JP6621525B2 - 反応器又は燃料電池スタック(sofc)それぞれの内部での水の(共)電気分解(soec)又は発電のための高温低温グラジエント法 - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)の分野、及び同じく固体酸化物を用いる水の高温電気分解(HTE又はHTSE、高温蒸気電気分解(High Temperature Steam Electrolysis)の頭字語)の分野(SOEC、固体酸化物形電気分解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell)の頭字語)に関する。
水の電気分解は、以下の反応:
H2O→H2 + 1/2 O2
により電流を用いて、水を気体の酸素分子(dioxygen)及び水素分子(dihydrogen)へと分解する電気化学的反応である。
2 H2O + 4 e- → 2 H2 + 2 O2-。
2 O2- → O2+ 4 e-。
A/スタックにおける2つの隣接するインターコネクター間の良好な電気絶縁(さもなくば、該2つのインターコネクター間に挿入された個別電気化学的セルが、短絡することとなる)、
B/2つの別個のコンパートメント、すなわちアノード及びカソードコンパートメント間の良好な耐漏性(さもなくば、生成したガスが再結合してしまい、出力低下、及び、特に、スタックに損傷を与えるホットスポットの出現をもたらすこととなる)、
C/入口でと生成したガスの回収時でとの双方でのガスの良好な分配(さもなくば、出力の低下、異なる個別セル内での圧力の不均一性、及び温度の不均一性、又はさらには許容し得ないセルの劣化が生じることとなる)
が必要とされる。
−印加電圧UimpがΔH/2Fと等しい「自己熱」モード。解離反応によって消費される熱が、電解装置の種々の電気抵抗によって完全に補われる(不可逆性)。電解装置は、特定の熱管理を何ら必要としないと同時に、温度安定的であり続ける。
−印加電圧UimpがΔH/2F未満である「吸熱」モード。電解装置は、そこでの電気損失よりも多くの熱を消費する。従って、この必要とされる熱は、別の手段によってそれに供給されなければならない。さもなければ、その温度は、回復不可能なほど低下してしまうこととなる。
−印加電圧UimpがΔH/2Fを超える「発熱」モード。この場合、電気分解は、ジュール効果による電気損失よりも少ない熱を消費する。この場合、電解装置内のこの熱の放出は、別の手段によって放出されなければならない。さもなければ、その温度は、許容できないほど上昇してしまう。
この目的のために、第1の選択肢において、本発明は、各々が、カソード、アノード、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質で形成された固体酸化物タイプの個別電気分解セルと、各々が、2つの隣接する個別セルの間に配置された複数の電気的及び流体インターコネクターであって、その一方の面が、該2つの個別セルの一方のアノードと電気的に接触しており、かつその他方の面が、該2つの個別セルの他方のカソードと電気的に接触している、前記電気的及び流体インターコネクターとのスタックを備える反応器において実施される、蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法に関する。
−第1のグループの各々のインターコネクターの第1のゾーンに、蒸気又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々の個別セルのカソードに分配され、その後、生成する水素H2又は合成ガス(一酸化炭素COと水素H2との混合物)が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーンにおいて回収され、
−少なくとも1つが該第1のグループに隣接している第2のグループの各々のインターコネクターの第1のゾーンに、蒸気又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物が供給され、かつそれが、少なくとも1つが該第1のグループのセルに隣接している該第2のグループの各々の個別セルのカソードに分配され、その後、生成する水素H2又は合成ガス(一酸化炭素COと水素H2との混合物)が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーンにおいて回収され、該第2のグループの該インターコネクターの該第1及び第2のゾーンは、それぞれ、該第1のグループの該インターコネクターの該第1及び第2のゾーンと垂直に一列に配置されることはない。
−前記第1のグループの各々のインターコネクターの第3のゾーンに、排出用ガス、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O2及び、適切な場合には、該排出用ガス(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーンにおいて回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクターの第3のゾーンに、排出用ガス、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O2(S2(O2))及び、適切な場合には、該排出用ガスが、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーンにおいて回収され、該第1及び第2のグループで共通の排出用ガスの供給及び生成する酸素の回収となるように、該第2のインターコネクターのグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクターのグループの該第3及び第4のゾーンと垂直に一列に配置される。
