(57)【要約】【課題】ＨＴＥ電解槽またはＳＯＦＣセルを収容する加圧された漏れ止めチャンバを必要とするＳＯＥＣタイプの電解槽（ＨＴＥ）またはＳＯＦＣタイプの燃料電池の既存の構成を省くという利点を保ちながら、改善を見いだすこと。【解決手段】本発明は、水の電気分解もしくは共電解のための新規なモジュールまたはＳＯＦＣ燃料電池の新規なモジュールに関するものであり、このモジュールの内部では、シールを圧縮するのに必要な力が、モジュールの電流の通路を保証する電気接触要素を圧縮するのに必要な力から分離されている。【選択図】図９
2019081952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＯＥＣタイプの電気分解または共電解のリアクタの個々のユニットを形成するように意図されたモジュールであって、
−陰極（２．１）と、陽極（４．１）と、前記陰極と前記陽極との間に挿入された電解質（３．１）とから形成された個々の電気化学セル（Ｃ１）と、
−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、前記第１のデバイス（５．１）および前記第２のデバイス（５．２）のそれぞれが電気および流体のインタコネクタを形成し、前記第１のデバイス（５．１）および前記第２のデバイス（５．２）のそれぞれが電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素から成り、第１および第２のインタコネクタが、それぞれ前記個々のセルの両側に配置されており、前記第２のインタコネクタ（５．２）を貫通している、生成された水素を回収するためのコンジット（５９）が、前記陰極側の前記セルの周囲において開き、前記第２のインタコネクタ（５．２）を貫通している、生成された酸素を回収するためのコンジット（５７）が、生成された前記酸素を前記回収コンジットへ均一に分配するように前記陽極（４．１）側のセルの周囲において開く、第１のデバイス（５．１）および第２のデバイス（５．２）と、
−前記個々のセルの周囲に配置されて、前記第１のインタコネクタおよび前記第２のインタコネクタの両方を担持する第１の電気的絶縁シール（６１）と、
−前記個々のセルの前記陽極の周囲に配置されて、前記第２のインタコネクタと前記電解質の両方を担持する第２のシール（６３）であって、ガラスベースおよび／またはガラスセラミックベースである第２のシール（６３）と、
−前記インタコネクタを互いに組み立てるための機械的手段（１１）であって、前記第１のシールを圧縮によってクランプするのに適している機械的手段（１１）と、
−電極のうちの１つと前記インタコネクタのうちの１つの間に配置された少なくとも１つの電気接触要素（９、１０）と、
−電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素を備え、前記第１のインタコネクタの内部でスライドするように取り付けられて、前記電気接触要素を圧縮するのに適切な圧縮ピストン（２０）であって、水蒸気および前記モジュールの内部で生成された水素の圧力が上昇するとき前記圧縮ピストンの圧縮力が調節され、前記圧縮ピストンを貫通する、前記水蒸気を供給するためのコンジット（５０）が、供給された前記水蒸気および生成された前記水素を、前記供給コンジットから前記回収コンジットへそれぞれ均一に分配するように前記陰極（２．１）側の前記セルにおいて開く、圧縮ピストン（２０）と、
−一端を前記圧縮ピストンに組み合わされ、他端を前記第１のインタコネクタに組み合わされた密封ベローズ（３０）であって、前記水蒸気および前記モジュールの内部で生成された前記水素の前記圧力を包含することと、前記圧縮ピストンの変位の方向に沿って変形することとの両方に適切な密封ベローズ（３０）と、
を備える、モジュール。
【請求項２】
前記第２のインタコネクタ（５．２）には、空気などの供給された排出ガスおよび生成された前記酸素をそれぞれ前記供給コンジット（５１）から前記回収コンジット（５７）へ均一に分配するように、前記排出ガスを前記陽極側の前記セル上に供給するためのコンジット（５１）が貫通している、請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
ＳＯＦＣタイプの燃料電池の個々のユニットを形成するように意図されたモジュールであって、
−陰極（２）と、陽極（４）と、前記陰極と前記陽極との間に挿入された電解質（３）とから形成された個々の電気化学セル（Ｃ１）と、
−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、前記第１のデバイス（５．１）および前記第２のデバイス（５．２）のそれぞれが、電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素から成り、それぞれが電気および流体のインタコネクタを形成し、前記第１および第２のインタコネクタが、それぞれ前記個々のセルの両側に配置されており、生成された水を回収するためのコンジット（５９）が、前記陽極側の前記セルの周囲において前記第２のインタコネクタ（５．２）を貫通しており、前記第２のインタコネクタ（５．２）を貫通している、空気または酸素を供給するためのコンジット（５１）が、前記陰極（２．１）側の前記セルにおいて開き、前記第２のインタコネクタを貫通している、余分な空気または酸素を回収するためのコンジットが、空気または酸素を前記供給コンジットから前記回収コンジットへ均一に分配するように、前記陰極側の前記セルの周囲において開く、第１のデバイス（５．１）および第２のデバイス（５．２）と、
−前記個々のセルの周囲に配置されて、前記第１のインタコネクタおよび前記第２のインタコネクタの両方を担持する第１の電気的絶縁シール（６１）と、
−前記個々のセルの前記陰極の周囲に配置されて、前記第２のインタコネクタと前記電解質の両方を担持する第２のシール（６３）であって、ガラスベースおよび／またはガラスセラミックベースである第２のシール（６３）と、
−前記インタコネクタを互いに組み立てるための機械的手段（１１）であって、前記第１のシールを圧縮によってクランプするのに適している機械的手段（１１）と、
−前記電極のうちの１つと前記インタコネクタのうちの１つの間に配置された少なくとも１つの電気接触要素（９、１０）と、
−電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素を備え、前記第１のインタコネクタの内部でスライドするように取り付けられて、前記電気接触要素を圧縮するのに適切な圧縮ピストン（２０）であって、燃料および前記モジュールの内部で生成された水の圧力が上昇するとき前記圧縮ピストンの圧縮力が調節され、前記圧縮ピストンを貫通する、燃料を供給するためのコンジット（５０）が、供給された前記燃料および生成された前記水をそれぞれ、前記供給コンジットから前記回収コンジットへ均一に分配するように前記陽極（４．１）側の前記セルにおいて開く、圧縮ピストン（２０）と、
−一端を前記圧縮ピストンに組み合わされ、他端を前記第１のインタコネクタに組み合わされた密封ベローズ（３０）であって、前記燃料および前記モジュールの内部で生成された前記水の圧力を包含することと、前記圧縮ピストンの変位の方向に沿って変形することとの両方に適切な密封ベローズと、
を備える、モジュール。
【請求項４】
前記第１のシールが、マイカ製のワッシャまたはリングから成るものである請求項１から３のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項５】
好ましくは金属グリッド（９、１０）である２つの電気接触要素を備え、１つが一方の前記陰極（２．１）と一方の前記インタコネクタ（５．１）の間にあり、もう１つが他方の前記電極（４．１）と他方の前記インタコネクタ（５．２）の間にある、請求項１から４のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項６】
前記第１のインタコネクタおよび／または前記第２のインタコネクタが、前記第１のシール（６１）と前記セル（Ｃ１）の間に形成された第１の溝（５４）を備え、前記第１のインタコネクタの前記供給コンジット（５０）が、供給された水蒸気および生成された水素あるいは供給された燃料および生成された水を、前記第１のインタコネクタの前記回収コンジットへ均一に分配するように、前記第１の溝（５４）と連通している、請求項１から５のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項７】
