特表 2024-543126 ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型固体酸化物形セルの複数のスタックを高温で調整するためのシステム

(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】2024-11-19

(54)【発明の名称】ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型固体酸化物形セルの複数のスタックを高温で調整するためのシステム

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20241112BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20241112BHJP

   H01M 8/247 20160101ALI20241112BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20241112BHJP

   H01M 8/2432 20160101ALI20241112BHJP

   C25B 3/26 20210101ALN20241112BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B1/042

H01M8/247

H01M8/249

H01M8/2432

C25B3/26

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024530542

(86)(22)【出願日】2022-11-21

(85)【翻訳文提出日】2024-07-19

(86)【国際出願番号】 FR2022052137

(87)【国際公開番号】W WO2023094756

(87)【国際公開日】2023-06-01

(31)【優先権主張番号】2112366

(32)【優先日】2021-11-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】502124444

【氏名又は名称】コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ステファーヌ・ディ・イオリオ

(72)【発明者】

【氏名】オリヴィエ・ジリア

(72)【発明者】

【氏名】ティボー・モネ

(72)【発明者】

【氏名】カール・ヴーリエ

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021AC02

4K021AC04

4K021BA02

4K021BA17

4K021BC09

4K021CA02

4K021DB47

4K021DB50

4K021DC03

4K021EA06

5H126AA25

5H126BB06

5H126FF08

5H126FF10

5H126JJ03

5H126JJ09

(57)【要約】

本発明の主な目的は、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルの複数のスタック（２０）を調整するためのシステム（１００）であって、内部容積（Ｖｉ）を区切る熱筐体（１０２）と、熱筐体（１０２）の両側に配置されたフレーム（１０４）と、フレーム（１０４）に対して可動式にフレーム（１０４）に取り付けられた第１の横材装置（１０８）と、スタック（２０）に接触してスタック（２０）をクランプすることが可能になるように意図された複数のクランプロッド（１１０）と、クランプロッド（１１０）におよび第１の横材装置（１０８）に固定された複数の弾性復帰部材（１１２）であって、各クランプロッド（１１０）が、クランプロッド（１１０）の重量の影響下で圧縮され得る弾性復帰部材（１１２）によって支持されるようになっている、複数の弾性復帰部材（１１２）と、を含むことを特徴とする、システム（１００）である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルの複数のスタックを調整するためのシステム（１００）であって、各スタック（２０）は、陰極、陽極、および前記陰極と前記陽極との間に介在する電解質でそれぞれ形成された複数の電気化学セル（４１）と、２つの隣接する電気化学セル（４１）の間にそれぞれ配置された複数の中間インターコネクタ（４２）と、を含み、前記システム（１００）が、
内部容積（Ｖｉ）を区切る熱筐体（１０２）と、
前記内部容積（Ｖｉ）に配置された複数のスタック（２０）と、
前記熱筐体（１０２）の両側に配置されたフレーム（１０４）と、
前記熱筐体（１０２）に重ねられ、前記フレーム（１０４）に対して可動式に前記フレーム（１０４）に取り付けられた第１の横材装置（１０８）と、
複数のクランプロッド（１１０）であって、各スタック（２０）が１つまたは複数のクランプロッド（１１０）と関連付けられ、前記クランプロッド（１１０）は前記第１の横材装置（１０８）を通して取り付けられ、前記スタック（２０）に接触して前記スタック（２０）をクランプすることが可能になるように意図されている、複数のクランプロッド（１１０）と、
複数の弾性復帰部材（１１２）であって、各スタック（２０）が１つまたは複数の弾性復帰部材（１１２）と関連付けられ、各弾性復帰部材（１１２）はクランプロッド（１１０）の周りに取り付けられ、第１の端部（１１２ａ）によって、固定要素（１１６）によって前記クランプロッド（１１０）に固定され、かつ、第２の端部（１１２ｂ）によって、ガイドおよび保持要素（１１８）によって前記第１の横材装置（１０８）に固定され、前記クランプロッド（１１０）が、前記クランプロッド（１１０）の重量の影響下で圧縮され得る前記弾性復帰部材（１１２）によって支持されるようになっている、複数の弾性復帰部材（１１２）と、
を含み、
各スタック（２０）が、１と１０との間に含まれる数の弾性復帰部材（１１２）と関連付けられていることを特徴とする、システム（１００）。

【請求項2】

前記スタック（２０）の数は２と１００との間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記熱筐体（１０２）の前記内部容積（Ｖｉ）に配置され、前記複数のスタック（２０）が配置されているベース（１０６）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

各スタック（２０）は単一の固有の弾性復帰部材（１１２）および単一の固有のクランプロッド（１１０）と関連付けられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項5】

各弾性復帰部材（１１２）の剛性は、０．１Ｎ／ｍｍと１０００Ｎ／ｍｍとの間、特に１Ｎ／ｍｍと２０Ｎ／ｍｍとの間に含まれることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項6】

