JP6479988B2 - 加圧下で動作する水電気分解もしくは共電解を実施するリアクタ(soec)または燃料セル(sofc)のための基本ユニット - Google Patents
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Description
2H2O+4e−→2H2+2O2−
である。
2O2−→O2+4e−
である。
− 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形成された単位電気化学的セルと、
− それぞれ電気および流体インターコネクタを形成する第1のデバイスおよび第2のデバイスであって、それぞれガス不透過性の電子伝導材料でできた構成要素からなり、第1のインターコネクタおよび第2のインターコネクタが基本ユニットの各側に配置され、第1のインターコネクタが、該第1のインターコネクタを貫通する、カソード側のセル上へ開いた蒸気供給ライン、および生成された水素を回収するためのラインであって、それぞれ供給される蒸気および生成された水素の均一な配分を供給ラインから回収ラインへ提供するためにカソード側のセルの周囲上に開いたラインを有し、第2のインターコネクタが、該第2のインターコネクタを貫通する、生成された酸素を回収するためのラインであって、生成された酸素の均一な配分を回収ラインに提供するためにアノード側のセルの周囲上に開いたラインを有する、第1のデバイスおよび第2のデバイスと、
− 基本ユニットの周囲に配置され、第1のインターコネクタと第2のインターコネクタの両方に支えられた第1のシールと、
− 基本ユニットのアノードの周囲に配置され、第2のインターコネクタと電解質の両方に支えられた第2のシールであって、第1のシールおよび第2のシールがガラスおよび/またはガラス−セラミックに基づく、第2のシールと、
− 互いに接触していない第3のシールおよび第4のシールによってクランプされた電気絶縁ワッシャからなる絶縁および密閉デバイスであって、第3のシールおよび第4のシールが金属製であり、デバイスが第1のシールの周囲に配置され、第3のシールおよび第4のシールがそれぞれ第1のインターコネクタおよび第2のインターコネクタに支えられた、絶縁および密閉デバイスと
を備え、
モジュールにおいては、第1のインターコネクタおよび/または第2のインターコネクタは、等化ガスと呼ばれるガスのための、該インターコネクタを貫通する、リアクタが加圧下で動作している間、第1のシールの各側の圧力を等化するために、その供給ラインからその回収ラインへ等化ガスの均一な配分を提供するために、第1のシールと絶縁および密閉デバイスとの間に範囲が定められた空間上に開いている、少なくとも1つの供給ラインおよび少なくとも1つの回収ラインを有している。
− 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形成された単位電気化学的セルと、
− それぞれ電気および流体インターコネクタを形成する第1のデバイスおよび第2のデバイスであって、それぞれガス不透過性の電子伝導材料でできた構成要素からなり、第1のインターコネクタおよび第2のインターコネクタが基本ユニットの各側に配置され、第1のインターコネクタが、アノード側のセル上へ開いた燃料供給ライン、および生成された水のための回収ラインであって、それぞれ供給される燃料および生成された水の均一な配分を供給ラインから回収ラインへ提供するために、アノード側のセルの周囲上に開いた、該第1のインターコネクタを貫通する回収ラインを有し、第2のインターコネクタが、カソード側のセル上に開いた空気または酸素供給ライン、および余剰空気または酸素のための回収ラインであって、空気または酸素の均一な配分を供給ラインから回収ラインへ提供するために、該第2のインターコネクタを貫通する、カソード側のセルの周囲上に開いた回収ラインを有する、第1のデバイスおよび第2のデバイスと、
− 基本ユニットの周囲に配置され、第1のインターコネクタと第2のインターコネクタの両方に支えられた第1のシールと、