前記第２のインタコネクタ（５．２）が、前記第２のシール（６３）によって境界を定められた領域の内部に形成された第２の溝（５７）を備え、前記第２のインタコネクタの前記供給コンジット（５１）が、生成された酸素または供給された空気を、前記第２のインタコネクタの前記回収コンジット（５７）へ均一に分配するように、前記第２の溝（５７）と連通している、請求項１から６のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項８】
−前記第１のインタコネクタおよび前記第２のインタコネクタには、それぞれ水蒸気または燃料を供給するための追加のコンジット（５２、５６）が貫通し、前記２つの追加の供給コンジットは、電気的絶縁性の接続管（Ｔ）を介して互いに接続され、前記第１のインタコネクタ（５．１）の前記追加の供給コンジット（５２）が、前記モジュールの外部のパイプ（６０）によって前記圧縮ピストン（２０）を貫通する前記供給コンジット（５０）に接続されており、
−前記第１のシール（６１）の内部にある第３のシール（６４）の内部に前記接続管（Ｔ）が収容されている、
請求項１から７のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項９】
前記個々の電気化学セル（Ｃ１）、前記第１のインタコネクタ（５．１）および前記第２のインタコネクタ（５．２）、前記第１のシール（６１）および前記第２のシール（６３）、前記圧縮ピストン（２０）および前記密封ベローズ（３０）が、中心軸（Ｘ）のまわりに線対称の形であり、試薬ガス（水蒸気または燃料）を供給するための前記コンジット（５０）および試薬ガス（空気または酸素などの排出ガス）を供給するための前記コンジット（５１）が、前記中心軸（Ｘ）に沿って開く、請求項１から８のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記第１のインタコネクタおよび／または前記第２のインタコネクタおよび／または前記圧縮ピストンの金属部品が、およそ２０％のクロムを含有しているフェライト鋼製であって、好ましくはＣＲＯＦＥＲ（登録商標）２２ＡＰＵもしくはＦ１８ＴＮｂで作製されており、またはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００もしくはＨａｙｎｅｓ（登録商標）２３０（登録商標）タイプのニッケルベースである、請求項１から９のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記密封ベローズが、およそ２０％のクロムを含有しているフェライト鋼製であり、好ましくはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６２５またはＨａｙｎｅｓ（登録商標）２３０（登録商標）ベースである、請求項１から１０のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項１２】
請求項１、２、および４から１１のいずれか一項に記載のＨＴＥまたは共電解の電気分解モジュール（Ｍ１）を動作させるためのプロセスであって、
−前記圧縮ピストン（２０）の前記供給コンジット（５０）には、水蒸気あるいは二酸化炭素および二酸化窒素から選択された別のガスと水蒸気の混合物が供給され、
−前記リアクタ内部の前記圧力が上昇するとき、前記圧縮ピストンによって前記電気接触要素に印加される前記圧縮力が調節され、
−水素あるいは水蒸気の電気分解または共電解によって生成された水素と窒素または一酸化炭素とが回収される、プロセス。
【請求項１３】
前記第２のインタコネクタ（５．２）の前記供給コンジット（５１）に、空気などの排出ガスが供給され、供給される前記排出ガスの圧力が、前記水蒸気または前記水蒸気と他のガスの混合物の圧力と実質的に等しく、生成された前記酸素が回収される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
請求項３から１２のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ燃料電池モジュール（Ｍ１）を動作させるためのプロセスであって、
−前記圧縮ピストンの前記供給コンジットには水素またはメタンなどの燃料が供給され、
−前記第２のインタコネクタの前記供給コンジットには空気または酸素が供給され、供給される前記燃料の圧力および前記空気または酸素の圧力が、前記水素またはメタンの圧力と実質的に等しく、
−前記セルの内部の圧力が上昇するとき、前記圧縮ピストンによって前記電気接触要素に印加される前記圧縮力が調節され、
−余分な燃料、片側で生成された水および反対側の余分な空気または酸素が、それぞれの回収コンジットに回収される、プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の分野と、固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）における水の高温電気分解（ＨＴＥ）（または高温蒸気電気分解の頭字語であるＨＴＳＥ）の分野と、水と二酸化炭素ＣＯ２または二酸化窒素ＮＯ２から選択された別のガスとの高温共電解の分野とに関するものである。
【０００２】
より詳細には、本発明は、水蒸気Ｈ２Ｏから水素Ｈ２を生成するためにＳＯＥＣタイプの水の高温電気分解または共電解（ＨＴＥ）用のリアクタの内部で電流およびガスを分配するための、電気的インタコネクタと流体連絡管を統合する新規なモジュールの生産、またはＳＯＦＣタイプの燃料電池の生産と、個々の電気化学セルとに関するものである。
【０００３】
本発明によるモジュールは、圧力下の動作を可能にするものである。
【０００４】
本発明は、主として水の高温電気分解における適用を参照しながら説明されるが、水と二酸化炭素ＣＯ２または二酸化窒素ＮＯ２から選択された別のガスとの共電解、およびＳＯＦＣ燃料電池にも、同様に都合よく適合する。
【０００５】
本発明は、水素またはたとえばメタンＣＨ４といった炭化水素のいずれかを燃料として使用するＳＯＦＣ燃料電池に適用される。
【背景技術】
【０００６】
水の電気分解は、電流を用いて、次式の反応によって、水をガス状の二酸素と二水素に分解する電解反応である。
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２
【０００７】
水の電気分解を、一般的には６００〜９５０℃の高温で実行すると、反応に必要なエネルギーのいくらかが、電力ほど割高でない熱によって供給され得、また、高温では、反応の活性化がより効率的であって触媒を必要としないので、有利である。高温電気分解を実施するためにＳＯＥＣ（「固体酸化物電解セル」の頭字語）タイプの電解槽を使用することが知られており、前記電解槽は、互いに重ねられた３つの層（陽極／電解質／陰極）から成る固体酸化物電解セルをそれぞれが備える個々のユニットのスタックと、双極のプレートすなわちインタコネクタとも称される合金製の相互接続プレートのスタックとから成るものである。インタコネクタの機能は、各セルに電流およびガスを流すこと（ＨＴＥ電解槽において水蒸気を注入して水素および酸素を抽出すること、ＳＯＦＣセルにおいて水素および空気を注入して水を抽出すること）と、セルの陽極側のガス流れの陽極室とセルの陰極側のガス流れの陰極室を分離することとの両方である。水蒸気の高温電気分解（ＨＴＥ）を実行するために、陰極室に水蒸気（Ｈ２Ｏ）が注入される。セルに印加される電流の作用の下で、水素電極（陰極）と電解質の間の境界面において水蒸気の形態の水分子の解離が起こり、この解離が二水素ガス（Ｈ２）および酸素イオンを生成する。二水素が収集され、水素室の出口において放出される。酸素イオン（Ｏ２−）は電解質を通って移動して、電解質と酸素電極（陽極）の間の境界面において二酸素へと再結合する。
【０００８】
図１において概略的に示されるように、個々の電解セル１は、固体電解質３の両側にそれぞれ配置された陰極２および陽極４から、全体的に膜の形態で形成されている。２つの電極（陰極２および陽極４）は多孔性材料製の導電体であり、電解質３は気密性の電子絶縁体であってイオン導体である。電解質は、具体的には陰イオン導体、より正確にはＯ２−イオンの陰イオン導体でよく、そこで、電解槽は陰イオン電解槽と称される。
【０００９】
電子導体の各々とイオン導体の間の境界面において電気化学反応が起こる。