各弾性復帰部材（１１２）の長さは、０．１ｍと１０ｍとの間、特に１ｍと２ｍとの間に含まれることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項7】

前記システムは、前記スタック（２０）のための少なくとも１つの支持体（１２４）、特にスタック（２０）ごとに１つの支持体（１２４）を含み、前記支持体（１２４）は、前記フレーム（１０４）に固定され、特に前記複数のスタック（２０）が配置されているベース（１０６）を通して形成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の調整システム（１００）によって高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルの複数のスタック（２０）をクランプするための方法であって、前記第１の横材装置（１０８）を前記フレーム（１０４）に対して前記複数のスタック（２０）の方向に移動させることからなるステップを含むことを特徴とする、方法。

【請求項9】

不活性ガスの下で実施されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高温電解（ＨＴＥ）、特に高温水蒸気電解（ＨＴＳＥ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）の電解、あるいは高温での水蒸気と二酸化炭素（ＣＯ_２）との共電解の全般分野に関する。

【0002】

より具体的には、本発明は、通常ＳＯＥＣ（「固体酸化物形電解セル」の略）という頭字語で表される、高温固体酸化物形電解装置の分野に関する。

【0003】

これはまた、通常ＳＯＦＣという頭字語で呼ばれる、高温固体酸化物形燃料電池の分野に関する。

【0004】

したがって、より全般的には、本発明は、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルのスタックの分野に関する。

【0005】

より具体的には、本発明は、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルの複数のスタックを調整し、スタックの同時調整を可能にするためのシステムに関する。

【背景技術】

【0006】

ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物形電解装置の文脈において、これは、同じ電気化学装置内で、電流を通じて、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を二水素（Ｈ_２）もしくはメタン（ＣＨ_４）、天然ガス、バイオガス、および二酸素（Ｏ_２）のような他の燃料に変換すること、および／または二酸化炭素（ＣＯ_２）を一酸化炭素（ＣＯ）と二酸素（Ｏ_２）に変換することを伴う。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物形燃料電池の文脈において、動作が逆になり、二水素（Ｈ_２）および二酸素（Ｏ_２）を、通常は空気および天然ガス、すなわちメタン（ＣＨ_４）を供給することによって電流および熱を生成する。簡素化のため、次の説明では、水蒸気の電解を実行するＳＯＥＣ型の高温固体酸化物形電解装置の動作を優先する。しかしながら、この動作は、二酸化炭素（ＣＯ_２）の電解、または水蒸気（ＨＴＥ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）との高温共電解にも適用可能である。さらに、この動作はＳＯＦＣ型の高温固体酸化物形燃料電池の場合に置き換えることができる。

【0007】

水の電解を実行するには、通常６００℃と１０００℃との間の高温でこれを実行することが有利であるが、これは、液体の水より水蒸気を電解する方が有利であるため、かつ、反応に必要なエネルギーの一部を、電気より安い熱によって提供することができるためである。

【0008】

高温水蒸気電解（ＨＴＳＥ）を実施するため、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物形電解装置は、互いに重ね合わされた３つの陽極／電解質／陰極層で構成される固体酸化物形電解セル、または電気化学セル、およびバイポーラプレートまたはインターコネクタとも呼ばれる、金属合金で作製された相互接続プレートをそれぞれ含む基本ユニットのスタックで構成されている。各電気化学セルは２つの相互接続プレート間にクランプされている。ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物形電解装置はこのとき電気化学セルとインターコネクタとの交互スタックである。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物形燃料電池は同じ型の基本ユニットのスタックで構成されている。この高温技術は可逆的であり、同じスタックが電解モードで動作して水と電気から水素と酸素を生成すること、または燃料電池モードで水素と酸素から電気を生成することができる。

【0009】

各電気化学セルは電解質／電極アセンブリに対応し、これは通常、中央のイオン伝導層によってその電解質が形成されている多層セラミックアセンブリであり、この層は、中実、密であり、封止され、電極を形成している２つの多孔質層間にクランプされている。追加の層が存在してもよいが、これらは、既に説明した層の１つまたは複数を改善する役割を果たすのみであることが留意されるべきである。

【0010】

電気的かつ流体的である相互接続装置は、電気的な観点から、基本ユニットのスタックにおける基本ユニットの各電気化学セルの接続を保証し、セルの一面と陰極との間および次のセルの他方の面と陽極との間の電気接触を、ならびに、流体的な観点から、セルのそれぞれについての試薬の供給および生成物の排出を保証する電子導体である。インターコネクタはしたがって、電流を供給および収集する機能を提供し、分配および／または収集のため、ガス循環室を区切る。

【0011】

より具体的には、インターコネクタの主な機能は、電流の通過だけでなく、各セル付近のガス（すなわち、注入蒸気、ＨＴＥ電解のために抽出された水素および酸素、ＳＯＦＣのための注入水素および抽出蒸気を含む空気および燃料）の循環も保証すること、ならびに、それぞれセルの陽極および陰極の側にあるガス循環室である、２つの隣接するセルの陽極および陰極室を分離することである。