−前記第1のグループの各々のインターコネクターの第3のゾーンに、排出用ガス、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O2及び、適切な場合には、該排出用ガス(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーンにおいて回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター第3のゾーンに、排出用ガス、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O2(S2(O2))及び、適切な場合には、該排出用ガスが、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーンにおいて回収され、該第1のグループと該第2のグループとの間で別々の排出用ガスの供給及び生成する酸素の回収となるように、該第2のインターコネクターのグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクターのグループの該第3及び第4のゾーンと垂直に一列に配置されることはない。
−第1のグループの各々のインターコネクターの第1のゾーンに、燃料が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々の個別セルのアノードに分配され、その後、余剰燃料及び生成する水が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーンにおいて回収され、
−少なくとも1つが該第1のグループのインターコネクターに隣接している第2のグループの各々のインターコネクターの第1のゾーンに、燃料が供給され、かつそれが、少なくとも1つが該第1のグループのセルに隣接している該第2のグループの各々の個別セルのアノードに分配され、その後、余剰燃料及び生成する水が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーンにおいて回収され、該第2のグループの該インターコネクターの該第1及び第2のゾーンは、それぞれ、該第1のグループの該インターコネクターの該第1及び第2のゾーンと垂直に一列に配置されることはない。
−前記第1のグループの各々のインターコネクターの第3のゾーンに、酸化剤、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーンにおいて回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクターの第3に、酸化剤、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S2(O2))が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーンにおいて回収され、該第1及び第2のグループで共通の酸化剤の供給及び余剰酸化剤の回収となるように、該第2のインターコネクターのグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクターのグループの該第3及び第4のゾーンと垂直に一列に配置される。
−前記第1のグループの各々のインターコネクターの第3のゾーンに、酸化剤、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーンにおいて回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター第3のゾーンに、酸化剤、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S2(O2))が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーンにおいて回収され、該第1のグループと該第2のグループとの間で別々の酸化剤の供給及び余剰酸化剤の回収となるように、該第2のインターコネクターのグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクターのグループの該第3及び第4のゾーンと垂直に一列に配置されることはない。
−スタック内で独立しているが、スタックの外側で一緒に接続されていてもよい2つの多岐管を製造することによる、2つのセル又はセルの隣接する2つのグループについて直列又は並列であり得る燃料ガスの供給/分配;
−完全に統合された熱的動作の管理;
−直列での供給/分配における、電気化学的セルの同じ有効面積に対する反応チャネルの長さの増加、これは、触媒反応、例えば、SOFCセルにおけるCH4の高流速での内部改質を促進し得るとともに、使用率を高め得る;
−独立した制御を必要とするセルのグループの経年劣化/損傷の場合における、直列モードから並列モードへの変更の可能性;
−直列での供給/分配における、下流のセルのグループのセルを燃料及び/又は酸化剤もしくは排出用ガスについて濃縮させる可能性;
−2つのセル又はセルの隣接する2つのグループ間の並流又は向流での燃料ガスの流通の可能性、これは、スタック内の熱グラジエントを大いに減少させることを可能とする;
−許容し得ない熱グラジエントをもたらしてしまうために、これまでは達成できなかった電解装置又はSOFCセル動作温度を達成する可能性;
−例えば、第2のグループのセルの数と比べてより少ない数のセルを有する1つのグループの供給において、独立した多岐管によってガスが供給される2つのグループ間で異なる数のセルを有する可能性
に言及し得る。より少ない数のグループのセルは、その場合、より多い数のグループのセルと交互にスタックの中央に全てが単独でか、又はより多い数のグループのセルと交互にスタックの高さ全体にわたって配分されることによってかのいずれかで配置され得る。
本発明の別の有利な点及び特徴が、以下の図面を参照して非限定的な説明によって与えられる本発明の実施の例の詳細な説明を読むことにより、よりはっきりと明らかとなろう。
−EH2(1):電気分解セル又は電気分解セルのグループC1に供給される蒸気の、スタックを通じた流通を示す。
−SH2(1):電気分解セル又は電気分解セルのグループC1で生成する水素の、スタックを通じた流通を示す。
−EH2(2):電気分解セル又は電気分解セルのグループC2に供給される蒸気の、スタックを通じた流通を示す。
