排出ガスとしては、ほんの僅かにだけ水素化された水蒸気しか関与しない。
アノードに存在する非常に低率(最大で1%)の水素が、生成された酸素と燃焼することがあるが、有害な結果は一切伴わない。
上記によって、精巧なシーリングソリューションの使用を回避することが可能となり、より具体的には、アノードの下の相互接続体を通る、生成された水素を回収するダクトに沿った流路に関して、精巧なシーリングソリューションの使用を回避することが可能となる。実際に、この点で、漏れが実際に生じた場合、その水蒸気は挟まれることになり、それによってある意味で、水封または水クッションを成すことになる。漏れは、ある意味で希釈を表す。
したがって、設ける封止部は、必然的に少なくなる。したがって、電解セルのスタックを備えた電解槽の構成を簡単にすることができる。
また、放出された酸素をより容易に利用することが可能となる。実際に、アノードで回収される混合物は、ほぼ完全に水蒸気および酸素からなる。電解槽から下流の水蒸気は、容易に濃縮させることができる。したがって、純粋な酸素を回収し、その後使用することが可能となる。例えば、回収された純粋な酸素を、化学工業に使用することができる。
セルのスタックを備えたEHT電解槽の動作上の安全性をさらに向上させるために、本発明者らは、最大で1%の水素を含有する水蒸気、または不活性ガスを閉じ込めるように設計された密閉筐体を含み、電解セルのスタックがその密閉筐体内に収容される高温電解用モジュールを製造するアイデアも思いついた。
かかるモジュールでは、電解槽に製造すべき封止部は、従来の電解槽の封止部ほど重要ではない。実際に、密閉筐体が不活性ガス、または最大で1%の水素を含有する水蒸気を含む場合、この電解槽は、水素と反応しない雰囲気中に保持される。さらに、雰囲気が、最大で1%の水素を含む水蒸気である場合、電解槽の流体系の設計は、従来の電解槽に比べてそれほど複雑でなくなり、これはアノードおよびカソードが、密閉筐体の内側から直接突き出した単一の入口を有することが可能となるからである。したがって、従来の電解槽に比べて、改良された封止部をより少数設けることが必然的になる。
電解槽、および付近の環境のどちらにおいても、動作上の安全性が増大する。高温電解槽を加圧することもやはり可能となる。逆に言えば、電解槽のかかる加圧は、水蒸気または不活性ガスによって密閉筐体に加わり得る逆圧を保証し、かつ制御することが可能となる解決策が規定されることを暗示する。
さらに、かかるモジュールでは、スタック電解槽の効率は、スタックを流れる電流の導電品質に依存し続けることになり、したがって、スタックに印加される圧縮力または接触力、締付け力とも呼ばれる力に依存し続けることになる。
したがって、本発明の目的は、最大で1%の水素を含有する水蒸気、または不活性ガスを閉じ込め、かつ電解セルのスタックを収容するように設計された密閉筐体を含み、スタックの締付け、すなわち圧縮と、水蒸気または不活性ガスによって密閉筐体に加わり得る逆圧とのどちらをも保証し、制御することが可能となる、高温電解用モジュールを提案することである。
上記目的を達成するために、第1の実施形態によれば、本発明の目的は、
最大で1%の水素を含有する水蒸気、または不活性ガスを閉じ込めるように設計された密閉筐体と、
複数の基本電解セル(C1、C2、...Cn)のスタックであって、前記複数の基本電解セルの各々がカソード、アノード、およびカソードとアノードとの間に挟まれた電解質で形成され、少なくとも1つの相互接続プレートが、隣接する2つの基本セルの間に、2つの基本セルのうちの一方の電極と2つの基本セルのうちの他方の電極とに電気接触して嵌合され、この相互接続プレートが、気体がカソードおよびアノードへそれぞれ流れる少なくとも1つのカソード区画および少なくとも1つのアノード区画を含み、電解セルのスタックが、密閉筐体内に収容された、基本電解セルのスタックと
を含む高温電解用モジュール(M)であって、
密閉筐体が、互いに堅固に取り付けられたベースおよびカバーを含む箱からなり、基本電解セルのスタックが、2つのプレート間で組み立てられ、2つのプレートのうちの下側のプレートが、箱のベース上に電気絶縁体を介して載置され、