【0012】

特に、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物形電解装置では、陰極室は、電気化学反応の生成物である、水蒸気および水素を含む一方、陽極室は、存在すれば、排出ガス、および、電気化学反応の別の生成物である、酸素を含む。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物形燃料電池では、陽極室は燃料を含む一方、陰極室は酸化剤を含む。

【0013】

高温水蒸気電解（ＨＴＥ）を実行するため、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が陰極室に注入される。セルに印加される電流の影響下で、水蒸気の形の水分子の解離が水素電極（陰極）と電解質との間の界面で実行され、この解離により二水素ガス（Ｈ_２）と酸素イオン（Ｏ^２－）が生成される。二水素（Ｈ_２）は収集され、水素室の出口で排出される。酸素イオン（Ｏ^２－）は電解質を通って移動し、電解質と酸素電極（陽極）との間の界面で二酸素（Ｏ_２）に再結合する。空気のような排出ガスが陽極で循環するため、ガスの形で生成された酸素を陽極で収集することができる。

【0014】

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の動作を保証するため、空気（酸素）が燃料電池の陰極室に、および、水素が陽極室に注入される。空気中の酸素はＯ^２－イオンに解離することになる。これらのイオンは電解質中を陰極から陽極に移動して水素を酸化し、水を形成すると同時に電気を生成することになる。ＳＯＦＣにおいて、ＳＯＥＣ電解とちょうど同じように、水蒸気は二水素（Ｈ_２）室に見られる。極性が反転するのみである。

【0015】

例示として、図１は、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物形電解装置の動作原理を示す概略図を示す。このような電解装置の機能は、次の電気化学反応にしたがって水蒸気を水素と酸素とに変換することである。
２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２ ＋ Ｏ_２．

【0016】

この反応は電解装置のセルにおいて電気化学的に実行される。図１に概略的に示すように、各基本電解セル１は、固体電解質３の両側に配置された、陰極２および陽極４で形成されている。２つの電極（陰極および陽極）２および４は、多孔質材料で作製された、電子および／またはイオン伝導体であり、電解質３、は気密性の、電子絶縁体およびイオン伝導体である。電解質３は特にアニオン伝導体、より正確にはＯ^２－イオンのアニオン伝導体とすることができ、電解装置はこのとき、プロトン電解質（Ｈ^＋）とは対照的に、アニオン電解装置と呼ばれる。

【0017】

電気化学反応は電子伝導体のそれぞれとイオン伝導体との間の界面で起こる。

【0018】

陰極２で、半反応は次のとおりである。
２Ｈ_２Ｏ ＋ ４ｅ^－→２Ｈ_２ ＋ ２Ｏ^２－．

【0019】

陽極４で、半反応は次のとおりである。
２Ｏ^２－→Ｏ_２ ＋ ４ｅ^－．

【0020】

２つの電極２および４の間に介在する電解質３は、陽極４と陰極２との間に課せられる電位差によって作り出される電場の影響下でＯ^２－イオンが移動する場所である。

【0021】

図１における括弧内に示すように、陰極入口での水蒸気には水素Ｈ_２が伴うことができ、出口で生成および回収される水素には水蒸気が伴うことができる。同様に、点線で示すように、空気のような排出ガスを陽極側入口で注入して、生成された酸素を排出することもできる。排出ガスの注入には、熱調節器として作用する追加の機能がある。

【0022】

基本電解装置、または電解反応器は、陰極２、電解質３、および陽極４を備えた、上述のような基本セル、ならびに電気および流体分配の機能を提供する２つのインターコネクタからなる。

【0023】

生成される水素と酸素との流量を増加させるため、いくつかの基本電解セルを、インターコネクタによって分離して、互いに積み重ねることが知られている。このアセンブリは、電解装置（電解反応器）への電源供給およびガス供給をサポートする２つの端部相互接続プレート間に配置される。

【0024】

ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物形電解装置はしたがって、互いに積み重ねられた少なくとも１つの、通常は複数の電解セルを含み、各基本セルは、電解質、陰極および陽極で形成され、電解質は陽極と陰極との間に介在している。

【0025】

前に示したように、１つまたは複数の電極と電気的に接触する流体および電気相互接続装置は一般に、電流を供給および収集する機能を提供し、１つまたは複数のガス循環室を区切る。

