(57)【要約】  本発明は、高温で動作する高温電解若しくは高温共電解（ＨＴＥ）反応器又は燃料電池（ＳＯＦＣ）の圧力を調整する新規なシステムに関する。このシステムの動作は、所定の動作点の電気化学的安定性を保証するために一方のチャンバの上流で湿った気体の流れＤＨを調整する段階、少なくとも１つの第２のチャンバ及び容器の気体清掃を保証するように少なくとも１つの第２のチャンバの上流で気体の流れＤｏを調整する段階、それに関する漏れの検出及び安全性を保障し、爆発性雰囲気の生成を避けるために容器の下流で容器内を循環する第２の気体の流れを調整する段階、及び、通常高温である湿った気体を含む気体の圧力をスタックの下流に配置された制御バルブを用いて制御する段階からなる。
2019506537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−潜在的に湿った気体である第１の気体が流れることができる少なくとも１つの第１のチャンバ（２１）、
−前記第１のチャンバの入口に最大動作圧力Ｐｍａｘまで潜在的に湿った気体を供給することができる少なくとも１つの第１の供給ライン（２２）であって、前記第１の気体の流量ＤＨをゼロ値から最大値ＤＨ，ｍａｘの間に調整することができる第１の流量調整器を備える、第１の供給ライン（２２）、
−第２の気体、好ましくは空気が流れることができる少なくとも１つの第２のチャンバ（２３）、
−前記第１及び第２のチャンバが収容され、同じ前記第２の気体が流れることができる密閉容器（４０）であって、最大動作圧力Ｐｍａｘまで前記第２の気体の圧力下で動作することができる密閉容器（４０）、
−前記密閉容器と前記第２のチャンバの入口に前記第２の気体を供給することができる少なくとも１つの第２の供給ライン（２５）であって、前記第２の気体の流量ＤＯをゼロ値から最大値ＤＯ，ｍａｘの間に調整することができる第２の流量調整器を備える、第２の供給ライン（２５）、
−前記密閉容器内から前記第２の気体を排出することができる少なくとも１つの出口ライン（２９）であって、前記第２の気体の流量Ｄｐｕｒｇｅをゼロ値から最大値Ｄｐｕｒｇｅ，ｍａｘの間に調整することができる第３の流量調整器を備える、出口ライン（２９）、
−大気圧と前記最大圧力値Ｐｍａｘとの間の、前記第１及び第２のチャンバの各々の圧力を測定することができる圧力センサ（ＰＨ、ＰＯ）、
−前記容器の外側で、前記１つ又は複数の第１のチャンバ及び前記１つ又は複数の第２のチャンバの出口ライン（２６；２７）にそれぞれ配置された少なくとも２つの調整弁（ＶＨ、ＶＯ）であって、各弁が、対象となる前記最大圧力値Ｐｍａｘにおける前記湿った気体の凝縮温度よりも高い温度でそれぞれ動作することができ、各弁が、０％から１００％まで開くことができ、前記最大圧力値Ｐｍａｘ及び前記２つの出口ライン（２６；２７）の各々の対象となる前記気体の平均流量に適した容量Ｋｖを有する、少なくとも２つの調整弁（ＶＨ、ＶＯ）、
−対象となる前記最大圧力値Ｐｍａｘにおけるこの湿った気体の凝縮温度を超える温度まで、前記湿った気体を含むラインを加熱する手段、及び、
−前記１つ又は複数の第１のチャンバと前記１つ又は複数の第２のチャンバとの間の最小圧力差を得るように、前記圧力センサによって測定された圧力値の差に応じて前記調整弁（ＶＨ、ＶＯ）に指令を送って自動的に制御する指令及び自動制御手段、
を含むシステム。
【請求項２】
前記湿った気体を凝縮するための凝縮器（５０）を備え、前記凝縮器が、前記１つ又は複数の第１のチャンバの前記出口ライン（２６）上の前記調整弁ＶＨの下流に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第２の気体用の弁ＶＯの完全な開放状態又は閉鎖状態を避けるために、前記指令及び自動制御手段が、さらに、前記第２の気体を調整するための前記弁ＶＯの開放状態に応じて前記第２の気体の流量ＤＯを調整する調整器に指令を送って自動的にすることができる、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
アノード、カソード並びに前記アノード及び前記カソードの間に挿入された電解質をそれぞれが含む固体酸化物基本電解セル又は共電解セルのスタック（２０）を備える高温電気分解又は共電解（ＨＴＥ）反応器を備え、前記セルが、直列に電気的に接続され、前記スタックが、前記セルに電流を供給する２つの電気端子を備え、前記第１のチャンバに関して、前記カソードにわたる蒸気及び水素、又は、蒸気、水素及び二酸化炭素（ＣＯ２）の流れのためのフローチャンバ、及び、前記第２のチャンバに関して、前記アノードにわたる空気若しくは窒素若しくは酸素、又は、酸素を含む気体の混合物の流れのためのフローチャンバを規定する、請求項１から３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項５】
アノード、カソード並びに前記アノード及び前記カソードの間に挿入された電解質をそれぞれが含む固体酸化物基本電気化学セルのスタック（２０）を備える高温燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを備え、前記セルが、直列に電気的に接続され、前記スタックが、前記セルからの電流の収集のための２つの電気端子を備え、前記第１のチャンバに関して、前記アノードにわたる二水素若しくは他の燃料気体、又は、燃料気体を含む混合物の流れのためのフローチャンバ、及び、前記第２のチャンバに関して、前記カソードにわたる前記空気若しくは窒素若しくは酸素、又は、酸素を含む気体の混合物の流れのためのフローチャンバを規定する、請求項１から３の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１のチャンバの各々及び前記第２のチャンバの各々における圧力を各々がそれぞれ測定することができる少なくとも２つの絶対圧センサ（ＰＨ、ＰＯ）を備える、請求項１から５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１のチャンバの各々の圧力をそれぞれが測定することができる１つ又は複数の絶対圧センサＰＨを備え、それぞれ前記１つ又は複数の第２のチャンバと前記１つ又は複数の第１のチャンバとの間の圧力差ΔＰＯ＝（ＰＯ−ＰＨ）を測定することができる１つ又は複数の差圧センサを備える、請求項１から５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項８】
各々が前記調整弁ＶＨ、ＶＯとそれぞれ並列に配置されたバイパス弁ＶＨ，ｂｙｐａｓｓ、ＶＯ，ｂｙｐａｓｓをさらに備える、請求項１から７の何れか一項に記載のシステム。
【請求項９】
（ａ）以下の動作設定値を規定する段階：
（ａ１）予め設定された電気化学的な動作点に必要な潜在的に湿った気体の量に対応する流量ＤＨを規定する段階、
（ａ２）予め設定された電気化学的な動作点に必要であり、前記密閉容器をパージするために必要な第２の気体の量に対応する流量ＤＯを規定する段階、
（ａ３）漏れに関する検出及び安全性を保証し、並びに、前記容器内の爆発性雰囲気の形成を防止するのに必要な第２の気体の量に対応する流量Ｄｐｕｒｇｅを規定する段階、
（ａ４）前記予め設定された動作点における圧力Ｐｓｅｔｐｏｉｎｔを規定する段階、
