(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互のセラミックユニット（２）及び相互接続部材（４）を有する長手方向の軸（Ｘ）のスタック、並びに前記スタックに含まれる熱管理手段を含む、高温において動作する、スタック構造の電解槽又は燃料電池である電気化学系であって、
前記熱管理手段が、前記スタックの外側との間で放射によって熱交換が行われる表面を有する少なくとも１つの側方端部を有する、“放射プレート”と称される、前記スタックに位置するプレート（６、１０６、２０６、３０６）を含み、前記表面が少なくとも部分的に構造化され、前記放射プレートが、前記相互接続部材のいくつかに取って代わり、前記他の相互接続部材が、前記放射プレートから分離されることを特徴とする電気化学系。
【請求項２】
前記放射プレート（６、１０６、２０６、３０６）が前記相互接続部材より厚く、前記相互接続部材（４）が０．１ｍｍから１５ｍｍの厚さであり、少なくとも１つの放射プレート（６、１０６、２０６、３０６）が５ｍｍから５０ｍｍの厚さである、請求項１に記載の電気化学系。
【請求項３】
前記放射プレート（１０６）が、前記セル（２）の横断面及び前記相互接続部材（４）の横断面より大きな横断面を有し、それが、前記スタックから突出する周辺頭部（１１）を有するようになる、請求項１又は２に記載の電気化学系。
【請求項４】
前記周辺頭部（１１）が、その表面が少なくとも部分的に構造化される側方端部、及び、少なくとも１つのその長手方向の面が部分的に構造化される２つの長手方向の面（１０）を含む、請求項３に記載の電気化学系。
【請求項５】
前記側方端部の表面及び／又は少なくとも１つの長手方向の面が、Ｐｒ２ＮｉＯ４＋δで被覆される、請求項４に記載の電気化学系。
【請求項６】
前記放射プレート（６、１０６、２０６、３０６）が、前記スタックに周期的に分布され、基本ユニットが、セラミックセル（２）及び２つの相互接続部材（４）に形成される、請求項１から５の何れか一項に記載の電気化学系。
【請求項７】
前記側方端部が起伏を有する、請求項１から６の何れか一項に記載の電気化学系。
【請求項８】
前記周辺頭部が、前記スタック内に位置する前記放射プレートの一部より厚い、請求項３に記載の電気化学系。
【請求項９】
前記放射プレート（２０６）が、前記放射プレート（２０６）内に形成され、その平面にほぼ延長する流路によって形成される対流による熱伝達手段を含み、流体が前記流路に流れる、請求項１から８の何れか一項に記載の電気化学系。
【請求項１０】
前記流体が、前記電気化学系の電気分解反応に使用される流体と異なる流体である、請求項９に記載の電気化学系。
【請求項１１】
前記流体が、少なくとも前記電気化学系の前記電気分解反応に使用される電解ガスであり、前記系が、電解ガス供給回路に前記流路（２１６）を接続する手段を含む、請求項９に記載の電気化学系。
【請求項１２】
前記放射プレート（４０６）が、前記系の所望の動作温度で相変化する材料（４３８）を含む少なくとも１つのキャビティ（４１６）を含む、請求項１から１１の何れか一項に記載の電気化学系。
【請求項１３】
前記相変化材料（４３８）が、７８０℃から８３５℃の固相線温度及び８１４℃から８５３℃の液相温度を有する共晶材料である、請求項１２に記載の電気化学系。
【請求項１４】
前記相変化材料が、溶融塩である、請求項１２に記載の電気化学系。
【請求項１５】
少なくとも２つの放射プレートが、前記２つの放射プレート間に位置するセルを電気的に絶縁することができるような電気接続部を含む、請求項１から１４の何れか一項に記載の電気化学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改善された熱管理を有する高温において動作する電解槽及び燃料電池スタックに関連する。
【背景技術】
【０００２】
高温電解槽は、通常ＳＯＥＣ（固体酸化物電解セル）と称される。それらは、電気的及び熱的出力から化学的エネルギーへの電気化学的転換を達成する。“共電解”という用語は、蒸気及び二酸化炭素の混合物Ｈ２Ｏ／ＣＯ２が電解槽に供給される動作を意味する。蒸気は、水素に変態し、二酸化炭素は、一酸化炭素に変態し、エネルギー担体として作用する。要求に応じて、その後、これらのＨ２／ＣＯの可燃性ガスは、例えばＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）のスタックを用いて熱及び電気に転換され得る。
【０００３】
ＳＯＥＣ電解槽及びＳＯＦＣ燃料電池スタックは、同一の電気化学系の逆動作を表す。