【0026】

したがって、陰極室と呼ばれる区画の機能は、電流および水蒸気の分配、ならびに接触している陰極での水素の回収である。

【0027】

陽極室と呼ばれる区画には、電流を分配するとともに、おそらく排出ガスを使用して、接触している陽極で生成された酸素を回収する機能がある。

【0028】

図２は、先行技術によるＳＯＥＣ型の高温固体酸化物形電解装置の基本ユニットの分解図を示す。この電解装置は、インターコネクタ５と交互に積層された、固体酸化物形セル（ＳＯＥＣ）型の複数の基本電解セルＣ１、Ｃ２を含む。各セルＣ１、Ｃ２は、陰極２．１、２．２および陽極（セルＣ２の陽極４．２のみが示されている）からなり、これらの間に電解質が配置されている（セルＣ２の電解質３．２のみが示されている）。

【0029】

インターコネクタ５は、インターコネクタ５と隣接する陰極２．１との間、およびインターコネクタ５と隣接する陽極４．２との間の容積によってそれぞれ画定される、陰極室５０および陽極室５１間の分離を保証する金属合金部品である。これはまたセルへのガスの分配も保証する。各基本ユニットへの水蒸気の注入は陰極室５０で行われる。陰極２．１、２．２での生成された水素および残留蒸気の収集は、セルＣ１、Ｃ２による水蒸気の解離後、セルＣ１、Ｃ２の下流の陰極室５０で実行される。陽極４．２で生成された酸素の収集は、セルＣ１、Ｃ２による水蒸気の解離後、セルＣ１、Ｃ２の下流の陽極室５１で実行される。インターコネクタ５により、隣接する電極、すなわち陽極４．２と陰極２．１との間の直接接触によってセルＣ１とＣ２との間の電流の通過が保証される。

【0030】

高温固体酸化物形電解装置（ＳＯＥＣ）の動作条件は固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のそれに非常に近く、同じ技術的制約が見られる。

【0031】

したがって、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルのこのようなスタックの適切な動作には、以下に述べる点を満たすことが主に要求される。

【0032】

まず、２つの連続するインターコネクタ間の電気絶縁を有することが必要であり、そうでないと電気化学セルは短絡することになるが、セルとインターコネクタとの間に良好な電気接触および十分な接触面を有することも必要である。可能な限り低いオーム抵抗がセルとインターコネクタとの間に求められる。

【0033】

また、陽極室と陰極室との間の封止を有することが必要であり、そうでないと生成されたガスが再結合して、効率の低下、および特にスタックを損傷するホットスポットの出現につながることになる。

【0034】

最後に、入口と生成物の回収時の両方でのガスの良好な分配を有することが必須であり、そうでないと、収率の低下、異なる基本ユニット内の圧力および温度の不均一性、またはさらには電気化学セルの重大な劣化が発生することになる。

【0035】

高温で動作する高温電解スタック（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＦＣ）における流入および流出ガスは、図３を参照して説明するような装置によって管理することができる。装置１０はしたがって低温部分ＰＦおよび高温部分ＰＣを含み、高温部分ＰＣは、オーブン１１のベース、ガス入口および出口を管理するループチューブ１２、および高温電解スタック２０（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む。

【0036】

また、図４は、このようなスタック２０およびそのクランプシステム６０を含むアセンブリ８０の一例を示す。このようなアセンブリ８０は、特許文献１に記載されているようなものとすることができる。

【0037】

したがって、スタック２０は、陰極、陽極、および陰極と陽極との間に介在する電解質でそれぞれ形成される複数の電気化学セル４１と、２つの隣接する電気化学セル４１の間にそれぞれ配置された複数の中間インターコネクタ４２と、を含む。加えて、これは、それぞれ上部スタックエンドプレート４３および下部スタックエンドプレート４４とも呼ばれる、上部エンドプレート４３および下部エンドプレート４４を含み、上部エンドプレート４３と下部エンドプレート４４との間に複数の電気化学セル４１および複数の中間インターコネクタ４２がクランプされ、または上部エンドプレート４３と下部エンドプレート４４との間にスタックが配置されている。

【0038】

クランプシステム６０は上部クランププレート４５および下部クランププレート４６を含み、上部クランププレート４５と下部クランププレート４６との間にスタック２０がクランプされている。各クランププレート４５、４６は４つのクランプオリフィス５４を含み、クランプオリフィス５４を通ってクランプステム５５、またはタイロッドが延在する。クランプ手段５６、５７、５８が上記ステムの端部に設けられている。

【0039】

一般に、これまで、スタック２０は、限られた数の電気化学セル４１を有する。

【0040】

その動作前、電気化学セル４１を、その還元型にし、最初のように酸化させないために、還元熱処理ステップと呼ばれる少なくとも１つの熱処理ステップをスタック２０に施す必要がある。この還元ステップは、水素電極では還元ガス、および酸素電極では空気または中性ガスの下での熱機械サイクルとすることができる。このような熱処理ステップはたとえば特許文献２に記載されている。

【0041】

また、これまでに実施されるスタック２０は、一般に、その段階のそれぞれで、ジョイントを使用し、これらジョイントは、２つの隣接する別個のガス循環室、すなわち陽極室と陰極室との間の封止を保証せねばならない。このようなジョイントは特許文献３に記載されている。これらのジョイントは、押し込み、定着、微細構造の変化を伴う熱調整が要求されるという特殊性を有する。

