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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-18
(54)【発明の名称】周辺から中心への燃料流を有するＳＯＥＣスタック
(51)【国際特許分類】
C25B 9/00 20210101AFI20240311BHJP
C25B 9/77 20210101ALI20240311BHJP
C25B 9/01 20210101ALI20240311BHJP
C25B 9/015 20210101ALI20240311BHJP
C25B 1/23 20210101ALI20240311BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20240311BHJP
C25B 9/60 20210101ALI20240311BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20240311BHJP
【ＦＩ】
C25B9/00 A
C25B9/77
C25B9/01
C25B9/015
C25B1/23
C25B9/23
C25B9/60
C25B1/042
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023555664
(86)(22)【出願日】2022-02-14
(85)【翻訳文提出日】2023-09-11
(86)【国際出願番号】 EP2022053468
(87)【国際公開番号】W WO2022199935
(87)【国際公開日】2022-09-29
(31)【優先権主張番号】21163955.4
(32)【優先日】2021-03-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】590000282
【氏名又は名称】トプソー・アクチエゼルスカベット
(74)【代理人】
【識別番号】100069556
【弁理士】
【氏名又は名称】江崎 光史
(74)【代理人】
【識別番号】100111486
【弁理士】
【氏名又は名称】鍛冶澤 實
(74)【代理人】
【識別番号】100139527
【弁理士】
【氏名又は名称】上西 克礼
(74)【代理人】
【識別番号】100164781
【弁理士】
【氏名又は名称】虎山 一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100221981
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 大成
(72)【発明者】
【氏名】ハイレデール－クラウスン・トマス
(72)【発明者】
【氏名】ラス－ハンスン・イェベ
(72)【発明者】
【氏名】ブレノウ・ベングト・ピーダ・ゴスタウ
(72)【発明者】
【氏名】ナアビュー・トビーアス・ホルト
(72)【発明者】
【氏名】キュンガス・ライナー
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021AB25
4K021BA02
4K021CA09
4K021CA15
4K021DB36
4K021DB40
4K021DC01
4K021DC03
(57)【要約】
固体酸化物電解セルスタックは、燃料入口領域が燃料出口領域よりもかなり大きいセル層とインターコネクト層を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の積層セルユニットを含む固体酸化物電解セルスタックであって、各セルユニットは、活性セル領域を含むセル層、およびインターコネクトを含むインターコネクト層を含み、１つのインターコネクト層は、セルスタック内の隣接セル層から１つのセル層を分離し、各インターコネクト層は、少なくとも１つの燃料入口と燃料入口活性セル領域とを有する燃料側、少なくとも１つの燃料出口、燃料出口活性セル領域、および酸素側を有し；ここで、燃料入口活性セル領域は、燃料出口活性セル領域よりも少なくとも５０％大きい、前記固体酸化物電解セルスタック。
【請求項2】
少なくとも１つの燃料入口が活性セル領域の１つ以上の周縁に隣接して位置し、少なくとも１つの燃料出口が活性セル領域の中心に隣接して位置し、これにより、各セルユニット内の燃料流が、セルユニットの周辺部からセルユニットの中心に向かう流れ方向を有する、請求項１に記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項3】
少なくとも１つの燃料入口が活性セル領域の１つ以上の周縁に隣接して位置し、少なくとも１つの燃料出口が活性セル領域の中心に位置し、これにより、各セルユニット内の燃料流が、セルユニットの周辺部からセルユニットの中心に向かう流れ方向を有する、請求項１または２のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項4】
セルユニットが円形である、請求項１～３のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項5】
前記セルユニットが三角形である、請求項１～３のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項6】
前記セルユニットが長方形である、請求項１～３のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項7】
前記セルユニットが五角形である、請求項１～３のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項8】
前記セルユニットが六角形である、請求項１～３のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項9】
前記セルユニットが七角形である、請求項１～３のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項10】
前記セルユニットが八角形である、請求項１～３のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項11】
前記セルユニットがより多角の多角形である、請求項１～３のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項12】
各セルユニットの活性セル領域が、燃料流の方向において、少なくとも１つの燃料入口から少なくとも１つの燃料出口に向かって減少している、請求項１～１１のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項13】
各セルユニットの活性セル領域が、少なくとも１つの燃料入口から少なくとも１つの燃料出口まで、燃料流の方向に少なくとも５０％減少する、請求項１～１２のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項14】
少なくとも１つの燃料入口のための外部マニホールドと、少なくとも１つの燃料出口のための内部マニホールドとを含む、請求項１～１３のいずれか１つに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【請求項15】
複数の積層セルユニットを含む固体酸化物電解セルスタックにおいて固体酸化物電解を行う方法であって、各セルユニットは、活性セル領域を含むセル層、およびインターコネクトを含むインターコネクト層を含み、１つのインターコネクト層はセルスタック内の隣接セル層から１つのセル層を分離し、各インターコネクト層は少なくとも１つの燃料入口と燃料入口活性セル領域とを有する燃料側、少なくとも１つの燃料出口、燃料出口活性セル領域、および酸素側を有し；ここで、燃料入口活性セル領域は、燃料出口活性セル領域よりも少なくとも５０％大きく、
・Ｈ２ＯもしくはＣＯ２、またはＨ２ＯもしくはＣＯ２の混合物を含む燃料流体を、前記少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域に供給するステップ、
