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

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 Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ：ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）の分野、同じく固体酸化物（「Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ Ｃｅｌｌ（固体酸化物電解槽セル）」の頭文字語であるＳＯＥＣ）を使用した水の高温電気分解（ＨＴＥ：ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｅａｍ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）または高温蒸気電気分解（ＨＴＳＥ：ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｅａｍ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）の分野、ならびに、水と二酸化炭素ＣＯ２または二酸化窒素ＮＯ２から選択される別のガスとの高温共電解の分野に関する。
本発明は、より詳細には、蒸気Ｈ２Ｏから水素Ｈ２を生成するためのＳＯＥＣタイプの水の高温電気分解または共電解（ＨＴＥ）のためのリアクタ内に電流およびガスを配分するための電気および流体インターコネクタを統合する新規なモジュールの設計、またはＳＯＦＣタイプの燃料セルおよび単位電気化学的セルの設計に関する。
本発明によるモジュールは、加圧下における動作を可能にする。
主として水の高温電気分解の用途を参照して説明されるが、本発明は、水と二酸化炭素ＣＯ２または二酸化窒素ＮＯ２から選択される別のガスとの共電解、ならびにＳＯＦＣ燃料セルに共に適用される。
本発明は、水素または炭化水素のいずれか、たとえばメタンＣＨ４を燃料として使用するＳＯＦＣ燃料セルに適用される。
水の電気分解は、電流によって、反応Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２に従って水をガス状二酸素および二水素に分解する電解反応である。
水の電気分解は、反応に必要なエネルギーの一部を電気より安価な熱によって供給することができ、また、反応の活性化は高温においてより有効であり、かつ、触媒を必要としないため、高温、典型的には６００℃と９５０℃の間で実施することが有利である。電気分解を高温で実施するために、基本ユニットのスタックからなるＳＯＥＣタイプ（「Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ Ｃｅｌｌ（固体酸化物電解槽セル）」の頭文字語）の電解槽の使用が知られており、各基本ユニットは、互いに重畳したアノード／電解質／カソードの３つの層からなり、また、２極板またはインターコネクタとも呼ばれる、金属合金でできた相互接続板からなる固体酸化物電気分解セルを備えている。インターコネクタの機能は、電流の通路と、各セルの近傍におけるガス（注入される蒸気、ＨＴＥ電解槽中で抽出される水素および酸素、注入される空気および水素、ならびにＳＯＦＣセル中で抽出される水）の循環の両方を提供すること、およびそれぞれセルのアノード側およびカソード側のガスの循環のためのコンパートメントであるアノードコンパートメントおよびカソードコンパートメントを分離することである。蒸気ＨＴＥの高温電気分解を実施するために、蒸気Ｈ２Ｏがカソードコンパートメント中に注入される。セルに印加される電流の作用の下で、水素電極（カソード）と電解質の間の界面において蒸気の形態の水分子の解離が起こり、この解離によって二水素ガスＨ２および酸素イオンが生成される。二水素が集められ、水素コンパートメントの出口において排気される。酸素Ｏ２−イオンは、電解質を通って移動し、電解質と酸素電極（アノード）の間の界面において再結合して二酸素になる。
図１に概略的に示されているように、各単位電気分解セル１は、概ね膜の形態の固体電解質３の各側に置かれたカソード２およびアノード４から形成されている。２つの電極（カソードおよびアノード）２、４は、多孔性材料でできた電気導体であり、また、電解質３はガスに対して不透過性であり、電子絶縁体で、かつ、イオン導体である。電解質は、詳細には陰イオン導体であってもよく、より正確にはＯ２−イオンの陰イオン導体であり、したがって電解槽は陰イオン電解槽と呼ばれている。
電気化学反応は、電子導体の各々とイオン導体との間の界面において起こる。
カソード２における半反応は、
２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→２Ｈ２＋２Ｏ２−
である。
アノード４における半反応は、
２Ｏ２−→Ｏ２＋４ｅ−
である。
２つの電極２と電極４の間に挿入された電解質３は、アノード４とカソード２の間に加わる電位差によって生成される電界の影響下でのＯ２−イオンの移動部位である。
図１に括弧で示されているように、カソード入口における蒸気には水素Ｈ２が含まれ、また、出口において生成され、かつ、回収される水素には蒸気が含まれ得る。さらに、点線で示されているように、生成された酸素を排気するために、入口には、空気などのドレンガスが追加で注入され得る。ドレンガスの注入は、熱調整器の役割を果たす追加機能を有している。
単位電気分解リアクタは、上で説明した、カソード２、電解質３およびアノード４を有する基本ユニットからなっており、また、電気的、水圧的および熱的配分の機能を提供する２つの単極コネクタからなっている。
いくつかの単位電気分解セルを互いに重ね合わせて積み重ね、一般的にはインターコネクタまたは二極相互接続板と呼ばれる相互接続デバイスでそれらを分離すると、生成される水素および酸素の流量が増加することが分かっている。アセンブリは、電解槽（電気分解リアクタ）への電気供給およびガスの供給をサポートする２つの相互接続端板の間に配置される。
したがって水のための高温電解槽（ＨＴＥ）は、少なくとも１つの電気分解セル、通常は互いに重ね合わせて積み重ねられた複数の電気分解セルを備えており、各基本ユニットは、電解質、カソードおよびアノードから形成され、電解質は、アノードとカソードの間に挿入される。
１つまたは複数の電極と電気接触している流体および電気相互接続デバイスは、通常、電流の供給および集電の機能を提供し、また、１つまたは複数のガス循環コンパートメントの範囲を定める。