【００１０】
陰極２における半反応は次式の通りである。
２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→２Ｈ２＋２Ｏ２−
【００１１】
陽極４における半反応は次式の通りである。
２Ｏ２−→Ｏ２＋４ｅ−
【００１２】
２つの電極２と４の間に挿入された電解質３は、陽極４と陰極２の間に与えられた電位差によって生成される電界の効果の下でＯ２−イオンが移動する場所である。
【００１３】
図１の括弧の中に示されるように、陰極の入口における水蒸気には水素Ｈ２が伴ってよく、出口において生成されかつ回収される水素には水蒸気が伴ってよい。同様に、破線で示されるように、生成された酸素を除去するために、入口において空気などの排出ガスも付加的に注入されてよい。排出ガスの注入は、温度調節器としての付加的な役割がある。
【００１４】
個々の電気分解リアクタは、前述のように、陰極２、電解質３、および陽極４を有する個々のセルと、電気分配機能、流体分配機能および熱分配機能をもたらす２つの単極コネクタとから成る。
【００１５】
生成される水素および酸素の流量を増加するために、互いに積み重ねられたいくつかの個々の電解セルを、通常は双極の相互接続プレートすなわちインタコネクタとして既知の相互接続デバイスで分離することが知られている。この組立体は、電解槽（電気分解リアクタ）の電気供給およびガス供給を担う２つの端部の相互接続プレートの間に配置される。
【００１６】
したがって、高温水電解槽（ＨＴＥ）は、互いに積み重ねられた電解セルを、少なくとも１つ、一般的には２つ以上備え、個々のセルは、陰極および陽極の電解質から形成されており、電解質は陽極と陰極の間に挿入されている。
【００１７】
１つまたは複数の電極と電気接触している、流体および電気の相互接続デバイスは、一般に、電流を導入して収集する機能をもたらし、ガスの循環のための１つまたは複数の隔室の境界を定める。
【００１８】
したがって、「陰極」室は、電流および水蒸気を分配する役割を有し、接触している陰極において水素を回収する役割も有する。
【００１９】
「陽極」室は、電流を分配する役割を有し、接触している陽極において生成された酸素を、任意選択で排出ガスの助けを借りて回収する役割も有する。
【００２０】
図２は、現況技術による高温蒸気電解槽の個々のユニットの分解組立図を示す。このＨＴＥ電解槽は、インタコネクタ５を伴って交互に積み重ねられた複数の個々の固体酸化物タイプの電解セル（ＳＯＥＣ）Ｃ１、Ｃ２、．．．を備える。それぞれのセルＣ１、Ｃ２、．．．は、間に電解質３．１、３．２、．．．が配置された、陰極２．１、２．２、．．．と陽極４．１、４．２、．．．とから成る。電解セルの組立体は直列で電流を供給され、並列でガスを供給される。
【００２１】
インタコネクタ５は合金製の構成要素であり、インタコネクタ５と隣接した陰極２．１の間のボリュームによって画定される陰極室５０と、インタコネクタ５と隣接した陽極４．２の間のボリュームによって画定される陽極室５１との間の分離をもたらすものである。インタコネクタ５は、セルに対するガスの分配ももたらす。陰極室５０において、それぞれの個々のユニットに水蒸気が注入される。セルＣ１、Ｃ２、．．．による水蒸気の解離の後に、生成された水素および陰極２．１、２．２、．．．における残留水蒸気が、セルＣ１、Ｃ２、．．．の下流の陰極室５０において収集される。セルＣ１、Ｃ２、．．．による、酸素イオンを与えるための水蒸気の解離の後に、陽極４．２において生成された酸素が、セルＣ１、Ｃ２、．．．の下流の陽極室５１において収集される。
【００２２】
インタコネクタ５は、隣接した電極と直接接触することにより、セルＣ１とＣ２の間、すなわち陽極４．２と陰極２．１の間に電流の通路をもたらす。
【００２３】
現況技術による固体酸化物燃料電池ＳＯＦＣでは、セルＣ１、Ｃ２、．．．および使用されるインタコネクタ５は同一の構成要素であるが、動作は、たった今説明されたものなどのＨＴＥ電解槽の動作と逆であって、電流の方向が逆であり、陰極室には空気が供給され、陽極室には燃料として水素が供給される。
【００２４】
ＨＴＥ電解槽の満足すべき動作は、とりわけ、以下の必須機能を必要とする。
Ａ／  ２つのインタコネクタの間に挿入された個々の電解セルの短絡を防止するために、スタックにおける２つの隣接したインタコネクタの間に十分な電気的絶縁を与えること。
Ｂ／  生成されたガスの再結合を防止するために、２つの個別の隔室、すなわち陽極室と陰極室の間に十分な耐漏えい性を与えること。ガスが再結合すると、収量が減少し、とりわけホットポイントが出現して電解槽に被害を与える恐れがある。これは開放セル電圧（ＯＣＶ）を求めることに対応する。
Ｃ／  収量の損失、様々な個々のセルの内部の圧力および温度の不均一性、またはセルの容認できない劣化さえも防止するために、ガスの入口および生成されたガスの回収の両方においてガスを十分に分散させること。これは最低の分極抵抗を求めることに対応する。
Ｄ／  セルとインタコネクタの間のオーム抵抗を最小にするために、それぞれのセルとインタコネクタの間に優れた電気接触および十分な接触表面積を与えること。
【００２５】
温度が高いと、３つの前述の必須機能Ａ／〜Ｃ／を達成するのがかなり面倒になる。加えて、固体酸化物セルの脆弱性に対して、その機械的完全性を保証するように、特定の限定的な設計上の対策を施す必要がある。
【００２６】
４つの必須機能Ａ／〜Ｄ／を同時に実現するための様々な設計が既に存在するが、克服するべき種々の難点が残されている。
【００２７】
詳細には、機能Ｂ／の実現に関して、ＨＴＥ電解槽およびＳＯＦＣ燃料電池の一般的には６００℃〜１０００℃の高い動作温度範囲を想定して、シールは、従来、ガラスベースまたはガラスセラミックベースで生成されている。ガラスシールは、上記の動作温度ではペースト状態である。
【００２８】
設計段階では、シールに印加される圧力差の影響下でガラスを押し出さないように注意する必要がある。ガラスセラミックシールは、結晶化させて動作温度では固体になるように、現場で熱サイクルを受ける。ガラスセラミックは、ガラスシールと同様に、固体になる前に押し出されることのないように注意する必要がある。
【００２９】
最も簡単な構成には、ＳＯＥＣリアクタまたはＳＯＦＣ燃料電池にある様々な多孔性材料とは反対に、２つの稠密な平面要素の間にガラスを配置するものがあり、表面張力によって、シールの両側の特定の圧力差までは、流れるのを防止することができる。
【００３０】
この安定性を促進するために、可能な限りシールの高さを縮小すること、ガラスと接触する領域の表面積を増加すること、およびシールにかかる圧力差を低減することが必要である。
【００３１】
ＳＯＥＣリアクタまたはＳＯＦＣセルの内部に、ガラスベースでこのタイプの漏れ止めシールを生成するのには、多くの課題がある。第１に、セルの両側の電極は多孔性であり、したがって、ガラスベースのシールを簡単に支持することができない。その上に、隣接したインタコネクタ間の電気的絶縁を保証する必要があるが、これはガラスのフィルムが薄くなりすぎることによるリスクを逃れて保証することはできない。最後に、これらのガラスは高さを縮小するために圧縮する必要があるばかりでなく、セルとインタコネクタの間の電気接触も保証しなければならない。このクランプは、その機械的完全性を保つために、セルのいかなる張出しも防止しながら実行する必要がある。
【００３２】
特許出願ＦＲ３０００１０８に開示された構成では、これらの制約のいくつかは、シールの両側の非多孔性表面の密度によって考慮に入れられており、個々のセルは、その支持体（ＨＴＥにおける陰極またはＳＯＦＣにおける陽極）上で平坦に保たれ、２つの隣接したインタコネクタ間にクランプされ、回路が完成しないように電気的絶縁体によって分離されたガラスまたはガラスセラミックのタイプの第１のシールおよび第２のシールがインタコネクタの間に配置されて、生成された水素（ＳＯＦＣに供給される燃料）の耐漏えい性をもたらし得、最後に、同一のタイプの第３のシールが、電解質とインタコネクタの間の陽極側（ＳＯＦＣでは陰極側）に配置されて、生成された酸素（またはＳＯＦＣに供給される空気）の耐漏えい性をもたらし得る。したがって、開示された構成では、それぞれのシールは、本質的に漏れ止めの非多孔性支持体上にある。その上に、シール間の大きい表面張力およびシールの支持により、シールの両側において、特定の圧力差まで、ガラスが流れるのを防止することができる。シールの十分な機械的強さの獲得を促進するために、シールの高さをできるだけ縮小し、かつガラスに接触する領域の表面積を増大する必要がある。
