(57)【要約】  本発明は、二つの相互反応性ガス（典型的には酸素及び水素）によって満たされる二つの空間の間の新規シールに関する。本発明によると、バッファチャンバが相互反応性ガスの二つの空間の間に形成されて、バッファチャンバに対する反応性ガスの漏れが、主に拡散型（分子拡散、又はクヌーセン拡散）のものである流れを形成するように決定される。形成されるシールは、高温電解漕やＳＯＦＣ型の燃料電池に応用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの空間（１、２）を分離するシールを形成するシール形成デバイスであって、前記二つの空間の各々がガスで満たされていて、前記ガスが互いに反応して流体を形成し、該シール形成デバイスが、少なくとも一つのプレート（５）と、前記二つの空間を分離するバッファチャンバ（７）と呼ばれる一つのチャンバとを含み、前記バッファチャンバが、二種類の反応性ガスが互いに反応することによって形成される流体と同じ流体で満たされ、
前記二つの空間の一方（１）が、第一の支持部（４０）及び該第一の支持部に向き合うプレート部（５）によって前記チャンバ（７）から分離され、
前記二つの空間の他方（２）が、第二の支持部及び該第二の支持部に向き合うプレート（５）によって前記チャンバ（７）から分離され、
前記第一の支持部（４０）及び前記第二の支持部（４１）の各々が、各々に向き合うプレート部と共に、マイクロチャネル（６０、６１）を形成する支持領域を形成し、前記マイクロチャネル（６０、６１）が、前記支持部（４０、４１）及び前記プレート部の表面粗さによって形成された多孔質体積部であり、
前記マイクロチャネル（６０、６１）内の反応性ガスの流れが主に分子流型である、シール形成デバイス。
【請求項２】
前記チャンバ（７）の壁及び前記支持部（４０、４１）の壁が、前記二つの空間の間に挟まれた単一の分離素子（４）によって形成されている、請求項１に記載のシール形成デバイス。
【請求項３】
前記分離素子が圧縮プレートから成る、請求項２に記載のシール形成デバイス。
【請求項４】
前記プレートが、Ｉｎｃｏｎｅｌ６００、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８、Ｈａｙｎｅｓ２３０等のニッケル合金製である、請求項３に記載のシール形成デバイス。
【請求項５】
前記プレートが、ＡＩＳＩ３１０Ｓ、ＡＩＳＩ３１６Ｌ、ＡＩＳＩ４３０等のステンレス鋼製である、請求項３に記載のシール形成デバイス。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のシール形成デバイスを少なくとも一つ含む電気化学反応器であって、前記シールによって分離された空間（１、２）が、反応性ガスが該反応器内を流れる空間である、電気化学反応器。
【請求項７】
複数の基本電解セルからなる一つの積層体を含み、前記基本電解セルの各々が、カソードと、アノードと、前記カソードと前記アノードの間に挟まれた電解質で形成されていて、少なくとも一つの相互接続プレートが、隣接する二つの基本セルの間において、該二つの基本セルの一方の一つの電極及び該二つの基本セルの他方の一つの電極に電気的に接触して挟まれていて、前記相互接続プレートが、前記カソード及び前記アノードにおいてそれぞれガスが流れるための少なくとも一つのカソード区画及び少なくとも一つのアノード区画を形成していて、前記カソード区画又は前記アノード区画が前記シール形成デバイスによって分離された二つの空間の一方を構成している、請求項６に記載の電気化学反応器。
【請求項８】
４５０℃以上、典型的には６００℃から１０００℃の間で動作する水の高温電解用の請求項６又は７に記載の反応器。
【請求項９】
６００℃から１０００℃の間の温度で動作するＳＯＦＣ型の燃料電気を構成する請求項６又は７に記載の反応器。
【請求項１０】
大気圧近くの圧力のガスで動作する請求項９に記載のＳＯＦＣ型の燃料電池。
【請求項１１】
前記バッファチャンバ（７）が、
前記チャンバのベースと支持表面との間の距離として定められる１００から５００μｍの間の高さと、
前記分離素子の二つの支持部の間の最小距離として定められる少なくとも５００μｍの幅とを有する、請求項１０に記載のＳＯＦＣ型の燃料電池。