−SH2(2):電気分解セル又は電気分解セルのグループC2で生成する水素の、スタックを通じた流通を示す。
−E1(O2):電気分解セル又は電気分解セルのグループC1に供給される排出用ガスの、スタックを通じた流通を示す。
−S1(O2):電気分解セル又は電気分解セルのグループC1で生成する酸素の、スタックを通じた流通を示す。
−E2(O2):電気分解セル又は電気分解セルのグループC2に供給される排出用ガスの、スタックを通じた流通を示す。
−S2(O2):電気分解セル又は電気分解セルのグループC2で生成する酸素の、スタックを通じた流通を示す。
−蒸気EH2(1)が、各々のインターコネクター5.1の第1のゾーン(図3において左側)で供給され、かつそれが、セルC1のカソードに分配され、その後、生成する水素H2が、該インターコネクター5.1の第2のゾーン(図3において右側)において回収される。
−蒸気EH2(2)が、各々がインターコネクター5.1に隣接する各インターコネクター5.2の第1のゾーン(図3において右側)で供給され、かつそれが、各々がセルC1に隣接するセルC2のカソードに分配され、その後、生成する水素H2が、該インターコネクター5.2の第2のゾーン(図3において左側)において回収される。
・3枚の金属シートのうちの1枚の第1〜第6のポート61〜66の各々が、それぞれ、他の2枚の金属シート7、8の対応する第1〜第6のポート71〜76及び81〜86のうちの1つと、個別に流体連通し、
・第1の端部金属シート6の第1のポート61が、中央金属シート7の第1のポート71を介して第1の端部金属シート6の第7のポート67と流体連通し、
・第1の端部金属シート6の第3のポート63が、中央金属シート7の第3のポート73を介して第1の端部金属シート6の第8のポート68と流体連通し、
・第2の端部金属シート8の第5のポート85及び第7のポート87が、中央金属シート7の第5のポート75を介して流体連通し、
・第2の端部金属シート8の第6のポート86及び第8のポート88が、中央金属シート7の第6のポート76を介して流体連通する
ように行われる。
・3枚の金属シートのうちの1枚の第1〜第6のポート61〜66の各々が、それぞれ、2つの他の金属シート7、8の対応する第1〜第6のポート71〜76及び81〜86のうちの1つと個別に流体連通し、
・第1の端部金属シート6の第2のポート62が、中央金属シート7の第3のポート73を介して、第1の端部金属シート6の第7のポート67と流体連通し、
・第1の端部金属シート6の第4のポート64が、中央金属シート7の第1のポート71を介して、第1の端部金属シート6の第8のポート68と流体連通し、
・第2の端部金属シート8の第5のポート85及び第7のポート87が、中央金属シート7の第5のポート75を介して流体連通し、
・第2の端部金属シート8の第6のポート86及び第8のポート88が、中央金属シート7の第6のポート76を介して流体連通する
ように一緒に積層され組み立てられる。
本件出願は、以下の構成の発明を提供する。
(構成1)
各々が、カソード(2.1、2.2)、アノード(4.1、4.2)、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質(3.1、3.2)で形成された固体酸化物タイプの個別電気分解セル(C1、C2)と、各々が、2つの隣接する個別セル(C1、C2)の間に配置された複数の電気的及び流体インターコネクター(5.1;5.2)であって、その一方の面が、該2つの個別セルの一方(C1)の該アノード(4.1)と電気的に接触しており、かつその他方の面が、該2つの個別セルの他方(C2)の該カソード(2.2)と電気的に接触している、前記電気的及び流体インターコネクターとのスタックを備える反応器において実施される、蒸気H 2 Oの高温電気分解又は蒸気H 2 O及び二酸化炭素CO 2 の共電気分解のための方法であって:
−第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第1のゾーン(61、71、81)に、蒸気(EH2(1))又は蒸気H 2 Oと二酸化炭素CO 2 との混合物が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々の個別セルのカソードに分配され、その後、生成する水素H 2 (SH2(1))又は合成ガス(一酸化炭素COと水素H 2 との混合物)が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーン(63、73、83)において回収され、
−少なくとも1つが該第1のグループのインターコネクターに隣接している第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第1のゾーン(62、73、82)に、蒸気(EH2(2))又は蒸気H 2 Oと二酸化炭素CO 2 との混合物が供給され、かつそれが、少なくとも1つが該第1のグループのセルに隣接している該第2のグループの各々の個別セルのカソードに分配され、その後、生成する水素H 2 (SH2(2))又は合成ガス(一酸化炭素COと水素H 2 との混合物)が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーン(64、71、84)において回収され、該第2のグループの該インターコネクター(5.2)の該第1及び第2のゾーンは、それぞれ、該第1のグループの該インターコネクター(5.1)の該第1及び第2のゾーンと垂直に一列に配置されることはなく、
スタック内での、該第1のグループの該インターコネクター及び該セルそれぞれへの供給及び流通が、該第2のグループの該インターコネクター及び該セルそれぞれに対する供給及び流通に対して独立して行われる、前記方法。
(構成2)
前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第1及び第2のゾーンが、蒸気又は蒸気H 2 Oと二酸化炭素CO 2 との混合物の該第1のグループの前記セルの前記カソードへの分配が該第2のグループの前記セルへの分配に対して並流で行われるように配置される、構成1記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