・前記少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域から前記少なくとも１つの燃料出口および燃料出口活性セル領域に向かって前記燃料流体の流れを提供するステップ、
・前記固体酸化物電解スタックを通して電解電流を印加して、前記燃料流体の少なくとも一部を電解還元し、前記固体酸化物電解セルの電解質を横切って酸素イオンを移動させ、前記固体酸化物電解セルの酸素側で酸素分子を生成するステップ、
・それによって、前記少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域から前記少なくとも１つの燃料出口および燃料出口活性セル領域に向かって流れるにつれて、前記燃料流体の密度が減少するステップ、
・前記少なくとも１つの燃料出口を通して、今や密度が減少した前記燃料流体を排出するステップ、
を含む、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
発明の分野
本発明は、燃料流がインターコネクト層およびセル層の周辺部からインターコネクト層およびセル層の中心部に向かう方向を有する、固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）スタックに関する。
本発明は、燃料流がインターコネクト層およびセル層の周辺部からインターコネクト層およびセル層の中心部に向かう方向を有する、固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）スタックに関する。
【背景技術】
【0002】
発明の背景
動作温度が６００℃～１０００℃、好ましくは６００℃～８５０℃のＳＯＥＣスタックにおいては、複数のセルユニットがスタックを形成するために組み立てられ、インターコネクトによって互いに連結される。インターコネクトは、隣接するセルユニットのアノード側とカソード側を分離するガスバリアとしての役割を果たすと同時に、隣接するセル間、すなわちあるセルのアノードと隣接するセルのカソード間の電流伝導を可能にする。さらに、インターコネクトは通常、インターコネクトの両側にプロセスガスを通すための複数の流路を備えている。ＳＯＥＣスタックの性能を最適化するためには、ある範囲の正の値を、最小化すべき別の範囲の負の値に許容できない影響を与えることなく最大にする必要がある。これらの値の一部を以下に示す：
動作温度が６００℃～１０００℃、好ましくは６００℃～８５０℃のＳＯＥＣスタックにおいては、複数のセルユニットがスタックを形成するために組み立てられ、インターコネクトによって互いに連結される。インターコネクトは、隣接するセルユニットのアノード側とカソード側を分離するガスバリアとしての役割を果たすと同時に、隣接するセル間、すなわちあるセルのアノードと隣接するセルのカソード間の電流伝導を可能にする。さらに、インターコネクトは通常、インターコネクトの両側にプロセスガスを通すための複数の流路を備えている。ＳＯＥＣスタックの性能を最適化するためには、ある範囲の正の値を、最小化すべき別の範囲の負の値に許容できない影響を与えることなく最大にする必要がある。これらの値の一部を以下に示す：
【0003】
最大化すべき値 最小化すべき値
－プロセスガス利用率 －コスト
－電気効率 －寸法
－寿命 －製造時間
－故障率
－部品点数
－材料使用量
－寄生損失（加熱、冷却、ブロワーなど）
－プロセスガス利用率 －コスト
－電気効率 －寸法
－寿命 －製造時間
－故障率
－部品点数
－材料使用量
－寄生損失（加熱、冷却、ブロワーなど）
【0004】
上記の値はほとんどすべて相互に関連しており、ある値を変更すると他の値にも影響することを意味する。ここでは、セル内のプロセスガス流の特性と上記の値との関係をいくつか挙げる：
【0005】
プロセスガス利用率：
インターコネクト上の流路は、スタック内の各セルに等量のプロセスガスを求めるように設計されるべきである。すなわち、スタックを通る流れ「ショートカット」がないはずである。
インターコネクト上の流路は、スタック内の各セルに等量のプロセスガスを求めるように設計されるべきである。すなわち、スタックを通る流れ「ショートカット」がないはずである。
【0006】
寄生損失：
ＳＯＥＣスタックとそのセルユニット内のプロセスガス流路の設計は、流量あたりの圧力損失が低くなるようにする必要があり、これによりブロワーへの寄生損失を低減することができる。
ＳＯＥＣスタックとそのセルユニット内のプロセスガス流路の設計は、流量あたりの圧力損失が低くなるようにする必要があり、これによりブロワーへの寄生損失を低減することができる。
【0007】
電気効率：
インターコネクトは、隣接するセルのアノード層とカソード層の間に電流を導く。したがって、内部抵抗を低減するために、インターコネクトの導電性接点（以下、単に「接点」と呼ぶ）は、電極（アノードおよびカソード）に良好な電気的接触を確立するように設計されるべきであり、接点が離れていては、電流が電極の長い距離を流れることになり、結果として内部抵抗が高くなる。
インターコネクトは、隣接するセルのアノード層とカソード層の間に電流を導く。したがって、内部抵抗を低減するために、インターコネクトの導電性接点（以下、単に「接点」と呼ぶ）は、電極（アノードおよびカソード）に良好な電気的接触を確立するように設計されるべきであり、接点が離れていては、電流が電極の長い距離を流れることになり、結果として内部抵抗が高くなる。
【0008】
寿命：
ＳＯＥＣスタックの寿命が最大になること、すなわちＳＯＥＣモードで電解生成物（Ｈ２および／またはＣＯなど）の量が最大になることが望ましい。スタックの寿命は、インターコネクトとスペーサーの選択、インターコネクトのプロセスガス両側の流量分布、材料上の均一な保護コーティング、運転条件（温度、電流密度、電圧など）、セルの設計と材料、その他多くの要因など、多くの要因に依存する。
ＳＯＥＣスタックの寿命が最大になること、すなわちＳＯＥＣモードで電解生成物（Ｈ２および／またはＣＯなど）の量が最大になることが望ましい。スタックの寿命は、インターコネクトとスペーサーの選択、インターコネクトのプロセスガス両側の流量分布、材料上の均一な保護コーティング、運転条件（温度、電流密度、電圧など）、セルの設計と材料、その他多くの要因など、多くの要因に依存する。
【0009】
コスト：
ＳＯＥＣスタックのコストは、貴重な材料を使用しないこと、スタック部品の製造時間を短縮すること、部品の数を最小限にすること、材料のロス（製造工程で廃棄される材料の量）を最小限にすることによって削減することができる。
ＳＯＥＣスタックのコストは、貴重な材料を使用しないこと、スタック部品の製造時間を短縮すること、部品の数を最小限にすること、材料のロス（製造工程で廃棄される材料の量）を最小限にすることによって削減することができる。
【0010】
寸法：
セルスタックの全体寸法は、インターコネクト（相互接続）設計により活性セル領域の高い利用率が保証される場合に減少する。プロセスガス流量の少ないデッドエリアを減らし、シール面の非アクティブゾーンを最小化する必要がある。
セルスタックの全体寸法は、インターコネクト（相互接続）設計により活性セル領域の高い利用率が保証される場合に減少する。プロセスガス流量の少ないデッドエリアを減らし、シール面の非アクティブゾーンを最小化する必要がある。
【0011】
製造時間：
スタック部品の製造時間は最小化されるべきであり、スタックとその部品の設計は、スタックの迅速な組立にも寄与すべきである。一般に、スタック設計が不要にする部品１つにつき、製造時間が増加する。
スタック部品の製造時間は最小化されるべきであり、スタックとその部品の設計は、スタックの迅速な組立にも寄与すべきである。一般に、スタック設計が不要にする部品１つにつき、製造時間が増加する。
【0012】
故障率
スタック構成部品の製造方法と材料は、低い故障率（例えば、インターコネクトガスバリア内の不要な穴、不均一な材料厚や特性など）は許容すべきである。さらに、インターコネクトの設計により、組み立てられる部品の総数を減らし、シール面の長さと数を減らすと、組み立てられたセルスタックの故障率を減らすことができる。