これらの系が非常に電気的に効率的であることに留意すべきである。さらに、燃料の性質に関する大きな柔軟性は、ＳＯＦＣモードにおいて可能である。スタックは、例えば、中性ガスが直接供給され得る。この場合、水素へのメタンの改質は、系のセル内で直接起こる。
【０００４】
対象となるＳＯＥＣ電解槽及びＳＯＦＣ燃料電池のスタックは、電気化学反応が起こる多数の平坦なセラミックセルのスタック、及び、一般的には各対のセラミックセルの間に介在される相互接続プレートによって形成される。セルは、その面の各々に、電極（アノード及びカソード）を構成するセラミック層を有し、そこで、所定のセルの２つの電極が、電解質として作用するセラミック膜によって絶縁され分離される。
【０００５】
相互接続プレートは、セルの２つの電極の各々にガスを分配し、集電する。スタックにおいて、相互接続プレートは、互いに面して位置する２つの連続したセルの対向する電極に対して集電及び分配機能を行うために両側において構造化される。
【０００６】
１つのセル及びそれを囲う２つの相互接続プレートの間のアセンブリは、画定された基本ユニットを形成する。特に、基本ユニットは、カソード部分（化学種が還元される位置）及びアノード部分（酸化反応の位置）を含み、それらは、密閉され、電気的に絶縁された２つのボリュームである。
【０００７】
熱伝達は、ガスによって、並びにスタックの端部及びその絶縁被覆の間の熱交換によって部分的に行われる。最も熱い考えられる基本ユニットが、交換表面が増加されることを可能にし、その系の熱管理を容易にするということが理解される。しかしながら、相互接続プレートは、電気化学コンバーターの小型化を向上させ、コストを低減するために、できるだけ薄く作られた、プレスされたプレートで通常作られる。従って、小容積を与える小型化のこの制約と大きな面積を要求する熱交換との間に妥協点を見出すことが重要であると思われる。
【０００８】
定常動作に関して、ＳＯＦＣスタックの熱管理は、カソードに送られる空気の流速を調整することによって部分的に存在する。さらに、メタンを水素に変態する化学的な反応の吸熱が、水素の電気化学的酸化によって引き起こされる熱放出を平衡させる傾向があるので、内部改質は、スタックの熱管理を容易にする。しかしながら、系がスイッチオン／オフする際に過渡負荷中に又は相内に、温度勾配が現れ、スタックに機械的な損傷をもたらし得る。
【０００９】
ＳＯＥＣの熱管理に関して、動作電圧に依存して、動作する逆バッテリ保護によって放出される熱は、蒸気の電解によって吸収される熱未満であったり、等しかったり、それを超えるものであり得ることが示されている。高い蒸気変化速度の場合、電解槽の温度は、系の長期間動作を受け入れ不能なレベルまで非常に急速に変化する。実際、発熱モードで動作する際に、生成される水素は、ほとんど熱を含まない。従って、電解槽によって放出される水素の流れは、大きな熱量を排出することができない。吸熱動作の場合、最適な動作のためにスタックに熱を提供することが難しいことが証明され得ることを言及しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
結果的に、本発明の一目的は、定常制御又は過渡運転であるかを問わず、系の熱管理に関して高い柔軟性を与える、改善された熱管理を有する高温電解槽又は燃料電池などの電気化学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的は、セラミックセル及び相互接続部材によって形成される基本ユニットのスタックにおいて、スタック及び例えば熱運動化される被覆の間に放射表面を提供する、相互接続部材の表面よりかなり大きい、放射による熱伝達のための表面を有するプレートの挿入によって達成される。
【００１２】
このかなり大きな放射表面は、１つ又は複数の放射プレートの側方表面の構造化によって得られる。これらのプレートは、好ましくは周期的にスタックに分布される。それらは、特定の相互接続部材がセルのガス供給部を提供するように製造される場合、特定の相互接続部材の置換物として位置し得、又は相互接続部材に隣接して位置し得る。
【００１３】
“構造化”という用語は、プレートの熱交換表面を増加するようにプレートの表面に起伏を生成することを意味するものと理解され、その起伏は、例えばフィンを形成するリブの形態である。さらに、本願における“熱伝達”という用語は、スタックからの熱の外部への伝達を意味すると理解されるが、吸熱動作モードにおいて、スタックに外部から熱を伝達することをも意味する。
【００１４】