− 基本ユニットのカソードの周囲に配置され、第2のインターコネクタと電解質の両方に支えられた第2のシールであって、第1のシールおよび第2のシールがガラスおよび/またはガラス−セラミックに基づく、第2のシールと、
− 互いに接触していない第3のシールおよび第4のシールによってクランプされた電気絶縁ワッシャからなる絶縁および密閉デバイスであって、第3のシールおよび第4のシールが金属製であり、デバイスが第1のシールの周囲に配置され、第3のシールおよび第4のシールがそれぞれ第1のインターコネクタおよび第2のインターコネクタに支えられた、絶縁および密閉デバイスと
を備え、
モジュールにおいては、第1のインターコネクタおよび/または第2のインターコネクタは、等化ガスと呼ばれるガスのための、該インターコネクタを貫通する、セルが加圧下で動作している間、第1のシールの各側の圧力を等化するために、その供給ラインからその回収ラインへ等化ガスの均一な配分を提供するために、第1のシールと絶縁および密閉デバイスとの間に範囲が定められた空間上に開いている、少なくとも1つの供給ラインおよび少なくとも1つの回収ラインを有している。
− 第1のインターコネクタの供給ラインに、蒸気または蒸気と二酸化炭素および二酸化窒素から選択される別のガスの混合物が供給され、かつ、それと同時に供給ラインに圧力等化のためのガスが供給され、供給される蒸気または混合物の圧力は、概ね等化ガスの圧力に等しい。
− 蒸気の電気分解または共電解によって生成される水素または水素および一酸化炭素または一酸化窒素、また、それと同時に等化ガスが、それらのそれぞれの回収ライン中に回収される。
− 第1のインターコネクタの供給ラインに、水素またはメタンなどの燃料が供給され、かつ、それと同時に供給ラインに圧力等化ガスが供給される。
− 第2のインターコネクタの供給ラインに空気または酸素が供給され、供給される燃料および空気または酸素の圧力は、概ね等化ガスの圧力に等しい。
− 一方では生成された余剰燃料、等化ガス、水が、また、他方では余剰空気または酸素が、それらのそれぞれの回収ライン中に回収される。
− モジュールの周囲における密閉デバイスからの漏れがわずかである場合、これらの漏れは、インターコネクタに注入される空気の流量を多くすることによって補償することができる。
− 水素が循環するコンパートメントの密閉性を提供するガラス−セラミックおよび/またはガラスに基づくシールからの漏れがわずかである場合、インターコネクタに注入される空気は、漏出するあらゆる水素を燃焼させることができ、したがって外部大気に対する安全性を提供する。
− 等化ガスのための横方向の供給配管14が下部インターコネクタ5.2または5.3の横方向の供給ライン58に接続され、一方、等化ガスを回収するための配管15が下部インターコネクタの横方向の回収ライン58に接続される(図10、図17および図18)。
− 中央空気供給配管16が下部インターコネクタ5.2または5.3の中央供給ラインに接続され(図12、図13、図15および図18)、一方、生成される酸素を回収するための配管19が下部インターコネクタ5.2または5.3の環状溝57に接続される(図12、図13、図15および図18)。
− 中央蒸気供給配管17が下部インターコネクタ5.2または5.3の横方向の供給ラインに接続され、それ自体は、上部インターコネクタ5.1の横方向の供給ライン中に開いており(図13、図16および図18)、一方、生成される水素を回収するための配管18が下部インターコネクタの横方向の回収ライン59に接続される(図13、図16および図18)。
2 カソード
2.1 カソード、サポート
2.2 カソード
3 固体電解質、電解質
3.1 電解質
3.2 電解質
4 アノード
4.1 アノード
4.2 アノード
5 インターコネクタ
5.1 電気および流体インターコネクタ、上部インターコネクタ、第1のインターコネクタ、端インターコネクタ、第1のデバイス
5.2 電気および流体インターコネクタ、下部インターコネクタ、第2のインターコネクタ、下部モジュールM2の上部インターコネクタ、端インターコネクタ、第2のデバイス