（ａ５）前記１つ又は複数の第２のチャンバ及び前記密閉容器の圧力と、前記１つ又は複数の第１のチャンバの圧力との間の圧力差に対応する差圧ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔを規定する段階、
（ｂ）以下の調整を適用する段階：
（ｂ１）前記湿った気体の流量ＤＨを調整するために、前記湿った気体の流量を調整するための１つ（又は複数）の調整器を作動させる段階、
（ｂ２）前記１つ又は複数の第２のチャンバ及び前記容器に入る前記流量ＤＯを調整するために、前記第２の気体の流量を調整する１つ（又は複数）の調整器を作動させる段階、
（ｂ３）前記容器から出る流量Ｄｐｕｒｇｅを調整するために、前記パージガスの流量を調整するための１つ（又は複数）の調整器を作動させる段階、
（ｂ４）前記１つ又は複数の第１のチャンバの実際の圧力ＰＨを前記設定値Ｐｓｅｔｐｏｉｎｔに調整するために、前記湿った気体を調整するための弁ＶＨを作動させる段階、及び、
（ｂ５）一方で前記１つ又は複数の第２のチャンバ及び前記容器と、他方で前記１つ又は複数の第１のチャンバとの間の前記実際の差圧ΔＰＯ＝（ＰＯ−ＰＨ）が、前記設定値に対して測定された誤差（ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔ−ΔＰＯ）に従って調整され、前記第２の気体の圧力ＰＯが、前記設定値の差圧ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔを有する１つ又は複数の第１のチャンバのＰＨに従うように、前記第２の気体の弁ＶＯを作動させる段階、
を含む、請求項１から８の何れか一項に記載のシステムの動作方法。
【請求項１０】
前記第２の気体を調整するための弁Ｖ０が完全閉鎖の状態に近い場合、前記第２の気体の流速Ｄ０を増加させる段階をさらに含む、請求項９に記載の動作方法。
【請求項１１】
前記第２の気体を調整するための弁Ｖ０が完全開放の状態に近い場合、前記第２の気体の流量Ｄ０を減少させる段階をさらに含む、請求項９に記載の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックの分野、及び固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）内の水の高温電気分解（ＨＴＥ）（又は高温蒸気電気分解のためのＨＴＳＥ）の分野に関する。
【０００２】
本発明は、より詳細には、高圧下で作動するＨＴＥ電解槽システム又はＳＯＦＣスタックの圧力調整に関する。
【０００３】
主に高温水電解への応用を参照して説明するが、本発明は、ＳＯＦＣスタックにも適用される。
【背景技術】
【０００４】
水の電気分解は、以下の反応に従う、電流を用いて水を気体の二酸素及び二水素に分解する電解反応である：
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２
【０００５】
反応に必要なエネルギーの一部が電気よりも安価な熱によって供給され、反応の活性化が、高温でより効率的であり、触媒を必要としないので、高温で、典型的には６００から９５０℃の温度で水の電気分解を行うことは、有利である。
【０００６】
図１に概略的に示されるように、固体酸化物電解セル１０（ＳＯＥＣ）は、特に、
−二水素を生成するために蒸気を供給することを意図した第１の多孔性導電性電極１２又は「カソード」、
−カソード上に注入された水の電気分解によって生成された二酸素（Ｏ２）が脱離する第２の多孔性導電性電極１４又は「アノード」、及び、
−カソード１２とアノード１４との間に挟まれた固体酸化物膜（高密度電解質）１６であって、高温、通常は６００℃より高い温度でアニオン伝導性である固体酸化物膜（高密度電解質）１６を含む。
【０００７】
セル１０を少なくともこの温度に加熱し、カソード１２とアノード１４との間に電流Ｉを注入することによって、カソード１２で水が還元され、それによってカソード１２で二水素（Ｈ２）を生成し、アノード１４で二酸素を生成する。
【０００８】
高温電気分解を実施するためにＳＯＥＣ（「固体酸化物電解セル」の略語）電解槽を使用することが知られており、前記電解槽は、各々が、互いに重畳される三層（アノード／電解質／カソード）、及び、バイポーラプレート又は相互接続部とも呼ばれる金属合金で作られる相互接続プレートからなる固体酸化物電解セルを含む基本構成要素のスタックからなる。相互接続部の機能は、電流を流して気体を各セルに流すこと（ＨＴＥ電解槽内の注入された蒸気並びに抽出された水素及び酸素；ＳＯＦＣスタック内の注入された空気及び水素並びに抽出された水）と、それぞれセルのアノード側とカソード側のガスフロー区画であるアノード区画とカソード区画とを分離することである。蒸気の高温電気分解（ＨＴＥ）を行うために、蒸気（Ｈ２Ｏ）をカソード区画に注入する。セルに印加された電流の作用下で、蒸気形態の水分子の解離は、水素電極（カソード）と電解質との界面で起こり、この解離は、二水素ガス（Ｈ２）及び酸素イオンを生成する。二水素は、水素区画の出口で集められ、排出される。酸素イオン（Ｏ２−）は、電解質を通って移動し、電解質と酸素電極（アノード）との間の界面で二酸素に再結合する。
【０００９】
大量の水素を生成することを意図した電解セルのスタック２０は、図２の概略図に示されている。特に、セル１０は、互いに積み重ねられ、相互接続プレート１８によって分離され、相互接続プレート１８は、制御可能な弁２４によって調整される蒸気流量ＤＨ２Ｏで、この蒸気をセル１０のカソードに注入するために蒸気の供給源２２に接続される。プレート１８はまた、電気分解によって発生した気体を集めるための気体収集器２６に接続されている。
【００１０】
相互接続プレート構造及びスタックの例は、例えば、国際公開第２０１１／１１０６７６号に記載されている。
【００１１】
このような電解槽は、共電解モード、すなわち、蒸気（Ｈ２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ２）からなる気体混合物をカソード区画に供給するモードでも動作することができる。カソード区画からの混合排出物は、水素（Ｈ２）、蒸気（Ｈ２Ｏ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）で構成されている。
【００１２】
スタック２０で実際に電気分解を実施するために、スタックは、６００℃以上の温度、通常は６００℃から９５０℃の温度に上昇され、気体供給を一定の流量で開始し、電源２８は、スタック２０の２つの端子３０、３２を横切って電流Ｉを流すように接続されている。
【００１３】
高温ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）スタックとＨＴＳＥ電解槽は、その動作モードのみが異なって同一の構造を有することができる。図３を参照すると、ＳＯＦＣスタックの構成要素である電気化学セルは、電解セルとして同じ要素、すなわちアノード１２、カソード１４及び電解質１６を含む。
【００１４】
スタックの１つのセルを考慮すると、二水素又はメタンＣＨ４のような他の燃料がそのアノードに一定流量で供給され、空気中に含まれる純粋な二酸化炭素又は二酸素がそのカソードに一定流量で供給され、セルは、生成された電流を供給するために負荷Ｃに接続される。
【００１５】
上述したような反応器スタックにおいて、固体酸化物セル１０と相互接続プレート１８との間のシール気密性は、システムの弱点の１つを形成するシールによって達成される。