締付け手段が、上側のプレートと箱のカバーとの間に少なくとも部分的に嵌合され、この締付け手段が、決められた接触力をセルのスタックの下側のプレートと上側のプレートとの間の圧縮によってもたらすように設計され、
締付け手段が、箱に遊嵌(loose fit)状態で、かつ上側のプレートと直接接触して据え付けられた追加のプレートを含み、この追加のプレートが、箱の外部からカバーを通り抜ける、最大で1%の水素を含有する水蒸気によって動作するように設計され、追加のプレートのこの動作によって、下側のプレートと上側のプレートとの間で締付け力が生じ、前記嵌合は、最大で1%の水素を含有する水蒸気がセルのスタックに少なくとも部分的に供給されることを可能にする、高温電解用モジュールである。
本発明の第2の実施形態によれば、下側のプレートは、箱のベース上に直接載置され、締付け手段は、箱のカバーに密閉方法で堅固に取り付けられたベローズを介して、箱の外部から上側のプレートに対して重力による負荷を印加するように設計され、印加された負荷が伝達されることを可能にする電気絶縁部分が、箱の内部でベローズと上側プレートとの間に嵌合されている。
有利には、接続部は、当該接続部が箱に取り付けられた状態で、いかなる電気接触もなく、箱のベースを貫通して嵌合されると共に、箱の外側から電解セルのスタックへの電気的な接続を可能にする。
第1の実施形態に比べて、第2の実施形態の利点は、異なる機能、すなわちスタックへの電力供給、スタックへの最小限に水素化された水蒸気、または非水素化水蒸気の供給、密閉箱の内部への最小限に水素化された水蒸気、または非水素化水蒸気の供給、および電解セルのスタックの圧縮による締付けを完全に独立して維持することが可能である点である。上記によって、これらの機能のそれぞれをより正確に保証し、制御することが事実上可能となる。
本発明による水の電解は、450℃超の温度で行うことができ、典型的には600℃から1000℃の間の温度で行うことができる。
複数の基本電解セルの各々がカソード、アノード、およびカソードとアノードとの間に挟まれた電解質で形成された複数の基本電解セルのスタックであって、少なくとも1つの相互接続プレートが、隣接する2つの基本セルの間に、2つの基本セルのうちの一方の電極と、2つの基本セルのうちの他方の電極とに電気接触して嵌合され、この相互接続プレートが、気体がカソードおよびアノードへそれぞれ流れる少なくとも1つのカソード区画および少なくとも1つのアノード区画を含み、この電解セルのスタックが、密閉筐体内に収容された、基本電解セルのスタックが、好ましくは提供される。
有利な実施形態によれば、密閉筐体は、互いに堅固に取り付けられたベースおよびカバーを含む箱からなり、複数の基本電解セルのスタックは、2つのプレート間で組み立てられ、その2つのプレートのうちの下側のプレートが、箱のベース上に電気絶縁体を介して載置されている。上記によって、セルスタックが電気短絡する危険が防止される。
また、電解槽の締付け機能を箱に直接組み込むこともやはり可能であり、これには、箱の外部にある締付け手段では必要となる、追加の開口およびそれに伴う封止部を作成する必要がないという利点がある。したがって、締付け手段は、上側のプレートと、箱のカバーとの間に嵌合され、この締付け手段は、決められた接触力を相互接続プレートと電極との間にもたらすように設計される。
上側のプレートと箱のカバーとの間に嵌合された締付け手段は、様々な変形実施形態にすることが可能であり、すなわち締付け手段は、高さが較正された単なる剛体スペーサ、またはジャッキでもよい。
本発明はまた、
先に述べた2つの実施形態のうちの何れか一方による高温電解用モジュールと、
モジュールの密閉筐体の内部に接続された、最大で1%の水素を含有する水蒸気、または不活性ガスの供給源と
を含む、組立体に関する。
不活性ガスは、窒素またはアルゴンの中から選択することができる。本発明において、不活性ガスとは、水素および酸素に関して不活性であることを意味することをここに明記しておく。