【請求項１２】
前記支持部と前記プレート部との間の耐力が０．１Ｎ／ｍｍから１０Ｎ／ｍｍの間である、請求項１１に記載のＳＯＦＣ型の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相互反応性で流体を形成するガスで各々満たされ得る二つの空間の間のシールを形成するデバイスに関する。
【０００２】
本発明において、“相互反応性ガス”との記載は、二種類のガスが、両方とも存在すると、反応して、ガス又は水蒸気状の流体を形成するものを意味する。典型的には、水素が酸素と反応して、水蒸気を形成する。
【０００３】
本発明は、特に、現状では、媒体の制約（高温、酸化還元雰囲気等）及びシステムの制約（熱過渡）を同時に満たすことができるシールが存在しない高温水蒸気電解（典型的には６００℃から１０００℃の間）における応用を有する。
【０００４】
また、本発明は、ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池，ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）型の燃料電池、化学工業用の反応器、シールを形成することが難しい他の温度範囲で動作するシステム等の他の分野にも応用可能である。
【背景技術】
【０００５】
水の高温電解や燃料電池の分野では、現状において、特に水素を含有するガスから、特に酸素を含有するガスを分離する必要がある。実際、両方のガスが存在すると、自然に反応する。この反応は、第一に、反応器の全体的な効率を損ない、第二に、局所的に熱を散逸させて、システムを損傷させ得る。現在に至るまで、高温電解反応器や燃料電池の設計者は、単純に密封されたバリアを形成することによってこれらのガスを互いに分離する機能を有するシールを挿入することを考えてきた。
【０００６】
対象となる温度範囲において、現状では、この問題を解決するのに単純且つ十分な解決策は存在しない。従って、各タイプの反応及び反応器のアーキテクチャに対して、標準的な解決策を修正するか、新たな開発を行わなければならない。
【０００７】
高温電解漕又は燃料電池において、従来、シールは、ガラスシール又はガラス／ガラス‐セラミック複合材によって形成されている。その理由はこれらが本質的に以下の三つの利点を有するからである：十分な電気絶縁を有する点、優れた密封を有する点、機械的締め付けを必要としない点。逆に、これらガラス又はガラス‐セラミック複合材の主な欠点は以下の通りである：
‐  ガラス転移温度又は結晶化温度以下において非常に脆く、激しい熱サイクル中に応力（特に熱膨張差による）を受けると、壊れる可能性があり、密封が破られ得る点；
‐  動作温度以上の温度逸脱に対してシールを形成する必要性。この逸脱は、金属相互接続物質や反応セルを構成する物質にとって害をなすものであり得て、これは、反応器の効率が損なわれることを意味している；
‐  セルや相互接続部の他の部品との化学的不適合性の可能性。例えば、電極にとって有害なＳｉＯ２蒸気の放出、ガスケット表面の実質的な腐食；
‐  積層体の部品間の剛性接続の形成。熱過渡中に応力が生じ得る；
‐  セル又はセル積層体を壊さずに部品を分解することの難しさ、更にはその不可能性。
【０００８】
その解決策は、セラミック上に相互接続部の金属を蝋付け（ブレイズ）することである。しかしながら、セラミック上に相互接続部の金属を濡らすことは、これら二つの物質間の熱膨張の差と共に、大きな寸法に対して、この工程を非常に難しいものにする。実際、はんだ付けの継ぎ目の凝固後における冷却は、セラミックのひび割れを定期的に生じさせる。
【０００９】
最後に、他の雲母ベースの、又は単純に金属の圧縮シールも提案されている：これらを設置するには、かなりの体積とかなりの外部締め付けが必要であり、加熱中にセルが損傷せずに効果的な密封を得るために温度を制御及び維持するのが難しい。実際、動作温度において、非常に強力な締め付けは、クリープ、つまりは電解漕の部品の変化、よくても密封が損なわれることを意味する。
【００１０】