【００３３】
上記で説明されたように、ガラスまたはガラスセラミックのシールの高さは、クランプすることによって縮小される。クランプは、スタックの接点抵抗値の影響を緩和するため、すなわち、前述の機能Ｄ／すなわちセルとインタコネクタの間の十分な電気接触を保証するためにも必要とされる。しかしながら、電解セルはそのシールのために突き出て取り付けられる。したがって、セルの破損をもたらす恐れのあるセルの曲げを損なう可能性なしで、シールの高さを縮小し、セルとインタコネクタの間の十分な電気接触の機能Ｄ／も保証するために必要とされるクランプが、実行される必要もある。
【００３４】
したがって、出願ＦＲ３０００１０８のものなど、ガラスベースまたはガラスセラミックベースのシールを伴う構成は、電気的絶縁およびＨＴＥの部品またはＳＯＦＣスタックの間の変形の適応という明白な利点を有する。
【００３５】
これにもかかわらず、前述のように、ガラスベースまたはガラスセラミックベースのシールは、約数百ミリバールという小さい圧力差にしか耐えないという固有の大きな欠点を有する。
【００３６】
ＳＯＦＣセルまたはＨＴＥリアクタの、一般的には数バール〜数十バール、一般的には３０バールといった圧力下の内部動作は、したがってシールによる耐漏えい性の損失を防止するための解決策が必要とされる。
【００３７】
ＨＴＥリアクタスタックまたはＳＯＦＣセルを、それ自体が加圧される漏れ止め密閉箱の中に配置するという解決策が既知である。このタイプの解決策を開示している特許または特許出願の、ＦＲ  ２９５７３６１Ａ１、米国特許出願公開第２００２／００８１４７１号、および米国特許第６６８９４９９  Ｂ２号がここで言及される。この既知の解決策は、スタックの内部と外部に同一の圧力を印加することができるという利点を有する。したがって、これにより、ガラスまたはガラスセラミックのシールに機械的ストレスをかけることなく、数バール〜数十バールの高い圧力における動作が可能になる。
【００３８】
しかしながら、これは、一般的には３０バールといったこれらの圧力をかけられるチャンバの機械的強さを保証する必要があり、しかも、このチャンバは、内部で水素Ｈ２および酸素Ｏ２が循環する一般的には８００℃といった高温のスタックを包含している。この加圧されたチャンバの安全性を管理することは、些細でない課題であり得る。
【００３９】
その上に、チャンバがあるために、インタコネクタとセルの間の十分な電気接触を保証することを可能にする、スタックをクランプしておくことが複雑になる。詳細には、クランプ要素を比較的冷たい領域へ移動させるのが容易でない。
【００４０】
最後に、加圧されたチャンバは、チャンバの外部とのガスおよび電流の供給／回収を実行するために、ガスおよび電流を漏れなく通す通路を伴って製造されなければならない。したがって、これらの通路のいくつかは電気的絶縁性でなければならず、水蒸気を包含している通路は、水蒸気のいかなる噴出も防止するために、制御された温度になければならない。実際は、入口パイプおよび／または出口パイプにおける温度が制御されていなければ、内部で連続的に循環する水蒸気が冷たい領域に遭遇し、次いで、制御されないやり方で圧縮される可能性がある。これによって噴出が生じ、ガスおよび圧力の供給における変動が発生する。
【００４１】
これらの予防策のすべてが、複雑で割高な、加圧された漏れ止めチャンバとＨＴＥリアクタまたはＳＯＦＣセルとを統合する完全な設置をもたらすものである。
【００４２】
したがって、本出願人は、出願ＷＯ２０１６／０９６７５２において、ＨＴＥリアクタ（電解槽）またはＳＯＦＣセルを収容する加圧された漏れ止めチャンバを省く一方で圧力下の動作を可能にする解決策を提案した。
【００４３】
この解決策は、ＳＯＦＣセルにおいて電気分解反応または逆反応に必要な試薬ガスに追加のガスを循環させて、圧力下の動作中に、ガラスベースおよび／またはガラスセラミックベースのシールの片側におけるこの追加のガスの圧力を反対側で発生された試薬ガスの圧力と等しくするのに適切な回路を有する個々のモジュールを製造することにある。
【００４４】
出願ＷＯ２０１６／０９６７５２による個々のモジュールＭ１の一実施形態の説明が、図３〜図６に関連してより詳細にここで再現される。
【００４５】
まず、これらの図に示されたストッパ（Ｂ）は、ガスの供給コンジットと回収コンジットの境界を定めるために、インタコネクタ構成要素に作製された穴を溶接によって密封するように働くことが明示される。しかしながら、インタコネクタは、一旦仕上げられると、ＨＴＥリアクタの動作における機能はない。
【００４６】
モジュールＭ１は、中心軸Ｘのまわりに線対称の形で個々の電気化学セル（Ｃ１）を備え、セルＣ１は、陰極と、陽極と、陰極と陽極の間に挿入された電解質とから形成されており、セルＣ１の両側に２つの電気および流体のインタコネクタ５．１、５．２がある。
【００４７】
２つのインタコネクタ５．１、５．２のそれぞれが単一の金属部分から製造されており、好ましくはおよそ２０％のクロムを含有しているフェライト鋼製であり、好ましくはＣＲＯＦＥＲ（登録商標）２２ＡＰＵもしくはＦ１８ＴＮｂ製であり、またはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００もしくはＨａｙｎｅｓ（登録商標）タイプのニッケルベースである。
【００４８】
上部のインタコネクタ５．１を貫通している水蒸気供給用のコンジット５０は、陰極側のセルにおいて中心軸に沿って開く。以下で説明されるように、生成された水素を回収するための、陰極側のセルの周囲において中心軸と平行に開くコンジット５９に対して、供給された水蒸気および生成された水素の径方向の分布が与えられる。
【００４９】
下部のインタコネクタ５．２を貫通している、空気などの排出ガスを供給するためのコンジット５１は、陽極側のセルの中心軸に沿って開く。以下で説明されるように、生成された酸素を回収するための、陰極側のセルの周囲において中心軸と平行に開くコンジット５４に対して、供給された空気および生成された酸素の径方向の分布が与えられる。
【００５０】
中心軸Ｘのまわりで線対称の形の第１のシール６１が、個々のセルＣ１の周囲に配置され、２つのインタコネクタの各々を同時に担持している。このシールは、陰極室のまわりの耐漏えい性を保証するために設けられている。
【００５１】
中心軸のまわりで線対称の形の第２のシール６３が、個々のセルの陽極の周囲に配置され、下部のインタコネクタおよび電解質を同時に担持している。このシールは、陽極室のまわりの耐漏えい性を保証するために設けられている。シール６１および６３は、ガラスベースおよび／またはガラスセラミックベースである。
【００５２】
電気的絶縁および密封のためのデバイス８は、中心軸Ｘのまわりで線対称の形であって、陰極室のあたりの第１のシールの周囲に配置されている。
【００５３】
デバイス８は、互いに接することなく第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た、ウェッジを形成する電気的絶縁ワッシャ８０から成る。第３の金属シール８１および第４の金属シール８２の各々が金属であって、それぞれ上部のインタコネクタおよび下部のインタコネクタを担持する。
【００５４】
下部のインタコネクタ５．２を、等化ガスと称されるガスを供給するための少なくとも１つのコンジット５８と、この等化ガスを回収するための少なくとも１つのコンジット５８とが貫通しており、コンジット５８は、動作中に第１のシール６１の両側の圧力を等しくするために等化ガスを環状に分配するように、シール６１とデバイス８の間に境界を定められた環状空隙Ｅ上に開く。
【００５５】
デバイス８は、一般的には１０〜３０バールであるＨＴＥリアクタの動作圧にできるだけ近い値にされる等化ガスの圧力と、一般的には１バールであるモジュールの外側の圧力の間の大きな圧力差に耐えるのに適切である。絶縁ワッシャ８０により、下部のインタコネクタ５．２と上部のインタコネクタ５．１の間のいかなる短絡も防止することができる。最後に、金属シールは、インタコネクタ、特にステンレスフェライト鋼ベースのインタコネクタの材料と相性のよい膨張を得るのに適切である。
【００５６】
絶縁ワッシャすなわちウェッジ８０はジルコニア製でよく、２つの金属シール８１、８２は、たとえばＦｅｃｒａｌｌｏｙ（登録商標）製の、クロムおよび鉄を含む合金ベースでよい。
【００５７】