【0042】

加えて、特許文献４に記載されている層またはニッケルグリッドのような接触要素も、熱調整中およびスタック２０の動作中に押し込まれ、これによりその適切な実施が保証される。水素チャンバにおいて接触要素となる要素も押し込まれる。

【0043】

換言すれば、熱調整ステップ中、スタック２０は数センチメートル押し込まれる。これまで、積み重ねられたセルの数が比較的少ないため、押し込みは正しく進行している。

【0044】

しかしながら、本出願人は、より多数の電気化学セルを備えたスタックを作製することを検討してきた。この場合、スタックをクランプするときに予想される動きが、ガイドステム上のブレーシングタイプの機械的遮断問題につながる可能性がある。これらの遮断によりクランプ力の良好な伝達およびしたがって良好な熱調整、および結果的にスタックの通常の動作が妨げられる。

【0045】

これらの欠点に対する解決策は、大きな押し込みに対処するように、補強プレートによって、いくつかのサブスタックを組み立てるスタックのコンセプトを提供することである。しかしながら、このとき各サブスタックを別個に調整する必要があるため、多数のスタックおよびサブスタックを製造せねばならない。

【0046】

しかしながら、加熱にはエネルギーが要求されるため、このようなスタックを調整することは長くてコストがかかるステップである。加えて、現在の装置では、一度に単一のスタックまたはサブスタックを調整することが可能である。

【0047】

結果的に、特にいくつかのスタックを同時に調整するため、高温電解スタック（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＦＣ）を調整する原理を改善する必要性が依然としてある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0048】

【特許文献1】仏国特許出願公開第３０４５２１５号明細書

【特許文献2】欧州特許出願公開第２８７０６５０号明細書

【特許文献3】欧州特許出願公開第３０７８０７１号明細書

【特許文献4】欧州特許出願公開第２９００８４６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0049】

本発明は、上述の必要性および先行技術の実施形態に関する欠点に少なくとも部分的に対処することを目的とする。

【0050】

これは特に、高温電解スタック（ＳＯＥＣ）または燃料電池スタック（ＳＯＦＣ）についての複数の調整設計を達成しながら、スタックの大きな押し込みストロークにもかかわらず制御されたクランプを維持することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0051】

本発明はしたがって、その態様の１つによれば、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルの複数のスタックを調整するためのシステムを有し、
各スタックは、陰極、陽極、および陰極と陽極との間に介在する電解質でそれぞれ形成された複数の電気化学セルと、２つの隣接する電気化学セルの間にそれぞれ配置された複数の中間インターコネクタと、を含み、このシステムは、
内部容積を区切る熱筐体と、
内部容積に配置された複数のスタックと、
熱筐体の両側に配置されたフレームと、
熱筐体に重ねられ、フレームに対して可動式にフレームに取り付けられた第１の横材装置と、
複数のクランプロッドであって、各スタックが１つまたは複数のクランプロッドと関連付けられ、クランプロッドは第１の横材装置を通して取り付けられ、スタックに接触してスタックをクランプすることが可能になるように意図されている、複数のクランプロッドと、
複数の弾性復帰部材であって、各スタックが１つまたは複数の弾性復帰部材と関連付けられ、各弾性復帰部材はクランプロッドの周りに取り付けられ、第１の端部によって、固定要素によってそのクランプロッドに固定され、かつ、第２の端部によって、ガイドおよび保持要素によって第１の横材装置に固定され、クランプロッドが、クランプロッドの重量の影響下で圧縮され得る弾性復帰部材によって支持されるようになっている、複数の弾性復帰部材と、
を含むことを特徴とする。

【0052】

本発明による調整システムは、個別に、または任意の可能な技術的組み合わせで採用される次の特徴の１つまたは複数をさらに含むことができる。

【0053】

スタックの数は２と１００との間に含まれ得る。好ましくは、スタックの数は４に等しく、特に、十字の形状にすることができる第１の横材装置の良好なバランスを可能にするように、２つずつ２列に配置することができる。

【0054】

加えて、本発明による調整システムは、熱筐体の内部容積に配置され、複数のスタックが配置されているベースを含むことができる。

【0055】

各スタックは、１と１０との間に含まれる数の弾性復帰部材と関連付けることができ、各スタックは特に単一の固有の弾性復帰部材および単一の固有のクランプロッドと関連付けられている。各スタックに複数のクランプロッドを有することも可能であるということに留意されたい。利点は、各杖によっておよび各弾性復帰部材によって提供される力を軽減することであろう。クランプの位置合わせがこのとき容易になる。