(構成3)
前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第1及び第2のゾーンが、蒸気又は蒸気H 2 Oと二酸化炭素CO 2 との混合物の該第1のグループの前記セルの前記カソードへの分配が該第2のグループの前記セルへの分配に対して向流で行われるように配置される、構成1記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
(構成4)
−前記第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第3のゾーン(65、75、85)に、排出用ガス、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O 2 及び、適切な場合には、該排出用ガス(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(66、76、86)において回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第3のゾーン(65、75、85)に、排出用ガス、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O 2 (S2(O2))及び、適切な場合には、該排出用ガスが、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(66、76、86)において回収され、該第1及び第2のグループで共通の排出用ガスの供給及び生成する酸素の回収となるように、該第2のインターコネクター(5.2)のグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクター(5.1)のグループの該第3及び第4のゾーンと垂直に一列に配置される、構成1〜3のいずれか1項記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
(構成5)
−前記第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第3のゾーン(65.1、75.1、85.1)に、排出用ガス、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O 2 及び、適切な場合には、該排出用ガス(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(66.1、76.1、86.1)において回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第3のゾーン(66.2、76.1、86.2)に、排出用ガス、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、生成する酸素O 2 (S2(O2))及び、適切な場合には、該排出用ガスが、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(65.2、75.1、85.2)において回収され、該第1のグループと該第2のグループとの間で別々の排出用ガスの供給及び生成する酸素の回収となるように、該第2のインターコネクター(5.2)のグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクター(5.1)のグループの該第3及び第4のゾーンと垂直に一列に配置されることはない、構成1〜3のいずれか1項記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
(構成6)
前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第3及び第4のゾーンが、該第1のグループの前記セルの前記アノードでの前記排出用ガス及び電気分解によって生成するO 2 の分配が該第2のグループの前記セルの分配に対して向流で行われるように配置される、構成5記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
(構成7)
各々が、カソード(2.1、2.2)、アノード(4.1、4.2)、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質(3.1、3.2)で形成されたSOFCタイプの個別電気化学的セル(C1、C2)と、各々が、2つの隣接する個別セル(C1、C2)の間に配置された複数の電気的及び流体インターコネクター(5.1;5.2)であって、その一方の面が、該2つの個別セルの一方(C1)の該アノード(4.1)と電気的に接触しており、かつその他方の面が、該2つの個別セルの他方(C2)の該カソード(2.2)と電気的に接触している、前記電気的及び流体インターコネクターとのスタックを備える固体酸化物燃料電池(SOFC)において実施される高温での発電のための方法であって、
−第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第1のゾーン(61、71、81)に、燃料が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々の個別セルのアノードに分配され、その後、余剰燃料及び生成する水が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーン(63、73、83)において回収され、
−少なくとも1つが該第1のグループのインターコネクターに隣接している第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第1のゾーン(62、73、82)に、燃料が供給され、かつそれが、少なくとも1つが該第1のグループのセルに隣接している該第2のグループの各々の個別セルのアノードに分配され、その後、余剰燃料及び生成する水が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーン(64、71、84)において回収され、該第2のグループの該インターコネクター(5.2)の該第1及び第2のゾーンは、それぞれ、該第1のグループの該インターコネクター(5.1)の該第1及び第2のゾーンと垂直に一列に配置されることはなく、