こうした従来の解決策の各々の欠点を補うため、複数のこうした解決策を組み合わせること、例えば、雲母及びガラス製の複合シールが以前提案された。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｊ．Ｍａｒｔｉｎ、“Ｅｔａｎｃｈｅｉｔｅ  ｅｎ  ｍｅｃａｎｉｑｕｅ”（Ｓｅａｌｉｎｇ  Ｉｎ  ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）、Ｂ  ５  ４２０、Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｄｅ  ｌ’Ｉｎｇｅｎｉｅｕｒ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）、オンライン版、２００９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、相互反応性ガスで満たされた二つの空間の間のシーリング（密封）の他の解決策を提案することである。
【００１３】
特に本発明の目的の一つは、高温水電解反応器又は、燃料電池（特にＳＯＦＣ型）を構成する反応器内に存在するシーリングを完全なものにして保護することができるシーリングの他の解決策を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この本発明の課題の一つを解決するのは、二つの空間を分離するシールを形成するシール形成デバイスであり、二つの空間の各々がガスで満たされ得て、これらのガスは互いに反応して流体を形成し、本デバイスは、少なくとも一つのプレートと、二つの空間を分離するバッファチャンバと呼ばれる一つのチャンバとを含み、バッファチャンバは、二つの反応性ガスが互いに反応することによって形成される流体と同じ流体で満たされ得る。
【００１５】
本発明によると：
‐  二つの空間の一方が、第一の支持部及びそれに向き合うプレート部によってチャンバから分離され；
‐  二つの空間の他方が、第二の支持部及びそれに向き合うプレート部によってチャンバから分離され；
‐  第一及び第二の支持部の各々が、それに向き合うプレート部と共に、マイクロチャネルを形成する支持領域を形成し、それらマイクロチャネルは、支持部及びプレート部の表面粗さによって形成される多孔質体積部であり；
‐  マイクロチャネル内の反応性ガスの流れが主に分子型である。
【００１６】
本発明において、“マイクロチャネル”との用語は、支持部及びプレート部の表面粗さによって形成され、その高さがマイクロメートルサイズのものである流体チャネルを意味し、つまり、典型的には、チャネルの高さ、言い換えると、その深さが、略１０μｍ（マイクロメートル）のオーダのものを意味する。また、典型的には、支持部及びプレート部の表面粗さによって形成されるマイクロチャネルの幅は、略５０から略１００μｍ（マイクロメートル）のオーダである。
【００１７】
言い換えると、本発明者は、新規種類のシールを定義したものであり、完璧なバリア機能を与えようとする従来技術のシールとは異なり、本発明の場合、不完全なシーリング領域が、分子流及びバッファチャンバによって制御されて定められ、そのバッファチャンバ内に存在する二種類の反応性ガスが互いに結合し得る。更に、特定の構成において、二つの表面の一方が非常に粗いか多孔質であり、これは、従来技術に係るこの種のバリアの解決策を特に非現実的なものにする。
【００１８】
言い換えると、本発明に係るシール形成デバイスは、二種類の反応性ガスの少なくとも一方（つまり、より小さなモル質量を有するもの）の動きを立体効果によって遅くすることによる空気力学的シールである。モル質量の大きな大量の分子から成るバリアを、対象となる反応性ガスの分子の前に介入させる。バッファチャンバ内部の存在する二種類の反応性ガスの間の反応に起因する流体は、二種類の反応性ガスの各々の有効衝突断面積よりもはるかに大きな有効衝突断面積を有する。このようにして、本発明に係るデバイスを用いると、マイクロチャネル内部の反応性ガスの分子拡散が必然的に減少する。酸素Ｏ２の空間に対して水素Ｈ２の空間を密封するための好ましい応用において、有効断面積のはるかに高い水蒸気によって満たされたバッファチャンバは、マイクロチャネル内のＨ２及びＯ２の分子拡散を少なくすることを意味する。また、本発明に係るバッファチャンバは、二つの空間の間の反応性ガスの交換を平衡化する、つまり、これら二つの空間の間の勾配を最大限に低下させることを可能にする。