【0056】

好ましくは、スタックは同一平面上に配置することができる。換言すれば、スタックは互いに隣り合って配置することができ、有利には互いに重なり合わない。

【0057】

さらに、各弾性復帰部材の剛性は、０．１Ｎ／ｍｍと１０００Ｎ／ｍｍとの間、特に１Ｎ／ｍｍと２０Ｎ／ｍｍとの間に含まれ得る。

【0058】

各弾性復帰部材の長さは、０．１ｍと１０ｍとの間、特に１ｍと２ｍとの間に含まれ得る。

【0059】

電気化学セルの数は好ましくは２５以上とすることができる。しかしながら、本発明は２５未満の電気化学セルの数にも適用される。

【0060】

また、本発明による調整システムは、スタックのための少なくとも１つの支持体、特にスタックごとに１つの支持体を含み、支持体は、フレームに固定され、特に複数のスタックが配置されているベースを通して形成されることができる。

【0061】

さらに、本発明はまた、その態様の別の１つによれば、上で定義したような調整システムによって高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルの複数のスタックをクランプするための方法に関し、この方法は、第１の横材装置をフレームに対して複数のスタックの方向に移動させることからなるステップを含むことを特徴とする。

【0062】

この方法は有利には不活性ガスの下で実施することができる。

【0063】

本発明は、続く詳細な説明、その実施の非限定的な例を読むとともに、添付の図面の概略的および部分的な図を検討すると、よりよく理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【0064】

【図1】高温固体酸化物形電解装置（ＳＯＥＣ）の動作原理を示す概略図である。

【図2】先行技術によるインターコネクタを含む高温固体酸化物形電解装置（ＳＯＥＣ）の一部の分解概略図である。

【図3】高温で動作する高温電解（ＳＯＥＣ）または燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックが配置される炉のアーキテクチャの原理を示す。

【図4】スタックのためのセルフクランプシステムを備えた先行技術によるＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルのスタックの一例を、斜視図および上からの観察によって示す。

【図5】クランプなしの空の位置において、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物形セルの複数のスタックの本発明による調整システムの一例を、断面で概略的に示す。

【図6】図５の調整システムの例を、クランプなしでスタック２０に対するクランプロッドの単純な接触位置において、断面で概略的に示す。

【図7】クランプありで接触位置にある図５の調整システムの例を、断面で概略的に示す。

【図8】図７と同様の図による図５の調整システムの代替一実施形態を、断面で概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0065】

これらの図のすべてにおいて、同一の参照符号は同一または同様の要素を示すことができる。

【0066】

加えて、図をより読みやすくするため、図に示す異なる部分は必ずしも均一の縮尺上にあるわけではない。

【0067】

図１から図４は、先行技術および本発明の技術的文脈に関するセクションで先に既に説明した。図１および図２では、水蒸気Ｈ_２Ｏの供給、二水素Ｈ_２、酸素Ｏ_２、空気および電流の分配および回収のための記号および矢印を、明瞭さおよび正確さの目的のために示して、図示の装置の動作を説明していることが明示される。

【0068】

さらに、所与の電気化学セルのすべての構成要素（陽極／電解質／陰極）は好ましくはセラミックであることが留意されるべきである。高温ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型スタックの動作温度も通常は６００℃と１０００℃との間に含まれる。

【0069】

加えて、「上部」および「下部」という可能な用語はここで、その使用構成にあるときのＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型スタックの配向の法線方向にしたがって理解されるべきである。

【0070】

ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型のいくつかのスタック２０の本発明による調整システム１００の一例を、異なる図に示す同じ実施形態に関する図５から図７を参照して次に説明する。図８を参照して一変形例を説明する。

【0071】

３つのスタック２０の調整をここで考える。しかしながら、スタック２０の数は、はるかに多くすることができ、特に２と１００との間に含まれる。特に、このとき有利には十字の形をしている第１の横材装置１０８のバランスを良好にするように、４つのスタック２０を２つずつ２列に配置することができる。有利には、スタック２０は、同一平面内に互いに隣り合って配置され、したがって互いに重なり合わない。

【0072】

図５において、本発明による調整システム１００が示されているが、３つのスタック２０でクランプも接触も起こっていない。

【0073】

先行技術および本発明の技術的文脈に関する部分で前述したように、各スタック２０は、陰極、陽極、および陰極と陽極との間に介在する電解質でそれぞれ形成された複数の電気化学セル４１と、２つの隣接する電気化学セル４１の間にそれぞれ配置された複数の中間インターコネクタ４２と、を含む。

【0074】

３つのスタック２０は、調整システム１００の熱筐体１０２の内部容積Ｖｉに配置される。加えて、フレーム１０４が熱筐体１０２の両側に配置され、このフレーム１０４は機械的な力を受けることが可能である。

【0075】

このフレーム１０４に、フレーム１０４に対して移動可能な、たとえば摺動する第１の横材装置１０８が取り付けられている。この第１の横材装置１０８は、熱筐体１０２に重ねて、図５では熱筐体１０２の上方に配置されている。