他の利点および特徴は、以下の図を参照しながら詳細な説明を読めば、より明白に理解されよう。
本発明による高温電解用リアクタの実施形態の側面図である。 電解が正常に動作中の、すなわち電解セルが破損していない、図1のリアクタの平面A-Aにおける断面図である。 やはり正常に動作中の、図1のリアクタの平面B-Bにおける断面図である。 本発明によるリアクタ内で生じ得る現象を示す概略図である。 第1の実施形態による、締付け手段を組み込んだ高温電解用リアクタが内部に収容された密閉箱を備えたモジュールの概略図である。 第2の実施形態による、締付け手段を組み込んだ高温電解用リアクタが内部に収容された密閉箱を備えたモジュールの、概略的な斜視図である。 第2の実施形態による、締付け手段を組み込んだ高温電解用リアクタが内部に収容された密閉箱を備えたモジュールの、概略的な斜視図である。 第2の実施形態による、締付け手段を組み込んだ高温電解用リアクタが内部に収容された密閉箱を備えたモジュールの、部分的に切り取った概略的な部分断面斜視図である。 本発明による、ベースと、密閉箱のカバーとの間に設けられた封止部の部分断面斜視図である。
水素を生成する高温水電解槽のある種の構成に関して、本発明を説明する。本発明を他の構成にも応用できることは、自明である。この表示の電解槽が動作する高温とは、600℃から1000℃の間である。
用語「上流」、および「下流」とは、水蒸気、およびカソードで生成される水素が流れる方向に関して使用することを明記しておく。
用語「下側」、および「上側」とは、本発明に従って電解槽が箱内に据え付けられた配置に関して使用しており、したがって、上側プレートが最も高いプレートであり、下側プレートが最も低いプレートであることを明記しておく。
様々な要素の表示は、原寸に比例していないことを明記しておく。
図1には、本発明による、積み重なった複数の基本セルC1、C2等を含むEHT電解槽が表示してある。
各基本セルは、カソードとアノードとの間に配置された電解質を含む。
本明細書の残る部分で、セルC1およびC2、ならびにそれらの境界面について詳細に説明する。
セルC1は、カソード2.1、およびアノード4.1を含み、それらの間に電解質6.1、例えば固体電解質が配置され、この電解質は、一般に、「電解質支持」セルと呼ばれるセルの場合、厚さが100μmであり、「カソード支持」セルと呼ばれるセルの場合、厚さが数μmである。
セルC2は、カソード2.2、およびアノード4.2を含み、それらの間に電解質6.2が配置されている。
カソード2.1、2.2、およびアノード4.1、4.2は、多孔性材料で作成され、「電解質支持」セルの場合、厚さが例えば40μmであり「カソード支持」セルの場合は、厚さがそれぞれ500μm程度、および40μmである。
セルC1のアノード4.1は、アノード4.1、およびカソード2.2に接触する相互接続プレート8によって、セルC2のカソード2.2に電気的に接続されている。さらに、この相互接続プレート8によって、アノード4.1、およびカソード2.2に電力供給することが可能となる。
相互接続プレート8は、2つの基本セルC1とC2との間に介挿されている。表示の例では、相互接続プレート8は、ある基本セルのアノードと、隣接するセルのカソードとの間に介挿されている。しかし、相互接続プレート8は、2つのアノード間、または2つのカソード間に介挿することもできる。
相互接続プレート8は、隣接するアノード、および隣接するカソードとともに、流体が中を流れるチャネルを画定する。より具体的には、相互接続プレート8、隣接するアノード、および隣接するカソードは、アノード4における気体の流れ専用のアノード区画9と、カソード2における気体の流れ専用のカソード区画11とを画定する。
表示の例では、アノード区画9は、壁9.11によってカソード区画11とは分離されている。表示の例では、相互接続プレート8はまた、壁9.11とともに、アノード区画9、およびカソード区画11を区切る少なくとも1つのダクト10を含む。