図に見られるように、上部のインタコネクタ５．１を貫通する水平方向の供給コンジット５２は、中央の供給コンジット５０において開く。上部のインタコネクタは、上部の金属シール８１および絶縁ウェッジ８０を収容するための環状溝５３も備える。
【００５８】
下部のインタコネクタ５．２が備える担持領域上に、第２のシール６３と個々のセルの両方が配置されている。下部のインタコネクタ５．２は、密封デバイス８を受けるために、セルの直近の周囲から外部にかけて、Ｈ２Ｏ／Ｈ２混合物の放射状の流れのための環状溝５４と、平面と、セルのまわりで同心の別の環状溝５５とを備える。上部のインタコネクタ５．１の中央の供給コンジット５１と連通するように意図された水平方向の供給コンジットが、平面を貫通している。
【００５９】
下部のインタコネクタ５．２の平面は、シール６１における、水平方向の供給コンジット５６のまわりの支持体として働く。シール６１は、好ましくはスロット６１１を有するマイカ製のワッシャまたはリング６１０を備え、スロット６１１の中にガラスまたはガラスセラミックのビードが生成されることが理解され得る。このガラスまたはガラスセラミックのビードは、クランプ中にスロット６１１に流れ込み、それによって、２つのインタコネクタ５．１と５．２の間の十分な接着を伴う接続をもたらし、また、この接続は、マイカリング６１０によって水平方向の適所に固定される。
【００６０】
下部のインタコネクタ５．２を貫通する環状溝５５は、等化ガスを供給するためのコンジット５８および等化ガスを回収するためのコンジット５８へと開く。
【００６１】
等化ガスを供給するためのコンジット５８および等化ガスを回収するためのコンジット５８の各々が、密封デバイス８を収容するための溝５５において開く。上部のインタコネクタ５．１の溝５３および下部のインタコネクタ５．２の溝５５に密封デバイス８を取り付けるための水平方向の隙間が設けられており、この隙間は、等化ガスが、デバイス８と溝５３、５５の内部の間でこのように画定された環状空隙（Ｅ）へと進むことを可能にするのに十分なものである。密封デバイス８の内部の供給コンジット５８の穿孔の下部に作製された通路によって等化ガスが環状空隙（Ｅ）に達し得、それによって等化ガスの環状の分布が保証される。等化ガスのこの環状の分布が、試薬ガス室のまわりに、周辺のガスの幕のようなものを形成して、圧力を等しくすることが可能になる。
【００６２】
試薬ガスを下部のインタコネクタ５．２上に分配するための溝５４、５７が存在することにより、軸Ｘのまわりで線対称のジオメトリを有する２つのインタコネクタおよびセルを伴う本発明によるモジュールは、圧力レベルに関係なく、試薬ガスの、セルへの、均一な放射状の供給を可能にするものである。
【００６３】
本発明によるモジュールＭ１はまた、セルＣ１の両側にそれぞれ電気接触グリッド９、１０を備える。これらの電気接触要素は、一方では上部のインタコネクタと陰極の間の電気接触ならびに他方では下部のインタコネクタと陽極の間の電気接触を、より優れたものにするために、平面度欠陥を補償する効果を特に有し得る。
【００６４】
モジュールＭ１は、絶縁および密封のデバイス８の周囲に、マイカ製タイプの電気的絶縁リング１３を備えてよく、電気的絶縁リング１３は、インタコネクタ５．１と５．２の２つの外周面が互いに面しているすべての領域を担持する。
【００６５】
モジュールＭ１が内蔵するボルト１１は、インタコネクタ５．１、５．２に作製されたハウジングを通過して取り付けられている。通しボルト１１の先端１１０は、終端インタコネクタ５．２または５．３のハウジングの中にあり、他の終端インタコネクタ５．１上に突き出る通しボルトにナット１１１がねじ留めされており、ナット１１１は、ワッシャ１１２によって、上部のインタコネクタ５．２または５．１のハウジングに取り付けられた電気的絶縁スリーブ１２を間接的に担持する。
【００６６】
ボルト１１は、圧力下の動作中にモジュールの不適当な開きを防止するデバイスを構成し、これは、インタコネクタ間のセルの圧縮によるクランプなしで安全な動作を保証する。耐漏えい性および電気接触を保証するクランプは、一方のインタコネクタが他方のインタコネクタに対して適切な圧縮力を印加することによって達成される。
【００６７】
最後に、いくつかのパイプが、以下のやり方で、インタコネクタにおいて生成されたガスの供給および回収のための様々なコンジットに接続されている。
−  等化ガスを供給するための水平方向のパイプ１４は下部のインタコネクタ５．２または５．３の水平方向の供給コンジット５８に接続され、一方、等化ガスを回収するためのパイプ１５は下部のインタコネクタの水平方向の回収コンジット５８に接続されている。
−  空気を供給するための中央のパイプ１６は下部のインタコネクタ５．２または５．３の中央の供給コンジットに接続され、一方、生成された酸素を回収するためのパイプ１９は下部のインタコネクタ５．２または５．３の環状溝５７に接続されている。
−  水蒸気を供給するための中央のパイプ１７は、下部のインタコネクタ５．２または５．３の水平方向の供給コンジットに接続され、それ自体が上部のインタコネクタ５．１の水平方向の供給コンジット上に開き、一方、生成された水素を回収するためのパイプ１８は下部のインタコネクタの水平方向の回収コンジット５９に接続されている。
【００６８】
たった今説明された、互いに積み重ねられたいくつかのモジュールＭ１を備える、出願ＷＯ２０１６／０９６７５２によるＨＴＥ電気分解リアクタの動作は以下の通りである。
【００６９】
水蒸気がパイプ１７に供給され、したがって水蒸気供給コンジット５６、５２および５０に供給され、同時に等化ガスがパイプ１４に供給され、したがって供給コンジット５８および環状空隙Ｅに供給され、供給される水蒸気の圧力は等化ガスの圧力と実質的に等しい。
【００７０】
また、同時に、排出ガスとしての空気がパイプ１６に供給され、したがって供給コンジット５１に供給され、供給される空気の圧力は等化ガスの圧力と実質的に等しい。
【００７１】
水蒸気は、供給コンジット５０から放射状に分配され、水蒸気の電気分解によって生成された水素が環状溝５４の中を循環し、次いで回収コンジット５９において放射状に回収され、したがって回収パイプ１８によって回収される。
【００７２】
等化ガスは、環状空隙Ｅの中を循環し、回収コンジット５８において回収され、したがって回収パイプ１５によって回収される。
【００７３】
供給コンジット５１から放射状に分配される空気、および水蒸気の電気分解によって生成された酸素が、環状溝５７の中を放射状に循環し、次いで回収パイプ１９によって回収される。
【００７４】
いくつかの積層モジュールＭ１を包含している電気分解リアクタの圧力下の動作は満足すべきものであると判明しているが、本発明者はその実装形態が複雑になる可能性があると気づいた。
【００７５】
これは、モジュールＭ１のすべての構成要素の寸法の連鎖が、周囲の金属シール８１、８２の圧縮ならびに電気接触グリッド９、１０の圧縮を保証するように決定されるためである。一般的には、クランプによって生成される圧縮は数十ミクロンである。圧縮によるクランプ力は、モジュールＭ１の内部の圧力が上昇したとき調節される。
【００７６】
しかしながら、両方の機能（シールの圧縮と電気接触グリッドの圧縮）を同時に実現し得ることは、実行するのが難しいと判明した。本発明者は、試験中に、金属シールに出現した漏れの問題を強調することができ、また、これに反して、これらのシールに十分な耐漏えい性があるとき、所望の圧力における接点層の圧縮は不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７７】
【特許文献１】ＦＲ３０００１０８
【特許文献２】ＦＲ  ２９５７３６１Ａ１
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／００８１４７１号
【特許文献４】米国特許第６６８９４９９  Ｂ２号
【特許文献５】ＷＯ２０１６／０９６７５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００７８】
したがって、出願ＷＯ２０１６／０９６７５２による解決策は、ＨＴＥ電解槽またはＳＯＦＣセルを収容する加圧された漏れ止めチャンバの使用を必要とするＳＯＥＣタイプの電解槽（ＨＴＥ）またはＳＯＦＣタイプの燃料電池の既存の構成を省くという大きな利点を保ちながら、改善を見いだす必要性がある。
【００７９】