本発明によると、放射された流れがＴ４に比例するので、放射された流れによる放射熱交換は、その温度より非常に高い。従って、この熱伝達モードは、周囲温度で低く、ＳＯＥＣタイプ又はＳＯＦＣタイプの電解槽の動作温度において支配的になってくる。特に、それは、ＳＯＥＣタイプの電解槽及びＳＯＦＣスタックに非常に相応しい。
【００１５】
特に、有利な実施形態においては、放射プレートは、スタックから突出する側方頭部を含む；次いで、側方表面に加えて、スタックの軸に垂直な頭部の表面は構造化され得る。
【００１６】
これらのプレートは、好ましくは相互接続部材より厚く、より大きな放射側方交換表面さえ提供する。
【００１７】
スタックは、放射による伝達を効率的に引き起こすプレートによって囲われて分離されるセルのサブユニットに分割される。これらのプレートは、放射機能による伝達の原因となる。従来技術の電解槽及びセルスタックにおいて、放射による伝達は、相互接続部材の端部で起こり、これらは非常に薄い。
【００１８】
これらのプレートは、スタックの熱管理において特に効率的であり、放射による熱移動が、熱伝達の支配的な方法であり、燃料電池及び電解槽のセルのスタックにおける最も効率的な方法である。
【００１９】
さらに、それらは、例えば可逆性、過渡運転、注入ガスの多様性などの点で、より大きな柔軟性が要求される系の特に相応しい熱管理を可能にする。
【００２０】
本発明の主目的は、交互のセラミックセル及び相互接続部材を有する長手方向の軸のスタック、並びに前記スタックに含まれる熱管理手段を含む電気化学系であって、前記熱管理手段が、前記スタックの外側との間で放射によって熱交換が行われる表面を有する少なくとも１つの側方端部を有する、“放射プレート”と称される、前記スタックに位置する少なくとも１つのプレートを含み、前記表面が少なくとも部分的に構造化されることを特徴とする電気化学系である。
【００２１】
前記放射プレートは、前記相互接続部材より厚く、前記相互接続部材は、０．１ｍｍから１５ｍｍの厚さであり得、少なくとも１つの放射プレートは、５ｍｍから５０ｍｍの厚さである。
【００２２】
特に有利な実施形態において、前記放射プレートは、前記セルの横断面及び前記相互接続部材の横断面より大きな横断面を有し、それは、前記スタックから突出する周辺頭部を有するようになり、前記頭部は、その表面が少なくとも部分的に構造化される側方端部を有する。
【００２３】
前記頭部は、２つの長手方向の面を有し、その少なくとも１つが部分的に構造化される。
【００２４】
前記側方端部の表面及び／又は少なくとも１つの長手方向の面は、有利には、１に近い放射率を有する材料、例えばＰｒ２ＮｉＯ４＋δで被覆される。
【００２５】
前記電気化学系は、前記スタック全体にわたって分布される幾つかの放射プレートを含み得る。前記放射プレートは、前記スタックに周期的に分布され、例えば４から１２の基本ユニット毎に分布され、基本ユニットが、セラミックセル及び２つの相互接続部材に形成される。有利な特徴によれば、前記スタックに周期的に分布される前記１つの又は複数の放射プレートは、それらが分離する基本ユニットのアセンブリの端部に位置する相互接続部材に取って代わる。
【００２６】
前記電気化学系は、前記セラミックセルに電解ガスを供給する回路を含むことができる。
【００２７】
前記放射プレートはまた、対流による熱伝達のための手段を含むことができる。前記対流による熱伝達のための手段は、前記放射プレートに形成され、流体が流れる前記プレートの平面にほぼ延長する流路によって形成され得る。前記流体は、前記電気化学系の電気分解反応で使用される流体と異なる流体であるか、前記電気化学系の電気分解反応の少なくとも１つで使用される電解ガスであり得、前記系は、前記流路を電解ガス供給回路に接続する手段を含む。
【００２８】
本発明による電気化学系は、流路が水蒸気改質触媒で被覆され、流体が中性ガスである、中性ガス中で改質することによって動作する燃料電池であり得る。
【００２９】
前記放射プレートは、対流による熱伝達のための手段を含み得る。
【００３０】
前記放射プレートは、系の所望の動作温度で相変化する材料を含み得る。前記相変化愛量は、例えばキャビティに配置される。
【００３１】
前記相変化座試料は、８００℃に近い固相線温度及び８５０℃に近い液相温度を有する共晶材料であり得る。
【００３２】
あるいは、前記相変化材料は、溶融塩、例えばＮａＣｌであり得る。
【００３３】
有利な例において、少なくとも２つの放射プレートは、前記２つの放射プレート間に位置するセルを電気的に絶縁することができる電気接続部を有する。
【００３４】
本発明による電気化学系は、例えば水素を生成するための高温電解槽であり得る。
【００３５】