5.3 インターコネクタ、端インターコネクタ、下部インターコネクタ
7 電気絶縁体
8 電気絶縁および密閉デバイス
9 電気接触格子、金属格子
10 電気接触格子、金属格子
11 ボルト、貫通ボルト、インターコネクタを一体に組み立てるための機械的手段
12 電気絶縁スリーブ
13 電気絶縁リング
14 等化ガスのための横方向の供給配管
15 等化ガスを回収するための配管
16 中央空気供給配管
17 中央蒸気供給配管
18 生成される水素を回収するための配管
19 生成される酸素を回収するための配管
50 カソードコンパートメント、蒸気供給ライン、中央供給ライン、燃料供給ライン
51 アノードコンパートメント、ドレンガスを供給するためのライン、中央供給ライン、空気を供給するためのライン
52 横方向の供給ライン、蒸気供給ライン
53 環状溝、第3の溝
54 酸素を回収するためのライン、環状溝、反応ガスの配分のための溝、第1の溝
55 環状溝、第3の溝
56 横方向の供給ライン、蒸気供給ライン
57 反応ガスの配分のための溝、環状溝、生成された酸素を回収するためのライン、第2の溝
58 等化ガスのための供給ライン、等化ガスのための回収ライン、横方向の供給ライン、横方向の回収ライン
59 生成される水素を回収するためのライン、横方向の出口ライン
61 第1のシール
62 第2のシール
63 第3のシール、第2のシール
80 電気絶縁ワッシャ、ブロック、絶縁ブロック
81 第3の金属シール、上部金属シール、第3のシール
82 第4の金属シール、下部金属シール、第4のシール
83 突起
84 突起
85 突起
86 突起
110 貫通ボルト11の頭
111 ナット
112 ワッシャ
610 マイカワッシャすなわちリング
611 スリット
612 ガラスビードまたはガラス−セラミックビード
613 ガラス−セラミックワッシャすなわちリング
614 ガラス−セラミックワッシャすなわちリング
B プラグ
C1 単位電気分解セル、セル、単位電気化学的セル、基本ユニット
C2 単位電気分解セル
E 環状空間
M1 モジュール、上部モジュール
M2 モジュール、下部モジュール
T 熱電対
Claims (22)
- SOECタイプの電気分解または共電解リアクタの基本ユニットを形成することが意図されるモジュールであって、
− カソード(2.1)、アノード(4.1)、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(3.1)から形成された単位電気化学的セル(C1)と、
− それぞれ電気および流体インターコネクタを形成する第1のデバイス(5.1)および第2のデバイス(5.2)であって、それぞれガス不透過性の電子伝導材料でできた構成要素からなり、前記第1のインターコネクタおよび第2のインターコネクタが前記基本ユニットの各側に配置され、前記第1のインターコネクタ(5.1)が、前記第1のインターコネクタを貫通する、前記カソード側(2.1)の前記セル上へ開いた蒸気供給ライン(50)、および生成された水素を回収するためのライン(59)であって、それぞれ供給される蒸気および生成された水素の均一な配分を前記供給ラインから前記回収ラインへ提供するために前記カソード側の前記セルの周囲上に開いたライン(59)を有し、前記第2のインターコネクタ(5.2)が、前記第2のインターコネクタを貫通する、生成された酸素を回収するためのライン(57)であって、生成された酸素の均一な配分を前記回収ラインに提供するために前記アノード側(4.1)の前記セルの周囲上に開いたライン(57)を有する、第1のデバイス(5.1)および第2のデバイス(5.2)と、
− 前記基本ユニットの周囲に配置され、前記第1のインターコネクタと前記第2のインターコネクタの両方に支えられた第1のシール(61)と、
− 前記基本ユニットの前記アノードの周囲に配置され、前記第2のインターコネクタと前記電解質の両方に支えられた第2のシール(63)であって、前記第1のシールおよび第2のシールがガラスおよび/またはガラス−セラミックに基づく、第2のシール(63)と、