本発明の目的の１つは、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】
【００８０】
この目的のために、本発明は、一代替形態において、ＳＯＥＣタイプの電気分解または共電解のリアクタの個々のユニットを形成するように意図されたモジュールに関するものであり、このモジュールは、
−  陰極と、陽極と、陰極と陽極の間に挿入された電解質とから形成された個々の電気化学セルと、
−  それぞれが、電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素から成り、それぞれが電気および流体のインタコネクタを形成する第１および第２のデバイスであって、第１および第２のインタコネクタが、それぞれ個々のセルの両側に配置されており、第２のインタコネクタを貫通している、生成された水素を回収するためのコンジットが、陰極側のセルの周囲において開き、第２のインタコネクタを貫通している、生成された酸素を回収するためのコンジットが、生成された酸素を回収コンジットへと均一に分配するように陽極側のセルの周囲において開く、第１および第２のデバイスと、
−  個々のセルの周囲に配置されて、第１のインタコネクタおよび第２のインタコネクタの両方を担持する第１の電気的絶縁シールと、
−  個々のセルの陽極の周囲に配置されて、第２のインタコネクタと電解質の両方を担持する第２のシールであって、ガラスベースおよび／またはガラスセラミックベースである第２のシールと、
−  インタコネクタを互いに組み立てるための機械的手段であって、第１のシールを圧縮によってクランプするのに適している機械的手段と、
−  電極のうちの１つとインタコネクタのうちの１つの間に配置された少なくとも１つの電気接触要素と、
−  電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素を備え、第１のインタコネクタの内部でスライドするように取り付けられて、電気接触要素を圧縮するのに適切な圧縮ピストンであって、水蒸気およびモジュールの内部で生成された水素の圧力が上昇するときこのピストンの圧縮力が調節され、この圧縮ピストンを貫通する、水蒸気を供給するためのコンジットが、供給された水蒸気および生成された水素をそれぞれ、供給コンジットから回収コンジットへ均一に分配するように陰極側のセルにおいて開く、圧縮ピストンと、
−  一端を圧縮ピストンに組み合わされ、他端を第１のインタコネクタに組み合わされた密封ベローズであって、水蒸気およびモジュールの内部で生成された水素の圧力を包含することと、ピストンの変位の方向に沿って変形することとの両方に適切なベローズとを備える。
【００８１】
一変形形態によれば、第２のインタコネクタを貫通する、空気などの排出ガスを供給するためのコンジットは、供給された排出ガスおよび生成された酸素をそれぞれ、供給コンジットから回収コンジットへ均一に分配するように、陽極側のセルにおいて開く。
【００８２】
別の代替形態によれば、本発明はまた、ＳＯＦＣタイプの燃料電池の個々のユニットを形成するように意図されたモジュールに関するものであり、このモジュールは、
−  陰極と、陽極と、陰極と陽極の間に挿入された電解質とから形成された個々の電気化学セルと、
−  それぞれが、電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素から成り、それぞれが電気および流体のインタコネクタを形成する第１および第２のデバイスであって、第１および第２のインタコネクタが、それぞれ個々のセルの両側に配置されており、生成された水を回収するためのコンジットが、陽極側のセルの周囲において第２のインタコネクタを貫通しており、第２のインタコネクタを貫通している、空気または酸素を供給するためのコンジットが、陰極側のセルにおいて開き、第２のインタコネクタを貫通している、余分な空気または酸素を回収するためのコンジットが、空気または酸素を供給コンジットから回収コンジットへ均一に分配するように、陰極側のセルの周囲において開く、第１および第２のデバイスと、
−  個々のセルの周囲に配置されて、第１のインタコネクタおよび第２のインタコネクタの両方を担持する第１の電気的絶縁シールと、
−  個々のセルの陰極の周囲に配置されて、第２のインタコネクタと電解質の両方を担持する第２のシールであって、ガラスベースおよび／またはガラスセラミックベースである第２のシールと、
−  インタコネクタを互いに組み立てるための機械的手段であって、第１のシールを圧縮によってクランプするのに適している機械的手段と、
−  電極のうちの１つとインタコネクタのうちの１つの間に配置された少なくとも１つの電気接触要素と、
−  電子を伝導してガスを漏らさない材料製の構成要素を備え、第１のインタコネクタの内部でスライドするように取り付けられて、電気接触要素を圧縮するのに適切な圧縮ピストンであって、燃料およびモジュールの内部で生成された水の圧力が上昇するときこのピストンの圧縮力が調節され、この圧縮ピストンを貫通する、燃料を供給するためのコンジットが、供給された燃料および生成された水をそれぞれ、供給コンジットから回収コンジットへ均一に分配するように陽極側のセルにおいて開く、圧縮ピストンと、
−  一端を圧縮ピストンに組み合わされ、他端を第１のインタコネクタに組み合わされた密封ベローズであって、燃料およびモジュールの内部で生成された水の圧力を包含することと、ピストンの変位の方向に沿って変形することとの両方に適切なベローズとを備える。
【００８３】
言い換えれば、本発明は基本的に個々のモジュールの設計にあり、モジュールの内部では、シールを圧縮するのに必要な力が、モジュールの電流の通路を保証する電気接触要素に必要な力から分離される。
【００８４】
したがって、本発明によるモジュールは、インタコネクタのうちの１つの内部でスライドするピストンを内蔵し、重力またはアクチュエータによるこのピストンの圧縮力は、モジュールの内部の圧力上昇中に調節可能であり、電気接触要素の圧縮を保証することになる。圧力上昇中に圧縮力を調節すると、バックグラウンド効果を補償することができる。
【００８５】
ベローズは、個々のモジュールの内部で圧力を包含することを可能にし、また、ピストンの変位に追従することによって変形するのに適切である。
【００８６】
ピストンおよびそれを取り囲むベローズの動作から独立して、第１のシールは、好ましくはマイカ製のリングの形態であり、同一のモジュールの２つのインタコネクタの間にはさまれ、インタコネクタ間の組立てを維持するための好ましくはボルトの形態の手段によってモジュールの耐圧性を保証する。
【００８７】
したがって、本発明によるモジュールは、出願ＷＯ２０１６／０９６７５２によるモジュールに存在する、
−  モジュール内部の圧力を維持するための密閉の機能と電気的絶縁の機能とを有するデバイス、
−  圧力下の動作中に、ガラスベースおよび／またはガラスセラミックベースのシールの片側の圧力を、反対側において生成された試薬ガスの圧力と等しくする機能を有する等化ガス回路、
−  モジュールの不適当な開きを防止するためのデバイス、といった要素を省くものである。出願ＷＯ２０１６／０９６７５２による安全な密閉は、リアクタの動作とは関係のない追加要素である。したがって、この安全性は、組立体が爆発した場合の追加の障壁を形成するものである。反対に、本発明の場合には、インタコネクタを互いに組み合わせるための機械的手段の目的は、モジュール内部の圧力を包含するために第１のシールを圧縮することである。
【００８８】
結果的に、本発明によるモジュールは、出願ＷＯ２０１６／０９６７５２によるモジュールよりも製造するのがはるかに簡単であり、また、シールと電気接触要素の両方を圧縮するための寸法の連鎖に依拠しないので、実施するのがはるかに簡単である。
【００８９】
インタコネクタを互いに組み合わせるための機械的手段は、有利にはボルトから成るものである。
【００９０】
第１のシールは、有利には、マイカ製のワッシャまたはリングから成るものでよい。
【００９１】
有利な実施形態によれば、モジュールは、好ましくは金属グリッドである２つの電気接触要素を備え、１つが一方の電極と一方のインタコネクタの間にあり、もう１つが他方の電極と他方のインタコネクタの間にある。
【００９２】
有利な変形形態によれば、第１のインタコネクタおよび／または第２のインタコネクタは、第１のシールとセル（Ｃ１）の間に形成された第１の溝を備え、第１のインタコネクタの供給コンジットは、供給された水蒸気および生成された水素あるいは供給された燃料および生成された水を、第１のインタコネクタの回収コンジットへ均一に分配するように、第１の溝と連通している。