スタック構成部品の製造方法と材料は、低い故障率（例えば、インターコネクトガスバリア内の不要な穴、不均一な材料厚や特性など）は許容すべきである。さらに、インターコネクトの設計により、組み立てられる部品の総数を減らし、シール面の長さと数を減らすと、組み立てられたセルスタックの故障率を減らすことができる。
【0013】
部品点数
すでに述べたように、エラーや組み立て時間を最小化する以外に、部品点数の削減がコスト削減につながる。
すでに述べたように、エラーや組み立て時間を最小化する以外に、部品点数の削減がコスト削減につながる。
【0014】
ＳＯＥＣスタック内でアノードとカソードのガス流を分配する方法は、２つのプロセスガス、酸素ガスと燃料ガスのそれぞれに共通のマニホールド（連結管）を持つことである。マニホールドは内部または外部のいずれかにもあることができる。マニホールドは、各層への流路（チャネル）によってＳＯＥＣスタックの各層にプロセスガスを供給する。流路は通常、ＳＯＥＣスタックに含まれる繰り返しエレメントの１層、すなわちスペーサーまたはインターコネクトに設置される。内部ガスマニホールドは、多くの場合、セルおよび／またはインターコネクト部品の開口部の形態であり、セル部品が積層されたときに、１つまたは複数の流路およびガス出入口を形成する。一方、外部マニホールドは、例えばＳＯＥＣスタックの１つ以上の側面を覆い、それによってプロセスガスをスタックの側面、ひいてはスタック内の各セルの端部に分配するカバーとして形成されることが多い。カバーの代わりに、スタックを単にプロセスガスが流れる容器内に配置することもでき、それによりプロセスガスはスタックの側面にアクセスすることができ、そこからプロセスガスは各セルの開放端部ゾーンからスタックに流入することができる。
【0015】
高温電気分解（ＳＯＥＣ）は、セルの燃料側でＨ２ＯをＨ２に、またはＣＯ２をＣＯに吸熱電気化学的に変換する。吸熱電気化学プロセスは、オーム損失（ジュール発熱）からＳＯＥＣスタック内部で発生する熱によって相殺され、これははスタックを流れる電流に比例する。吸熱プロセスがオーム損失と釣り合っている場合、スタックは「熱中立的」に動作することができ、すなわち、燃料入り口から出口の温度プロフィールが理想的に一定である。しかし、多くの動作点、特に部分負荷では、オーム損失によって発生する熱は、電気化学プロセスで消費される熱よりも小さく、このため、入口から出口に向かって温度が低下するセル全体の温度プロファイルが形成される。
【0016】
セルの所定領域における局所電流密度（ｉ）は、局所温度とガス組成の影響を受けるネルンスト電位によって制御される。局所的なガス組成は、スタック設計、例えば流路の選択によって制御され、その目標は、セル全体、スタック内のセル間、スタック間のガスの均一な分布を得ることであり、同時に圧力損失を最小化することである。しかし、流量分布が完全であっても、燃料入口では常に燃料濃度が高くなり（生成物濃度は低くなり）、平均電流密度より高くなる。スタックが熱中立点未満の動作点（電流）で運転される場合、燃料入口の温度はセルの他の部分よりも高くなり、局所電流密度がさらに高くなる。したがって、ほとんどの動作点では、最大電流密度（ｉｍａｘ）は燃料入口部に位置する。
【0017】
いくつかの劣化メカニズムは電流密度に大きく影響され、電流密度がある「しきい値」以上になると加速されることさえある。例えば、Ｃｈｅｎら（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１６０（８）Ｆ８８３－Ｆ８９１（２０１３））は、高電流密度（電解モードでは１Ａ／ｃｍ２または１．５Ａ／ｃｍ２）で動作させたＳＯＥＣでは、ＺｒＯ２ナノ粒子の形成などの追加的な劣化メカニズムが観察される一方、電気分解モードにおいて０．７５Ａ／ｃｍ２または０．５Ａ／ｃｍ２で動作させた試験には同じ劣化メカニズムが存在しなかったことを示している。別の例（Ｋｎｉｂｂｅ ｅｔ ａｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１５７（８）Ｂ１２０９－Ｂ１２１７（２０１０））においては、電解電流を１Ａ／ｃｍ２→１．５Ａ／ｃｍ２→２Ａ／ｃｍ２と増加させると、酸素電極／電解質界面での酸素バブル形成と剥離によるオーム抵抗の劣化増加が観察された。Ｍｏｇｅｎｓｅｎらは、高電流密度（高電極過電位）での動作は、Ｎｉ／ＹＳＺ電極をベースとするＳＯＥＣにおいて、電気化学的に活性な燃料極／電解質界面からのＮｉの損失につながる可能性があることを報告している（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ，１７，２０１７，Ｎｏ．４，４３４－４４１）。ＳＯＦＣモードにおいては、Ｈａｇｅｎら（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， １５３ （６） Ａ１１６５－Ａ１１７１ （２００６））は、試験したすべての動作温度（７５０℃、８５０℃、９５０℃）で、劣化率がセル分極（電流密度）の関数として増加することを実証した。一定の電流密度における劣化率は、８５０℃（および９５０℃）よりも７５０℃でより急峻に増加したことから、劣化現象が電極の過電位に関係していることが示唆された。
【0018】
最大電流密度（ｉｍａｘ）をできるだけ低く保ちながら、高い製造速度（ｉａｖｇ）を維持することは、スタックの劣化とシステム効率の損失を最小限に抑えるために非常に望ましい。言い換えれば、スタック全体で均一な電流密度プロファイルを得ること、特に一定のｉａｖｇを維持しながら低いｉｍａｘを得ることが望ましい。
【0019】
スタックからの製造速度は活性領域（電気化学的プロセスが発生する領域）と連動しているため、活性領域を最大化することが望ましい。スタックの活性領域は当然セルの大きさと連動しているが、セルの活性領域はシーリング領域やマニホールドに使用される領域によって減少する。したがって、シーリングやマニホールドに使われる領域を減らすことで、セルの有効領域を最大化することが望ましい。
【0020】
ＳＯＥＣモードにおいては、生成物は変換されたガスであり、生成物ガスとも呼ばれる変換されたガスの品質は、下流の応用にとって非常に重要である。したがって、高純度を得るためには、生成物への望ましくない成分（空気など）の漏れを最小限に抑えることが望ましい。
【0021】
ＵＳ２００８３０５３８２は、フローフィールドプレートとそれを用いた燃料電池スタックを開示している。本発明のフローフィールドプレート（１９）は、フローフィールドプレートの中心に形成された中心孔（５）と、フローフィールドプレートの外縁近傍の２つの位置に形成された入口（６）および出口（７）と、中心孔（５）の周囲に分布し、フローフィールドプレートの片側で入口（６）および出口（７）と連通するフロー溝を含む。当該発明によるフローフィールドプレートは、酸化剤の拡散に有利な、中心孔の周囲に分布し、入口と出口に連通するフロー溝からなるので、フローフィールドプレートに「行き止まり」がなく、反応物がフローフィールドプレートの各部分に均一に分布することができる。さらに、反応から発生した結果物、例えば水、窒素、二酸化炭素などは時間内に排出され、フローフィールドプレートに蓄積されない。したがって、反応物の利用率、燃料電池の性能および寿命が改善され得る。
【0022】
ＵＳ２０１８２６９４９５は、第１のガス分配器構造を有する空気ガイド面および第２のガス分配器構造を有する燃料ガスガイド面を含み、第１のガス分配器構造および第２のガス分配器構造はそれぞれ溝およびウェブによって形成される、燃料電池スタック用の金属インターコネクタを製造するための方法を記載しており、シートメタルブランクを提供することと、シートメタルブランクをプラスチック成形プロセスによって形成することを含み、第１のガス分配器構造体および第２のガス分配器構造体は、第１のガス分配器構造体の溝およびウェブが、第２のガス分配器構造体の溝およびウェブと相補的に、空気ガイド面および燃料ガスガイド面の領域のうち、少なくとも５０パーセント、最大で９９パーセントの所定の割合で配置されるように形成されることを特徴とする。
【0023】