【0076】

また、３つのクランプロッド１１０が、各スタック２０に１つずつ、第１の横材装置１０８を通して、たとえば第１の横材装置１０８に形成されたオリフィスによって、取り付けられている。これら３つのクランプロッド１１０により３つのスタック２０のクランプが可能になる。

【0077】

熱筐体１０２は、クランプロッド１１０より大きい開口を含む。少量の断熱ウールをこの開口に配置して、熱損失を制限するが動きを妨げないように柔軟性を保っている。

【0078】

加えて、有利には、３つのばね１１２が、各スタック２０について１つのばね１１２が使用される。各ばね１１２はその対応するクランプロッド１１０の周りに取り付けられている。ばね１１２は次いで、その第１の端部１１２ａによって、固定要素１１６によってクランプロッド１１０に固定され、かつ、その第２の端部１１２ｂによって、ガイドおよび保持要素１１８によって第１の横材装置１０８に固定されている。換言すれば、図５に見られる第１の横材装置１０８のこの上昇位置において、クランプロッド１１０はばね１１２に載っている。実際、各ばね１１２は、固定要素１１６によって対応するクランプロッド１１０に固定され、ガイドおよび保持要素１１８によりクランプロッド１１０のガイドおよび第１の横材装置１０８に対するばね１１２の保持が可能になる。したがって、クランプロッド１１０はばね１１２によって支持され、ばね１１２はクランプロッド１１０の重量のため圧縮されている。

【0079】

各ばね１１２の剛性は、０．１Ｎ／ｍｍと１０００Ｎ／ｍｍとの間、好ましくは１Ｎ／ｍｍと２０Ｎ／ｍｍとの間に含まれることが留意されるべきである。加えて、各ばね１１２の長さは０．１ｍと１０ｍとの間、好ましくは１ｍと２ｍとの間に含まれる。

【0080】

有利には、各ばね１１２の剛性／長さの組み合わせの選択は、数十ミリメートルの潰れまたは緩みが公称クランプに数パーセントの影響を与えるのみであるように行うことができる。大きな長さ、たとえば１．５ｍで、低剛性の大きなばね１１２により、たとえ力が加えられる物体のサイズが大幅に変化しても、数ｋＮの力を良好な精度で容易に加えることが可能になる。

【0081】

たとえば、２５個のセルおよび２００ｃｍ^２のスタック２０またはサブスタックを４０００Ｎにクランプせねばならない。調整中のその押し込みストロークは３５ｍｍ程度である。したがって、１．５ｍのばね１１２および６Ｎ／ｍｍの剛性で、４ｋＮのクランプを得るには８００ｍｍのばね１１２を押し込むことで十分である。スタック２０がその調整中に押し込まれると、クランプの減少は２１０Ｎ、すなわち設定値と比較して力の約５％の変動になる。

【0082】

タイロッドまたはクランプロッド１１０の膨張の問題も解決することができるが、これは、２０℃から８５０℃まで、膨張係数が１２．１０－６／℃および１５００ｍｍである金属ロッドの膨張は、１５００×８３０×１．２×１０－５ ＝ １５ｍｍの膨張を有するためである。この変動の結果、９０Ｎの過負荷が生じる。

【0083】

この図５において、調整システム１００が、その剛性を向上させるようにフレーム１０４に対して固定的に取り付けられ、クランプロッド１１０によって横断される第２の横材装置１１４を含むことも見られる。また、３つの自由ガイド要素１２０が、特にこの第２の横材装置１１４に存在する。

【0084】

自由ガイド要素１２０は、直径がクランプロッド１１０の直径に調整されている中央の円形凹部を含む金属加工品であってもよい。この凹部は、その直径がクランプロッド１１０の直径より非常にわずかに大きくなるように調整されている。加えて、ガイドは良好にガイドするためにある程度の高さを有する。

【0085】

物体の中心に力を正しく加えることが重要であるため、このような要素は重要である。ガイドにより、調整されるべきスタックの中央にクランプロッドを適切に中心に置くことが可能になる。

【0086】

さらに、３つのスタック２０は、ガス交換を可能にするため、ベース１０６、またはマニホールド１０６上に配置される。このとき、図５のこの表現においてスタック２０には負荷がかからない。

【0087】

有利には、本発明によりこのとき、すべてのばね１１２に同じ動きを与える第１の横材装置１０８のおかげで、すべてのばね１１２に共通の動きを課すことが可能になる。再び有利には、低温領域において、スタック２０ごとに単一の独立したばね１１２を使用することにより、クランプを制御することが可能になる。大きな長さで低い剛性のばねを使用することにより、クランプされるべき物体の位置が大きく変動した場合でも、実質的に一定のクランプを適用することが可能になり得る。

【0088】

第１の横材装置１０８をフレーム１０４に対して複数のスタック２０に向かって移動させることにより、所望のクランプを得ることが可能になる。この調整は不活性ガスの下で実行することができるが、他の種類のガスを使用することも可能である。