本発明による電気化学系は、消費される水素が中性ガスの素蒸気改質によって生成され得る燃料電池であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】図１Ａは、熱管理プレートの第１の実施形態の上面斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの放射プレートの側方端部の詳細図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａの熱管理プレートを含むスタックの実施形態の前面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、熱管理プレートの第１の実施形態の変形実施形態の側面斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの放射プレートのＡ−Ａ面に沿う断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａの熱管理プレートを含むスタックの実施形態の前面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、導電タイプの伝達を含む第２の実施形態による２つの熱管理プレートの上面斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、Ｂ−Ｂ面に沿う図３Ａの上部プレートの断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、第２の実施形態の変形例による２つの熱管理プレートの上面斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの裏面に位置する側方端部から見られる、Ｃ−Ｃ面に沿う図４Ａの上部プレートの断面図である。
【図５】図５は、第２の実施形態の他の変形例による熱管理プレートを含む本発明による高温電解槽のスタックの一部の上面斜視図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第２の実施形態の他の変形例による熱管理プレートの上面斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、Ｄ−Ｄ面に沿う図６Ａのプレートの断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、相変化材料を用いた第３の実施形態による熱管理プレートの上面斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、Ｅ−Ｅ面に沿う図７Ａのプレートの断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、変形実施形態による熱管理プレートを含むスタックの斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、Ｆ−Ｆ面に沿う図８Ａのスタックの断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、変形実施形態による熱管理プレートを含むスタックの斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、変形実施形態による熱管理プレートを含むスタックの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明は、以下に続く詳細な説明及び添付図面を用いて詳細に理解される。
【００３８】
図１Ｃにおいて、高温電解槽又は燃料電池などの電気化学系に対する本発明によるスタックの実施形態が見られる。
【００３９】
スタックは、長軸Ｘに沿って延び、相互接続プレート４又は相互接続部材によって分離されるセラミックセル２を含む。アセンブリＡは、１つのセル２とそれを囲う２つの相互接続プレート４とで形成され、基本ユニットを形成する。これらのセルは、電解質（典型的には、イットリアがドープされたジルコニア、又は、２つの電極で囲われたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で製造され、電極の一方は、ペロブスカイト構造材料（ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）で作られ、電極の他方は、セラミック−金属複合材（ＹＳＺ及びニッケルの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ））で作られる）を含み、例えば多層型のセラミック構造体であり得る。相互接続部材は、典型的にはＣｒｏｆｅｒ（登録商標）２２ＡＰＵ合金で作られ、それは、Ｈａｙｎｅｓ２３０（登録商標）であるフェライト鋼であり、又はニッケルベースの合金である。