ＵＳ２０１５１８００６１は、第１の層および第２の層を含む燃料電池または電解装置用のガス分配要素を記載しており、第１の層および第２の層は、第１の反応流体の流体の流れのためのパターンを形成するガス分配構造で配置される。第２の層は均質化要素であり、第１の開口を有し、第１の開口の少なくともいくつかは長さと幅を有し、長さは幅よりも大きく、長さは流体の流れの主方向に対して横方向に延びる。
【0024】
ＵＳ２０１５１８００５２においては、長さの少なくとも一部に沿って変化する断面積を有する少なくとも１つの流路を含む、燃料電池アノード流れ場が開示されている。いくつかの実施形態では、流路幅は、自然な指数関数にしたがって流路長の少なくとも一部に沿って減少する。このようなアノード流れ場は、性能を向上させ、燃料消費量を低減させ、および／または炭素腐食や触媒劣化などの有害な影響を低減させ、それによって燃料電池の寿命および耐久性を向上させることができる。実質的に純粋な燃料流または希薄な燃料流のいずれかで燃料電池を動作させる場合、このタイプのアノード流れ場は、より均一な電流密度を提供することができる。このような流路は、反応物流れ場プレート、燃料電池および燃料電池スタックに組み込むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0025】
【特許文献1】ＵＳ２００８３０５３８２
【特許文献2】ＵＳ２０１８２６９４９５
【特許文献3】ＵＳ２０１５１８００６１
【特許文献1】ＵＳ２０１５１８００５２
【非特許文献】
【0026】
【非特許文献1】Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１６０（８）Ｆ８８３－Ｆ８９１（２０１３））
【非特許文献2】Ｋｎｉｂｂｅ ｅｔ ａｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１５７（８）Ｂ１２０９－Ｂ１２１７（２０１０）
【非特許文献3】Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ，１７，２０１７，Ｎｏ．４，４３４－４４１）
【非特許文献4】Ｈａｇｅｎ ｅｔ ａｌ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１５３ （６） Ａ１１６５－Ａ１１７１ （２００６））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0027】
上述した公知技術はいずれも、本発明によって解決される上述した問題に対する解決策を提供するものではない。
【0028】
したがって、上述した考察を参照すると、上述した問題を効果的に解決するために、燃料入口から燃料出口への流れ方向においてセルの領域が減少するＳＯＥＣスタックに対する需要が存在する。
【0029】
これらおよび他の目的は、以下に記載する本発明によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【0030】
発明の概要
本発明は、燃料入口活性セル領域が燃料出口活性セル領域よりも大きい固体酸化物電解セルスタックである。
本発明は、燃料入口活性セル領域が燃料出口活性セル領域よりも大きい固体酸化物電解セルスタックである。
【0031】
発明の背景に記載されているように、均一な電流密度プロファイルを得ることが望ましく、劣化を低減するために最大電流密度（ｉｍａｘ）を低減することが特に望ましい。セル全体にわたる均一な電流密度プロファイルはまた、セル全体にわたる生成物ガスの生成を均一に平準化し、したがってセルをより最適に使用する。
【0032】
本発明の一実施形態によれば、例えば、半径方向（放射状の）内向きの燃料流は、セル領域全体に対する入口領域の割合を最大化し、それにより、同じ平均電流密度（ｉａｖｇ）または製造速度（製造率）に対して最大電流密度（ｉｍａｘ）を減少させる。（本発明の他の実施形態において、半径方向内向きの燃料流および流れ方向の領域の減少は、他のセル形状および／またはマニホールド、例えば正方形セル、フレーム設計、または燃料入口の内部マニホールドで達成できることを理解されたい。）したがって、燃料入口から燃料出口まで燃料が枯渇するにつれて、流れが入口から出口まで常に同じセル領域をカバーする従来の設計に比べて、同じ燃料流がより小さいセル領域をカバーしなければならない。このフロー設計の特徴により、出口付近（燃料が枯渇する場所）でより多くの燃料が利用できるようになり、出口付近の局所電流密度（通常は最も低いｉｍｉｎ）が増加する。
【0033】
より多くの燃料流が燃料出口付近のより小さな領域まで圧縮されるという事実は、圧力降下の観点からは問題となり得るが、燃料が生成物に変換されるにつれて、酸素が除去され（スタックの酸素側に移動し）、燃料側の流れの密度が実質的に低下する。燃料出口付近の燃料流が相対的に小さな燃料出口セル領域を通過しなければならないにもかかわらず、この特徴により、低い圧力損失が保証される。
【0034】
このように、本発明の燃料流の設計は、同じ製造速度（ｉａｖｇ）で最大電流密度（したがって劣化）を下げるために使用することができるが、同じ最大電流密度を維持しながら製造速度（ｉａｖｇ）を上げるために使用することもできる。このことは、例に示されるように、マルチフィジックスＣＯＭＳＯＬシミュレーションによって確認されている。
【0035】
以下にさらに説明するように、本発明の実施形態による内向きの燃料流の設計は、従来のフロー設計にしばしば関連する他の問題も解決する。出口マニホールドの穴が中央にあるため、シール領域が比較的小さいマニホールドが１つしかなく、生成物を漏れからシールするのが容易になる。生成物の出口マニホールドがスタックの中心またはその近くにあるため、純粋な生成物が保証される。
【0036】
本発明の一実施形態において、生成物出口マニホールドがセル（内部マニホールド）内で切断されている場合、マニホールドの切断に伴うセル領域の損失は、変換（電流密度）が最も低い、つまり製造性が最も低い（安価な）セル領域に生じる。
【0037】
本発明の一実施形態のように、外部燃料入口マニホールドが使用される場合、さらなる問題が解決される。外部燃料入口マニホールドは、スタック内のセル間の低圧力損失を保証し、したがってスタック内のセル間の燃料偏在を最小化する。スタック内のセル間の良好な燃料分布は、全てのセルの最適な使用を保証する。
【0038】
燃料入口として外部マニホールドが使用されている場合、内部マニホールドのために失われる領域がないため、活性エリアも増加する。これは、局所電流密度、ひいては変換率が最も高くなる燃料入口で特に価値がある。また、外部燃料入口マニホールドを使用すると、燃料入口ガスで構成されるため、スタック周辺の温度の制御が容易になる。したがって、環境と燃料入口温度は、燃料の入口温度だけで制御される。
【0039】
外部燃料入口マニホールドが使用されている場合、スタック周辺の環境に燃料が存在することになる。このため、周囲への生成物のいかなる漏れであっても燃料入口中で終わり、スタックを通過して最終的に生成物出口マニホールド内から出ることができることを保証する。漏れが反対方向にある場合、生成物中の汚染物質は燃料となり、これはすべての燃料が１回の通過で変換されるわけではないため、すでに存在している。スタックの周囲から空気が生成物に混入することはないため、生成物の精製は燃料の除去のみを考慮すればよい。本発明の燃料流の設計は、いずれの漏れのシナリオにおいても、高純度の生成物を保証する。
【0040】
外部燃料入口マニホールドと内向きの燃料流の設計を組み合わせることで、個々の燃料入口マニホールドを必要とせず、同じ燃料入口チャンバ内に多数のスタックを備えたシステムを構築することも可能になる。また、共通の燃料入口チャンバ内の圧力を制御するだけで、すべてのスタックへの燃料入口流を制御することが可能であり、高価なマスフローコントローラが不要となる（単一の安価な圧力センサ１台で代用）。
【0041】
本発明の実施形態では、セルは円形である。これは、（その時の）半径方向内向きの燃料流と組み合わされ、セル全体にわたって入口から出口までの燃料の流路をほぼ均等に確保する。均一な流路は、セル上の流路分布（インターコネクトの流路）を容易にし、設計を容易にする。円形または近似円形設計（五角形、六角形、七角形．．．）では、均一な流量分布が得られやすく、セルの負荷も均一になる。