【００９３】
別の有利な変形形態によれば、第２のインタコネクタは、第２のシールによって境界を定められた領域の内部に形成された第２の溝を備え、第２のインタコネクタの供給コンジットは、生成された酸素または供給された空気を、第２のインタコネクタの回収コンジットへ均一に分配するように、第２の溝と連通している。
【００９４】
好ましくは、
−  第１のインタコネクタおよび第２のインタコネクタには、それぞれ水蒸気または燃料を供給するための追加のコンジットが貫通し、これら２つの追加の供給コンジットは、電気的絶縁性の接続管を介して互いに接続され、第１のインタコネクタの追加の供給コンジットは、モジュールの外部のパイプによってピストンを貫通する供給コンジットに接続されており、
−  第１のシールの内部にある第３のシールの内側に接続管が収容されている。
【００９５】
１つの有利な実施形態によれば、個々の電気化学セル、第１および第２のインタコネクタ、第１および第２のシール、ピストンおよびベローズは、中心軸（Ｘ）のまわりで線対称の形であり、試薬ガス（水蒸気または燃料）および（空気または酸素などの排出ガス）を供給するためのコンジットは、中心軸に沿って開く。
【００９６】
第１のインタコネクタおよび／または第２のインタコネクタおよび／またはピストンの金属部品は、好ましくは、およそ２０％のクロムを含有しているフェライト鋼製であって、好ましくはＣＲＯＦＥＲ（登録商標）２２ＡＰＵもしくはＦ１８ＴＮｂで作製されており、またはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００もしくはＨａｙｎｅｓ（登録商標）２３０（登録商標）タイプのニッケルベースである。
【００９７】
より好ましくは、ベローズは、およそ２０％のクロムを含有しているフェライト鋼製であり、好ましくはＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６２５またはＨａｙｎｅｓ（登録商標）２３０（登録商標）ベースである。
【００９８】
本発明は、たった今説明されたＨＴＥ共電解または電気分解のモジュールを動作させるためのプロセスにも関し、このプロセスによれば、
−  ピストンの供給コンジットには、水蒸気あるいは二酸化炭素および二酸化窒素から選択された別のガスと水蒸気の混合物が供給され、
−  リアクタ内部の圧力が上昇するとき、ピストンによって電気接触要素に印加される圧縮力が調節され、
−  水素あるいは水蒸気の電気分解または共電解によって生成された水素と窒素または一酸化炭素とが回収される。
【００９９】
有利な実施形態によれば、第２のインタコネクタの供給コンジットには空気などの排出ガスが供給され、供給される排出ガスの圧力は、水蒸気の圧力または水蒸気と他のガスの混合物の圧力と実質的に等しく、生成された酸素は回収される。
【０１００】
最後に、本発明は、前述のＳＯＦＣ燃料電池モジュールを動作させるためのプロセスに関し、このプロセスによれば、
−  ピストンの供給コンジットには水素またはメタンなどの燃料が供給され、
−  第２のインタコネクタの供給コンジットには空気または酸素が供給され、供給される燃料の圧力および空気または酸素の圧力は、水素またはメタンの圧力と実質的に等しく、
−  セル内部の圧力が上昇するとき、ピストンによって電気接触要素に印加される圧縮力が調節され、
−  余分な燃料、片側で生成された水および反対側の余分な空気または酸素は、それぞれの回収コンジットに回収される。
【０１０１】
限定的でない具体例として示された本発明の実施形態の例の詳細な説明を、以下の図を参照しながら読み取ることにより、本発明の他の利点および特徴が、よりはっきりと明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】高温水電解槽の動作原理を示す概略図である。
【図２】現況技術による、インタコネクタを備えるＳＯＥＣタイプの高温蒸気電解槽（ＨＴＥ）の一部分の概略の分解組立図である。
【図３】ＨＴＥリアクタに関する特許出願ＷＯ２０１６／０９６７５２によるモジュールの一実施形態の分解組立図である。
【図４】図３に従って組み立てられたモジュールの、等化ガスの循環の面における断面図である。
【図５】図３に従って組み立てられたモジュールの、供給される水蒸気の循環の面における断面図である。
【図６】図３に従って組み立てられたモジュールの、供給される空気および生成される酸素の循環の面における断面図である。
【図７】積層ＨＴＥ電気分解リアクタ用の本発明によるモジュールの一実施形態の分解４分の３の断面図である。
【図８】本発明によるモジュールに使用される密閉ベローズの断面図である。
【図９】図７に従って組み立てられた本発明によるモジュールの、供給される水蒸気および生成される水素の循環の面における断面図である。
【図１０】図７に従って組み立てられた本発明によるモジュールの、供給される空気および生成される酸素の循環の面における断面図である。
【図１１】図７に従って組み立てられた本発明によるモジュールの、２つのインタコネクタ間の水蒸気供給通路を局所的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０１０３】
図１〜図６は、従来技術に関するものであり、序文において既にコメントされている。したがって、以下では図１〜図６は説明されない。
【０１０４】
明瞭さのために、特許出願ＷＯ２０１６／０９６７５２によるＨＴＥ電気分解リアクタモジュールＭ１と本発明によるＨＴＥ電気分解リアクタモジュールＭ１の同一の要素は、同一の参照数字で示されている。
【０１０５】
ここで、本特許出願の全体にわたって、「下部の」、「上部の」、「上の」、「下の」、「内部の」、「外部の」、「内の」、および「外の」という用語は、本発明によるインタコネクタを横断面図において対称軸Ｘに沿って参照しながら理解されるべきであることが留意されよう。
【０１０６】
説明された電解槽モジュールまたは燃料電池モジュールは、高温で動作する固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）電解槽モジュールまたは固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールであることも留意されよう。
【０１０７】
したがって、電解セルまたは燃料電池のすべての構成要素（陽極／電解質／陰極）はセラミックである。
【０１０８】
電解槽（電気分解リアクタ）またはセルの高い動作温度は、一般的には６００℃〜１０００℃である。
【０１０９】
一般に、本発明に適切な陰極支持タイプ（ＣＳＣ）の個々のＳＯＥＣ電解セルの特性は、次のｔａｂｌｅ  １（表１）に示されるようなものでよい。
【０１１０】
【表１】
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【０１１１】
図７は、本発明によるＨＴＥ水蒸気電解槽の個々のユニットを形成するように意図されたモジュールＭ１の概略断面図を示す。
【０１１２】
特許出願ＷＯ２０１６／０９６７５２のモジュールＭ１と本発明のモジュールＭ１に共通のすべての要素は、ここで説明されることはなく、図１〜図１１のすべてにおいて完全に明瞭に見られ得る。
【０１１３】
モジュールＭ１は、上部のインタコネクタ５．１の内部でスライドするように取り付けられた圧縮ピストン２０を備える。このピストンには、セルＣ１に水蒸気を供給するための中央のコンジット５０が貫通している。
【０１１４】
図示されていない重力またはアクチュエータが、ピストン２０に対して垂直方向の圧縮力を下方へ印加し得る。この圧縮力は、モジュール内部の圧力が上昇するとき、圧力によるバックグラウンド効果を補償するために調節される。実際は、動作圧は、圧力に、圧力がかかるディスクの表面積を掛けたものと等しい値Ｆの緩め力を生成する。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、そうしなければ、ピストン２０は接点グリッド９、１０を正確に圧縮しないはずである。
【０１１５】
上部のインタコネクタ５．１および下部のインタコネクタ５．２には、それぞれ水蒸気を供給するための水平方向のコンジット５２、５６が貫通している。これら２つの水平方向の供給コンジットは、電気的絶縁性の接続管Ｔを介して互いに接続されている。
【０１１６】