したがっていわゆるカソードコンパートメントは、電流および蒸気を配分する機能、ならびに接触しているカソードにおける水素回収の機能を有している。
いわゆるアノードコンパートメントは、電流を配分する機能、ならびに任意選択でドレンガスによって、接触しているアノードにおいて生成される酸素を回収する機能を有している。
図２は、最新技術による高温蒸気電解槽の基本ユニットの分解図を示したものである。このＨＴＥ電解槽は、インターコネクタ５と交互に積み重ねられた固体酸化物タイプ（ＳＯＥＣ）の複数の単位電気分解セルＣ１、Ｃ２．．．を備えている。各セルＣ１、Ｃ２．．．は、カソード２．１、２．２、．．．およびアノード４．１、４．２からなっており、電解質３．１、３．２．．．はそれらの間に配置される。電気分解セルのアセンブリには電流が直列に供給され、また、ガスが並列に供給される。
インターコネクタ５は、金属合金でできた構成要素であり、それぞれインターコネクタ５と隣接するカソード２．１との間の空間、およびインターコネクタ５と隣接するアノード４．２との間の空間によって画定される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の間の分離を提供する。また、インターコネクタ５は、セルへのガスの配分を同じく提供する。各基本ユニット中への蒸気の注入は、カソードコンパートメント５０の中で起こる。カソード２．１、２．２．．．における生成された水素の収集および残留蒸気の収集は、後に蒸気が解離した後、セルＣ１、Ｃ２．．．の下流側のカソードコンパートメント５０の中で起こる。アノード４．２において生成された酸素の収集は、後に蒸気が解離して酸素を生じた後、セルＣ１、Ｃ２．．．の下流側のアノードコンパートメント５１の中で起こる。
インターコネクタ５は、隣接する電極と直接接触することによってセルＣ１とＣ２の間、すなわちアノード４．２とカソード２．１の間の電流の通路を提供する。
最新技術による固体酸化物燃料セルＳＯＦＣでは、使用されるセルＣ１、Ｃ２．．．およびインターコネクタ５は同じ構成要素であるが、動作は、逆方向の電流で正しく説明されているようにＨＴＥ電解槽の動作と逆であり、空気はカソードコンパートメントに供給され、また、燃料としての水素はアノードコンパートメントに供給される。
ＨＴＥ電解槽を十分に動作させるためには、とりわけ以下の本質的な機能が必要である。
Ａ／ ２つのインターコネクタ間に挿入される単位電気分解セルの短絡を回避するための、スタック内の２つの隣接するインターコネクタ間の良好な電気絶縁。
Ｂ／ 効率低下の原因になり、また、とりわけ電解槽を損傷するホットスポットの出現の原因になる、生成されたガスの再結合を回避するための、２つの個別コンパートメント、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の間の良好な密閉性、これは開放セル電圧（ＯＣＶ：ｏｐｅｎ ｃｅｌｌ ｖｏｌｔａｇｅ）の検出に対応する。
Ｃ／ 効率の損失、異なる基本ユニット内の圧力および温度の非均一性、さらにはセルの過度の劣化を回避するための、入口と生成されたガスの回収時の両方におけるガスの良好な配分、これは最小分極抵抗を見出すことに対応する。
Ｄ／ セルとインターコネクタの間の最小オーム抵抗を得るための、各セルとインターコネクタの間の良好な電気接触および十分な接触面積。
高温は、上で言及したＡ／からＣ／の３つの基本的な機能の達成を著しく複雑にする。さらに、固体酸化物セルのもろさは、それらの機械的完全性を保証するための特定の制限設計規則を余儀なくする。
Ａ／からＤ／の４つの基本的な機能を同時に達成するための様々な設計が既に存在しているが、克服すべき様々な困難が依然として存在している。
詳細には、機能Ｂ／の達成に関して、シールは、典型的には６００℃から１０００℃であるＨＴＥ電解槽およびＳＯＦＣ燃料セルの高い動作温度範囲を考慮して、従来、ガラスまたはガラス−セラミックに基づいている。ガラスシールは、動作温度ではペースト状の状態にある。
設計段階では、シールに印加される圧力差の影響の下でガラスを押し出さないように注意しなければならない。ガラス−セラミックシールの場合、ガラス−セラミックシールを結晶化させるためにインサイチューでガラス−セラミックシールに熱サイクルが施され、したがってガラス−セラミックシールは動作温度で固体化する。正しくガラスシールの場合と同様、ガラス−セラミックが固体化する前にガラス−セラミックを押し出さないように注意しなければならない。
最も単純な構成は、ＳＯＥＣリアクタまたはＳＯＦＣ燃料セルの中に存在する様々な多孔性材料とは対照的に、２つの稠密板の間にガラスを置くことからなっており、シールの各側が特定の圧力差になるまで、表面張力がガラスが流れるのを防止する。
この挙動を促進するためには、シールの高さを可能な限り低くし、ガラスと接触する領域の面積を広くし、かつ、シールが被る圧力差を小さくしなければならない。
ＳＯＥＣリアクタまたはＳＯＦＣセル内のガラスに基づくこのタイプの密閉の達成は、いくつかの問題に直面している。第１に、セルの各側の電極は多孔性であり、したがってそれらは、ガラスに基づくシールを単純にサポートすることができない。さらに、隣接するインターコネクタ間の電気絶縁を保証しなければならないが、この保証は、ガラス膜が薄すぎるため、危険を伴うことなく提供することはできない。最後に、前記ガラスは、高さを低くし、かつ、セルとインターコネクタの間の電気接触を保証するために押しつぶさなければならない。このクランピングは、その機械的完全性を維持するために、セルのあらゆるオーバハングを回避して実施しなければならない。
図３に概略的に示され、また、仏国特許出願第３０００１０８号明細書に開示されている構成では、これらの制約は、シールの各側の非多孔性表面の密度によって部分的に考慮されており、セルＣ１は、そのサポート２．１（ＨＴＥにおけるカソードまたはＳＯＦＣの場合はアノード）上で平らに維持され、かつ、２つの隣接するインターコネクタ５の間にクランプされており、すべての回路を保護するための電気絶縁体７によって分離された、ガラスまたはガラス−セラミックタイプの第１のシール６１および第２のシール６２は、生成される水素（ＳＯＦＣ中に供給される燃料）の密閉性を提供するためにインターコネクタの間に配置されており、また、最後に、同じタイプの第３のシール６３は、生成される酸素（またはＳＯＦＣ中に供給される空気）の密閉性を提供するために、電解質３．１とインターコネクタ５の間のアノード４．１（ＳＯＦＣにおけるカソード）と並んで配置されている。したがって各シール６１、６２、６３は、本質的に不透過性であり、したがって非多孔性であるサポートに基づいている。さらに、シールとそれらのサポートとの間の強い表面張力により、シールの各側が特定の圧力差になるまでガラスが流れるのを回避することができる。シールの良好な機械的耐久性の達成を促進するためには、シールの高さを低くしなければならず、また、ガラスと接触する領域の面積を可能な限り広くしなければならない。