【００１６】
具体的には、ガラス又はガラスセラミックをベースとし、大気に対してスタックの気密性を保証するこれらのシールは、脆弱であり、約数十から数百ミリバールのわずかな正の圧力にしか耐えることができない。
【００１７】
これまで、たとえ幾つかの科学的研究が圧力下での動作を分析し始めていたとしても、そのようなシステムは、大気圧でしか作動しなかった。
【００１８】
典型的には数バールから数十バール、一般的には３０バールの圧力下でのＳＯＦＣスタック又はＨＴＥ反応器の内部動作は、シールの密閉性の損失を防止する解決策を必要とする。
【００１９】
ＨＴＥ反応器スタック又はＳＯＦＣスタックを、それ自体が加圧されている密閉容器内に配置することからなる解決策は、既に知られている。ここでは、この種の解決策を開示する刊行物［１］、仏国特許出願公開第２９５７３６１号明細書、米国特許出願公開第２００２／００８１４７１号明細書及び米国特許第６６８９４９９号明細書を挙げることができる。この既知の解決法は、スタックの内側と外側との間に同じ圧力を加えることを可能にする利点を有する。換言すれば、容器内の圧力及びスタックのチャンバ（区画）内の圧力は、平衡状態にある。したがって、ガラス又はガラスセラミックシールに機械的な応力を掛けることなく、数バールから数十バールの高圧でスタックを動作させることができる。
【００２０】
したがって、スタックの各アノード又はカソードチャンバ（区画）の圧力が容器の内圧と全体的に均衡していれば、シールは、僅かで、通常ほぼゼロの差圧のみを受ける。
【００２１】
電気分解モードでは、そのような解決策の主な欠点は、容器内で水素の一部が燃焼するため、水素生成量の損失が生じることである。したがって、それは現在、電解モードにおいて工業的規模で考えられる解決策ではない。
【００２２】
特定の高温燃料電池スタックは、密閉性のカソード側ではないように設計されているため、カソードが容器の圧力にあるため、圧力下での操作が簡素化される可能性がある。
【００２３】
特に、上記の米国特許第６６８９４９９号明細書は、燃料電池モードでこの技術を実施し、気体出力の再結合がスタックを加熱するために使用される。
【００２４】
電解モードでは、容器内、各アノードチャンバ内及び各カソードチャンバ内で同じ圧力（数ミリバール内まで）を連続的にかつ同時に得る方法も難点である。
【００２５】
言い換えれば、シールにおける低い差圧の制約を満たすために、気体をスタックに集めたり、スタックから気体を集めたりするためのライン上で十分な精度で圧力を調整する必要がある。
【００２６】
しかし、別の問題は、カソードチャンバを通って流れる気体が、大気圧に膨張する間に凝縮する可能性がある多くの蒸気を含むという事実による。
【００２７】
今まで、熱力学の専門家は、乾燥気体の圧力を調整することを推奨してきた。したがって、これは一般に行われているものである。
【００２８】
ここでは、刊行物［２］から［６］に要約されている研究を引用することができる。これらの研究のほとんどで、試験は、気体が乾燥しているか、水分がほとんどないＳＯＦＣスタック、又は加圧容器内に設置された凝縮器で気体が乾燥するＳＯＥＣ電解槽システムに関するものである。さらに、ほとんどの場合、３バール又は５バールの動作点のみが可能である。
【００２９】
プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックに近い分野では、膜が数バールの差圧に耐えることができるため、シールの圧力及びチャンバ間の圧力は、完全に異なる。しかしながら、国際公開第２０１２／００８９５４号が、ポンプによって供給される負圧によって湿った気体の圧力の調整に関するものであり、米国特許第７９８５５０７号明細書が、オン／オフバルブによる調整を開示するものであることに留意する必要がある。しかしながら、この特許出願及びこの特許に開示されている解決策は、制約がはるかに厳しい固体酸化物システムには適用できない。
【００３０】
ＨＴＥ電解槽又はＳＯＦＣスタックを加圧容器内に配置することからなる解決策の別の難点は、スタックが容器の容積に対して本質的に小さい容積を有する（アノード及びカソード）ガスフローチャンバを備えるという事実に関連する。容器内の圧力変動がスタックのチャンバ内の圧力変動に対して非常に遅くなるので、この場合、圧力調整は困難である。
【００３１】
したがって、スタックのいずれかのチャンバ内の圧力が急激に上昇する場合、容器内の圧力を迅速に上昇させることは非常に困難である。この制約を取り除くために、研究［７］は、３つの同一容積、すなわち、アノードチャンバと第１のバッファ容積とを含む容積、カソードチャンバと第２のバッファ容積とを含む容積、及び、容器によって囲まれた容積のガスを達成するように、スタックの各気体流路の出口にバッファ容積を導入することを提案している。したがって、同一の３つの容積を設けることにより、同一のオン／オフバルブを使用して、容器の圧力及びスタックのチャンバ内の圧力を調整することができる。この解決策は、加圧容器の容積を３倍にすることに対応しており、したがって、システムのコストがはるかに高くなるので、制約がある。これらのバッファ容積は、毎回不活性気体でパージする必要があるため、あるモードから別のモードに切り替えるのにかかる時間が不利になるため、可逆操作モードでペナルティを課す。
【００３２】
換言すれば、高温電解槽及び燃料電池スタックに関する従来技術では、大気圧から数十バールの動作範囲内で湿った気体の圧力の調整に対する満足のいく解決策を提供するシステムは存在しない。
【００３３】
出願人の名義で２０１５年１０月６日に出願された仏国特許出願公開第１５５９５０４号明細書は、大気圧から数十バールの作動範囲内で湿った気体の圧力の調整に満足のいく解決策を提供するシステムを開示している。しかし、この解決策は、小型の特定の実験装置で確立され実証されたものであり、そのリスクの１つは、加圧容器の金属シールからの漏れである。したがって、良好な数の構成において満足がいき、動作可能なものであるが、加圧容器が、外部に対する相対的に大きい漏れのリスクを有するか、外部に対する相対的に大きい漏れのリスクを有すると判断されるペナルティケースに適用される場合には、この解決法は、多くの測定及び調整が行われることを要求するものである。
【００３４】
このため、密閉性が確保されているか、漏れのリスクが最低限に抑えられている多くの産業構成に対処する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１１０６７６号
【特許文献２】仏国特許出願公開第２９５７３６１号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／００８１４７１号明細書
【特許文献４】米国特許第６６８９４９９号明細書
【非特許文献】
【００３６】
【非特許文献１】“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ＳＯＦＣ  ａｎｄ  ＳＯＥＣ”，  Ａ．  Ｍｏｍｍａ，  Ｋ．  Ｔａｋａｎｏ，  Ｙ．  Ｔａｋａｎａ，  Ｔ．Ｋａｔｏ，  Ａ．  Ｙａｍａｍｏｔｏ