− 互いに接触していない第3のシール(81)および第4のシール(82)によってクランプされた電気絶縁ワッシャ(80)からなる絶縁および密閉デバイス(8)であって、前記第3のシールおよび第4のシールが金属製であり、前記絶縁および密閉デバイス(8)が前記第1のシールの周囲に配置され、前記第3のシールおよび第4のシールがそれぞれ前記第1のインターコネクタおよび前記第2のインターコネクタに支えられた、絶縁および密閉デバイス(8)と
を備え、
前記第1のインターコネクタおよび/または第2のインターコネクタが、
等化ガスと呼ばれるガスのための、前記インターコネクタを貫通する少なくとも1つの供給ライン(58)および少なくとも1つの回収ラインであって、該少なくとも1つの供給ライン(58)および少なくとも1つの回収ラインが前記第1のシール(61)と前記絶縁および密閉デバイス(8)との間に範囲が定められた環状空間(E)中にそれぞれ開いており、それによって前記リアクタが加圧下で動作している間、前記第1のシールの各側の圧力を等化するために、その供給ラインからその回収ラインへ前記等化ガスの均一な配分を提供する、少なくとも1つの供給ライン(58)および少なくとも1つの回収ライン
を有する、モジュール。 - 前記第2のインターコネクタ(5.2)が、ドレンガスのための供給ライン(51)であって、前記第2のインターコネクタを貫通し、かつ、供給される前記ドレンガスおよび生成された酸素の均一な配分をそれぞれ前記供給ライン(51)から前記回収ライン(57)へ提供するために前記アノード側の前記セル上へ開いた供給ライン(51)を有する、請求項1に記載のモジュール。
- SOFCタイプの燃料セルの基本ユニットを形成することが意図されるモジュールであって、
− カソード(2)、アノード(4)、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(3)から形成された単位電気化学的セル(C1)と、
− それぞれ電気および流体インターコネクタを形成する第1のデバイス(5.1)および第2のデバイス(5.2)であって、それぞれガス不透過性の電子伝導材料でできた構成要素からなり、前記第1のインターコネクタおよび第2のインターコネクタが前記基本ユニットの各側に配置され、前記第1のインターコネクタが、前記第1のインターコネクタを貫通する、前記アノード側(4.1)の前記セル上へ開いた燃料供給ライン(50)、および生成された水のための回収ラインであって、それぞれ供給される燃料および生成された水の均一な配分を前記供給ラインから前記回収ラインへ提供するための、前記アノード側の前記セルの周囲における回収ラインを有し、前記第2のインターコネクタが、前記第2のインターコネクタを貫通する、前記カソード側(2.1)の前記セル上に開いた空気または酸素供給ライン、および余剰空気または酸素のための回収ラインであって、空気または酸素の均一な配分を前記供給ラインから前記回収ラインへ提供するために前記カソード側の前記セルの周囲上に開いた回収ラインを有する、第1のデバイス(5.1)および第2のデバイス(5.2)と、
− 前記基本ユニットの周囲に配置され、前記第1のインターコネクタと前記第2のインターコネクタの両方に支えられた第1のシール(61)と、
− 前記基本ユニットの前記カソードの周囲に配置され、前記第2のインターコネクタと前記電解質の両方に支えられた第2のシール(63)であって、前記第1のシールおよび第2のシールがガラスおよび/またはガラス−セラミックに基づく、第2のシール(63)と、
− 互いに接触していない第3のシール(81)および第4のシール(82)によってクランプされた電気絶縁ワッシャ(80)からなる絶縁および密閉デバイス(8)であって、前記第3のシールおよび第4のシールが金属製であり、前記絶縁および密閉デバイス(8)が前記第1のシールの周囲に配置され、前記第3のシールおよび第4のシールがそれぞれ前記第1のインターコネクタおよび前記第2のインターコネクタに支えられた、絶縁および密閉デバイス(8)と