表示の例では、相互接続プレートは、複数のダクト10、ならびに複数のアノード区画9およびカソード区画11を含む。有利には、ダクト10、および各区画は、六角形のハニカム断面を有し、したがって区画9、11、およびダクト10の密度を増大させることが可能である。
図1Aに示すように、最大で1%の水素を含有する水蒸気、好ましくは完全に非水素化された水蒸気が、カソード2.1、2.2、および排出ガスとしてアノード4.1、4.2をそれぞれ流れることになる。したがって、図1Aの矢印12および13は、アノード区画9、およびカソード区画11内の、非水素化水蒸気の同圧の同時経路を明示している。本発明の文脈の中では、記号によって示す流れは、他の方向にも等しく表示(矢印12および13を反対または逆方向に示す)できることは自明である。
図1Bに示すように、この電解槽の構成ではまた、ダクト10の第1の端部10.1を、別のダクトを介して完全に非水素化された水蒸気の供給部に連結し、ダクト10の第2の端部10.2を、アノード区画9、およびカソード区画11の両方に連結することが可能である。したがって、矢印14および15は、ダクト10内の流れ(矢印16)からの非水素化水蒸気が、折り返してアノード区画9、およびカソード区画11の方へそれぞれ流れる様子を記号によって示している。
従来のEHT電解槽に比べて、非水素化水蒸気がアノードおよびカソードに一時に循環することによって、効率低下を生じる可能性のある漏れ、および/またはそうした漏れから生じる電解槽の全体または一部の破損の危険を低減させることが可能となる。
特に、図2に示すように、本発明によれば、電解によって生成された水素を収集するダクト17がアノード4.1を通る流路の領域において、精巧な封止部を設ける必要がない。さらに、この図2で不規則な点が打たれた領域で記号によって示すように、アノード4.1と、水素H2を収集するダクト17との間のこの接合部に漏れが生じた場合、アノード4.1中で放出される酸素に対する封止部を構成するある種の水クッションが、非水素化水蒸気中の水素H2の希釈によって形成される(これは、電解反応によって生じる水素および酸素に比べて、高圧の設計によって必然的に形成される)。言い換えれば、非水素化水蒸気を用いて、危険ゾーン間(水素収集ゾーンと、酸素生成ゾーン)に緩衝希釈ゾーンが形成される。
したがって、効率低下、および全体または一部の破損を生じ得る影響のある漏れの危険が低減されるため、電解槽の動作上の安全性が向上する。
したがって、上述の電解槽の動作は、以下のように要約することができる。恐らくは予熱されることになる非水素化水蒸気が、供給ダクト10.3を介してダクト10に入る。この非水素化水蒸気は、ダクト10中を移動すると、カソードおよびアノードによって裏側がライニングされた相互接続プレート8との熱交換によって加熱される。
セルC1の温度付近まで加熱されたこの非水素化水蒸気はまず、端部10.2を通ってカソード区画11に入り(図1Bの矢印14)、ここで、カソード2.2と接触すると還元される。次いで、以下の反応に従って水素が生成される。
Figure 0005777644
次いで、生成された水素は、専用の収集ダクト17に収集される。
それと同時に、加熱され、完全に非水素化されたこの水蒸気は、端部10.2を通ってアノード区画9に入り(図1Bの矢印15)、そこでこの水蒸気は、アノード4.1内で収集された酸素の排出ガスを構成する。
非水素化水蒸気しかEHT電解槽への供給に使用してはならないという事実のため、また、設けられる封止部がより少数になるという事実のため、本発明者らはまた、EHT電解槽を従来通り外気雰囲気に保持するのではなく、EHT電解槽を密閉筐体中に収容し、不活性ガスまたは非水素化水蒸気の雰囲気を形成するというアイデアを思いついた。
したがって、EHTスタック電解槽を加圧することが可能となる。
したがって、図3、および図4A〜4Bに示すように、モジュールMは、その密閉筐体として、上述のEHT電解槽を収容している箱18で画定することができる。この箱18は、いくつかの部品を、典型的には溶接によって互いに組み立てることによって作成することができる。図3から5による箱18、およびその組立体によって、EHT電解槽は、典型的には、30バール程度の圧力で動作させることができる。