【0042】
当該技術分野で一般的に知られている解決法では、選択されたセル形状とマニホールドに関係なく、燃料流は通常セルの一端から他端へと流れる。これは、入口領域が出口領域と等しいかほぼ等しいことを意味し、燃料流は入口から出口までより小さい領域で圧縮／集中されることはない。このように、入口領域が大きく、かつ、高燃料流であり、出口領域が小さい本発明の特徴は、一般には知られておらず、最大電流密度を下げる効果も利用されていない。
【0043】
本発明によれば、燃料入口から燃料出口までのセル領域を変化させ、内向きの燃料流と共に（セルの燃料入口活性領域）／（セルの全活性領域）を最大にすることで、最大電流密度を下げ、同じ製造速度（同じｉａｖｇ）でも劣化を抑えることができる。
【0044】
さらに、外部入口マニホールドを使用することで、活性領域の損失を最小化し、セルとスタック間の燃料偏在を最小化し、燃料入口温度による環境温度の制御を可能にする。（しかし、本発明による限り、燃料入口に内部マニホールドを使用する場合にも、本発明の利点が存在することを理解されたい）。
【0045】
内部燃料（生成物）出口マニホールドの使用は、１つの簡便な生成物マニホールドを有し、高純度の生成物を保証し、セルの「低価値」部分で切断するという利点を有する。
【0046】
円形または円形に近い形状で記載されているセルの形状には、シンプルで均一な流路を持つという利点もある。また、内向きの燃料流の設計は、所定のセルサイズ（燃料流の長さはセルの長さの約半分）に対して最短の流路を提供する。このことは、スタック（セルとインターコネクト）内の層間の接触損失に関して、いくつかの堅牢性の利点をもたらす。これは、スタックを製造する際に、中心出口マニホールドとセル周辺部のシール領域が圧縮され、強固なブロックになるためである。インターコネクトとセル間の接触損失は、シール領域間の領域で発生する可能性があり、距離が短いほど、熱機械的な力（例えばＴＥＣの差）による接触損失のリスクが低くなる。
【0047】
異なる理想化された燃料流コンセプトのマルチフィジックス・シミュレーションにより、半径方向の内向きの流れの形状と標準的な解決策（２次／長方形セル形状と直線的な燃料流）を比較した場合、関連する動作点で最大電流密度が５％以上減少することが示された。
【0048】
シミュレーションはまた、半径方向の燃料流形状を「外向きの半径方向フロー」に反転させると、最大電流密度が増加するという逆の効果があることを示している。
【0049】
請求項１に係る発明は、複数の積層されたセルユニットを含む固体酸化物電解セルスタックである。各セルユニットはセル層を含み、各セル層は活性セル領域を含む。活性セル領域は、動作中に電気化学的電解プロセスに関与するセル領域の部分であり、すなわち、シーリングなどのために電気化学的電解プロセスに関与しない部分ではない。当該技術分野において公知であり記載されているように、セル層は電解質、カソードおよびアノード層を含むと理解される。各セルユニットはまた、インターコネクトを含むインターコネクト層を含む。インターコネクトはセル層を電気的に接続し、インターコネクトの両側にプロセスガス、燃料ガスおよび酸素ガスのための流れ場を提供する。１つのインターコネクト層は、セルスタック内で１つのセル層を隣接するセル層から分離する。各インターコネクト層は、燃料流路、および、少なくとも１つの燃料入口と燃料入口活性セル領域を有する燃料側を有する。燃料入口活性セル領域は、燃料入口に隣接するインターコネクト燃料側の一部である。インターコネクト燃料入口活性セル領域はインターコネクトの一部であるが、層がスタックに組み立てられると活性セル領域に面するため、このような用語が使用されることを理解されたい。各インターコネクト層の燃料側はさらに、少なくとも１つの燃料出口と燃料出口活性セル領域を有する。ここでも、燃料出口活性セル領域はインターコネクトの一部であるが、層がスタックに組み立てられると、活性セル領域に面することを理解されたい。
【0050】
燃料入口／出口活性セル領域は、図面に示す実施形態の以下の説明からも明らかなように、活性セル領域の１０ｍｍの深さに燃料入口／出口の幅を乗じたものとして定義される。さらに、当該技術分野で知られているように、各インターコネクト層は、酸素ガス流路を含む酸素側を有する。請求項１によれば、前記燃料入口活性セル領域は、燃料出口活性セル領域よりも少なくとも５０％大きい。上記のように、燃料入口活性セル領域から燃料出口活性セル領域への燃料流路が減少することにより、各固体酸化物電解セルひいては固体酸化物電解セルスタックの同じ製造量に対して、最大電流密度ひいては劣化が低減されるという利点がある。
【0051】
本発明の一実施形態によれば、前記少なくとも１つの燃料入口は、活性セル領域の１つ以上の周縁に隣接して、すなわち、平板セルの１つ以上の外縁に隣接して配置される。一方、少なくとも一つの燃料出口は、活性セル領域の中心に隣接して配置される。したがって、燃料流入口から燃料流出口までセルユニットを通過する際の燃料流は、セルユニットの周辺部からセルユニットの中心部へ向かう流れ方向となる。さらなる実施形態においては、少なくとも１つの燃料出口は活性セル領域の中心に位置している。許容誤差を含める必要があることが理解させるべきであり、これは、セルユニットの幾何学的形状、製造許容誤差、セルユニットの設計のばらつきに依存するため、活性セル領域の正確な中心ではない可能性がある。しかし、その効果は、各セルユニット内の燃料流は、セルユニットの周辺部からセルユニットの中心部に向かう流れ方向を持つことに変わりはない。セルユニットの周辺部からセルユニットの中心部へ向かう流れ方向は、一般的な流れ方向であり、正確な流れ方向ではないことも理解されたい：リブ／接触点、入口または出口の穴、シールなどのために、流れ方向はこの説明された方向から少し逸脱する可能性があるが、一般的に、全体として、主な流れ方向は燃料入口（複数可）から燃料出口（複数可）になり、これらはそれぞれ周縁部近傍および中心部近傍に位置するため、主な／一般的な燃料流の方向は周辺部から中心部になる。
【0052】
本発明の一実施形態では、セルユニットは円形形状を有する。セルユニットの円形は、内向き燃料流の記載された利点に関連して理想的な形状である、なぜなら完璧な条件下では、燃料入口から燃料出口までの流路距離がほぼ等しい内向き燃料流が可能になるからである。これは、燃料入口が前述のような外部マニホールドを有し、円形状のセルユニットの外縁全体に沿って延び、燃料出口が内部マニホールドを有し、セルユニットの中心に位置する円形の穴である実施形態において特に該当する。
【0053】
しかし、製造上の利点、設計上の利点、より大きなシステムの構築などのために、場合によっては、セルユニットの形状を円形以外の形状、すなわち、多少なりとも円形に近い形状にすることが有利になることもあるが、しかしながら、その場合でも、流れ方向は、主にセルユニットの周辺部から中心部に向かっている。
【0054】
したがって、本発明の更なる実施形態では、セルユニットの形状は三角形である。この形状は、例えば角が丸みを帯びていてもよいように、概ね三角形であってもよいことを理解されたい。同様に、本発明の更なる実施形態は、長方形（矩形形状）、五角形、六角形、七角形または八角形を有するセルユニットを有するスタックを含む。繰り返しになるが、言及された全ての形状は、例えば言及された丸みを帯びた角や、例えば湾曲した側面のような、より小さな偏差を有する一般的な形状であってもよいことを理解されたい。また、角度は、平行四辺形、ひし形など、言及された形状の厳密に定義された角度とは異なる場合がある。また、本発明は、多角形の形状、すなわち、八角形よりも多い数の辺および角を有する形状を有する実施形態をカバーすることを理解されたい。異なる幾何学的形状には異なる利点がある：円形形状が燃料流に最適であっても、例えば六角形形状は、酸素流（インターコネクトの反対側であり、ここでは説明しない）のための利点を含みながら、円形に近く、したがって燃料流およびセルユニットの性能／低い劣化に対応する説明された利点を有する。
【0055】