【００４０】
一例として、Ｃｒｏｆｅｒ（登録商標）２２ＡＰＵ及びＨａｙｎｅｓ２３０（登録商標）の組成を以下の表に記載する。
【００４１】
【表１】
0006306510.tif 000002
【００４２】
スタックはまた、追加のプレートを通常含む。プレート６は、導電材料、好ましくは金属で作られ、例えばＣｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵ（登録商標）フェライト鋼、又はＦ１８ＴＮｂなどで作られる。これらのプレート６は、電気化学系が動作した際に発生する熱の放射による熱移動によって電気化学系の熱管理を与える。プレート６は、以下では“放射プレート”と称する。
【００４３】
プレート６は、好ましくは周期的にスタックに分布される。例えば、２つの放射プレートは、４から１２の基本ユニットによって分けられる。２つの放射プレート６を分離する基本ユニットの数は、積層方向、すなわち電流方向における温度勾配を制限するように選択される。
【００４４】
本発明によるスタックは、セラミックセル及び相互接続部材からなる基本要素並びに放射プレートを含む：以下に示すように、放射プレートはまた、相互接続部材として機能し得る；しかし、それらは、それらの一部にとって代わる。
【００４５】
例示的なプレート６が図１Ａに示され、その詳細図が図１Ｂに示される。
【００４６】
示された例において、放射プレート６は正方形の形状であり、そのため交換及び熱移動表面をなす４つの側方端部８を有する。
【００４７】
プレート６は、相互接続部材の表面より大きい、放射による熱移動のための表面を有する。プレート６は、放射表面を増加させるように少なくとも部分的に構成された側方端部８を有する。図２Ａにおいて、このような構造を有するこのようなプレート６の例が見られ得る。図１Ｂにおいて、図１Ａのプレートの側方端部８の拡大図が見られ得る。この例において、端部８は、放射プレートの長手方向の面に平行なリブ９を有し、そのリブは、Ｖ形状の断面を有する。リブの位置合わせは、制限的ではない。特に、プレートの長手方向の面に垂直に又は斜めに延びるリブの場合が、本発明の範囲の範囲を逸脱するものではない。さらに、構造ユニットは、如何なる種類のものでもあり得、端部によって異なり得る。
【００４８】
プレートの側方端部は、スタックの側方端部と同一垂直平面にあり得、リブの頂部は、これらの垂直平面に位置する。変形例として、側方端部の構造は突出しており、リブの頂部は、スタックの端部の垂直平面から突出している。
【００４９】
放射プレートは、好ましくは、相互接続部材の寸法以上の厚さ、すなわち長手方向軸Ｘに沿う寸法を有する。それらは、相互接続部材の側方表面より大きいその側方表面の構造に対して熱交換表面を有する。
【００５０】
以下に相互接続プレート及び放射プレートの有利な厚さの値を与える。
【００５１】
“薄い”相互接続プレート、例えばプレスされたプレートで製造されるものの場合、このプレートは、０．１ｍｍから１ｍｍの厚さであり得、放射プレートは、有利には１０ｍｍから５０ｍｍの厚さであり、好ましくは４０ｍｍの厚さである。
【００５２】
“厚い相互接続プレート”の場合、それは、５ｍｍから１０ｍｍの厚さであり得、放射プレートは、有利には５ｍｍから２０ｍｍの厚さであり、好ましくは１０ｍｍの厚さである。
【００５３】
図１Ａのプレート６は、相互接続部材４及びセル２と略等しい表面を有し、すなわちその端部は、相互接続部材及びセルの表面におおよそ位置合わせされる。
【００５４】
示された例において、放射プレート６は、基本ユニットの連続するスタックの端部に位置する相互接続部材にとって代わることができる；放射プレートの長手方向の面１０の１つは、燃焼ガス及び酸化ガスをセルに供給するための流路を有する。この配置は、スタックを単純化することができ、また電気抵抗及びシーリングの問題を低減することができる。
【００５５】
あるいは、プレート６は、セル２及び相互接続部材の間に位置することができ、穴あけは、スタックを通して流体接続を形成するために行われ得る。
【００５６】
図２Ａ及び図２Ｂにおいて、プレート６がその側方端部８及びその長手方向の面１０の外周に構造化を有する、本発明による放射プレート１０６の特に有利な変形実施形態が見られ得る。
【００５７】