スタック内での、該第1のグループの該インターコネクター及び該セルそれぞれへの供給及び流通が、該第2のグループの該インターコネクター及び該セルそれぞれに対する供給及び流通に対して独立して行われる、前記方法。
(構成8)
前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第1及び第2のゾーンが、該第1のグループの前記セルの前記アノードへの前記燃料の分配が該第2のグループの前記セルへの分配に対して並流で行われるように配置される、構成7記載の高温での発電のための方法。
(構成9)
前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第1及び第2のゾーンが、該第1のグループの前記セルの前記アノードへの前記燃料の分配が該第2のグループの前記セルへの分配に対して向流で行われるように配置される、構成7記載の高温での発電のための方法。
(構成10)
−前記第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第3のゾーン(65、75、85)に、酸化剤、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(68、76、86)において回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第3のゾーン(67、75、85)に、酸化剤、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S2(O2))が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(68、76、86)において回収され、該第1及び第2のグループで共通の酸化剤の供給及び余剰酸化剤の回収となるように、該第2のインターコネクター(5.2)のグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクター(5.1)のグループの該第3及び第4のゾーンと垂直に一列に配置される、構成7〜9のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
(構成11)
−前記第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第3のゾーン(65.1、75.1、85.1)に、酸化剤、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(66.1、76.1、86.1)において回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第3のゾーン(66.2、76.1、86.2)に、酸化剤、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S2(O2))が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(65.2、75.1、85.2)において回収され、該第1のグループと該第2のグループとの間で別々の酸化剤の供給及び余剰酸化剤の回収となるように、該第2のインターコネクター(5.2)のグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクター(5.1)のグループの該第3及び第4のゾーンと垂直に一列に配置されることはない、構成7〜9のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
(構成12)
前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第3及び第4のゾーンが、該第1のグループの前記セルの前記カソードへの前記酸化剤の分配が該第2のグループの前記セルの前記分配に対して向流で行われるように配置される、構成11記載の高温での発電のための方法。
(構成13)
前記燃料が、水素もしくはメタン(CH 4 )又はそれら2つの混合物である、構成7〜12のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
(構成14)
前記第1のインターコネクターのグループの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給が、前記第2のインターコネクターのグループの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給と直列に接続される、構成1〜6のいずれか1項記載の蒸気H 2 Oの高温電気分解又は蒸気H 2 O及び二酸化炭素CO 2 の共電気分解のための方法、及び構成7〜13のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
(構成15)
前記ガスが、前記第1のグループの出口と前記第2のグループの入口との間で燃料及び/又は酸化剤について濃縮されているか、又はその逆である、構成14記載の方法。
(構成16)
前記第1及び前記第2のグループ間で異なる大きさのセルが用いられ、その結果、該セルの全てが、異なる燃料組成を用いて同じ電圧となる、構成14又は15記載の方法。
(構成17)
前記第1のインターコネクターの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給が、前記第2のインターコネクターの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給に対して並列である、構成1〜6のいずれか1項記載の蒸気H 2 Oの高温電気分解又は蒸気H 2 O及び二酸化炭素CO 2 の共電気分解のための方法、及び構成7〜13のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