【００１９】
最後に、チャンバ内のバッファ流体は、二種類の反応性ガスの間の反応率を低下させる。上述の好ましい応用では、チャンバ内の水蒸気は、チャンバの両側の空間の一方に各々起因するＨ２とＯ２との間の反応率を低下させる。好ましい応用では、有効衝突断面積はそれぞれ以下の点において求められる：
‐  Ｈ２に対して０．２８２ｎｍ
‐  水蒸気に対して、０．３１７ｎｍ
‐  Ｏ２に対して、０．３４６。
【００２０】
各バッファチャンバの寸法を決めるため、当業者は、特に設計制約及び反応性ガスの空気力学的システムの使用に対する制約、つまり本発明に係る空間の占有条件に関して、形成されるシールの異なる機能の間の妥協点を見つけることになる。
【００２１】
これらの制約は以下の通りである：
‐  シールを形成するのに用いられる圧縮力、
‐  バッファチャンバの高さ及び幅、
‐  シーリングデバイスが組み込まれる電気化学反応器の動作温度、
‐  反応性ガスの圧力。
【００２２】
好ましくは、バッファチャンバの寸法（高さ及び幅）は、シールの使用条件に応じて選択される。圧力が低くなり温度が高くなるほど、相互反応性ガスの変換を可能にするのにバッファチャンバの体積は大きくなければならない。
【００２３】
また、ガスの体積は、反応中に放出される熱を吸収することも可能にするものでなければならない。
【００２４】
当業者は、圧縮力が支持領域内の支持部と対応するプレート部との間の分子流条件（クヌーセン型）が原理的に実現されて、構造（プレート及び支持部）の過度のクリープが発達しないことを保証されたい。
【００２５】
好ましくは、シール構造は、プレート等の残りの使用部品と同じ技術及び同じ方法を用いて、支持部に形成される。
【００２６】
有利な一実施形態によると、チャンバの壁及び支持部の壁は、二つの空間の間に挟まれた単一の分離素子から形成される。
【００２７】
分離素子は典型的に圧縮プレートから成る。圧縮によって製造された分離素子の利点は、大規模で安価に製造可能であるという点である。この方法によって製造された分離素子については、簡単な圧縮を可能にするのに十分薄いプレート厚さであるが、その使用寿命全体にわたる酸化に対する保護を可能にするのに十分であるように微量元素（典型的にはＡｌやＣｒ）の合金の保存に十分厚いものとなるように注意する。当業者は、応用（反応性ガス、温度等）及びシールが組み込まれる方法に応じて最も適切な物質を選択するものである。ここで、シールが、一定の運動、一定の力が存在する構成に設けられる場合、当業者は、適切であれば、分離素子の緩和、クリープを制限して、長期にわたって十分な締め付け力を維持して、その素子の熱サイクル後にシールを回復することができるように注意されたい。
【００２８】
圧縮プレートは有利には、Ｉｎｃｏｎｅｌ（インコネル）６００やＩｎｃｏｎｅｌ７１８やＨａｙｎｅｓ（ヘインズ）２３０等のニッケル合金製であり得る。また、ＡＩＳＩ３１０ＳやＡＩＳＩ３１６ＬやＡＩＳＩ４３０等のステンレス鋼製でもあり得る。
【００２９】
また、本発明は、上述のシール形成デバイスを少なくとも一つ含む電気化学反応器にも関し、シールによって分離される両側の空間が、反応性ガスがその反応器内部を流れる空間となる。
【００３０】
反応器が複数の基本電解セルから成る一つの積層体を含む一実施形態では、各基本電解セルが、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に挟まれた電解質とで形成され、少なくとも一つの相互接続プレートが、隣接する二つの基本セルの間において、二つの基本セルの一方の一つの電極と、二つの基本セルの他方の一つの電極とに電気的に接触して挟まれて、相互接続プレートが、カソード及びアノードのそれぞれにおいてガスが流れるための少なくとも一つのカソード区画及び少なくとも一つのアノード区画を形成し、カソード区画又はアノード区画が、シール形成デバイスによって分離された二つの空間の一方を有利に形成するようにする。
【００３１】