を備え、
前記第1のインターコネクタおよび/または第2のインターコネクタが、
等化ガスと呼ばれるガスのための、前記インターコネクタを貫通する少なくとも1つの供給ライン(58)および少なくとも1つの回収ラインであって、該少なくとも1つの供給ライン(58)および少なくとも1つの回収ラインが前記第1のシール(61)と前記絶縁および密閉デバイス(8)との間に範囲が定められた環状空間(E)中に開いており、それによって前記セルが加圧下で動作している間、前記第1のシールの各側の圧力を等化するために、その供給ラインからその回収ラインへ前記等化ガスの均一な配分を提供する、少なくとも1つの供給ライン(58)および少なくとも1つの回収ライン(58)
を有する、モジュール。 - 前記第1のインターコネクタおよび/または前記第2のインターコネクタが、前記第1のシール(61)と前記セル(C1)の間に提供された第1の溝(54)を備え、前記第1のインターコネクタの前記供給ライン(50)が、供給される蒸気、および生成される水素または供給される燃料、ならびに生成される水の均一な配分を前記第1のインターコネクタの前記回収ラインに提供するために前記第1の溝(54)と連絡する、請求項1または3に記載のモジュール。
- 前記第2のインターコネクタ(5.2)が、前記第2のシール(63)によって範囲が定められたゾーンに提供された第2の溝(57)を備え、前記第2のインターコネクタの前記供給ライン(51)が、生成される酸素または供給される空気の均一な配分を前記第2のインターコネクタの前記回収ライン(57)に提供するために前記第2の溝(57)と連絡する、請求項1または3に記載のモジュール。
- 前記第1のインターコネクタおよび/または前記第2のインターコネクタが、前記インターコネクタの周囲に提供された、前記第3のシール(81)または前記第4のシール(82)および前記絶縁ワッシャ(80)が配置される第3の溝(53、55)を備え、前記配置が、前記絶縁ワッシャが前記第3の溝(53、55)から突出するようになっている、請求項1または3に記載のモジュール。
- 前記単位電気化学的セル(C1)、前記第1のインターコネクタ(5.1)および前記第2のインターコネクタ(5.2)、前記第1のシール(61)および前記第2のシール(63)、ならびに前記絶縁および密閉デバイス(8)が、中心軸(X)の周りに軸対称の形状であり、反応ガス(蒸気または燃料)のための供給ライン(50)、(ドレンガス)のための供給ライン(51)が前記中心軸(X)に沿って開いている、請求項1または3に記載のモジュール。
- 前記密閉デバイスが、断面が正方形または長方形の絶縁ワッシャ(80)、および第3のシール(81)および第4のシール(82)からなり、前記第3のシール(81)および前記第4のシール(82)は、それらの面の各々に、断面が三角形であることが好ましい1つまたは複数の突起を備え、前記突起の先端が、前記絶縁ワッシャと各インターコネクタの両方に対する密閉性を確立するために、それぞれ前記絶縁ワッシャおよび前記第1のインターコネクタまたは前記第2のインターコネクタの上に載せることによって変形するように配置される、請求項1または3に記載のモジュール。
- 前記密閉デバイスが、酸化ジルコニウム(ジルコニア)に基づく絶縁ワッシャ(80)、およびFecralloy(登録商標)タイプの鉄−クロム−アルミニウム合金に基づく第3のシール(81)および第4のシール(82)からなる、請求項1または3に記載のモジュール。
- 前記第1のシールがスリット(611)を有するマイカワッシャからなり、前記マイカワッシャ(610)が、それぞれ前記第1のインターコネクタおよび前記第2のインターコネクタの上に載っている2つのガラス−セラミックワッシャ(613、614)の間にクランプされる、請求項1または3に記載のモジュール。
- 電極の各々と前記インターコネクタの一方または他方との間の金属格子(9、10)であることが好ましい電気接触要素を備える、請求項1または3に記載のモジュール。