プレート１０６は、セル及び相互接続部材の横断面より大きな横断面を有し、それは、スタックの中央の側方表面から突出する外周の頭部１１１を有するようになっている。図２Ｃにおいて、プレート１０６を含むスタックが見られ得る；放射プレート１０６の突出する頭部１１１は、熱交換フィンをなす。
【００５８】
頭部１１１の長手方向の面は、プレート６と同様の方式でその側方端部１０８の構造を有し、有利にはその長手方向の外側端部１１２の構造１１３を有する。図２Ｂに見られるように、断面において見られるこの構造１１３は、鋸の歯の形状を有する。歯の最大面１１３．１は、有利にはスタックの外側に面し、側方表面は外側に面し、熱は、主に外側に放出する。
【００５９】
あるいは、長手方向の面のみが構造を有し、側方端部が平滑であるか、逆に、側方端部のみが構造化され、長手方向の面が平滑であることが決定され得る。側方端部及び／又は長手方向の面の部分的な構造化がまた考えられ得る。
【００６０】
さらに、プレート、より一般的にはスタックの要素の正方形状は、限定的ではなく、例えば円板形状が、本発明の範囲を逸脱するものではない。
【００６１】
一例として、プレートの寸法を記載する。
【００６２】
７７．４４ｃｍ２の活性表面、５つのセル毎に位置する放射プレート、１ｍｍの厚さの相互接続部材、ガス注入温度、及び８００℃においてスタックを囲う被覆の熱化を有するセルに１．５ボルトの印加電圧を加える仮定で、構造化された放熱プレート６は、４４ｍｍの厚さを有する。１０ｍｍの厚さである相互接続部材の場合、構造化された放射プレートは、１１ｍｍの厚さである。
【００６３】
放射プレートの厚さは、それらの側方端部の構造化の程度に依存し、場合によっては長手方向の面の構造化の程度に依存する。
【００６４】
放射プレートの側方端部及び／又は外側端部は、１に近い放射率を有する材料で有利にコーティングされ得る。例えば、コーティングは、パイロゾル法によって得られるＰｒ２ＮｉＯ４＋δであり得る。
【００６５】
スタックの外側の環境、例えばスタックを囲う被覆の温度を制御することによってスタックを冷却するためのこの手段によって、放射損失を増加することも考えられる。これらの状況において、電解槽又は燃料電池の温度の直接的な制御を得ることができる。同様に、吸熱モードにおいて、放射形態の熱の移動は、外部被覆の温度を製造することによって容易にされる。
【００６６】
例において、中央の平面側方端部は、スタックの長手方向の軸Ｘに略平行である；しかしながら、これらの平面は、長手方向の軸に対して傾斜し得る。
【００６７】
変形例として、放射プレートの中央部より厚い外部側方頭部を形成することを決めることができ、この手段によって放射損失を増加する；この厚くされた頭部はまた、構造化され得る。
【００６８】
図８Ａ及び図８Ｂに放射プレート５０６の変形実施形態が見られる。この変形例において、放射プレートは、突出した周囲の頭部５１１を含む、その側方端部５０８は、起伏５０９を有している。示された例において、これらの起伏５０９は、スタックの軸に平行な軸を有する。放射表面は、この手段によって増加される。
【００６９】
図９Ａ及び図９Ｂに放射プレート６０６の他の変形実施形態が見られ、それらは、周囲の頭部６１１が、スタック内に位置する放射プレートの部分の横断面より厚いという点が図８Ａ及び図８Ｂの放射プレートと異なる。図９Ｂに見られるように、放射プレートの周囲の頭部６１１は、おおよそＴ型の形状を有する。側方端部６０８はまた、起伏６０９を有する。放射表面はさらに増加される。増加した放射表面を生成する他の形状が考えられ、例えば、Ｌ型の形状である。
【００７０】
図３Ａ及び図３Ｂにおいて、本発明による放射プレートの第２の実施形態が見られ、それは、放射伝達による冷却に加えて、対流による冷却を含む。逆に、吸熱モードにおいて、対流によるこれらの変化は、熱がスタックに移動することを可能にする。
【００７１】
図３Ａ及び図３Ｂにおいて示されるプレート２０６はまた、相互接続部材を形成するためのものである。図３Ａにおいて、セル及び相互接続部材は省略されている。
【００７２】
図３Ｂにおいて、プレート２０６の断面Ｃ−Ｃによる断面図が見られ得る。プレート６及び１０６のような放射プレート２０６は、放射伝達による冷却を提供するために、その側方端部２０８の少なくとも一部の構造、及び熱伝達流体がその中に流れることをもたらす手段を有し、対流による熱排出を引き起こす。示された例において、流動誘導手段は、互いに平行である、２つの平行なプレート２０６の端部２０８の間に延びる流路２１６によって形成される。流路２１６は、第１の端部において、供給コネクタ２１８に接続され、第２の端部において排出コネクタ２２０に接続される。この実施形態において、流路２１６は、平行に提供され、全てのプレート２０６は、全てのプレート２０６を供給するコネクタ２１８に接続されるチューブ２２２によって平行に供給され、全てのプレート２０６を退避させるためのコネクタ２２０に接続されるチューブ２２４を介して平行に退避される。熱伝達流路は、如何なる様式で配置することもできる。