反応器は、有利に、４５０℃以上、典型的には６００℃から１０００℃の間の温度で動作する高温水電解反応器になり得る。
【００３２】
また、反応器は、有利に、６００℃から８００℃の間の温度で動作するＳＯＦＣ型の燃料電池を構成する反応器になり得る。
【００３３】
典型的には、ＳＯＦＣ型の燃料電池は、大気圧に近い圧力で動作するものである。このような燃料電池では、好ましくは、バッファチャンバは以下の寸法を有する：
‐  １００から５００μｍの間の高さ、この高さは、チャンバのベースと支持表面との間の距離として定められる；
‐  少なくとも５００μｍの幅、この幅は、分離素子の二つの支持部の間の最小距離として定められる。
【００３４】
また、好ましくは、支持部とプレート部との間の耐力は０．１Ｎ／ｍｍから１０Ｎ／ｍｍの間である。
【００３５】
好ましくは、バッファチャンバは、発生した水素が回収される空間付近において円環形状を有する。
【００３６】
典型的には、大気圧付近において７００℃で動作するＳＯＦＣ型の燃料電池の場合、
‐  厚さ０．２ｍｍのＩｎｃｏｎｅｌ６００のプレートが、分離素子として、時間に対する腐食及び機械特性の問題に対処することを可能にして、
‐  １００から５００μｍの間の高さ及び少なくとも５００μｍの幅を有するバッファチャンバが適している。
【００３７】
本発明の他の利点及び特徴は、図面を参照して、例示的なものであって限定的なものではない詳細な説明を読むことによって、より明確になるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るシール形成デバイスの動作を示す概略図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係るデバイスの素子の斜視図である。
【図３】本発明の第二の実施形態に係るデバイスの分解斜視図である。
【図４】図３の部分断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るシール形成デバイスを示す概略図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係るシール形成デバイスを示す概略図である。
【図７Ａ】圧力及び温度に応じた空気の平均自由行程の曲線を表し、その平均自由行程は、本発明に係るシールによって所望の主要分子流を形成することを可能にする。
【図７Ｂ】圧力及び温度に応じた水素Ｈ２の平均自由行程の曲線を表し、その平均自由行程は、本発明に係るシールによって所望の主要分子流を形成することを可能にする。
【図７Ｃ】圧力及び温度に応じた水蒸気Ｈ２Ｏの平均自由行程の曲線を表し、その平均自由行程は、本発明に係るシールによって所望の主要分子流を形成することを可能にする。
【図８】平均自由行程から主要な分子流を形成することを可能にするクヌーセン数に対する異なる種類の流れの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、水の電解（高温電解）又はＳＯＦＣ型の燃料電池を参照して、シール形成デバイスを説明する。
【００４０】
本発明に係るシール形成デバイスは、水素Ｈ２で満たされた第一の空間１と、酸素Ｏ２で満たされた第二の空間２とを含む。
【００４１】
本デバイスは、二つの支持部４０、４１を含む分離素子４を含む。二つの支持部４０、４１は、形成されたマイクロチャネル６０、６１内の反応性ガスの分子の流れ（主に分子流型）（矢印を参照）を得ることを可能にする所定の圧縮力で単一の支持プレート５に対して支持されて保持される。マイクロチャネル６０、６１は、支持部４０、４１及びプレート５の一部の表面粗さによって形成された多孔質体積部である。
【００４２】
バッファチャンバ７は、支持部４０、４１によって区切られ、その特性を維持して、バッファチャンバ７がガスの反応する箇所に留まるように、酸素チャンバと水素チャンバとの間の圧力差は高過ぎてはならない（数バール）。バッファチャンバ７の寸法（図４に示される高さＨ及び幅Ｌ）は、二種類の反応性ガスＯ２、Ｈ２がその内部で互いに反応するように決定される。
【００４３】
本発明に係るデバイスで得られる物理現象は、幾何学的に制御される二つの構成要素の再結合反応、つまり、典型的には水素分子と酸素分子の再結合による水蒸気の生成反応である（図１を参照）。得られた水蒸気は以下のような有利な特性を有する：