本発明の一実施形態では、各セルユニットの活性セル領域は、少なくとも１つの燃料入口から少なくとも１つの燃料出口まで、燃料流の方向に減少する。前述したように、このことは、各固体酸化物電解セルひいては固体酸化物電解セルスタックの同じ製造速度に対して、最大電流密度を低下させ、したがって劣化を低減させるという利点を有する。さらなる実施形態においては、燃料流の方向において、少なくとも１つの燃料入口から少なくとも１つの燃料出口までの各セルユニットの活性セル領域の減少は、少なくとも５０％である。したがって、燃料が各セルユニットに入るとき、燃料が流れる可能性のある領域は、各セルユニットから出るときに燃料が流れる可能性のある領域の少なくとも２倍である。
【0056】
本発明のさらなる実施形態は、積層された複数のセルユニットを含む固体酸化物電解セルスタックにおいて固体酸化物電解を実施する方法である。第１の実施形態で説明したように、各セルユニットは、活性セル領域を含むセル層と、インターコネクトを含むインターコネクト層とを含む。１つのインターコネクト層は、セルスタックにおいて１つのセル層を隣接するセル層から分離する。各インターコネクト層は、少なくとも１つの燃料入口と燃料入口活性セル領域を有する燃料側、および、少なくとも１つの燃料出口と燃料出口活性セル領域を有する。各インターコネクト層は、当該技術分野でよく知られているように、酸素側（オキシ側）も有する。燃料入口活性セル領域は、燃料出口活性セル領域よりも少なくとも５０％大きく、先に説明したような利点を有する。本方法は以下のステップを含む：
【0057】
Ｈ２ＯもしくはＣＯ２、またはＨ２ＯもしくはＣＯ２の混合物を含む燃料流体を、少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域に供給する。燃料は、既に述べたように、内部または外部マニホールドを介して燃料入口に供給することができ、外部マニホールドは、既に述べたような利点を有する。更なる方法ステップは、燃料入口（複数可）および燃料入口活性セル領域から燃料出口（複数可）および燃料出口活性セル領域へ向かう前記燃料流体の流れを提供することである。この流れは、燃料入口（複数可）と燃料出口（複数可）との間の圧力差によって駆動され、インターコネクト内またはインターコネクト上に形成されたリッジおよび接触点の周囲、または例えばインターコネクトに隣接し、流れ場を形成するように適合されたネットまたは箔の周囲を流れ場として流れる。
【0058】
更なる方法ステップにおいて、電解電流が固体酸化物電解スタックを通して印加され、燃料流体の少なくとも一部／部分を電気分解還元し、固体酸化物電解セルの電解質を横切って酸素イオンを移動させ、固体酸化物電解セルの酸素側で酸素分子を生成し、これにより、燃料入口（複数可）および燃料入口活性セル領域から燃料出口（複数可）および燃料出口活性セル領域に向かって流れるにつれて、前記燃料流体の密度が減少する。したがって、燃料流体の密度が減少することで、燃料入口から燃料出口に向かってより小さい領域で大きな燃料流が発生するという問題が打ち消される、さもなければ圧力低下を「通常通り」増加させることになる。したがって、セルユニット内の燃料の「半径方向」の（外周から中心に向かって）内向きの流れを伴う設計は、均等な圧力降下と負荷を持つバランスの取れた燃料電池ユニットを提供し、したがって性能を損なうことなく劣化を最小限に抑える。
【0059】
本方法のさらなるステップでは、密度が低下した燃料流体を少なくとも１つの燃料出口から排出する。前述したように、本方法は、さらなる実施形態による固体酸化物電解セルスタックでも実施できることを理解されたい。
【0060】
発明の特徴
特徴１
複数の積層セルユニットを含む固体酸化物電解セルスタックであって、各セルユニットは、活性セル領域を含むセル層、およびインターコネクトを含むインターコネクト層を含み、
１つのインターコネクト層は、セルスタック内の隣接セル層から１つのセル層を分離し、各インターコネクト層は、少なくとも１つの燃料入口と燃料入口活性セル領域とを有する燃料側、少なくとも１つの燃料出口、燃料出口活性セル領域、および酸素側とを有し；ここで、燃料入口活性セル領域は、燃料出口活性セル領域よりも少なくとも５０％大きい、前記固体酸化物電解セルスタック。
特徴２
少なくとも１つの燃料入口が活性セル領域の１つ以上の周縁に隣接して位置し、少なくとも１つの燃料出口が活性セル領域の中心に隣接して位置し、これにより、各セルユニット内の燃料流が、セルユニットの周辺部からセルユニットの中心に向かう流れ方向を有する、特徴１に記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴３
少なくとも１つの燃料入口が活性セル領域の１つ以上の周縁に隣接して位置し、少なくとも１つの燃料出口が活性セル領域の中心に位置し、これにより、各セルユニット内の燃料流が、セルユニットの周辺部からセルユニットの中心に向かう流れ方向を有する、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴１
複数の積層セルユニットを含む固体酸化物電解セルスタックであって、各セルユニットは、活性セル領域を含むセル層、およびインターコネクトを含むインターコネクト層を含み、
１つのインターコネクト層は、セルスタック内の隣接セル層から１つのセル層を分離し、各インターコネクト層は、少なくとも１つの燃料入口と燃料入口活性セル領域とを有する燃料側、少なくとも１つの燃料出口、燃料出口活性セル領域、および酸素側とを有し；ここで、燃料入口活性セル領域は、燃料出口活性セル領域よりも少なくとも５０％大きい、前記固体酸化物電解セルスタック。
特徴２
少なくとも１つの燃料入口が活性セル領域の１つ以上の周縁に隣接して位置し、少なくとも１つの燃料出口が活性セル領域の中心に隣接して位置し、これにより、各セルユニット内の燃料流が、セルユニットの周辺部からセルユニットの中心に向かう流れ方向を有する、特徴１に記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴３
少なくとも１つの燃料入口が活性セル領域の１つ以上の周縁に隣接して位置し、少なくとも１つの燃料出口が活性セル領域の中心に位置し、これにより、各セルユニット内の燃料流が、セルユニットの周辺部からセルユニットの中心に向かう流れ方向を有する、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【0061】
特徴４
セルユニットが円形である、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴５
前記セルユニットが三角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴６
前記セルユニットが長方形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴７
前記セルユニットが五角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴８
前記セルユニットが六角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴９
前記セルユニットが七角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴１０
前記セルユニットが八角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴１１
前記セルユニットがより多角の多角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
セルユニットが円形である、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴５
前記セルユニットが三角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴６
前記セルユニットが長方形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴７
前記セルユニットが五角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴８