より具体的には、図5でより分かりやすく示されているように、表示の箱18は、典型的には外側のボルト3またはブレースによって互いにしっかりと取り付けられたベース180と、カバー181とを含む。
この場合、ベース180は、刺通された水平ブラケット1801からなる。以下でさらに良く説明するように、管の形の様々な流体接続部が、ベース180、1801から突き出している。
一方、カバー181は、垂直隔壁1810、および水平隔壁1811からなる。
2つのプレート、すなわち下側プレート19、および上側プレート20が、電解セルC1、C2...Cnのスタックのどちらかの側に直接接触して互いに押圧するように嵌合されている。当然ながら、これらのプレート、すなわち下側プレート19、および上側プレート20は、相互接続プレート8と直接接触させることも、またはそれぞれが相互接続プレート8を構成することもできる。
電解セルC1、C2...Cnのスタックを電気的に絶縁するために、図3の実施形態に示すように、下側プレート20を、スペーサを成す電気絶縁体21で作成されたある部分に押圧させることができ、この電気絶縁体21自体は、箱18のベース1801に押圧されている。
一方、上側プレート19は、セルのスタックを下側プレートに締め付ける締付け力、すなわち締付け手段5によるセルC1、...Cnのスタックの相互接続プレート8と、電極2、4との間の圧縮によって定まる接触力を加え、この締付け手段5について以下で詳細に説明する。
箱のカバー181、およびベース180は、下側プレート19、および上側プレート20とともに、好ましくはAISI310型の耐熱鋼で作成される。
電気接続部22a、22b、22cが、セルC1、C2...Cnのスタックに、電流を搬送するために嵌合されている。図3の実施形態では、これらの電気接続部22a、22bは、第1に箱18の外側から垂直隔壁1810に嵌合され、この隔壁1810から上側プレート19に嵌合され(接続部22a)、第2に箱の外側から下側プレート20に嵌合されている(接続部22b)。図4Aから4Cの実施形態では、電力が、箱18のベース180を貫通する3つの電気絶縁密閉流路6を用いて供給され、これらの流路は、好ましくはベース180に溶接されている。典型的には、これらの流路は、Spectite(登録商標)ブランドの電気接続部でよく、これらの流路はそれぞれ、箱に電気的に接触させずに取り付けて30アンペア程度の電流を流すことが可能である。これらの接続部はそれぞれ、その内部に電気接続部22cを含む。電気接続部を完成させるには、典型的にはニッケル製の導線を用いて、各接続部22cを上側プレート19に接続することが想定され得る。
流体接続部23aが、加圧された非水素化水蒸気を、箱18によって構成された密閉筐体の内部24に搬送するように嵌合されている。この接続部23aは、ベース180を横断している。
別の流体接続部23bが、加圧された非水素化水蒸気を、セルC1、C2...Cnのスタックを有するEHT電解槽の内部に搬送するように嵌合されている。したがって、水蒸気は、各アノードと、各カソードとで概ね同じ圧力である。
図3の実施形態では、この他方の接続部23bによって、水蒸気を密閉箱18の内部24から供給して、上側プレート19を横断させることが可能となる。図4Aから4Cの実施形態では、この他方の接続部23bによって、密閉箱18の内部24への水蒸気の供給とは独立に、水蒸気を電解セルのスタックに供給することが可能となる。さらに、表示のように、下側プレート20、および箱18のベース180を横断する流体接続部25が、電解によって、EHTのスタックの異なるカソードで生成された水素H2を収集するように設計されている。
最後に、下側プレート20、および箱18のベース180をやはり横断する別の流体接続部26が、EHTのスタックの異なるアノードで生成された酸素O2を収集するように設計されている。