【0089】

より具体的には、各スタック２０の内側にガスを分配することができるマニホールドがあれば、このとき内部容積Ｖｉを空気下または不活性ガスの下に置くことが可能である。他方、スタック２０の内側にガスを分配することができるマニホールドがなければ、このとき内部容積Ｖｉを不活性ガスで不活性化する必要がある。

【0090】

図６において、クランプロッド１１０はスタック２０と接触しているが、クランプは実行されていない。この目的のため、第１のスタック２０と接触するまで第１の横材装置１０８を下降させた。

【0091】

スタック２０をクランプすることができるよう、図７に示すように、第１の横材装置１０８を所与の動きによって下向きに移動させて所望のクランプを得る。クランプは、ばね１１２の剛性に関連する課せられた動きで行われる。したがって、６Ｎ／ｍｍのばね１１２を８００ｍｍだけ圧縮して４０００Ｎの力を加えることになる。

【0092】

接触が確立されると、ばね１１２が伸び、この伸びの影響下で、第１の横材装置１０８の動きに比例する力がスタック２０に加えられる。

【0093】

本発明によるこのクランプ原理には複数の利点がある。たとえば、スタック２０が別のものより１ｍｍ高ければ、このときスタック２０が受けるオーバークランプは６Ｎとなるが、これは、４０００Ｎが課せられることを考えると無視できる。同様に、スタック２０が、調整されたとき、別のものより１ｍｍ多く押し込められれば、このときこれは６Ｎの除荷を受けることになるが、これは、４０００Ｎが課せられることを考えると無視できる。

【0094】

また、１５ｍｍ程度のクランプロッド１１０の熱膨張はスタック２０に９０Ｎの過負荷をかけるが、これも、４０００Ｎが課せられること、ならびに、約２１０Ｎの除荷を作り出す、調整中に生じる、３５ｍｍの押し込みを考えると無視できる。また、膨張により部分的に押し込みが補償される。

【0095】

横方向の熱膨張の影響およびスタック２０に対してクランプロッド１１０を中心に置く問題を最小化するため、図８の変形実施形態に示すように、熱筐体１０２の内部容積Ｖｉに支持体または脚１２４を設けることができる。

【0096】

ガイドの配置は重要なポイントであり、その位置に応じて、特に熱膨張に関して、ガイドが多かれ少なかれ良好になる可能性がある。図８における例は、ガイドがフレーム１０４および脚１２４に接続された横材１１４と一体である限り、有利である。したがって、システム全体が熱くなると、すべてが一緒に膨張することになり、支持点は物体の中心に留まることになる。

【0097】

特に、この例において、各スタック２０は、マニホールド１０６を通して形成された支持体１２４によって支持される。各支持体１２４は、低温領域に配置されているフレーム１０４に有利に接続、固定されている。したがって、完全な機械フレーム１０４は、クランプロッド１１０のガイドとともに低温領域にある。

【0098】

一般に、本発明の任意の実施形態に適用可能な方法で、フレーム１０４を低温領域に配置することが有利である。実際、フレーム１０４が高温領域にあれば、材料の抵抗が大幅に減少し、力を受けるため、このとき、はるかに高価な材料およびより頑丈な寸法を備えたフレーム１０４、たとえば、高いほど少なくとも２倍の力を受けるビームを有することが必要である。また、すべての要素、フレーム１０４、横材１１４および弾性復帰部材が低温領域にあれば、膨張に関してワークピースを中心に置くことに問題はなく、すべてが良好に位置合わせされたままである。

【0099】

もちろん、本発明は、今説明した実施形態に限定されない。当業者によってこれに様々な修正を行うことができる。

【0100】

特に、オーブン全体を不活性ガスにさらすこと、およびマニホールド１０６の存在なしで動かすことが可能であるということが留意されるべきである。このとき、オーブンは封止された内部マッフルを含み、クランプロッド１１０とマッフルとの間の接合部は蛇腹によって作製される。

【符号の説明】

【0101】

１ 基本電解セル
２ 陰極
３ 電解質
４ 陽極
５ インターコネクタ
５０ 陰極室
５１ 陽極室
１０ 装置
１１ オーブン
１２ ループチューブ
２０ スタック
４１ 電気化学セル
４２ 中間インターコネクタ
４３ 上部エンドプレート
４４ 下部エンドプレート
４５ 上部クランププレート
４６ 下部クランププレート
５４ クランプオリフィス
５５ クランプステム
５６、５７、５８ クランプ手段
６０ クランプシステム
８０ アセンブリ
１００ 調整システム
１０２ 熱筐体
１０４ フレーム
１０６ ベース、マニホールド
１０８ 第１の横材装置
１１０ クランプロッド
１１２ ばね
１１２ａ 第１の端部
１１２ｂ 第２の端部
１１４ 第２の横材装置
１１６ 固定要素
１１８ ガイドおよび保持要素
１２０ 自由ガイド要素
１２４ 支持体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】