‐  再結合により放出される熱を吸収する性能（水分子のモル熱容量は、Ｈ２やＯ２のものよりも高い）；
‐  水素のものよりも高い粘度及びモル質量。これは、どのようなメカニズムに対しても（対流性又は拡散性）、漏れを遅らせる；
‐  両側に位置する二つの空間内のものよりも高い圧力の発生。これも漏れを遅らせるのに役立つ。
【００４４】
最初、酸素が一方の側（空間２）に位置し、水素が他方の側（空間１）に位置していると、実際にこのような現象が得られる。バッファチャンバ７（中央）は、最初それほど満たされていないと、徐々に水蒸気で満たされていく。この場合、反応性ガスＯ２、Ｈ２と水蒸気Ｈ２Ｏは同じ圧力にあると考えられる。
【００４５】
拡散現象によって、分子流型（クヌーセン）の四つの流れが、異なる動力学（反応速度論）で求められる。
【００４６】
空間２とバッファチャンバ７との間には、以下の流れが存在する：
‐  Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
‐  Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２
【００４７】
空間１とバッファチャンバ７との間には、以下の流れが存在する：
‐  Ｈ２  →  Ｈ２Ｏ
‐  Ｈ２Ｏ  →  Ｈ２
【００４８】
マイクロチャネル６０、６１、言い換えると漏れ領域の各々は、支持部４０、４１と支持プレート５との間に形成されて、二種類のガスがそこを通っては反応せずに、流れに関して互いに対向することを可能にする。
【００４９】
水素の流れ易さを考慮すると、水素はバッファチャンバ７内に溜まる。これは、以下の二つの結果をもたらす：
‐  チャンバ７と空間１との間の濃度勾配を低下させて、流れを制限する；
‐  チャンバ７内の圧力を増大させる。
【００５０】
これらの現象はどちらも水素の拡散を遅らせる傾向にある。
【００５１】
また、酸素もバッファチャンバ７に到達すると、酸素は希釈された水素と反応して水蒸気を形成する。この水蒸気は、濃度を平衡状態に維持することに寄与して、圧力を増大させることにも寄与する。
【００５２】
全体的に、バッファチャンバ７は、隔離される二つの空間１、２と比較して高圧力状態にある。
【００５３】
非反応性流体（水蒸気）によるこのような分離の形成は、高温電解漕やＳＯＦＣ型の燃料電池の場合におけるバッファチャンバ７の両側において気体が定期的に補給される場合に特に有用である。
【００５４】
本方法は、バッファガスの供給、つまりは追加的な複雑性を回避することを可能にする。
【００５５】
バッファチャンバ７は、圧縮体から容易に形成可能である（図２を参照）。
【００５６】
こうした圧縮体は、電気化学反応器の一般的な部品（相互接続プレート）内に直接組み込まれ得る。
【００５７】
図３及び図４には、“スタンドアローン”型のシールと一般的に指称されるものを形成する本発明に係るシール形成デバイスが示されている。
【００５８】
図３及び図４では、圧縮プレートの両側を密封するために、二つのバッファチャンバ７が設置されている。
【００５９】
本発明に係るシール形成デバイスは、分子流（クヌーセン型）により漏れを制御するダイナミック（動的）シールをある程度構成する。これは、動作温度の高い電気化学応用に特に適している。何故ならば、これは、接触している二つの部分（分離素子と支持プレート）を、スライドさせることを可能にして、実質的に異なる膨張を許容するからである。
【００６０】
上述の本発明に係るシール形成デバイスは多数の利点を有する。
【００６１】
従来技術に係る解決策と比較してのシールの質の改善の可能性に加えて、バッファチャンバの形成は、高温電解漕又はＳＯＦＣ型の燃料電池のコストに与える影響が非常に小さい。何故ならば、バッファチャンバは、圧縮素子の形状の僅かな変更によって構成されるものだからである。
【００６２】
更に、バッファチャンバは既存のシールに追加可能である。
【００６３】
また、バッファチャンバは、放熱領域が、反応器の電気化学セル積層体内においてより良く配置されることを可能にして、反応器の設計におけるバッファチャンバの組み込みを可能にする。