水蒸気を供給する管23a、23b、またはスタックEHT内で生成された水素を収集する管25、および酸素を収集する管26は全て、AISI316Lステンレス鋼で作成されている。
図4Aから4Cに表示されるように、最小限に水素化された水蒸気の組成、その圧力、その温度などを特に制御することを可能とする計測手段を貫通させるために、管27を、箱18のベース180を貫通して設けることもやはり可能である。密閉箱24の内部と、外部との間の封止を保証するには、単純な設計の1つまたはいくつかの封止部7を据え付けるだけに必然的になる。図3の実施形態では、これらの封止部は、絶縁スペーサ21とブラケット1801との間、絶縁スペーサと下側プレート20との間、カバー181と垂直隔壁1800との間、およびブラケット1801と垂直隔壁1800との間にそれぞれ嵌合させることができる。図4Aから4Cの実施形態では、ベース180と、カバー181の垂直隔壁1810との間の周縁に単一の封止部7を嵌合させることが可能である。図5には、封止部7のかかる好ましい嵌合が示してある。断面が円形のこの封止部7は、ほぼOリング形のものであり、図示のように、ボルト3を締め付けて組み立てる間に、隔壁1810と、ベース180との間で押し潰される。好ましくは金で作成された封止部7が、酸化および品質劣化がより少ないため使用され、また、完全な封止、および容易な組立て/分解が可能となる。
締付け手段5が、上側プレート19と下側プレート20との間での電解セルのスタックの圧縮によって決められる締付け力をもたらすように、密閉箱18の内部24に少なくとも部分的に嵌合されている。
図3の実施形態では、締付け手段5は、箱18の垂直隔壁1810に対して遊嵌状態で組み立てられた追加のプレート29を含む。この追加のプレート29は、上側プレート19と直接接触している。追加のプレート29は、別の流体接続部23cによって、箱の外部からカバー181を介して入る、最大で1%の水素含有水蒸気によって動かすことができる。この場合、非水素化水蒸気、または最小限に水素化された水蒸気が、追加のプレート29と、カバー181との間に形成されたチャンバ240に入り、こうした水蒸気は、嵌合部において横方向に漏れ、したがって、漏れによって生じる負荷損失のため、セルのスタックに、最大で1%の水素を含有する水蒸気を少なくとも部分的に供給することが可能となる。この場合、電解を実現するためにスタックに必要となる流量を調節するために、流体接続部23aを非水素化水蒸気の第2の入口として使用する。追加のプレート29が動くと、下側プレート20と上側プレート19との間の圧縮によって締付け力が生じる。言い換えれば、締付け手段5が、最小限に水素化された水蒸気、または非水素化水蒸気による空気圧様式で設けられ、この締付け手段5はまた、電解の目的でEHTセルのスタックに供給するために使用される。
図4Aから4Cの実施形態では、締付け手段5は、金属ベローズ51を介して、非表示の外部からの重力負荷を印加し、一方でスタックを密閉箱18に対して電気絶縁するように設計されている。この金属ベローズ51は、箱のカバー181に、またはより正確には水平隔壁1811に溶接されている。したがって、電解槽の動作時、ベローズ51は、動作温度、典型的には600℃から1000℃の間で維持され、こうした温度は、箱の内部24に供給される水蒸気の温度である。さらに、ベローズ51は、箱18のベース180の電位にある。重力負荷が、絶縁部分50、および第1の質量52によってEHT電解槽のスタックを押圧する。絶縁部分50は、有利には、アルミナ円形ブランクでよい。ベローズ51の内部から、第1の質量52上に載置されているロッドを介して、重力負荷を構成する質量に比例した締付け力を伝達することが可能である。こうした質量は、箱18の外側に嵌合され、適用可能な場合には、箱18を内部に嵌合することができる溶解炉の外側に嵌合される。かかる溶解炉によって、箱18、およびその内部の水蒸気を、高い電解温度(600〜1000℃)まで加熱し、かつ維持することが可能となる。