上で説明したように、ガラスシールまたはガラス−セラミックシールの高さ低減は、クランピングによって達成される。クランピングは、スタック中の接触抵抗の影響を小さくするため、すなわち上記機能Ｄ／、すなわちセルとインターコネクタの間の良好な電気接触を提供するために同じく必要である。ところで、図３に示されているように、電気分解セルＣ１、Ｃ２．．．は、そのシール６３のためにオーバハングを使用して取り付けられている。したがってシールの高さを低くし、かつ、機能Ｄ／のセルとインターコネクタの間の良好な電気接触を提供するために必要なクランピングは、さらに、セルを破損することになり得るセルの過剰な湾曲の原因になることなく達成しなければならない。
したがって図３に示されているようなガラスまたはガラス−セラミックに基づくシールを使用した構成は、ＨＴＥまたはＳＯＦＣスタックの構成要素間の電気絶縁およびひずみの順応という否定し得ない利点を有している。
したがって、既に言及したように、ガラスまたはガラス−セラミックに基づくシールは、本質的に、数百ミリバール程度の小さい圧力差にしか耐えることができないという重大な欠点を有している。
したがって、典型的には数バールから数十バール、典型的には３０バールまでの加圧下でのＳＯＦＣセルの内部動作、またはＨＴＥリアクタの内部動作には、シールの密閉性の損失を防止するための解決法が必要である。
ＨＴＥスタックリアクタまたはＳＯＦＣセルを、同じく加圧された密閉エンクロージャの内側に置くことからなる解決法は既に知られている。ここでは本出願人らは、このタイプの解決法を開示している特許出願または特許である仏国特許出願第２９５７３６１号明細書、米国特許出願第２００２／００８１４７１号明細書および米国特許第６６８９４９９号明細書について言及することができる。この知られている解決法は、スタックの内側と外側の間に同じ圧力を印加することができる利点を提供している。したがってこれは、ガラスシールまたはガラス−セラミックシールに機械的な応力を付与することなく、数バールから数十バールまでの高い圧力での動作を可能にしている。
しかしながらこれは、典型的には３０バールのような圧力まで加圧されるエンクロージャであって、高温、典型的には８００℃のスタックを含み、水素Ｈ２および酸素Ｏ２がその中で循環するエンクロージャの機械的な挙動を保証することが必要であることを意味している。この加圧されたエンクロージャの安全性の管理は、些細なことではあり得ない。
さらに、エンクロージャの存在は、インターコネクタとセルの間の良好な電気接触を保証するためのスタックのクランピングの維持を複雑にしている。詳細には、比較的冷たいゾーンにおけるクランピング要素の配置は容易ではない。
最後に、加圧されるエンクロージャは、ガスの供給／回収およびエンクロージャの外部からの電流のために、貫通および不透過性の両方の通路を使用して構築しなければならない。したがってこれらの通路のうちのいくつかは電気絶縁体でなければならず、また、蒸気を含んだこれらの電気絶縁体の温度は、あらゆる蒸気噴出を回避するために、制御された温度でなければならない。実際、入口配管および／または出口配管における温度制御がない場合、内部で連続的に循環する蒸気は、低温ゾーンに遭遇して制御不能に凝縮することになる。これは噴出の原因になり、ガスおよび圧力供給の変動をもたらす。
すべてのこれらの予防手段は、複雑で、かつ、高価な、加圧された密閉エンクロージャおよびＨＴＥリアクタまたはＳＯＦＣセルを統合する設置を完全にする。
したがって、ガラスまたはガラス−セラミックに基づくシールの密閉性の損失を防止するために、ＨＴＥ電解槽またはＳＯＦＣセルを収納する加圧された密閉エンクロージャを使用する必要があるＳＯＥＣタイプの電解槽（ＨＴＥ）またはＳＯＦＣタイプの燃料セルの既存の構成を置き換えることが必要である。
仏国特許出願第３０００１０８号明細書 仏国特許出願第２９５７３６１号明細書 米国特許出願第２００２／００８１４７１号明細書 米国特許第６６８９４９９号明細書
本発明の目的の１つは、この必要性に少なくとも部分的に対処することである。
この目的のために、一代替によれば、本発明は、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に関しており、モジュールは、
− 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。
一変更態様によれば、第２のインターコネクタは、空気などのドレンガスのための供給ラインであって、該第２のインターコネクタを貫通し、かつ、供給される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上へ開いた供給ラインを有している。
他の代替によれば、本発明は、同じく、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に関しており、モジュールは、
− 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。
言い換えると、本発明は、本質的に、ＳＯＦＣセル内の電気分解反応または逆反応のために必要な反応ガス以外のガスを循環させるための回路を備えるモジュールからなっており、回路は、加圧下で動作している間、この追加ガスが、ガラスおよび／またはガラス−セラミックに基づくシールの一方の側で、もう一方の側で生成される反応ガスの圧力を等化するように配置される。
したがって最新技術の場合と同様、ＨＴＥリアクタまたはＳＯＥＦＣセルが中に収納される加圧された密閉エンクロージャを使用した解決法が必要である。
電気絶縁体である間、モジュールの、典型的には１０バールと３０バールの間である内側と、典型的には１バールに等しい外側との間の圧力差に耐えなければならないシールのみが等化ガスの循環外であり、このシールにかかる応力は、反応ガスが循環する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の間の応力より大きい。