(構成18)
前記第1及び前記第2のグループに、組成物が供給され、かつガスの流速が同一である、構成17記載の方法。
(構成19)
前記第1及び前記第2のグループに、該2つのグループ間で異なる改質となるように、異なるメタン(CH 4 )又は水素(H 2 )の組成物が供給される、構成17又は18記載の高温での発電のための方法。
(構成20)
前記第1及び前記第2のグループが、同じH 2 O/CO 2 /CO比で供給を受ける、構成17又は18記載の蒸気H 2 O及び二酸化炭素CO 2 の共電気分解のための方法。
(構成21)
前記2つのグループの一方の前記セルの早期の分解を管理するように、動作時に、前記直列の供給が、並列の供給に変更され、かつ前記流速及び組成物が同時に、該2つのグループ間で異なるものとされる、構成14〜20のいずれか1項記載の方法。
Claims (25)
- 各々が、カソード(2.1、2.2)、アノード(4.1、4.2)、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質(3.1、3.2)で形成された固体酸化物タイプの個別電気分解セル(C1、C2)と、各々が、2つの隣接する個別セル(C1、C2)の間に配置された複数の電気的及び流体インターコネクター(5.1;5.2)であって、その一方の面が、該2つの個別セルの一方(C1)の該アノード(4.1)と電気的に接触しており、かつその他方の面が、該2つの個別セルの他方(C2)の該カソード(2.2)と電気的に接触している、前記電気的及び流体インターコネクターとのスタックを備える反応器において実施される、蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法であって:
−第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第1のゾーン(61、71、81)に、蒸気(EH2(1))又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々の個別セルのカソードに分配され、その後、生成する水素H2(SH2(1))又は合成ガス(一酸化炭素COと水素H2との混合物)が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーン(63、73、83)において回収され、
−少なくとも1つが該第1のグループのインターコネクターに隣接している第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第1のゾーン(62、73、82)に、蒸気(EH2(2))又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物が供給され、かつそれが、少なくとも1つが該第1のグループのセルに隣接している該第2のグループの各々の個別セルのカソードに分配され、その後、生成する水素H2(SH2(2))又は合成ガス(一酸化炭素COと水素H2との混合物)が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーン(64、71、84)において回収され、該第2のグループの該インターコネクター(5.2)の該第1及び第2のゾーンは、それぞれ、該第1のグループの該インターコネクター(5.1)の該第1及び第2のゾーンと積層方向に縦に一列に配置されることはなく、
スタック内での、該第1のグループの該インターコネクター及び該セルそれぞれへの供給及び流通が、該第2のグループの該インターコネクター及び該セルそれぞれに対する供給及び流通に対して独立して行われる、前記方法。 - 前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第1及び第2のゾーンが、蒸気又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物の該第1のグループの前記セルの前記カソードへの分配が該第2のグループの前記セルへの分配に対して並流で行われるように配置される、請求項1記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
- 前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第1及び第2のゾーンが、蒸気又は蒸気H2Oと二酸化炭素CO2との混合物の該第1のグループの前記セルの前記カソードへの分配が該第2のグループの前記セルへの分配に対して向流で行われるように配置される、請求項1記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
- −前記第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第3のゾーン(65、75、85)に、排出用ガス、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、酸素O2 (S1(O2))が生成され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第3のゾーン(65、75、85)に、排出用ガス、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、酸素O2(S2(O2))が生成され、該第1及び第2のグループで共通の排出用ガスの供給となるようにされる、請求項1〜3のいずれか1項記載の電気分解又は共電気分解のための方法。 - 前記排出用ガス(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(66、76、86)において回収され、かつ前記排出用ガス(S2(O2))が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(66、76、86)において回収され、該第1及び第2のグループで共通の生成された酸素(S1(O2)、S2(O2))の回収となるように、該第2のグループのインターコネクター(5.2)の該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のグループのインターコネクター(5.1)の該第3及び第4のゾーンと積層方向に縦に一列に配置される、請求項4記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