【非特許文献２】“Ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ  ｄｅｓｉｇｎ，  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｒｅｓｕｌｔ”，  Ｊ．Ｅ．  Ｏ’Ｂｒｉｅｎ，  Ｘ  Ｚｈａｎｇ，  Ｇ．  Ｋ．  Ｈｏｕｓｌｅｙ，  Ｋ．  ＤｅＷａｌｌ，  Ｌ．  Ｍｏｏｒｅ−ＭｃＡｔｅｅｒ，  Ｇ．  Ｔａｏ，  ＤＯＩ  １０．１００２／ｆｕｃｅ  ２０１３０００７６
【非特許文献３】“Ａ  ｖａｌｉｄａｔｅｄ  ｍｕｌｔｉ−ｓｃａｌｅ  ｍｏｄｅｌ  ｏｆ  ａ  ＳＯＦＣ  ｓｔａｃｋ  ａｔ  ｅｌｅｖａｔｅｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ”，  Ｍ．  Ｈｅｎｋｅ，  Ｃ．  Ｗｉｌｌｉｃｈ，  Ｃ．  Ｗｅｓｔｎｅｒ，  Ｆ．  Ｌｅｕｃｈｔ，  Ｊ．  Ｋａｌｌｏ，  Ｗ．  Ｇ．  Ｂｅｓｓｌｅｒ  ａｎｄ  Ｋ．  Ａ．  Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，  １９６（２０１１）  ７１９５−７２０２
【非特許文献４】“Ａｎ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  ｐｌａｎａｒ  ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｗｏ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  ｆｌｏｗ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｒｓ”，  Ｈ．Ｗ．  Ｃｈａｎｇ，  Ｃ．Ｍ．  Ｈｕａｎｇ，  Ｓ．Ｓ．  Ｓｈｙ，  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｅｎｅｒｇｙ，  ｖｏｌ．  ３８  （２０１３），  １３７７４−１３７８０
【非特許文献５】“Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  ａ  ｐｌａｎａｒ  ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｓｔａｃｋ”，  Ａ．  Ａ．  Ｂｕｒｋｅ，  Ｌ．  Ｇ．  Ｃａｒｒｅｉｒｏ，  Ｊ．  Ｒ．  Ｉｚｚｏ  Ｊｒ．，  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｅｎｅｒｇｙ，  ｖｏｌ．  ３５  （２０１０），９５４４−９５４９
【非特許文献６】“Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ａｎｄ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｆｕｅｌ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ  ｃｅｌｌｓ”，  Ｓ．  Ｈｏｊｇａａｒｄ  Ｊｅｎｓｅｎ，  Ｘ．  Ｓｕｎ，  Ｓ．  Ｄａｌｇａａｒｄ  Ｅｂｂｅｓｅｎ，  Ｒ．  Ｋｎｉｂｂｅ，  Ｍ．  Ｍｏｇｅｎｓｅｎ，  ＥＣＳ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，  ５７  （１）  ６９９−７０８  （２０１３）
【非特許文献７】“Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ：  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｓｔｕｄｉｅｓ  ａｎｄ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ”，  Ｓ．  Ｓｅｉｄｌｅｒ，  Ｍ．  Ｈｅｎｋｅａ，  Ｊ．  Ｋａｌｌｏａ，  Ｗ．  Ｇ．  Ｂｅｓｓｌｅｒａ，  Ｕ．  Ｍａｉｅｒｂ，  Ａ．  Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，  ２５０（２０１４）  ２１−２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
従って、特に上記の仏国特許出願公開第１５５９５０４号明細書に従って解決策を実施するのに必要な多くの測定及び調整の少なくとも一部を冗長化するために、密閉性を保証することが可能であるか、少なくとも漏れの危険性を低くすることが可能な、容器内の圧力下で作動する電解槽又は燃料電池スタックの調整システムを改善する必要がある。
【００３８】
本発明の目的は、この必要性を少なくとも部分的に満たすことである。
【課題を解決するための手段】
【００３９】
この目的のために、本発明は、
−潜在的に湿った気体である第１の気体が流れることができる少なくとも１つの第１のチャンバ、
−前記第１のチャンバの入口に最大動作圧力Ｐｍａｘまで潜在的に湿った気体を供給することができる少なくとも１つの第１の供給ラインであって、前記第１の気体の流量ＤＨをゼロ値から最大値ＤＨ，ｍａｘの間に調整することができる第１の流量調整器を備える、第１の供給ライン、
−第２の気体、好ましくは空気が流れることができる少なくとも１つの第２のチャンバ、
−前記第１及び第２のチャンバが収容され、同じ前記第２の気体が流れることができる密閉容器であって、最大動作圧力Ｐｍａｘまで前記第２の気体の圧力下で動作することができる密閉容器、
−前記第２のチャンバの入口と前記密閉容器に前記第２の気体を供給することができる少なくとも１つの第２の供給ラインであって、前記第２の気体の流量ＤＯをゼロ値から最大値ＤＯ，ｍａｘの間に調整することができる第２の流量調整器を備える、第２の供給ライン、
−前記密閉容器内から前記第２の気体を排出することができる少なくとも１つの出口ラインであって、前記第２の気体の流量Ｄｐｕｒｇｅをゼロ値から最大値Ｄｐｕｒｇｅ，ｍａｘの間に調整することができる第３の流量調整器を備える、出口ライン、
−大気圧と前記最大圧力値Ｐｍａｘとの間の、前記第１及び第２のチャンバの各々の圧力を測定することができる圧力センサ（ＰＨ、ＰＯ）、
−前記容器の外側で、前記１つ又は複数の第１のチャンバ及び前記１つ又は複数の第２のチャンバの出口ラインにそれぞれ配置された少なくとも２つの調整弁（ＶＨ、ＶＯ）であって、各弁が、対象の前記最大圧力値Ｐｍａｘにおける前記湿った気体の凝縮温度よりも高い温度で動作することができ、各弁が、０％から１００％まで開くことができ、前記最大圧力値Ｐｍａｘ及び前記２つの出口ラインの各々の対象となる前記気体の平均流量に適した容量Ｋｖを有する、少なくとも２つの調整弁（ＶＨ、ＶＯ）、
−対象となる前記最大圧力値Ｐｍａｘにおけるこの湿った気体の凝縮温度を超える温度まで、前記湿った気体を含むラインを加熱する手段、及び、
−前記１つ又は複数の第１のチャンバと前記１つ又は複数の第２のチャンバとの間の最小圧力差を得るように、前記圧力センサによって測定された圧力値の差に応じて前記調整弁（ＶＨ、ＶＯ）に指令を送って自動的に制御する指令及び自動制御手段、
を含むシステムに関する。
【００４０】
「潜在的に湿ったガス」とは、本明細書では、本発明の文脈において、その状態が、本発明によるシステムへの進入時に既に濡れていてもよく、又は、このシステム内での生成中又はシステムの通過中に濡れた状態に移行する可能性がある気体を意味する。
【００４１】