有利な実施形態によれば、単位電気化学的セル、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、第１のシールおよび第２のシール、ならびに絶縁および密閉デバイスは、中心軸（Ｘ）の周りに軸対称の形状であり、反応ガス（蒸気または燃料蒸気）、（空気もしくは空気または酸素などのドレンガス）のための供給ラインは、中心軸（Ｘ）上へ開いている。
有利な実施形態によれば、密閉デバイスは、断面が正方形または長方形の絶縁ワッシャ、および第３のシールおよび第４のシールからなっており、第３のシールおよび第４のシールは、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ており、第３のシールおよび第４のシールの各々の突起の先端は、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、それぞれ絶縁ワッシャおよび第１のインターコネクタまたは第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。
第３のシールおよび第４のシールは、それぞれワッシャおよび第１のインターコネクタまたは第２のインターコネクタと接触する、それぞれ互いに反対側の２つの突起を備えており、突起は、シールとシールシートすなわち密閉される構成要素の間が接触する高さにおける力の集中を提供するように配置される。したがって突起は、シールの各側の比較的小さい圧縮負荷の下での所望の密閉性の生成を可能にする。
有利には密閉デバイスは、酸化ジルコニウム（ジルコニア）に基づく絶縁ワッシャ、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のシールおよび第４のシールからなっている。
有利な実施形態によれば、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、第１のシールとセルの間に構築された第１の環状溝を備えており、第１のインターコネクタの供給ラインは、第１のインターコネクタの回収ラインへの、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径方向配分を実施するために第１の環状溝と連絡している。
別の有利な実施形態によれば、第２のインターコネクタは、第２のシールによって範囲が定められたゾーンに構築された第２の環状溝を備えており、第２のインターコネクタの供給ラインは、第２のインターコネクタの回収ラインへの、生成される酸素または供給される空気の径方向配分を実施するために第２の環状溝と連絡している。これらの第１の環状溝および第２の環状溝の各々は、圧力のレベルに無関係に、当該電極上のガスの径方向配分の良好な均一性を提供する。
有利な実施形態によれば、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、インターコネクタの周囲に構築された、第３のシールまたは第４のシールおよび絶縁ワッシャが配置される第３の環状溝を備えており、その配置は、絶縁ワッシャが第３の環状溝から突出するようになっている。この第３の環状溝は、密閉デバイスの３つの構成要素の組立ておよび機械的安定性を容易にする。さらに、絶縁ワッシャの突出構造は、インターコネクタ間に短絡が存在しないことの保証を可能にする。
有利な実施形態によれば、第１のシールは、スリットを有するマイカワッシャからなっており、このマイカワッシャ内にガラスビードまたはガラス−セラミックビードが堆積され、モジュールをクランプした後のマイカ中のスリットを充填する。
別の有利な実施形態によれば、第１のシールは、スリットを有するマイカワッシャからなっており、マイカワッシャは、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の上に載っている２つのガラス−セラミックワッシャの間にクランプされ、モジュールをクランプした後のマイカ中のスリットを充填する。
クランピングによって嵌合されると、ガラスまたはガラス−セラミックがマイカ中のスリットを充填し、インターコネクタ間の良好な密閉を提供する。
有利には、モジュールは、電極の各々とインターコネクタの一方または他方との間の金属格子であることが好ましい電気接触要素を備えている。好ましいことには、金属格子は、Ｈ２／Ｈ２Ｏ電極との接触のためのニッケル格子、およびＯ２電極との接触のための金格子または白金格子であってもよい。Ｏ２電極との接触のためのＬＳＭタイプのセラミックの層も同じく想定され得る。
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の金属構成要素は、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の金属構成要素、あるいはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００またはＨａｙｎｅｓ ２３０（登録商標）タイプのニッケル系の金属構成要素であることが好ましい。
また、本発明は、正しく説明したモジュールのスタックを備える、ＳＯＥＣタイプの電気分解または共電解リアクタ、あるいはＳＯＦＣタイプの燃料セルに同じく関している。
有利には、ＨＴＥリアクタまたはＳＯＦＣセルは、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、モジュールの開きを防止するのに適した、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を備えている。言い換えると、組立てのためのこれらの機械的手段は、モジュールの時機を失した開きを防止し、これは、圧縮による隣接するインターコネクタ間のセルのクランピングではなく、安全な動作を保証する。密閉性および電気接触を保証するクランピングは、さらに、一方のインターコネクタの極めて適切な圧縮力をもう一方のインターコネクタに印加することによって実施される。モジュールのすべての構成要素の一連の寸法は、周囲におけるデバイスのシールの押しつぶし、ならびに電気接触層の任意選択の押しつぶしを保証するために決定される。典型的には、クランピングによってもたらされる押しつぶしは、数十ミクロンの押しつぶしである。当然、圧縮によるクランピング力は、本発明によるモジュール内の圧力が高くなると調整しなければならない。