図3の実施形態に比べて、図4Aから4cの実施形態の利点は、本質的に、スタックへの電力供給、スタックへの最小限に水素化された水蒸気、または非水素化水蒸気の供給、密閉箱の内部への最小限に水素化された水蒸気、または非水素化水蒸気の供給、および電解セルのスタックの圧縮による締付けが、それぞれ完全に結合されていないという点にある。
したがって、図4Aから4Cの実施形態では、箱18の内部24に、生成されるO2およびH2に対して不活性ガスを容易に供給することができ、締付け手段5は、機械的であり、スタックに供給する水蒸気のいかなる影響も受けずに、箱の外側から(重力負荷を)容易に制御することができる。
それに比べて、内部に不活性ガスを閉じ込めた密閉箱で作成された図3のモジュールでは、EHT電解槽に水蒸気を供給する他の異なる流体接続部が必要となる。
さらに、組立て、および使用が簡単になるように、箱18は、スタンド59を介してベース58に嵌合される。上で説明した本発明は、完全に非水素化された水蒸気をアノードおよびカソードで同時に流すこと、密閉箱内にEHTスタック電解槽を収容すること、密閉箱の外側から、また水蒸気の逆圧によっても、スタックを圧縮することによって、締付けを保証し、制御することにある。上記によって、一方で、顕著な影響を有する漏れ、すなわち、効率低下、および/または破損を生じ得る漏れの危険を低減させることによって、電解槽の動作上の安全性を向上させることが可能となり、他方で、スタック内の導電が良質となるため、高効率を維持することが可能となる。
本発明によって、設けるべき封止部がより少数になるため、高温電解槽の製造を簡単にすることができる。
詳細には説明していないが、1つまたは複数の材料層を、セルの3つの構成要素(アノード、カソード、電解質)それぞれの上に、さらには相互接続体または相互接続プレート上に堆積させることができることは自明である。
2.1、2.2 カソード
3 ボルト
4.1、4.2 アノード
5、50、51、52 締付け手段
6 接続部
6.1、6.2 電解質
C1、C2、...Cn 基本電解セル
7 封止部
8 相互接続プレート
9 アノード区画
9.11 壁
10 ダクト
10.1 第1の端部
10.2 第2の端部
10.3 供給ダクト
11 カソード区画
12、13、14、15、16 矢印
17 ダクト
18 密閉箱
19 上側プレート
20 下側プレート
21 電気絶縁体
22a、22b、22c 電気接続部
23a、23b、23c 流体接続部
24 内部
240 チャンバ
25 流体接続部(水素収集管)
26 流体接続部(酸素収集管)
27 管
29 追加のプレート
50 電気絶縁部分
51 金属ベローズ
52 第1の質量
180 ベース
1801 水平ブラケット
181 カバー
1810 垂直隔壁
1811 水平隔壁
M 高温電解用モジュール

Claims (3)

  1. 最大で1%の水素を含有する水蒸気、または不活性ガスを閉じ込めるように設計された密閉筐体と、
    複数の基本電解セル(C1、C2、...Cn)のスタックであって、前記複数の基本電解セルの各々がカソード(2.1、2.2)、アノード(4.1、4.2)、およ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(6.1、6.2)で形成され、少なくとも1つの相互接続プレート(8)が、隣接する2つの基本セルの間に、前記2つの基本セルのうちの一方の電極と前記2つの基本セルのうちの他方の電極とに電気接触して嵌合され、前記相互接続プレートが、気体が前記カソードおよび前記アノードへそれぞれ流れるための少なくとも1つのカソード区画(11)および少なくとも1つのアノード区画(9)を含み、前記電解セルのスタックが、前記密閉筐体内に収容された、基本電解セルのスタックと
    を含む高温電解用モジュール(M)であって、
    第１の流体接続部(23a)が、最大で1%の水素を含有する水蒸気を前記密閉筐体内の内部に搬送するように嵌合され、第２の流体接続部(23b)が最大で1%の水素を含有する水蒸気を電解セルのスタックに搬送するように嵌合されており、