「密閉容器」とは、本明細書では、本発明の文脈において、容器の内部からの加圧気体の漏洩速度が低いか又は非常に低い密閉容器を示す。通常、容器の漏れ率は、ＤＯの１／１０００未満である。
【００４２】
１つの変形例によれば、本発明によるシステムは、前記湿った気体を凝縮するための凝縮器を備え、前記凝縮器が、前記１つ又は複数の第１のチャンバの前記出口ライン上の前記調整弁ＶＨの下流に配置されている。したがって、システムに必ずしも凝縮器が含まれているとは限らない。具体的には、特定の用途では、システムを出る湿った気体は、それを凝縮する必要なしにそのまま使用することができる。これは、湿った気体をメタナイザー等の特定のタイプの反応器又は貯蔵器に供給しなければならない場合がある。
【００４３】
１つの有利な実施形態によれば、前記指令及び自動制御手段は、さらに、前記第２の気体用の弁ＶＯの完全な開放状態又は閉鎖状態を避けるために、前記指令及び自動制御手段が、さらに、前記第２の気体を調整するための前記弁ＶＯの開放状態に応じて前記第２の気体の流量ＤＯを調整する調整器に指令を送って自動的にすることができる。
【００４４】
１つの有利な応用例によれば、システムは、アノード、カソード並びに前記アノード及び前記カソードの間に挿入された電解質をそれぞれが含む固体酸化物基本電解セル又は共電解セルのスタック（２０）を備える高温電気分解又は共電解（ＨＴＥ）反応器を備え、前記セルは、直列に電気的に接続され、前記スタックは、前記セルに電流を供給する２つの電気端子を備え、前記第１のチャンバに関して、前記カソードにわたる蒸気及び水素、又は、蒸気、水素及び二酸化炭素（ＣＯ２）の流れのためのフローチャンバ、及び、前記第２のチャンバに関して、前記アノードにわたる空気若しくは窒素若しくは酸素、又は、酸素を含む気体の混合物の流れのためのフローチャンバを規定する。
【００４５】
別の有利な応用例によれば、システムは、アノード、カソード並びに前記アノード及び前記カソードの間に挿入された電解質をそれぞれが含む固体酸化物基本電気化学セルのスタック（２０）を備える高温燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを備え、前記セルは、直列に電気的に接続され、前記スタックは、前記セルからの電流の収集のための２つの電気端子を備え、前記第１のチャンバに関して、前記アノードにわたる二水素若しくは他の燃料気体、又は、燃料気体を含む混合物の流れのためのフローチャンバ、及び、前記第２のチャンバに関して、前記カソードにわたる前記空気若しくは窒素若しくは酸素、又は、酸素を含む気体の混合物の流れのためのフローチャンバを規定する。この場合、第１のチャンバに入る気体は、必ずしも濡れている必要はないが、これとは対照的に、蒸気は、この第１のチャンバ内の電気化学反応の生成物であるため、濡れている。
【００４６】
このシステムは、可逆的であり、燃料電池スタックは、おそらく高温の電解槽であり、その逆も可能である。
【００４７】
本発明は、「平均温度」の電解槽又は燃料電池スタック、すなわち、４００℃で動作する電解槽又は燃料電池スタック、又は、プロトンセラミック燃料電池（ＰＣＦＣ）スタックに適用される。
【００４８】
一般に、固体酸化物電気化学システムの技術分野の外部では、本発明は、主容器内に収容され、加圧された気体が各々に流れなければならない複数の密封チャンバの圧力を調整する必要がある任意のシステムに適用される。
【００４９】
本発明の１つの変形例によれば、システムは、前記第１のチャンバの各々及び前記第２のチャンバの各々における圧力を各々がそれぞれ測定することができる少なくとも２つの絶対圧センサ（ＰＨ、ＰＯ）を備え得る。
【００５０】
あるいは、システムは、前記第１のチャンバの各々の圧力をそれぞれが測定することができる１つ又は複数の絶対圧センサＰＨを備え、それぞれ前記１つ又は複数の第２のチャンバと前記１つ又は複数の第１のチャンバとの間の圧力差ΔＰＯ＝（ＰＯ−ＰＨ）を測定することができる少なくとも１つの差圧センサを備え得る。
【００５１】
本発明の別の変形例によれば、システムはさらに、各々が前記調整弁ＶＨ、ＶＯとそれぞれ並列に配置されたバイパス弁ＶＨ，ｂｙｐａｓｓ、ＶＯ，ｂｙｐａｓｓをさらに備え得る。これらのバイパス弁は、開かれたときに大気圧で作動する。この目的のために、これらのバイパス弁は、通路におけるヘッド損失を減少させるように、気体流路の直径と同じ大きさの通路直径を有する。
【００５２】
従って、本発明は、本質的に、
−予め設定された動作点の電気化学的安定性を保証するために、一方のチャンバの上流で湿った気体の流量ＤＨを調整する段階、
−パージガスが１つ又は複数の第２のチャンバ及び容器を洗い流していることを保証するように、１つ又は複数の第２のチャンバの上流でガス流量ＤＯを調整する段階、
−容器の下流で、漏れの検出と安全性を保証し、爆発性雰囲気の形成を回避するために、容器を通って流れる第２の気体の流量Ｄｐｕｒｇｅを調整する段階、及び、
−スタックの下流に配置された調整弁ＶＨ、ＶＯを調整することによって圧力を制御する段階であって、弁によって制御される気体が、湿った気体を含み、これらの気体が一般的に熱い段階からなる。
【００５３】
システムの動作中、気体は、調整弁で膨張し、したがって冷却される。
【００５４】
従って、熱力学の専門家は、弁のオリフィスを閉塞する可能性のある液体水滴の形成につながる可能性があると考えるので、本発明による解決策は、このような冷却を避ける熱力学の専門家の先入観に反する。
【００５５】
これを避けるために、熱力学の専門家は、気体が調整弁に到達する前にそれらを乾燥させることを提案する。
【００５６】
しかし、本発明者らは、経験から、対象となる最大圧力Ｐｍａｘで蒸気を含むラインが蒸気の凝縮温度より高い温度で維持されるという条件で、湿った気体の調整を行うことにある本発明による解決策が良好に動作すると考えている。
【００５７】
湿った気体に関する調整は、ＨＴＥ反応器又はＳＯＦＣスタックのような固体酸化物系の場合にも、この膨張のために、大部分の蒸気を取り除くために気体が冷却される凝縮器に気体が送られる前に気体の冷却に関与するという利点を有する。
【００５８】
３つの区画、すなわち、１つ又は複数の第１のチャンバ、１つ又は複数の第２のチャンバ、及び容器のそれぞれにおいて同程度の大きさの圧力変化を得るように、考えられる区画の容積と前記区画に注入され得る気体の最大流量との間に同じ比を有することが好ましい。
【００５９】
その中に、容器及びチャンバの上流及び下流のガス流路の容積を含むことによって、ＶｏｌＨが１つ又は複数の第１のチャンバの容積であり、ＶｏｌＯが、１つ又は複数の第２のチャンバ及び容器の容積である場合、ガス流量計は、好ましくは、ＶｏｌＨ／ＤＨ，ｍａｘ＝ＶｏｌＯ／ＤＯ，ｍａｘ＝Ｖｏｌａｉｒ／Ｄａｉｒ，ｍａｘの比に適合するように採寸される。
【００６０】
本発明はまた、上記のシステムを動作する方法にも関連し、以下の段階を含む：
（ａ）以下の動作設定値を規定する段階：
（ａ１）予め設定された電気化学的な動作点に必要な潜在的に湿った気体の量に対応する流量ＤＨを規定する段階、
（ａ２）予め設定された電気化学的な動作点に必要であり、前記密閉容器をパージするために必要な第２の気体の量に対応する流量ＤＯを規定する段階、
（ａ３）漏れに関する検出及び安全性を保証し、並びに、前記容器内の爆発性雰囲気の形成を防止するのに必要な第２の気体の量に対応する流量Ｄｐｕｒｇｅを規定する段階、