前記セルユニットが六角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴９
前記セルユニットが七角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴１０
前記セルユニットが八角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴１１
前記セルユニットがより多角の多角形である、特徴１～３のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【0062】
特徴１２
各セルユニットの活性セル領域が、燃料流の方向において、少なくとも１つの燃料入口から少なくとも１つの燃料出口に向かって減少している、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴１３
各セルユニットの活性セル領域が、少なくとも１つの燃料入口から少なくとも１つの燃料出口まで、燃料流の方向に少なくとも５０％減少する、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴１４
少なくとも１つの燃料入口のための外部マニホールドと、少なくとも１つの燃料出口のための内部マニホールドとを含む、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
各セルユニットの活性セル領域が、燃料流の方向において、少なくとも１つの燃料入口から少なくとも１つの燃料出口に向かって減少している、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴１３
各セルユニットの活性セル領域が、少なくとも１つの燃料入口から少なくとも１つの燃料出口まで、燃料流の方向に少なくとも５０％減少する、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
特徴１４
少なくとも１つの燃料入口のための外部マニホールドと、少なくとも１つの燃料出口のための内部マニホールドとを含む、前記特徴のいずれかに記載の固体酸化物電解セルスタック。
【0063】
特徴１５
複数の積層セルユニットを含む固体酸化物電解セルスタックにおいて固体酸化物電解を行う方法であって、各セルユニットは、活性セル領域を含むセル層、およびインターコネクトを含むインターコネクト層を含み、
１つのインターコネクト層は、セルスタック内の隣接セル層から１つのセル層を分離し、各インターコネクト層は、少なくとも１つの燃料入口と燃料入口活性セル領域とを有する燃料側、少なくとも１つの燃料出口、燃料出口活性セル領域、および酸素側とを有し；ここで、燃料入口活性セル領域は、燃料出口活性セル領域よりも少なくとも５０％大きく、
前記方法は、以下のステップを含む。
・Ｈ２ＯもしくはＣＯ２、またはＨ２ＯもしくはＣＯ２の混合物を含む燃料流体を、前記少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域に供給するステップ、
・前記少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域から前記少なくとも１つの燃料出口および燃料出口活性セル領域に向かって前記燃料流体の流れを提供するステップ、
・前記固体酸化物電解スタックを通して電解電流を印加して、前記燃料流体の少なくとも一部を電解還元し、前記固体酸化物電解セルの電解質を横切って酸素イオンを移動させ、前記固体酸化物電解セルの酸素側で酸素分子を生成するステップ、
・それによって、前記少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域から前記少なくとも１つの燃料出口および燃料出口活性セル領域に向かって流れるにつれて、前記燃料流体の密度が減少するステップ、
・前記少なくとも１つの燃料出口を通して、今や密度が減少した前記燃料流体を排出するステップ。
複数の積層セルユニットを含む固体酸化物電解セルスタックにおいて固体酸化物電解を行う方法であって、各セルユニットは、活性セル領域を含むセル層、およびインターコネクトを含むインターコネクト層を含み、
１つのインターコネクト層は、セルスタック内の隣接セル層から１つのセル層を分離し、各インターコネクト層は、少なくとも１つの燃料入口と燃料入口活性セル領域とを有する燃料側、少なくとも１つの燃料出口、燃料出口活性セル領域、および酸素側とを有し；ここで、燃料入口活性セル領域は、燃料出口活性セル領域よりも少なくとも５０％大きく、
前記方法は、以下のステップを含む。
・Ｈ２ＯもしくはＣＯ２、またはＨ２ＯもしくはＣＯ２の混合物を含む燃料流体を、前記少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域に供給するステップ、
・前記少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域から前記少なくとも１つの燃料出口および燃料出口活性セル領域に向かって前記燃料流体の流れを提供するステップ、
・前記固体酸化物電解スタックを通して電解電流を印加して、前記燃料流体の少なくとも一部を電解還元し、前記固体酸化物電解セルの電解質を横切って酸素イオンを移動させ、前記固体酸化物電解セルの酸素側で酸素分子を生成するステップ、
・それによって、前記少なくとも１つの燃料入口および燃料入口活性セル領域から前記少なくとも１つの燃料出口および燃料出口活性セル領域に向かって流れるにつれて、前記燃料流体の密度が減少するステップ、
・前記少なくとも１つの燃料出口を通して、今や密度が減少した前記燃料流体を排出するステップ。
【図面の簡単な説明】
【0064】
図面の簡単な説明
本発明は、本発明の実施形態の例を示す添付図面によってさらに説明される。特許請求の範囲による本発明は、具体例を用いて本発明を説明する目的に役立つ図面に示された実施形態以外の他の多くの実施形態をカバーすることを理解されたい。
本発明は、本発明の実施形態の例を示す添付図面によってさらに説明される。特許請求の範囲による本発明は、具体例を用いて本発明を説明する目的に役立つ図面に示された実施形態以外の他の多くの実施形態をカバーすることを理解されたい。
【0065】
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物電解セルスタックのインターコネクト層の燃料側面図を示す。
【0066】
図２は、本発明の別の実施形態による固体酸化物電解セルスタックのインターコネクト層の燃料側面図を示す。
【0067】
位置番号
０１．インターコネクト層
０２．インターコネクト層の燃料側
０３．燃料入口
０４．燃料入口活性セル領域
０５．燃料出口
０６．燃料出口活性セル領域
０７．活性セル周縁
０８．活性セル領域の中央
０９．燃料流の方向
０１．インターコネクト層
０２．インターコネクト層の燃料側
０３．燃料入口
０４．燃料入口活性セル領域
０５．燃料出口
０６．燃料出口活性セル領域
０７．活性セル周縁
０８．活性セル領域の中央
０９．燃料流の方向
【0068】
詳細な説明
図１は、本発明の実施形態による固体酸化物電解セルスタックのインターコネクト層０１を示す。ここに示されるように、本実施形態のインターコネクト層は円形であり、これは本発明のセルユニット層（図示せず）についても同様であり、層は、異なる層の少なくとも同じ外側のスタック寸法に近いＳＯＥＣスタックを形成するように積層されるからである（スタック層の外側の寸法に若干の違いが生じる場合がある）。図１は、インターコネクト層０２の燃料側を示している。図示された燃料側は、積層されると、当該技術分野で知られているように、インターコネクト層（図示せず）の接触点で隣接するセル層に面し、接触し、インターコネクト層、セル層、および燃料が流入するための接触点の間に電気的接触および燃料流体流路を形成することを理解されたい。この実施形態においては、燃料流入口０３は、円の全周縁部、活性セル領域０７の全周縁部である。前述でも説明したように、インターコネクト層自体は化学的活性領域ではないが、スタックが組み立てられたとき、インターコネクト層は隣接するセルユニットの活性セル領域に面するので、インターコネクト層の異なる部分を説明するために、ここでは活性セル領域に面するインターコネクト層の部分も、やはりインターコネクト層の一部ではあるが、活性セル領域と命名する。したがって、燃料入口から、インターコネクト層の燃料入口活性セル領域０４は、前述したように、インターコネクト層に沿って半径方向内側に特定の距離延び、図１に示されるように、周縁から半径方向内側に１０ｍｍと定義される。その後、燃料は、インターコネクト層の中心でもある活性セル領域０８の中心に位置する燃料出口０５に向かって、半径方向の燃料流れ方向０９にさらに流れる。燃料出口から出る前に、燃料は、燃料出口端からインターコネクト層の燃料出口端まで１０ｍｍの距離に広がる燃料出口活性セル領域０６を通過する。したがって、図１に示されるように、燃料は、比較的大きな燃料入口活性セル領域から、連続的により小さな活性セル領域を通って流れ、比較的小さな燃料出口活性セル領域を通過して出るため、それによって、前述のように活性セル領域を通過する際に燃料密度が低下するため、燃料流が圧縮される。