- 前記第1のインターコネクタおよび/または前記第2のインターコネクタの前記金属構成要素が、約20%のクロムを有するフェライト鋼、好ましくはCROFER(登録商標)22APUまたはF18TNb、もしくはInconel(登録商標)600またはHaynes(登録商標)230(登録商標)タイプのニッケル系でできている、請求項1または3に記載のモジュール。
- 請求項1から2および4から12のいずれか1項に記載の複数のモジュール(M1、M2)のスタックを備えるSOECタイプのHTE電気分解または共電解リアクタ。
- 請求項3から12のいずれか1項に記載の複数のモジュール(M1、M2)のスタックを備えるSOFCタイプの燃料セル。
- 圧縮によって一方のインターコネクタをもう一方のインターコネクタの上にクランプするためにではなく、前記モジュールの開きを防止するのに適した、前記インターコネクタを一体に組み立てるための機械的手段(11)を備える、請求項13に記載のHTE電気分解または共電解リアクタ、または請求項14に記載のSOFCセル。
- 組立てのための前記機械的手段が、前記インターコネクタの中に構築されたハウジング中に貫通して取り付けられた1つまたは複数のボルト(11)を備え、各貫通ボルトの頭(110)が、前記スタックの端インターコネクタ(5.1)のうちの1つのハウジング中に位置し、また、ナット(111)が、前記スタックの他の端インターコネクタ(5.3)から突出している貫通ボルトにネジ止めされ、前記頭および/または前記ナットが、前記ハウジングのうちの少なくとも1つの中に取り付けられた電気絶縁スリーブ(12)の上に直接的または間接的に載っている、請求項15に記載のHTE電気分解または共電解リアクタ、もしくはSOFCセル。
- − 前記第1のインターコネクタ(5.1)の前記供給ライン(50)に、蒸気または蒸気と二酸化炭素および二酸化窒素から選択される別のガスの混合物が供給され、かつ、それと同時に前記供給ライン(58)に等化ガスが供給され、供給される前記蒸気または前記混合物の圧力が概ね前記等化ガスの圧力に等しく、
− 蒸気の電気分解または共電解によって生成される水素または水素および一酸化炭素または一酸化窒素、また、それと同時に前記等化ガスが、それらのそれぞれの回収ライン(59、58)中に回収される、
請求項13または15から16のいずれか一項に記載のHTE電気分解または共電解リアクタを動作させる方法。 - 前記第2のインターコネクタ(5.2)の前記供給ライン(51)に、ドレンガスが供給され、供給される前記ドレンガスの圧力が概ね前記等化ガスの圧力に等しく、また、生成された酸素が回収される、請求項17に記載の動作方法。
- − 前記第1のインターコネクタの前記供給ラインに、燃料が供給され、かつ、それと同時に前記供給ラインに等化ガスが供給され、
− 前記第2のインターコネクタの前記供給ラインに空気または酸素が供給され、供給される燃料および空気または酸素の圧力が概ね前記等化ガスの圧力に等しく、
− 一方では生成された余剰燃料、等化ガス、水が、また、他方では余剰空気または酸素が、それらのそれぞれの回収ライン中に回収される、
請求項14に記載のSOFC燃料セルを動作させる方法。 - 前記等化ガスが前記HTE電気分解または共電解リアクタの動作温度、あるいは前記SOFC燃料セルの動作温度を制御するように前記等化ガスの温度が調整される、請求項17から19のいずれか一項に記載の動作方法。
- 前記等化ガスが、空気、中性ガス、水素および/または蒸気である、請求項17に記載の動作方法。
- − 前記電気分解/共電解リアクタまたは前記SOFC燃料セルに流入する、あるいは前記電気分解/共電解リアクタまたは前記SOFC燃料セルから流出する燃料または生成物のあらゆる漏れが、その回収ライン(58)の出口における等化ガスの混合物の流量を解析することによって検出され、次に、
− 検出される前記漏れを燃焼させるために、等化ガスとしての空気の流量がその供給ラインの入口において調整される、
請求項21に記載の動作方法。
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