（ａ４）前記予め設定された動作点における圧力Ｐｓｅｔｐｏｉｎｔを規定する段階、
（ａ５）前記１つ又は複数の第２のチャンバの圧力と前記１つ又は複数の第１のチャンバの圧力との間の圧力差に対応する差圧ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔを規定する段階、
（ｂ）以下の調整を適用する段階：
（ｂ１）前記湿った気体の流量ＤＨを調整するために、前記湿った気体の流量を調整するための１つ（又は複数）の調整器を作動させる段階、
（ｂ２）前記１つ又は複数の第２のチャンバに入る前記流量ＤＯを調整するために、前記第２の気体の流量を調整する１つ（又は複数）の調整器を作動させる段階、
（ｂ３）前記容器から出る流量Ｄｐｕｒｇｅを調整するために、前記パージガスの流量を調整するための１つ（又は複数）の調整器を作動させる段階、
（ｂ４）前記１つ又は複数の第１のチャンバの実際の圧力ＰＨを前記設定値Ｐｓｅｔｐｏｉｎｔに調整するために、前記湿った気体を調整するための弁ＶＨを作動させる段階、
（ｂ５）前記１つ又は複数の第２のチャンバ及び前記容器と前記１つ又は複数の第１のチャンバとの間の前記実際の差圧ΔＰＯ＝（ＰＯ−ＰＨ）が、前記設定値に対して測定された誤差（ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔ−ΔＰＯ）に従って調整され、前記第２の気体の圧力ＰＯが、前記設定値の差圧ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔを有する１つ又は複数の第１のチャンバのＰＨに従うように、前記第２の気体の弁ＶＯを作動させる段階。
【００６１】
この方法の１つの変形例によれば、前記第２の気体を調整するための弁Ｖ０が完全閉鎖の状態に近い場合、前記第２の気体の流速Ｄ０を増加させる段階がさらに提供される。
【００６２】
逆に、前記第２の気体を調整するための弁Ｖ０が完全開放の状態に近い場合、前記第２の気体の流量Ｄ０を減少させる段階がされに提供される。
【００６３】
換言すれば、第２の気体を調整するための調整弁ＶＯが、それらの閉鎖限界又は開放限界に達する危険性があるとき、段階ｂ１からｂ５の調整に加えて、好ましくは自動制御によって流量ＤＯの増減を提供することが可能である。従って：
−ＶＯが閉鎖する危険性がある場合、流量ＤＯは増加する。
−ＶＯが１００％開放になる危険性がある場合、流量ＤＯは減少する。
【００６４】
圧力上昇の段階では、潜在的に湿った気体を調整するための弁ＶＨが完全に閉じることがある。この場合、システムが固体酸化物電気化学システムである場合、気体の生成を中断するか、又は気体の流量を最小値に維持するための安全対策を実施するよう注意が払われる。
【００６５】
特に、システムが、湿った気体（蒸気及び生成された水素）を調整するための弁ＶＨの完全閉鎖時に電解（共電解）反応器を含む場合、もはや電解セルへの試薬気体の流れは実質的になくなり、したがって、電流設定値をゼロに設定することによって水素の生成を止める安全対策を実施することが推奨される。
【００６６】
同様に、ＳＯＦＣスタックモードでは、セルに酸化剤を供給するために酸素流量を維持する必要がある。これにより、流量調整器が下回らない酸素流量最小値ＤＯを設定することができる。別の可能性は、電流設定値をゼロに設定することによって、電気の生産を止めるための安全対策を実施することにある。
【００６７】
本発明の他の利点及び特徴は、以下の図面を参照して非限定的な例示として与えられる、本発明の実施例の詳細な説明を読むことにより、より明確に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】ＨＴＳＥ電解槽の基本的な電気化学セルの概略図である。
【図２】図１によるセルのスタックの概略図である。
【図３】ＳＯＦＣスタックの電気化学セルの概略図である。
【図４】ＨＴＥ電解槽を備える本発明によるシステムの概略図であり、この図は、チャンバを収容する加圧密閉式容器にある、蒸気及び水素並びに酸素のためのフローチャンバ内の圧力を調整するために必要な流量調整器及びセンサを示す。
【図５】図４によるシステムを制御するために使用される自動制御ループを有する流量調整器及びセンサの概略図である。
【図６】図４の実施形態による圧力調整の計算フローチャートである。
【図７】シール密閉容器を有する高温電気分解モジュールにおけるバルブＶＯの開放率に従う、酸素流チャンバの流量ＤＯの本発明による調整の計算フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００６９】
従来技術に関する図１から図３は、前文で既に記載されている。したがって、以下では詳述しない。
【００７０】
明確にするために、先行技術によるＨＴＥ反応器の同じ要素、及び本発明によるシステムの構成要素として使用されるＨＴＥ反応器の同じ要素は、同じ参照番号で示されている。
【００７１】
ここで、本特許出願を通して、「底部」、「上部」、「上方」、「下方」、「内側」、「外側」、「内部」及び「外部」という用語は、対称軸に沿った横断面で見た本発明による相互接続部を参照して理解される。
【００７２】
また、「上流」、「下流」、「入口」及び「出口」という用語は、気体の流れ方向に関して考慮されることにも留意されたい。
【００７３】
記載されている電解槽又は燃料電池モジュールは、高温で作動する固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）電解槽モジュール又は固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールであることにも留意されたい。
【００７４】
したがって、電解又は燃料電池スタック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（電解反応器）又は燃料電池スタックの高い動作温度は、典型的には６００℃から９５０℃の間である。
【００７５】
典型的には、カソード支持型（ＣＳＣ）の本発明に適した基本ＳＯＥＣの特性は、以下の表に示すようなものであってよい。
【００７６】
【表１】
2019506537.tif 000003
【００７７】
図４を参照すると、本発明によるシステムの圧力は、大気圧から約３０バールの選択された圧力に調整される。
【００７８】
このシステムは、まず、アノード、カソード及びアノードとカソードとの間に挿入された電解質をそれぞれが備える固体酸化物基本電解（共電解）セルのスタック２０を備える高温電解又は共電解（ＨＴＥ）反応器を備え、セルは、直列に電気的に接続され、スタックは、セルに電流を供給する２つの電気端子を備え、カソードを超えて蒸気及び水素、又は、蒸気、水素及び二酸化炭素（ＣＯ２）の流れのためのフローチャンバ２１、及び、アノードを超えて空気又は窒素又は酸素、又は、酸素を含む気体の混合物の流れのためのフローチャンバ２３を画定する。
【００７９】
このシステムは、さらに、
−蒸気及び生成された水素の流量ＤＨをゼロ値から最大値ＤＨ，ｍａｘまでに調整することができる流量調整器がその上に配置された、最大動作圧力Ｐｍａｘまでチャンバ２１の入口に蒸気を供給することができる供給ライン２２、
−パージガスを介して空気を流すことができるスタック２０がチャンバ２１、２３と共に収容されている容器４０であって、最大動作圧力Ｐｍａｘまでの圧力下で作動することができる容器、