- −前記第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第3のゾーン(65.1、75.1、85.1)に、排出用ガス、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、酸素O2 (S1(O2))が生成され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第3のゾーン(66.2、76.1、86.2)に、排出用ガス、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記アノードに分配され、その後、酸素O2 (S2(O2))が生成され、該第1のグループと該第2のグループとの間で別々の排出用ガスの供給となるようにされる、請求項1〜3のいずれか1項記載の電気分解又は共電気分解のための方法。 - 前記排出用ガス(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(66.1、76.1、86.1)において回収され、かつ前記排出用ガス(S2(O2))が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(65.2、75.1、85.2)において回収され、該第1のグループと該第2のグループとの間で別々の生成された酸素の回収となるように、該第2のグループのインターコネクター(5.2)の該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のグループのインターコネクター(5.1)の該第3及び第4のゾーンと積層方向に縦に一列に配置されることはない、請求項6記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
- 前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第3及び第4のゾーンが、該第1のグループの前記セルの前記アノードでの前記排出用ガス及び電気分解によって生成するO2の分配が該第2のグループの前記セルの分配に対して向流で行われるように配置される、請求項6記載の電気分解又は共電気分解のための方法。
- 各々が、カソード(2.1、2.2)、アノード(4.1、4.2)、及び該カソードと該アノードとの間に挿入された電解質(3.1、3.2)で形成されたSOFCタイプの個別電気化学的セル(C1、C2)と、各々が、2つの隣接する個別セル(C1、C2)の間に配置された複数の電気的及び流体インターコネクター(5.1;5.2)であって、その一方の面が、該2つの個別セルの一方(C1)の該アノード(4.1)と電気的に接触しており、かつその他方の面が、該2つの個別セルの他方(C2)の該カソード(2.2)と電気的に接触している、前記電気的及び流体インターコネクターとのスタックを備える固体酸化物燃料電池(SOFC)において実施される高温での発電のための方法であって、
−第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第1のゾーン(61、71、81)に、燃料が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々の個別セルのアノードに分配され、その後、余剰燃料及び生成する水が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーン(63、73、83)において回収され、
−少なくとも1つが該第1のグループのインターコネクターに隣接している第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第1のゾーン(62、73、82)に、燃料が供給され、かつそれが、少なくとも1つが該第1のグループのセルに隣接している該第2のグループの各々の個別セルのアノードに分配され、その後、余剰燃料及び生成する水が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第2のゾーン(64、71、84)において回収され、該第2のグループの該インターコネクター(5.2)の該第1及び第2のゾーンは、それぞれ、該第1のグループの該インターコネクター(5.1)の該第1及び第2のゾーンと積層方向に縦に一列に配置されることはなく、
スタック内での、該第1のグループの該インターコネクター及び該セルそれぞれへの供給及び流通が、該第2のグループの該インターコネクター及び該セルそれぞれに対する供給及び流通に対して独立して行われる、前記方法。 - 前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第1及び第2のゾーンが、該第1のグループの前記セルの前記アノードへの前記燃料の分配が該第2のグループの前記セルへの分配に対して並流で行われるように配置される、請求項9記載の高温での発電のための方法。
- 前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第1及び第2のゾーンが、該第1のグループの前記セルの前記アノードへの前記燃料の分配が該第2のグループの前記セルへの分配に対して向流で行われるように配置される、請求項9記載の高温での発電のための方法。