モジュールの外部に配置されたパイプ６０が、上部のインタコネクタの水平方向の供給コンジット５２をピストンの中央の供給コンジット５０に接続する（図９）。
【０１１７】
モジュールＭ１の圧力が上昇するとき、ピストン２０の力が、重力またはアクチュエータの重みによって与えられる。ピン４０は、ピストンがセルＣ１の両側に電気接触グリッド９、１０を圧縮するために、セルを中心におくことを可能にする（図１０）。
【０１１８】
Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６２５またはＨａｙｎｅｓ（登録商標）２３０製のベローズ３０は、上部の終端３１がピストン２０に組み合わされ、下部の終端３２が上部のインタコネクタ５．１に組み合わされている。図９に見られるように、ばね３０のそれぞれの終端３１、３２は、それぞれピストン２０の周囲の溝２１およびインタコネクタ５．１の周囲の溝２２に挿入され得る。終端３１、３２は、好ましくは溶接により、特にティグ溶接によって、２つの金属部品２０、５．１の各々に組み合わされる。任意の他の組合せ手段が適切であり得る。
【０１１９】
ベローズ３０により、個々のモジュールの内部の圧力を包含することばかりでなく、ピストン２０によってそのピストン２０に印加される圧縮力の下で垂直に変形することも可能になり得る。
【０１２０】
ベローズ３０は、公称の動作圧力およびモジュール内部の温度に耐えるように第１に寸法設定されることが保証される。補償ばねの別の制約には、ピストン上の過大な力を必要とすることなく膨張し得るように、十分に低い剛性を有することがある。
【０１２１】
本発明者は、３００Ｎ／ｍｍ未満の線形剛性を有するベローズ３０なら申し分ないことを見いだした。
【０１２２】
本発明者が設計した図８に示されるようなベローズ３０は、それぞれベルト３１および３２を有するスリーブの形態の２つの終端と、規則波の形をした中心部３３とを備える。したがって、２つの終端３１、３２がベルトを有することにより、ベローズ３０を、ピストン２０および上部のインタコネクタ５．１にそれぞれ溶接することができる。
【０１２３】
寸法は、１０バールに固定された公称圧力および８００℃の公称動作温度を用い、モジュールＭ１の減少した熱サイクル数を想定して設定された。
【０１２４】
目安として、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６２５製のベローズ３０の寸法の特性が、以下のｔａｂｌｅ  ２（表２）に示されている。
【０１２５】
【表２】
2019081952.tif 000004
【０１２６】
モジュールＭ１の耐圧性を保証するために、マイカ製のワッシャまたはリング６１が、インタコネクタ５．１とインタコネクタ５．２の間にはさまれ、ねじ／締付けナットまたはボルト１１によって圧縮されている（図７および図９）。したがって、ボルト１１により、インタコネクタ５．１、５．２を組み立てることと、マイカ製のワッシャ６１を圧縮することの両方が可能になる。
【０１２７】
図９に見られるように、ねじ締付けナットシステム１１のワッシャ１１２は、締め付けられた状態で上部のインタコネクタ５．１の上部表面を担持する。一般的には２Ｎｍのボルト締付力が印加される。
【０１２８】
ねじ締付けナットシステム１１は、好ましくはインタコネクタ５．１、５．２およびピストン２０と同一の材料から製造される。それぞれのねじ１１０のまわりのワッシャ１１２およびリング１２は、２つのインタコネクタ間の電気的絶縁を保証するために電気的絶縁性である。
【０１２９】
図１１に見られるように、マイカリング６１には、下部のインタコネクタ５．２のコンジット５６からの水蒸気のための接続管Ｔ用のスルーホールが貫通している。水蒸気の通路の耐漏えい性を保証するために、このスルーホールのまわりに追加のガラスセラミックシール６４がもたらされ、したがって、モジュールの耐圧性を保証するとともに管Ｔを絶縁することができる。管Ｔも電気的絶縁性であり、一般的にはセラミック製である。
【０１３０】
次に、たった今説明された本発明によるいくつかのモジュールを備えるＨＴＥ電気分解リアクタの動作が説明され、これらのモジュールは、図７〜図１１に示されるように互いに積み重ねられている。
【０１３１】
加圧水蒸気がパイプ１７に供給され、したがって水蒸気供給コンジット５６、５２および５０に供給される。
【０１３２】
同時に、排出ガスとしての空気がパイプ１６に供給され、したがって供給コンジット５１に供給され、供給される空気の圧力は水蒸気の圧力と実質的に等しい。
【０１３３】
圧力が上昇するとき、電気接触層に対するピストン２０の圧力が調節される。
【０１３４】
水蒸気は、それぞれ溝５６、接続パイプＴ、溝５２によって放射状に分配され、次いでパイプ６０が中央の供給コンジット５０に達する（図９）。
【０１３５】
水蒸気の電気分解によって生成された水素は環状溝５４の中を循環し、次いで、回収コンジット５９において放射状に回収され、したがって回収パイプ１８によって回収される。
【０１３６】
供給コンジット５１から放射状に分配される空気、および水蒸気の電気分解によって生成された酸素が、環状溝５７の中を放射状に循環し、次いで回収パイプ１８によって回収される。
【０１３７】
インタコネクタ５．２とインタコネクタ５．１およびピストン２０によって形成された組立体との間は、好ましくはセラミックといった電気的絶縁材料ですべてが作製されている、マイカワッシャ６１、リング１２、ワッシャ１１２および管Ｔによって電気的に絶縁されている。
【０１３８】
したがって、インタコネクタ５．２は、その周辺装置すなわちそのガス供給管とともに接地され、インタコネクタ５．１およびその周辺装置すなわちピストン２０、ベローズ３０、パイプ６０との電気接続はない。
【０１３９】
本発明の他の変形形態および利点は、本発明の範囲から逸脱することなく適用され得る。
【０１４０】
たとえば、熱電対などの測定器を通すために、モジュールの２つのインタコネクタの一方または他方を貫通することができる。
【０１４１】
本発明によるモジュールＭ１は、水の高温の電気分解に関して説明されてきたが、二酸化炭素または二酸化窒素のいずれかと混合された水蒸気の共電解にも好都合に使用され得る。
【０１４２】
本発明によるモジュールＭ１は、水の高温の電気分解に関して説明されてきたが、ＳＯＦＣ燃料電池としても好都合に使用され得る。この場合、供給パイプ１７にはたとえば水素、メタンといった燃料が供給され、パイプ１６には空気または酸素が供給される。
【０１４３】
本発明は、前述の例に限定されず、説明された例の特徴は、説明されていない変形形態において特に組み合わされ得るものである。
【符号の説明】
【０１４４】
２  陰極
２．１  陰極
２．２  陰極
３  電解質
３．１  電解質
３．２  電解質
４  陽極
４．１  陽極
４．２  陽極
５  インタコネクタ
５．１  インタコネクタ
５．２  インタコネクタ
５．３  インタコネクタ
８  電気的絶縁および密封のためのデバイス
９  電気接触グリッド
１０  電気接触グリッド
１１  ボルト
１２  電気的絶縁スリーブ
１３  電気的絶縁リング
１４  パイプ
１５  パイプ
１６  パイプ
１７  パイプ
１８  パイプ
１９  パイプ
２０  圧縮ピストン
２１  ピストン２０の周囲の溝
２２  溝
３０  ベローズ、ばね
３１  ベローズ３０の終端、ベルト
３２  ベローズ３０の終端、ベルト
３３  ベローズ３０の中心部
４０  ピン
５０  陰極室、コンジット
５１  陽極室、コンジット
５２  コンジット、溝
５３  環状溝
５４  環状溝
５５  環状溝
５６  コンジット、溝
５７  環状溝
５８  コンジット
５９  コンジット
６０  パイプ
６１  第１のシール
６３  第２のシール
６４  ガラスセラミックシール
８０  電気的絶縁ワッシャ
８１  第３の金属シール
８２  第４の金属シール
１１０  ボルトの先端
１１１  ナット
１１２  ワッシャ
６１０  リング
６１１  スロット
Ｂ  ストッパ
Ｃ１  セル
Ｃ２  セル
Ｅ  環状空隙
Ｍ１  モジュール
Ｔ  電気的絶縁性の接続管
【図１】
2019081952.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019081952.tif 000014
【図１１】
2019081952.tif 000015
【外国語明細書】
2019081952000001.pdf