    前記密閉筐体が、互いに堅固に取り付けられたベース(180)およびカバー(181)を含む箱(18)からなり、前記基本電解セルのスタックが、2つのプレート(19、20)間で組み立てられ、前記2つのプレート(19、20)のうちの下側のプレート(20)が、前記箱の前記ベース(180)上に電気絶縁体(21)を介して載置され、
    締付け手段(5)が、上側の前記プレート(19)と前記箱の前記カバー(181)との間に少なくとも部分的に嵌合され、前記締付け手段が、決められた接触力を前記セルのスタックの前記下側のプレート(20)と前記上側のプレート(19)との間の圧縮によってもたらすように設計され、
    締付け手段が、前記箱に遊嵌状態で、かつ前記上側のプレート(19)と直接接触して据え付けられた追加のプレート(29)を含み、前記追加のプレートが、前記箱の外部から前記カバーを通り抜け、第３の流体接続部(23c)を介して最大で1%の水素を含有する前記水蒸気によって動作するように設計され、前記追加のプレートの前記動作によって、前記下側のプレートと前記上側のプレートとの間で締付け力が生じ、前記嵌合は、最大で1%の水素を含有する水蒸気が前記セルのスタックに少なくとも部分的に供給されることを可能にする、高温電解用モジュール。
  2. 最大で1%の水素を含有する水蒸気、または不活性ガスを閉じ込めるように設計された密閉筐体と、
    複数の基本電解セル(C1、C2、...Cn)のスタックであって、前記複数の基本電解セルの各々がカソード(2.1、2.2)、アノード(4.1、4.2)、およ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(6.1、6.2)で形成され、少なくとも1つの相互接続プレート(8)が、隣接する2つの基本セルの間に、前記2つの基本セルのうちの一方の電極と前記2つの基本セルのうちの他方の電極とに電気接触して嵌合され、前記相互接続プレートが、気体が前記カソードおよび前記アノードへそれぞれ流れるための少なくとも1つのカソード区画(11)および少なくとも1つのアノード区画(9)を含み、前記電解セルのスタックが、前記密閉筐体内に収容された、基本電解セルのスタックと
    を含む高温電解用モジュール(M)であって、
    第１の流体接続部(23a)が、最大で1%の水素を含有する水蒸気を前記密閉筐体内の内部に搬送するように嵌合され、第２の流体接続部(23b)が最大で1%の水素を含有する水蒸気を電解セルのスタックに搬送するように嵌合されており、
    前記密閉筐体が、互いに堅固に取り付けられたベース(180)およびカバー(181)を含む箱(18)からなり、前記基本電解セルのスタックが、2つのプレート(19、20)間で組み立てられ、前記2つのプレート(19、20)のうちの下側のプレート(20)が、前記箱の前記ベース(180)上に直接載置され、
    締付け手段(5)が、上側の前記プレート(19)と前記箱の前記カバー(181)との間に少なくとも部分的に嵌合され、前記締付け手段が、決められた接触力を前記セルのスタックの前記下側のプレート(20)と前記上側のプレート(19)との間の圧縮によってもたらすように設計され、
    締付け手段(5)が、前記箱の前記カバー(181)に堅固に取り付けられて封止部を形成するベローズ(51)を介して、前記箱の外側から前記上側のプレート(19)に対して重力負荷を印加するように設計され、印加された前記負荷が伝達されることを可能にする電気絶縁部分(50)が、前記箱の内部の前記ベローズと前記上側のプレートとの間に嵌合される、高温電解用モジュール。
  3. 請求項2に記載の高温電解用モジュール(M)であって、前記箱に取り付けられた状態で、いかなる電気接触もなく、前記箱の前記ベース(180)を貫通して嵌合されると共に、前記箱の外側から前記電解セルのスタックへの電気的な接続を可能にする接続部(6)を含む、高温電解用モジュール。
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