【００６４】
高温電解又は燃料電池の応用について説明してきたが、本発明は、効果の高いシールが求められている他の電気化学反応器にも応用可能である。
【００６５】
上述のように、反応器に直接組み込まれる際に、本発明に係るデバイスは、単一バッファチャンバしか必要としない。
【００６６】
従って、電気化学反応器内に分離素子を組み込むのに利用可能な空間及び圧縮力に応じて、複数のバッファチャンバを直列に配置することも想定可能である。
【００６７】
図２から図４に示される支持プレート５は平坦であり、その上に分離素子４が横たわっているが、支持プレートが、分離素子の二つの支持部４０、４１で支持されるあらゆる形状をとることができるのは自明である。他の形状の一例が図５に示されている。
【００６８】
最後の、単一の分離素子４が図２から図４に示されているが、本発明に従って、図６に示されるように、所定のバッファチャンバ７内に他の分離素子４’を組み込むことも当然に可能である。この他の分離素子４’は、例えば、圧縮プレート製の追加部品であり得る。
【００６９】
上述の好ましい応用において、シールを構成する物質（支持部４０、４１を備えた分離素子４）とそれに対向するスパン（支持プレート５）の初期表面粗さは、典型的に、Ｒａ＜０．４μｍの算術平均偏差を有し、これは、研磨又は製造中の表面に対する処理によって得られる。
【００７０】
支持部及びプレート部の表面状態が粗くなくなるほど、本発明に係る結合によって得られるシールがより良くなり、マイクロチャネル６０、６１内の流れ特性が、ダルシー型よりもむしろクヌーセン型の分子流的なものになることは明らかである。
【００７１】
シールが金属スパン（金属支持プレート）と金属シール（金属分離素子４）との間に形成される場合、使用されるシール物質（金属分離素子４）が動作温度（例えば、ＡＩＳＩ４３０型のフェライト鋼に対して６００℃）において十分に軟らかく、初期粗さが低く（Ｒａ＜０．４μｍ）、且つ、空間１、２及び７内の圧力が大気圧に近いとすると、シールの１ｍｍ当たり０．５Ｎの線形力によって、クヌーセン型の分子流特性を得ることができる。こうした状況下においては、線形圧力が大きくなるほど、より分子流的な特性が得られる傾向にある。
【００７２】
以下、支持部及び支持プレートの粗さの状態によって形成される本発明に係るマイクロチャネル６０、６１を通る流れ特性を決定するために本発明者によって予測された二つの異なる方法を説明する。
【００７３】
第一の方法は、反応性ガス（この場合、Ｈ２及びＯ２）及び反応によって形成された流体（この場合、水蒸気）の平均自由行程の値を、支持部及び支持プレートの粗さの状態によって形成されるマイクロチャネルの寸法と比較することによるものである。
【００７４】
漏れ領域における流れ特性を決定するために、関連した種の平均自由行程の値を漏れの原因である欠陥のサイズと比較することが知られている（非特許文献１を参照）。金属シールの場合、二種類の漏れが生じ得て、浸透（シールを介する）によるものと、シールとスパンとの界面に位置する微孔質性によるものである。滑らか表面状態を有する本発明に関して想定される金属シール（分離素子）の場合、浸透による漏れは、界面における漏れよりも一桁小さい。従って、浸透による漏れを無視する。界面に位置する微孔質性の測定によって、漏れの原因であるマイクロチャネルの大きさを知ることができる。支持部及びプレート部の全てにおいて均一で滑らかな表面状態（つまり、その界面よりも実質的に大きな微孔質性が存在しないこと）が当然に想定される。
【００７５】
流体の平均自由行程λを以下の式で表すことができる：
【数１】
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式（１）において、
λは、ｍ単位での平均自由行程を表し、
ηは、Ｐａ・ｓ単位での動的粘度を表し、
Ｒは、Ｊ・ｍｏｌ−１・Ｋ−１単位での理想気体の気体定数（８．３１４）を表し、
Ｔは、ケルビン単位での温度を表し、
Ｐは、Ｐａ単位での圧力、
Ｍは、ｇ／ｍｏｌ単位での流体のモル質量を表す。
【００７６】
従って、流体の平均自由行程は、流体の温度及び動的粘度に従って増大し、圧力及びモル質量に従って減少する。