組立てのための機械的手段は、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を備えることができる。各貫通ボルトの頭は、スタックの端インターコネクタのうちの１つのハウジング中に位置しており、また、ナットは、スタックの他の端インターコネクタから突出している貫通ボルトにネジ止めされており、頭および／またはナットは、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の上に直接的または間接的に載っている。ボルトは使用が容易であり、また、圧力が高くなると、必要な安全性、すなわち動作中におけるモジュールの開きの防止を高い信頼性で保障することができる。
その態様の別の実施形態によれば、本発明は、上記ＨＴＥ電気分解または共電解リアクタを動作させる方法に同じく関しており、その方法によれば、
− 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。
有利な実施形態によれば、第２のインターコネクタの供給ラインに、空気などのドレンガスが供給され、供給されるドレンガスの圧力は、概ね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。
その態様の別の実施形態によれば、本発明は、上記ＳＯＦＣ燃料セルを動作させるための方法に同じく関しており、その方法によれば、
− 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。
一変更態様によれば、等化ガスの温度は、等化ガスがＨＴＥ電気分解または共電解リアクタの動作温度、あるいはＳＯＦＣ燃料セルの動作温度を制御するように調整される。
有利には、等化ガスは、空気、中性ガス、水素および／または蒸気である。
空気は、ＨＴＥリアクタまたはＳＯＦＣセルの公称動作モードに対して選択されることが好ましい。
有利な実施形態によれば、電気分解／共電解リアクタまたはＳＯＦＣ燃料セルに流入する、あるいは電気分解／共電解リアクタまたは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は、その回収ライン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。
実際、空気を使用することにより、より安価なコストで圧力差を小さくすることができ、その上以下の利点がある。
− 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。
漏れの燃焼は、電気分解／共電解リアクタまたはＳＯＦＣ燃料セル内の爆発性混合物のあらゆる蓄積を防止する。
ＨＴＥリアクタまたはＳＯＦＣセルの公称動作モードでは、とりわけ第１のシールの密閉性の損失のため、選択される等化ガスは、モジュールの外側に対する密閉性が維持される場合は水素Ｈ２および／または蒸気Ｈ２Ｏであることが好ましく、また、外側に対する密閉性の付随損失が存在する場合は中性ガスであることが好ましい。
したがって本発明による等化ガスは、ＨＴＥリアクタまたはＳＯＦＣ燃料セルの内側と外側の間の圧力差を管理する機能、したがって加圧下における信頼性の高い動作を提供する機能を有しているだけでなく、ガス漏れの燃焼を可能にする。
さらに、等化ガスは、有利には、ＨＴＥリアクタまたはＳＯＦＣ燃料セルの熱調整の役割を有することができる。
好ましいことには、単位電気化学的セルは、カソードサポートタイプの単位電気化学的セルである。
ここでは、また、本発明の文脈では、「カソードサポートセル」は、水ＨＴＥの高温電気分解の分野で既に使用されている定義を有しており、また、頭文字語ＣＳＣによって指示されており、すなわち「カソードサポートセル」は、電解質および酸素電極（アノード）が、より分厚い、したがってサポートとして働く水素電極（カソード）の上に配置されるセルである。
本発明の他の利点および特徴は、例証の目的で提供される非制限の本発明の実施形態例についての、以下の図を参照してなされる詳細な説明を読めば明らかになるであろう。
高温水電解槽の動作原理を示す略図である。 最新技術によるインターコネクタを備えたＳＯＥＣタイプの高温蒸気電解槽（ＨＴＥ）の一部の略分解図である。 スタック内のシールの構成および電気接触の構成を示す、最新技術によるＳＯＦＣタイプのＨＴＥ電解槽または燃料セルの部分略断面図である。 スタック内のシールの構成、電気接触の構成およびガスの配分の構成を示す、本発明の第１の実施形態によるＳＯＦＣタイプのＨＴＥ電解槽または燃料セルのためのモジュールの略断面図である。 本発明によるモジュールの内側と外側の間の絶縁および密閉デバイスの有利な構成を示す、図４における断面詳細の略図である。 本発明によるモジュールの内側と外側の間の密閉性を提供するのに適した密閉デバイスの写真再生である。 図７Ｂおよび図７Ｃに示されている下部インターコネクタを使用したその組立てに先立つ、本発明によるモジュールの上部インターコネクタの下側を示す写真再生である。 シールを嵌合させる前の、本発明によるモジュールの下部インターコネクタの頂部を示す写真再生である。 シールを嵌合させた後の、本発明によるモジュールの下部インターコネクタの頂部を示す写真再生である。 その軸方向の供給ラインとその周囲の回収ラインの間の反応ガスの径方向配分のための溝を有する、本発明によるインターコネクタのデジタルシミュレーション図である。 その軸方向の供給ラインとその周囲の回収ラインの間の反応ガスの径方向配分のための溝がない、本発明によるインターコネクタのデジタルシミュレーション図である。 ＨＴＥリアクタのための本発明によるモジュールの一実施形態の分解図である。 等化ガスの循環平面に構築される断面である、図９に従って組み立てられたモジュールの断面図である。 本発明によるモジュールの内側と外側の間の絶縁および密閉デバイスを収納するための溝の中の等化ガスの通路を示す、図１０からの詳細図である。 供給される蒸気および生成される水素の循環平面に構築される断面である、図９に従って組み立てられたモジュールの断面図である。 供給される空気および生成される酸素の循環平面に構築される断面である、図９に従って組み立てられたモジュールの断面図である。 本発明による２つのモジュールのスタックを有するＨＴＥ電気分解リアクタの一実施形態の分解図である。 供給される空気および生成される酸素の循環平面に構築される断面である、図１４に従って組み立てられたモジュールの断面図である。 供給される蒸気および生成される水素の循環平面に構築される断面である、図１４に従って組み立てられたモジュールの断面図である。 等化ガスの循環平面に構築される断面である、図１４に従って組み立てられたモジュールの断面図である。 図１４から図１７による電気分解リアクタの下側の図である。