−チャンバ２３の入口及び加圧された密閉容器４０に空気を供給することができる供給ライン２５であって、空気の流量ＤＯをゼロ値から最大値ＤＯ，ｍａｘの間に調整することができる流量調整器が配置される、供給ライン、
−パージ空気の流れを容器の内部に流入させることができる出口ライン２９であって、その供給ライン上に、空気の流量ＤＰｕｒｇｅをゼロ値と最大値Ｄｐｕｒｇｅ，ｍａｘとの間で調整することができる流量調整器が配置される、出口ライン、
−大気圧と最大圧力Ｐｍａｘとの間の、チャンバ２１、２３内の圧力を測定することができる圧力センサＰＨ、ＰＯ、
−前記容器４０の外側で、第１のチャンバ２１及び第２のチャンバ２３の出口ラインにそれぞれ配置された少なくとも２つの調整弁ＶＨ、ＶＯであって、各弁が、対象の最大圧力値Ｐｍａｘにおける湿った気体の凝縮温度よりも高い温度で動作することができ、各弁が、０％から１００％まで開くことができ、最大圧力値Ｐｍａｘ及び２つの出口ラインの各々の対象となる気体の平均流量に適した容量Ｋｖを有する、少なくとも２つの調整弁ＶＨ、ＶＯ、
−各々が調整弁ＶＨ、ＶＯと平行にそれぞれ配置された少なくとも２つのバイパス弁ＶＨ，ｂｙｐａｓｓ、ＶＯ，ｂｙｐａｓｓ、
−対象となる最大圧力Ｐｍａｘで、この湿った気体の凝縮温度よりも高い温度に蒸気及び生成された水素のラインを加熱する手段、
−チャンバ２１の出口ライン上の調整弁ＶＨの下流に配置された凝縮器５０、及び
−チャンバ２１、２３間の最小圧力差を得るように、圧力センサによって測定された圧力値の差に応じて調整弁（ＶＨ、ＶＯ）に指令を送り、自動的に制御するための指令及び自動制御手段、
を備える。
【００８０】
指令及び自動制御手段は、特に、マイクロプロセッサ及び比例積分微分調整器（ＰＩＤ）を含む。
【００８１】
種々の湿った気体のラインを加熱するための手段は、特に温度調整された加熱ワイヤである。
【００８２】
ここで、図５を参照すると、本発明によるシステムによって自動的に実施される調整ループの例が示されている。
【００８３】
事前に、システムの操作を担当するオペレータが操作設定値を定める。
【００８４】
本発明による調整ループは、連続して：
−スタック２０の上流で、固体酸化物セルの動作点の安定性を保証するように、オペレータによって規定される、蒸気と水素の混合物からなる気体の流量ＤＨを調整する段階、
−スタック２０の上流で、固体酸化物セルの動作点の安定性を保証するように、オペレータによって規定される空気の流量ＤＯを調整する段階、
−容器４０の下流で、システムの安全を保証するように、オペレータによって規定される空気の流量Ｄｐｕｒｇｅを調整する段階、
−スタック２０の下流の調整弁ＶＯによって水素チャンバ２１の圧力をオペレータ設定値Ｐｓｅｔｐｏｉｎｔに調整する段階、
−スタック２０の下流に配置された調整弁ＶＯによって酸素チャンバ２３と水素チャンバ２１との間の圧力差ΔＰＯ＝（ＰＯ−ＰＨ）をオペレータ設定値ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔに調整する段階、
−弁ＶＯが５％未満に閉じるか、又は８０％を超えて開く場合、酸素流量ＤＯを１０％のステップで定期的に調整する段階からなる。
【００８５】
一例として、オペレータによって定められた設定値は、次のようになる：
−０から１０ｌ／ｈの範囲内の蒸気／水素の流量ＤＨ、
−０から１００ｌ／ｈの範囲内の空気の流量ＤＯ、
−０から９０ｌ／ｈの範囲内の空気の流量Ｄｐｕｒｇｅ、
−大気圧から３０バールの範囲内のＰｓｅｔｐｏｉｎｔ、及び、
−―１００から１００ｍｂａｒの範囲内、好ましくは５０ｍｂａｒのΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔ。
【００８６】
図６は、ＰＩＤモジュールによって実現される弁ＶＯ、ＶＨの調整の順序と詳細を示す：
−調整弁ＶＨをその差（Ｐｓｅｔｐｏｉｎｔ−ＰＨ）に対して自動的に制御する。
−差圧ΔＰＯ＝（ＰＯ−ＰＨ）を計算する。
−調整弁ＶＯをその差（ΔＰＯ−ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔ）に対して自動的に制御する。
【００８７】
図７は、密閉容器における本発明の実施に対応する数値を提供する。
【００８８】
より正確には、図７は、調整弁ＶＯの開放状態に応じて酸素流量ＤＯを調整するためのループの詳細を示す：
−５秒間にわたってＶＯ＜５％の場合、ＤＯは１０％増加し、
−２秒間にわたってＶＯ＜３％の場合、ＤＯは１０％増加し、
−５秒間にわたってＶＯ＞８０％の場合、ＤＯは１０％減少し、
−２秒間にわたってＶＯ＞９０％の場合、ＤＯは１０％減少する。
【００８９】
本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の他の変形及び利点を適用することができる。
【００９０】
本発明は、上記の例に限定されるものではなく、特に図示された例の特徴は、図示されていない変形例で組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００９１】
１０  固体酸化物電解セル
１２  カソード
１４  アノード
１６  固体酸化物膜
１８  相互接続プレート
２０  スタック
２１  第１のチャンバ
２２  第１の供給ライン
２３  第２のチャンバ
２４  弁
２５  第２の供給ライン
２６  出口ライン
２７  出口ライン
２８  電源
２９  出口ライン
３０  端子
３２  端子
４０  密閉容器
５０  凝縮器
【図１】
2019506537.tif 000004
【図２】
2019506537.tif 000005
【図３】
2019506537.tif 000006
【図４】
2019506537.tif 000007
【図５】
2019506537.tif 000008
【図６】
2019506537.tif 000009
【図７】
2019506537.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月3日(2018.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−潜在的に湿った気体である第１の気体が流れることができる少なくとも１つの第１のチャンバ（２１）、
−前記第１のチャンバの入口に最大動作圧力Ｐｍａｘまで潜在的に湿った気体を供給することができる少なくとも１つの第１の供給ライン（２２）であって、前記第１の気体の流量ＤＨをゼロ値から最大値ＤＨ，ｍａｘの間に調整することができる第１の流量調整器を備える、第１の供給ライン（２２）、
−第２の気体、好ましくは空気が流れることができる少なくとも１つの第２のチャンバ（２３）、
−前記第１及び第２のチャンバが収容され、同じ前記第２の気体が流れることができる密閉容器（４０）であって、最大動作圧力Ｐｍａｘまで前記第２の気体の圧力下で動作することができる密閉容器（４０）、
−前記密閉容器と前記第２のチャンバの入口に前記第２の気体を供給することができる少なくとも１つの第２の供給ライン（２５）であって、前記第２の気体の流量ＤＯをゼロ値から最大値ＤＯ，ｍａｘの間に調整することができる第２の流量調整器を備える、第２の供給ライン（２５）、