【００７７】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、好ましい応用における三種類のガス、具体的には空気、水素、水蒸気に対して、温度及びそれらが受ける圧力に応じた平均自由行程の代表的な曲線が示されている。これら三種類のガスに対して、平均自由行程は、温度と共に増大し、圧力と共に顕著に減少するのが見て取れる。
【００７８】
水蒸気の場合、その平均自由行程は、空気とほぼ同じレベルである（大気圧且つ７００℃において略０．５μｍ）。水素の場合、その平均自由行程は更に大きい。これは、有効衝突断面積に対する相対的な値を補強する。何故ならば、水素の有効衝突断面積は、酸素の有効衝突断面積及び水蒸気の有効断面積（両者はほぼ等しい）よりも低いからである。
【００７９】
ガスの流れ特性（ダルシー型又は分子流の法則に従った多孔質媒体中の流れ）を求めるため、平均自由行程と、流れが生じるチャネルの特徴長さ（例えば、毛細管の直径）との間の比によって定められるクヌーセン数Ｋｎを用いる。図８のダイヤグラムは、クヌーセン数の値に応じた異なる種類の流れを明確に示す。Ｋｎ＝０．１以上において、分子流の顕著な貢献が始まり、Ｋｎ＝１０を超えると、分子流特性は全て単一の種類のものになる。従って、図８のダイヤグラムにおいて：
Ａは、自由分子流を示し、
Ｂは、過渡特性を有する流れを示し、
Ｃは、すべり流を示し、
Ｄは、連続過渡特性を有する流れを示す。
【００８０】
言い換えると、この第一の決定方法によると、所定の圧力及び温度において、本発明に係るマイクロチャネルの特徴長さが、平均自由行程の１０倍の値よりも小さくなると、本発明に係るシールが有効になり始めると考えられる。シールは、平均自由行程の０．１倍よりも小さなマイクロチャネルの特徴長さから最も有効になる。
【００８１】
第二の方法は、シールの両側の追加圧力による漏れの質量流を測定するものである。その関係が二次であると、よりダルシー型の流れであると考えられる。その関係が線形であると、より分子流的であると考えられる。
【００８２】
更に、標準化された体積流量を考慮すると、空気及びＨ２の漏れの測定について以下の式で表すことができる：
クヌーセン型のモル流特性に対して、
【数２】
2013545896.tif 000004
ダルシー特性に対して、
【数３】
2013545896.tif 000005
式（２）及び（３）において、
【数４】
2013545896.tif 000006
は、Ｈ２に対して正規化された空気の体積（Ｎｍ３／ｓ）であり；
【数５】
2013545896.tif 000007
は、空気に対して正規化された空気の体積（Ｎｍ３／ｓ）であり；
σＨ２は、ナノメートル（ｎｍ）単位でのＨ２の有効衝突直径を示し、σａｉｒは、ｎｍ単位での空気の有効衝突直径を示し；
ＭＨ２は、ｇ／ｍｏｌ単位でのＨ２のモル質量を示し、Ｍａｉｒは、ｇ／ｍｏｌ単位での空気のモル質量を示す。
【００８３】
実験及び理論における比
【数６】
2013545896.tif 000008
の比較も、本発明に係るマイクロチャネル内の流れの種類を評価することを可能にする。
【符号の説明】
【００８４】
１  第一の空間
２  第二の空間
４  分離素子
５  支持プレート
７  バッファチャンバ
４０  支持部
４１  支持部
６０  マイクロチャネル
６１  マイクロチャネル
【図１】
2013545896.tif 000009
【図２】
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【図３】
2013545896.tif 000011
【図４】
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【図５】
2013545896.tif 000013
【図６】
2013545896.tif 000014
【図８】
2013545896.tif 000015
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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