- −前記第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第3のゾーン(65、75、85)に、酸化剤、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(68、76、86)において回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第3のゾーン(67、75、85)に、酸化剤、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S2(O2))が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(68、76、86)において回収され、該第1及び第2のグループで共通の酸化剤の供給及び余剰酸化剤の回収となるように、該第2のインターコネクター(5.2)のグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクター(5.1)のグループの該第3及び第4のゾーンと積層方向に縦に一列に配置される、請求項9〜11のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。 - −前記第1のグループの各々のインターコネクター(5.1)の第3のゾーン(65.1、75.1、85.1)に、酸化剤、例えば、空気(E1(O2))が供給され、かつそれが、該第1のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S1(O2))が、該第1のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(66.1、76.1、86.1)において回収され、
−前記第2のグループの各々のインターコネクター(5.2)の第3のゾーン(66.2、76.1、86.2)に、酸化剤、例えば、空気(E2(O2))が供給され、かつそれが、該第2のグループの各々のセルの前記カソードに分配され、その後、余剰酸化剤(S2(O2))が、該第2のグループの各々のインターコネクターの第4のゾーン(65.2、75.1、85.2)において回収され、該第1のグループと該第2のグループとの間で別々の酸化剤の供給及び余剰酸化剤の回収となるように、該第2のインターコネクター(5.2)のグループの該第3及び第4のゾーンが、それぞれ、該第1のインターコネクター(5.1)のグループの該第3及び第4のゾーンと積層方向に縦に一列に配置されることはない、請求項9〜11のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。 - 前記第1及び第2のインターコネクターのグループの前記第3及び第4のゾーンが、該第1のグループの前記セルの前記カソードへの前記酸化剤の分配が該第2のグループの前記セルの前記分配に対して向流で行われるように配置される、請求項13記載の高温での発電のための方法。
- 前記燃料が、水素もしくはメタン(CH4)又はそれら2つの混合物である、請求項9〜14のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
- 前記第1のインターコネクターのグループの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給が、前記第2のインターコネクターのグループの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給と直列に接続される、請求項1〜8のいずれか1項記載の蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法。
- 前記第1のインターコネクターのグループの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給が、前記第2のインターコネクターのグループの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給と直列に接続される、請求項9〜15のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
- 前記ガスが、前記第1のグループの出口と前記第2のグループの入口との間で燃料及び/又は酸化剤について濃縮されているか、又は前記ガスが、前記第1のグループの入口と前記第2のグループの出口との間で燃料及び/又は酸化剤について濃縮されている、請求項16記載の方法。
- 前記第1及び前記第2のグループ間で異なる大きさのセルが用いられ、その結果、該セルの全てが、異なる燃料組成を用いて同じ電圧となる、請求項16又は18記載の方法。
- 前記第1のインターコネクターの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給が、前記第2のインターコネクターの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給に対して並列である、請求項1〜8のいずれか1項記載の蒸気H2Oの高温電気分解又は蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法。
- 前記第1のインターコネクターの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給が、前記第2のインターコネクターの前記第1のゾーンにおける前記ガスの供給に対して並列である、請求項9〜15のいずれか1項記載の高温での発電のための方法。
- 前記第1及び前記第2のグループに、組成物が供給され、かつガスの流速が同一である、請求項20記載の方法。
- 前記第1及び前記第2のグループに、該2つのグループ間で異なる改質速度を有するように、異なるメタン(CH4)又は水素(H2)の組成物が供給される、請求項20又は22記載の方法。
- 前記第1及び前記第2のグループが、同じH2O/CO2/CO比で供給を受ける、請求項20又は22記載の蒸気H2O及び二酸化炭素CO2の共電気分解のための方法。
- 動作時に、前記直列の供給が、並列の供給に変更され、かつ前記流速及び組成物が同時に、該2つのグループ間で異なるものとされる、請求項16、18及び19のいずれか1項記載の方法。
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