−前記密閉容器内から前記第２の気体を排出することができる少なくとも１つの出口ライン（２９）であって、前記第２の気体の流量Ｄｐｕｒｇｅをゼロ値から最大値Ｄｐｕｒｇｅ，ｍａｘの間に調整することができる第３の流量調整器を備える、出口ライン（２９）、
−大気圧と前記最大圧力値Ｐｍａｘとの間の、前記第１及び第２のチャンバの各々の圧力を測定することができる圧力センサ（ＰＨ、ＰＯ）、
−前記容器の外側で、前記１つ又は複数の第１のチャンバ及び前記１つ又は複数の第２のチャンバの出口ライン（２６；２７）にそれぞれ配置された少なくとも２つの調整弁（ＶＨ、ＶＯ）であって、各弁が、対象となる前記最大圧力値Ｐｍａｘにおける前記湿った気体の凝縮温度よりも高い温度でそれぞれ動作することができ、各弁が、０％から１００％まで開くことができ、前記最大圧力値Ｐｍａｘ及び前記２つの出口ライン（２６；２７）の各々の対象となる前記気体の平均流量に適した容量Ｋｖを有する、少なくとも２つの調整弁（ＶＨ、ＶＯ）、
−対象となる前記最大圧力値Ｐｍａｘにおけるこの湿った気体の凝縮温度を超える温度まで、前記湿った気体を含むラインを加熱する手段、及び、
−前記１つ又は複数の第１のチャンバと前記１つ又は複数の第２のチャンバとの間の最小圧力差を得るように、前記圧力センサによって測定された圧力値の差に応じて前記調整弁（ＶＨ、ＶＯ）に指令を送って自動的に制御する指令及び自動制御手段、
を含むシステム。
【請求項２】
前記湿った気体を凝縮するための凝縮器（５０）を備え、前記凝縮器が、前記１つ又は複数の第１のチャンバの前記出口ライン（２６）上の前記調整弁ＶＨの下流に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第２の気体用の弁ＶＯの完全な開放状態又は閉鎖状態を避けるために、前記指令及び自動制御手段が、さらに、前記第２の気体を調整するための前記弁ＶＯの開放状態に応じて前記第２の気体の流量ＤＯを調整する調整器に指令を送って自動的にすることができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
アノード、カソード並びに前記アノード及び前記カソードの間に挿入された電解質をそれぞれが含む固体酸化物基本電解セル又は共電解セルのスタック（２０）を備える高温電気分解又は共電解（ＨＴＥ）反応器を備え、前記セルが、直列に電気的に接続され、前記スタックが、前記セルに電流を供給する２つの電気端子を備え、前記第１のチャンバに関して、前記カソードにわたる蒸気及び水素、又は、蒸気、水素及び二酸化炭素（ＣＯ２）の流れのためのフローチャンバ、及び、前記第２のチャンバに関して、前記アノードにわたる空気若しくは窒素若しくは酸素、又は、酸素を含む気体の混合物の流れのためのフローチャンバを規定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
アノード、カソード並びに前記アノード及び前記カソードの間に挿入された電解質をそれぞれが含む固体酸化物基本電気化学セルのスタック（２０）を備える高温燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを備え、前記セルが、直列に電気的に接続され、前記スタックが、前記セルからの電流の収集のための２つの電気端子を備え、前記第１のチャンバに関して、前記アノードにわたる二水素若しくは他の燃料気体、又は、燃料気体を含む混合物の流れのためのフローチャンバ、及び、前記第２のチャンバに関して、前記カソードにわたる前記空気若しくは窒素若しくは酸素、又は、酸素を含む気体の混合物の流れのためのフローチャンバを規定する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１のチャンバの各々及び前記第２のチャンバの各々における圧力を各々がそれぞれ測定することができる少なくとも２つの絶対圧センサ（ＰＨ、ＰＯ）を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１のチャンバの各々の圧力をそれぞれが測定することができる１つ又は複数の絶対圧センサＰＨを備え、それぞれ前記１つ又は複数の第２のチャンバと前記１つ又は複数の第１のチャンバとの間の圧力差ΔＰＯ＝（ＰＯ−ＰＨ）を測定することができる１つ又は複数の差圧センサを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
各々が前記調整弁ＶＨ、ＶＯとそれぞれ並列に配置されたバイパス弁ＶＨ，ｂｙｐａｓｓ、ＶＯ，ｂｙｐａｓｓをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
（ａ）以下の動作設定値を規定する段階：
（ａ１）予め設定された電気化学的な動作点に必要な潜在的に湿った気体の量に対応する流量ＤＨを規定する段階、
（ａ２）予め設定された電気化学的な動作点に必要であり、前記密閉容器をパージするために必要な第２の気体の量に対応する流量ＤＯを規定する段階、
（ａ３）漏れに関する検出及び安全性を保証し、並びに、前記容器内の爆発性雰囲気の形成を防止するのに必要な第２の気体の量に対応する流量Ｄｐｕｒｇｅを規定する段階、
（ａ４）前記予め設定された動作点における圧力Ｐｓｅｔｐｏｉｎｔを規定する段階、
（ａ５）前記１つ又は複数の第２のチャンバ及び前記密閉容器の圧力と、前記１つ又は複数の第１のチャンバの圧力との間の圧力差に対応する差圧ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔを規定する段階、
（ｂ）以下の調整を適用する段階：
（ｂ１）前記湿った気体の流量ＤＨを調整するために、前記湿った気体の流量を調整するための１つ（又は複数）の調整器を作動させる段階、
（ｂ２）前記１つ又は複数の第２のチャンバ及び前記容器に入る前記流量ＤＯを調整するために、前記第２の気体の流量を調整する１つ（又は複数）の調整器を作動させる段階、
（ｂ３）前記容器から出る流量Ｄｐｕｒｇｅを調整するために、前記パージガスの流量を調整するための１つ（又は複数）の調整器を作動させる段階、
（ｂ４）前記１つ又は複数の第１のチャンバの実際の圧力ＰＨを前記設定値Ｐｓｅｔｐｏｉｎｔに調整するために、前記湿った気体を調整するための弁ＶＨを作動させる段階、及び、
（ｂ５）一方で前記１つ又は複数の第２のチャンバ及び前記容器と、他方で前記１つ又は複数の第１のチャンバとの間の前記実際の差圧ΔＰＯ＝（ＰＯ−ＰＨ）が、前記設定値に対して測定された誤差（ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔ−ΔＰＯ）に従って調整され、前記第２の気体の圧力ＰＯが、前記設定値の差圧ΔＰＯ，ｓｅｔｐｏｉｎｔを有する１つ又は複数の第１のチャンバのＰＨに従うように、前記第２の気体の弁ＶＯを作動させる段階、
を含む、請求項１に記載のシステムの動作方法。
【請求項１０】
前記第２の気体を調整するための弁Ｖ０が完全閉鎖の状態に近い場合、前記第２の気体の流速Ｄ０を増加させる段階をさらに含む、請求項９に記載の動作方法。
【請求項１１】
前記第２の気体を調整するための弁Ｖ０が完全開放の状態に近い場合、前記第２の気体の流量Ｄ０を減少させる段階をさらに含む、請求項９に記載の動作方法。
【国際調査報告】
2019506537.tif 000011
2019506537.tif 000012
2019506537.tif 000013
2019506537.tif 000014