図１は、本発明の実施形態による固体酸化物電解セルスタックのインターコネクト層０１を示す。ここに示されるように、本実施形態のインターコネクト層は円形であり、これは本発明のセルユニット層（図示せず）についても同様であり、層は、異なる層の少なくとも同じ外側のスタック寸法に近いＳＯＥＣスタックを形成するように積層されるからである（スタック層の外側の寸法に若干の違いが生じる場合がある）。図１は、インターコネクト層０２の燃料側を示している。図示された燃料側は、積層されると、当該技術分野で知られているように、インターコネクト層（図示せず）の接触点で隣接するセル層に面し、接触し、インターコネクト層、セル層、および燃料が流入するための接触点の間に電気的接触および燃料流体流路を形成することを理解されたい。この実施形態においては、燃料流入口０３は、円の全周縁部、活性セル領域０７の全周縁部である。前述でも説明したように、インターコネクト層自体は化学的活性領域ではないが、スタックが組み立てられたとき、インターコネクト層は隣接するセルユニットの活性セル領域に面するので、インターコネクト層の異なる部分を説明するために、ここでは活性セル領域に面するインターコネクト層の部分も、やはりインターコネクト層の一部ではあるが、活性セル領域と命名する。したがって、燃料入口から、インターコネクト層の燃料入口活性セル領域０４は、前述したように、インターコネクト層に沿って半径方向内側に特定の距離延び、図１に示されるように、周縁から半径方向内側に１０ｍｍと定義される。その後、燃料は、インターコネクト層の中心でもある活性セル領域０８の中心に位置する燃料出口０５に向かって、半径方向の燃料流れ方向０９にさらに流れる。燃料出口から出る前に、燃料は、燃料出口端からインターコネクト層の燃料出口端まで１０ｍｍの距離に広がる燃料出口活性セル領域０６を通過する。したがって、図１に示されるように、燃料は、比較的大きな燃料入口活性セル領域から、連続的により小さな活性セル領域を通って流れ、比較的小さな燃料出口活性セル領域を通過して出るため、それによって、前述のように活性セル領域を通過する際に燃料密度が低下するため、燃料流が圧縮される。
【0069】
図２には、本発明の異なる実施形態が示されており、インターコネクト層（したがってセル層も）が二次形状を有している。しかし、燃料入口は、図１に示した実施形態と同様に、活性セル領域の全周縁に沿っているため、燃料流の方向は半径方向（放射状）ではないが、インターコネクト層の全周縁から、中央に位置する燃料出口に向かって内側に向かう。したがって、図２のすべての燃料流路が全く同じ長さでなくても、この実施形態においても、燃料が入口から出口に流れるにつれて、燃料が通過する活性セル領域は減少し、上記で説明したのと同じ効果と利点が適用される。
【実施例】
【0070】
例
以下は、固体酸化物電解セルにおいて、外縁ゾーン全体に燃料を供給する外部マニホールドを有する電解セルの外縁から、中央に位置する燃料出口に向かって、内向きの燃料流を有することの効果の例であり、特許請求の範囲に係る本発明の場合のように、燃料入口活性セル領域が燃料出口活性セル領域よりもかなり大きい場合である。この例においては、Ｈ２とＣＯ２の両方の流路形状を比較している。燃料が通過する領域が流路に沿って一定である正方形および長方形のセル設計の「通常の」燃料流路と、燃料が通過する領域が燃料入口から燃料出口に向かって減少している本発明による燃料流路とが比較される。Ｈ２の場合とＣＯ２の場合の両方でわかるように、最大電流密度、ひいてはセルの劣化は、公知技術の設計と比較して、本発明による設計の方が低い。
以下は、固体酸化物電解セルにおいて、外縁ゾーン全体に燃料を供給する外部マニホールドを有する電解セルの外縁から、中央に位置する燃料出口に向かって、内向きの燃料流を有することの効果の例であり、特許請求の範囲に係る本発明の場合のように、燃料入口活性セル領域が燃料出口活性セル領域よりもかなり大きい場合である。この例においては、Ｈ２とＣＯ２の両方の流路形状を比較している。燃料が通過する領域が流路に沿って一定である正方形および長方形のセル設計の「通常の」燃料流路と、燃料が通過する領域が燃料入口から燃料出口に向かって減少している本発明による燃料流路とが比較される。Ｈ２の場合とＣＯ２の場合の両方でわかるように、最大電流密度、ひいてはセルの劣化は、公知技術の設計と比較して、本発明による設計の方が低い。
【0071】
形状、流れ、さらに負荷
燃料流構成－ＣＯＭＳＯＬ ２Ｄモデル
スタックのシンプル２Ｄ ＣＯＭＳＯＬモデル
・同じ活性セル領域
・理想化された流れ
・同じ動作点
１．正方形セル
２．長方形セル
３．円形セル
１．中央の穴に向かって内側への流
２．「反転」＝中心孔から外側への流れ
（図１ａ、２ａ、３ａ、４ａ参照）
燃料流構成－ＣＯＭＳＯＬ ２Ｄモデル
スタックのシンプル２Ｄ ＣＯＭＳＯＬモデル
・同じ活性セル領域
・理想化された流れ
・同じ動作点
１．正方形セル
２．長方形セル
３．円形セル
１．中央の穴に向かって内側への流
２．「反転」＝中心孔から外側への流れ
（図１ａ、２ａ、３ａ、４ａ参照）
【0072】
形状、流れ、さらに負荷
ＣＯＭＳＯＬシミュレーション－Ｈ２ケース
・正方形と長方形の電流密度プロファイルは非常によく似ている。
・内向流の円形設計では、中心（出口）に向かって領域が減少するため、電流密度プロファイルが異なる。
・最大電流密度は正方形セルで最大となる
・長方形設計の方が１．５％低い
・内向流形状の円形設計では、最大電流密度が３．５％低い（図１ｂ、２ｂ、３ｂおよび図１ｃ、２ｃ、３ｃ参照）。
ＣＯＭＳＯＬシミュレーション－Ｈ２ケース
・正方形と長方形の電流密度プロファイルは非常によく似ている。
・内向流の円形設計では、中心（出口）に向かって領域が減少するため、電流密度プロファイルが異なる。
・最大電流密度は正方形セルで最大となる
・長方形設計の方が１．５％低い
・内向流形状の円形設計では、最大電流密度が３．５％低い（図１ｂ、２ｂ、３ｂおよび図１ｃ、２ｃ、３ｃ参照）。
【0073】
形状、流れ、さらに負荷
ＣＯＭＳＯＬシミュレーション－ＣＯケース
・電流密度プロファイルはＨ２ケースと同じ傾向にある。
・「反転した」円形設計（注入口が中央）の電流密度が最も高い。
・円形設計で流れを反転させると、逆効果＝最大電流密度が高くなる。
・内向きの流れを持つ円形設計は、正方形設計と比較して最大電流密度が６．５％低い（図１ｄ、２ｄ、３ｄおよび１ｅ、２ｅ、３ｅ参照）。
ＣＯＭＳＯＬシミュレーション－ＣＯケース
・電流密度プロファイルはＨ２ケースと同じ傾向にある。
・「反転した」円形設計（注入口が中央）の電流密度が最も高い。
・円形設計で流れを反転させると、逆効果＝最大電流密度が高くなる。
・内向きの流れを持つ円形設計は、正方形設計と比較して最大電流密度が６．５％低い（図１ｄ、２ｄ、３ｄおよび１ｅ、２ｅ、３ｅ参照）。
【図1】
【図1a】
【図1b】
【図1c】
【図1d】
【図1e】
【図2】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図2d】
【図2e】
【図3a】
【図3b】
【図3c】
【図3d】
【図3e】
【図4a】
【国際調査報告】