図１から図３は、プリアンブルで既に説明した最新技術に関している。したがってそれらは、以下では詳細に説明されない。
明快にするために、最新技術によるＨＴＥ電気分解リアクタおよび本発明によるＨＴＥ電気分解リアクタの同じ要素は、同じ数字参照によって示されている。
ここでは、本出願全体を通して、「下部」「上部」、「上方」、「下方」、「内側」、「外側」、「内部」および「外部」という用語は、対称軸Ｘに沿った横断面図における本発明によるインターコネクタに対する参照によって理解されるべきであることに留意されたい。
また、説明される電解槽のモジュールまたは燃料セルのモジュールは、高温で動作する固体酸化物タイプ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｃｅｌｌ（固体酸化物電解質セル）の頭文字語であるＳＯＥＣ、またはＳｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ（固体酸化物燃料セルの頭文字語であるＳＯＦＣ））のモジュールであることに同じく留意されたい。
したがって電気分解セルまたは燃料セルのすべての構成要素（アノード／電解質／カソード）はセラミックである。電解槽（電気分解リアクタ）または燃料セルの高動作温度は、典型的には６００℃と１０００℃の間である。
典型的には、カソードサポートタイプ（ＣＳＣ）の本発明に適した単位電気分解セルＳＯＥＣの特性は、以下のＴａｂｌｅ ２（表１）に示されているような特性であってもよい。
図４は、本発明によるＨＴＥ蒸気電解槽の基本ユニットを形成することが意図されたモジュールＭ１の略断面図を示したものである。
モジュールＭ１は、中心軸Ｘの周りに軸対称の形状の単位電気化学的セル（Ｃ１）を備えており、セルは、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、セルの各側の２つの電気および流体インターコネクタ５．１、５．２から形成されている。
２つのインターコネクタ５．１、５．２は、それぞれ、好ましくは約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、あるいはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００またはＨａｙｎｅｓ（登録商標）タイプのニッケル系の単一の金属要素として構築されている。
上部インターコネクタ５．１は、該上部インターコネクタ５．１を貫通し、カソードのセル上に中心軸に沿って開いている蒸気供給ライン５０を有している。後で説明されるように、供給される蒸気および生成される水素に対する径方向の配分が、カソード側のセルの周囲で中心軸と平行に開いている、生成される水素を回収するためのライン５９に提供される。
下部インターコネクタ５．２は、該下部インターコネクタ５．２を貫通し、アノード側のセル上に中心軸に沿って開いている、空気などのドレンガスを供給するためのライン５１を有している。後で説明されるように、供給される空気および生成される酸素に対する径方向の配分が、アノード側のセルの周囲で中心軸と平行に開いている、生成される酸素を回収するためのライン５４に提供される。
中心軸Ｘの周りに軸対称の形状の第１のシール６１は、基本ユニットＣ１の周囲に配置され、２つのインターコネクタの各々に支えられている。このシールは、カソードコンパートメントの周りの密閉性を提供するために提供される。
中心軸の周りに軸対称の形状の第２のシール６３は、基本ユニットのアノードの周囲に配置され、下部インターコネクタと電解質の両方に支えられている。このシールは、アノードコンパートメントの周りの密閉性を提供するために提供される。シール６１および６３は、後で詳細に説明されるように、ガラスおよび／またはガラス−セラミックに基づいている。
本発明によれば、中心軸Ｘの周りに軸対称の形状の電気絶縁および密閉デバイス８は、カソードコンパートメントの周りの第１のシールの周囲に配置される。
デバイス８は、互いに接触していない第３の金属シール８１および第４の金属シール８２によってクランプされるブロックを形成する電気絶縁ワッシャ８０からなっている。これらの第３のシール８１および第４の８２の各々は金属でできており、それぞれ上部インターコネクタおよび下部インターコネクタに支えられている。
下部インターコネクタ５．２は、該下部インターコネクタ５．２を貫通し、動作中、第１のシール６１の各側の圧力を等化するために等化ガスの環状配分を提供するために、シール６１とデバイス８の間に範囲が定められた環状空間Ｅ上へ開いている、等化ガスと呼ばれるガスのための少なくとも１つの供給ライン５８、およびこの等化ガスのための少なくとも１つの回収ライン５８を有している。
デバイス８は、可能な限りＨＴＥリアクタの動作圧力に近い値、典型的には１０バールから３０バールに調整される等化ガスの圧力と、典型的には１バールであるモジュールの外部の圧力との間の大きい圧力差に耐えることができる。絶縁ワッシャ８０は、下部インターコネクタ５．２と上部インターコネクタ５．１の間のあらゆる短絡を防止する。最後に、金属シールは、それらがインターコネクタ、とりわけフェライトステンレス鋼に基づくインターコネクタの材料と両立する膨張を示すようになっている。
図５および図６に示されている変更態様によれば、絶縁ワッシャすなわちブロック８０はジルコニアでできており、また、２つ金属シール８１、８２は、クロムおよび鉄を含む合金、たとえばＦｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）に基づいている。
上部金属シール８１は、その面の各々に断面が三角形の突起８３、８４を備えている。
下部金属シール８２は上部シール８１と全く同じであり、その面の各々に断面が三角形の突起８５、８６を備えている。
したがってそれぞれワッシャ８０の上に載っている各シール８１、８２、およびインターコネクタ５．１、５．２のうちの一方の断面の形状は概ね菱形である。
これらの三角形突起８３ないし８６の先端は、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、それぞれ絶縁ワッシャ８０および第１のインターコネクタ５．１または第２のインターコネクタ５．２の上に載せることによって変形し得る。したがってモジュールＭ１を備えたＨＴＥリアクタを圧縮クランピングしている間、延性のある材料でできた三角形突起８３ないし８６は、圧縮ひずみを集中させることができ、絶縁および密閉デバイス８全体の過剰圧縮を回避する。
この変更態様によれば、比較的小さい圧縮負荷を使用して、大きい圧力差の下で必要な密閉性を確立することができる。
典型的には、圧縮負荷は、圧力による背景効果を補償するための値だけ大きくなった、シールの５Ｎ／ｍｍから１０Ｎ／ｍｍまでの値に等しい。この圧縮負荷は、圧力なしに密閉性を達成するためのシールのクランピング、およびすべての圧力レベルに対するこのクランピングの維持に対応する。実際、動作中の圧力は、圧力が印加されるディスクの面積を掛け合わせた圧力に等しい値Ｆを有する緩め力を生成する。したがって補償値によってこの緩め力を補償しなければならず、さもなければ２つのインターコネクタが互いに分離することになる。
図７Ａから図７Ｃおよび図９から図１３は、本発明によるモジュールの一実施形態を示したものである。
ここでは、これらの図に示されているプラグ（Ｂ）は、溶接することにより、ガスを供給し、また、ガスを回収するためのラインの範囲を定めるためのインターコネクタ構成要素の中に構築される孔を密閉するように働くことに留意されたい。しかしながらインターコネクタが完成すると、それらは、本発明によるＨＴＥリアクタの動作における機能を有さない。
既に説明したことに加えて、上部インターコネクタ５．１は、該上部インターコネクタ５．１を貫通する、図７Ａおよび図１２から分かるように中央供給ライン５０中へ開いている横方向の供給ライン５２を有している。また、上部インターコネクタは、上部金属シール８１および絶縁ブロック８０を受け取るための環状溝５３を同じく備えている（図７Ａ、図１０および図１１）。
下部インターコネクタ５．２に関して、下部インターコネクタ５．２は、第２のシール６３と基本ユニットの両方が配置されるシーティングを備えている。セルのすぐ周囲から外側まで、下部インターコネクタ５．２は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２混合物の径方向の流れのための環状溝５４、平らな表面、およびセルの周囲と同心の、密閉デバイス８を受け取るための別の環状溝５５を備えている。平らな表面は、図７Ｂおよび図１３から分かるように、該平らな表面を貫通する、上部インターコネクタ５．１の中央供給ライン５１と連絡することが意図される横方向の供給ラインを有している。
図７Ｃから分かるように、下部インターコネクタの平らな表面は、シール６１および横方向の供給ライン５６の周りのためのサポートとして働く。図７Ｃでは、シール６１は、好ましいことには、ガラスビードまたはガラス−セラミックビード６１２が提供されるスリット６１１を有するマイカワッシャすなわちリング６１０を備えていることが分かる。クランピングの間、このガラスビードまたはガラス−セラミックビード６１２がスリット６１１中に流入し、したがって２つのインターコネクタ５．１と５．２の間の堅固に接着する結合を形成し、この結合は、さらに、マイカリング６１０によって横方向にくさび留めされる。
図１４から分かるように、スリット６１１中に浸透するビード６１２の代わりに、本出願人らは、２つのガラス−セラミックワッシャすなわちリング６１３、６１４の間にマイカリング６１０をクランプし、それぞれ第１のインターコネクタ５．１および第２のインターコネクタ５．２の上に載ることを想定することができる。
最後に、図７Ｃでは、絶縁ワッシャ８０は、下部インターコネクタ５．２の環状溝５５に収納されると、下部インターコネクタ５．２から突出することが同じく分かる。
図１０および図１１に示されているように、下部インターコネクタは、該下部インターコネクタを貫通し、かつ、等化ガスのための供給ライン５８および回収ライン５８中へ開いている環状溝５５を有している。
等化ガスの供給５８および回収５８のためのこれらのラインの各々は、密閉デバイス８を収納するための溝５５の中へ開いている（図１０および図１１）。本発明によれば、密閉デバイス８をそれぞれ上部インターコネクタ５．１および下部インターコネクタ５．２の溝５３、５５の中に取り付けるための横方向のクリアランスが提供され、このクリアランスは、デバイス８と溝５３、５５の内側の間に画定された環状空間（Ｅ）に等化ガスの通路を許容するのに十分である。図１１に詳細に示されているように、環状空間（Ｅ）への等化ガスの到達を許容し、したがって等化ガスの環状配分を提供するのは、密閉デバイス８の内部の供給ライン５８のための孔の底に構築された通路である。等化ガスのこの環状配分は、言うなれば、反応ガスのコンパートメントの周りのガスの周辺カーテンを形成し、この周辺カーテンは、圧力の等化を可能にする。
下部インターコネクタ５．２上の反応ガスの配分のための溝５４、５７の存在により、軸Ｘの周りに軸対称の幾何構造を有する２つのインターコネクタおよびセルを有する本発明によるモジュールは、いかなる圧力レベルにおいても、セルに反応ガスを均一に径方向に供給することができる。
これらの溝を有する本発明によるモジュールＭ１の動作の利点を、これらの溝がないモジュールと比較して立証するために、本発明者らは、商用的に入手することができるソフトウェア、たとえば「Ｆｌｕｅｎｔ」と呼ばれるソフトウェアを使用して、電気分解セルのカソード上のガスの配分の均一性を計算するためのシミュレーションを試みた。
図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれ環状溝５４がある場合とない場合の流速に基づくこれらのシミュレーションを示したものである。入口条件は、９０％Ｈ２Ｏおよび１０％Ｈ２の混合物、３．７Ｎｍｌ／分に等しい流量、１５バールの圧力および８００℃に対する供給ライン５０内の流れの速度をシミュレートしたことに留意されたい。
これらの図から、均一な径方向の流れを補償するためには、回収ライン５９の上流側に十分なヘッドロス（ｈｅａｄ ｌｏｓｓ）を導入する必要があることは明らかである。実際、図７Ａでは、溝がない場合、中央供給ライン５０と横方向の出口ライン５９の間のセルゾーンにのみＨ２Ｏ／Ｈ２混合物が供給されることが明確に分かる。逆に、周囲に溝５４がある場合、セル上の配分の軸方向の対称性が実際に維持される。
図９に示されているように、本発明によるモジュールＭ１は、有利には、電気接触格子９、１０を備えることができ、電気接触格子９、１０は、一方では上部インターコネクタとカソードの間、また、他方では下部インターコネクタとアノードの間のより良好な電気接触を得るために、とりわけ平面性の欠陥を補償する効果を有することができる。
有利には、図９から分かるように、モジュールＭ１は、絶縁および密閉デバイス８の周囲に、マイカでできたタイプの電気絶縁リング１３を備えることができ、リング１３は、インターコネクタ５．１およびインターコネクタ５．２の２つの周囲表面が互いに対向しているすべてのゾーンに載せることができる。
図１４から図１８は、それぞれ上で説明したように構築された、互いに重ね合わせて積み重ねられた２つのモジュールＭ１、Ｍ２を備えたＨＴＥ電気分解リアクタを示したものである。
このリアクタでは、上部モジュールＭ１の下部インターコネクタ５．２および下部モジュールＭ２の上部インターコネクタ５．２は、同じ金属合金構成要素の中に構築されている。
図１５および図１６から分かるように、重畳したインターコネクタ５．１からインターコネクタ５．３を貫通する様々な垂直方向および水平方向の孔は、それぞれ各電気分解セルＣ１、Ｃ２のための、周囲への、中心軸Ｘに沿った、それぞれ空気を供給するためのライン５１（図１５）および蒸気を供給するためのライン５６、５０（図１６）の提供、および周囲への、生成される酸素を回収するためのライン５４および生成される水素を回収するためのライン５９の提供を可能にしている。
図１７から分かるように、重畳したインターコネクタ５．１からインターコネクタ５．３を貫通する様々な垂直方向の孔は、周囲への、各電気分解セルＣ１、Ｃ２の周りの等化ガスの供給および回収のためのライン５８の提供を可能にしている。
有利な実施形態によれば、本発明によるモジュールまたはリアクタは、インターコネクタの中に構築されたボルト１１取付け貫通ハウジングを組み込んでいる。図１０および図１７に示されているように、端インターコネクタ５．２または５．３のハウジング内に位置している貫通ボルト１１の頭１１０、および貫通ボルトにネジ止めされたナット１１１は、他の端インターコネクタ５．１の上に突出しており、ナット１１１は、上部インターコネクタ５．２または５．１のハウジングの中に取り付けられた電気絶縁スリーブ１２の上のワッシャ１１２によって間接的に支持されている。ボルト１１は、加圧下での動作中、各モジュールの時機を失した開きを防止し、これは、インターコネクタ間の各セルの圧縮によるクランピングではなく、安全な動作を保証する。密閉性および電気接触を保証するクランピングは、一方のインターコネクタの極めて適切な圧縮力をもう一方のインターコネクタに印加することによって達成される。モジュールのすべての構成要素の一連の寸法は、周囲におけるシール８１、８２の押しつぶし、ならびに任意選択で電気接触格子９、１０の押しつぶしを保証するために決定される。典型的には、クランピングによってもたらされる押しつぶしは数十ミクロンである。当然、圧縮によるクランピング力は、本発明によるモジュール内の圧力が高くなると調整されることに注意されたい。
最後に、以下の通りに、いくつかの配管が、インターコネクタの中に構築された、ガスを供給し、かつ、回収するための様々なラインに接続される。
− 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）。
本出願人らは、ここで、正しく説明された本発明によるいくつかのモジュールであって、図１４から図１８に示されているように互いに重ね合わせて積み重ねられたモジュールを備えたＨＴＥ電気分解リアクタの動作を説明する。
配管１７に蒸気が供給され、したがって蒸気供給ライン５６、５２および５０に蒸気が供給され、それと同時に配管１４に等化ガスが供給され、したがって供給ライン５８および環状空間Ｅに等化ガスが供給され、供給される蒸気の圧力は、概ね等化ガスの圧力に等しい。
それと同時に、配管１６にドレンガスとして空気が同じく供給され、したがって供給ライン５１に空気が供給され、供給される空気の圧力は、概ね等化ガスの圧力に等しい。
供給ライン５０から径方向に配分された蒸気、および蒸気の電気分解によって生成された水素は環状溝５４内を循環し、次に、回収ライン５９内で径方向に回収され、したがって回収配管１８によって回収される（図１２および図１６）。
等化ガスは、環状空間Ｅ内を循環して回収ライン５８内で回収され、したがって回収配管１５を介して回収される（図１０および図１７）。
供給ライン５１から径方向に配分された空気、および蒸気の電気分解によって生成された酸素は、環状溝５７内で径方向に循環し、次に、回収配管１９を介して回収される（図１３および図１５）。
モジュールＭ１または本発明による積み重ねられたモジュールＭ１、Ｍ２を有するリアクタでは、供給電流は、配管１４から１９のセットを通過しない。
本発明の他の変更態様および利点は、本発明の範囲内を維持しつつ実現することができる。
たとえば孔は、図１２に示されているような熱電対（Ｔ）などの計装の手段を貫通させるために、モジュールの２つのインターコネクタのうちの一方または他方の中に構築することができる。
水の高温電気分解が説明されているが、本発明によるモジュールＭ１または積み重ねられたモジュールＭ１、Ｍ２を有するリアクタは、二酸化炭素または二酸化窒素のいずれかと混合された蒸気の共電解のために使用することも可能である。
水の高温電気分解が説明されているが、本発明によるモジュールＭ１または積み重ねられたモジュールＭ１、Ｍ２を有するリアクタは、ＳＯＦＣ燃料セルとして使用することも可能である。この場合、供給配管１７には、燃料、たとえば水素またはメタンが供給され、配管１４には依然として等化ガスが供給され、また、配管１６には空気または酸素が供給される。
本発明は、正しく説明された例に限定されず、例証されている例の特徴は、とりわけ、例証されていない変更態様の中で互いに組み合わせることができる。
１ 単位電気分解セル
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. − 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。
  18. 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。
  19. − 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。
  20. 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。
  21. 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。
  22. − 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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