【００７３】
この例において、熱伝達流体は、セルスタック又は電解槽が動作中に電解で使用されるものと異なるガスである。このガスは、例えば、生成されたあらゆる過剰な熱を回収する放射プレート２０６に流れる中性ガスである。
【００７４】
放射プレート２０６の間には電気絶縁体がある。例えば、電気絶縁体は、例えばマイカシールを用いてチューブ２２２及び供給コネクタ２１８の接合部に形成される。
【００７５】
図４Ａ及び図４Ｂにおいて、熱伝達流路２１６が直列に接続される図３Ａ及び図３Ｂの系の変形例が見られ得る。熱伝達流体供給パイプ２２２は、スタックの第１のプレート２０６．１の供給コネクタ２１８．１を供給し、第１のプレート２０６．１の排出コネクタ（見えない）は、続くプレート２０６．２の供給コネクタ２１８．２などに接続され、熱伝達流体が全てのプレートを通って流れる。
【００７６】
示された例において、プレート２０６は、相互接続部材に取って代わるためのものである；それらはまた、それらの中央部に酸化ガス及び燃料ガスを供給するための流路２２６を有する。流路２２６はそれ自体、プレートの端部に位置するブランチコネクタ２３０及びプレート２０６内部に形成される流路を介して供給される。
【００７７】
１．５ボルト／セルの印加電圧、７７．４４ｃｍ２の活性面積を有するセル、５つのセル毎に位置する放射プレート２０６、８４０℃を超えないスタック温度、２ｌ／ｍｉｎの流速において８００℃で導入される流れ、及び１ｍｍの相互接続部材の厚さを有する系において、放射プレート２０６の厚さが約４２ｍｍであると決定された。スタックにおいて放散する熱の分配は、以下のようなものである：熱の約７０．５％が放射損失によって排出され、熱の２７％がカソード及びアノード流体によって排出され、２．５％が熱伝達流体によって排出される。従って、対流冷却は、放射伝達による追加的な冷却によってスタックの熱管理が改善されることを可能にする。例えば流体の流速を増加し、又はより効率的な熱伝達流体を選択することによって、対流によって排出された熱の量は増加し得る。
【００７８】
対流冷却手段がアノード及びカソードの電解ガスを使用する、図３Ａから図４Ｂのプレートの変形実施形態が図５に見られる。
【００７９】
図５において、放射プレート２０６．１’、２０６．２’、２０６．３’及びセル２のスタックが示される。放射プレート２０６．１’、２０６．２’、２０６．３’は、図３Ａから図４Ｂの放射プレート２０６と同様であり、パイプ２２２は、例において直列に示される放射プレート２０６．１’、２０６．２’、２０６．３’に電解ガスを供給する。プレート２０６．３’の排出口において、集められた電解ガスは、第１のプレート２０６．１の側方ブランチ接続を介してパイプ２３４によってセル２に注入される。矢印は、ガスの流れを示す。電解ガスは、例えば蒸気である。２つの放射プレートを接続する流体接続は、例えばマイカシールを用いて実現される電気絶縁体を有する。
【００８０】
この配置のために、スタックは、対流によって冷却され、セルに近接して生じた熱を直接的に使用して同時に電解ガスが予熱される。
【００８１】
他の変形例によれば、対流交換を容易にするために、ガスがその被覆に位置するスタックの周囲にも流れるようにすることが考えられる。
【００８２】
図６Ａ及び図６Ｂに示される他の変形例において、メタンの改質モードで動作するセルスタックＳＯＦＣの場合、放射プレート３０６の流路３１６は、例えばＲｕ−、Ｒｈ−（又は他の）ドーピングされたセリアタイプの水蒸気改質触媒３３６で覆われる。この手段を用いて、中性ガスは、それが燃料電池のセルに導入される前に予備改質される。この反応は吸熱であるので、それは、対流によってスタックを冷却する。
【００８３】
動作中に、電気化学系は、電圧及び熱サイクルに晒され得る。これらの転移は、セルの機械的な完全性にとって有害な温度勾配を引き起こす。さらに、一時的には８５０℃を超える非常に高い温度は、スタックの金属材料を損傷し得る。
【００８４】
図７Ａ及び図７Ｂに示される例の放射プレートの実施形態は、有利には、８５０℃を超える温度である、スタック内の温度の急激な変化が制限されることを可能にする。
【００８５】
第２の実施形態のように、放射プレート４０６は、互いに平行な、プレート４０６の２つの平行な端部の間に延びる流路４１６を含む流路４１６を含む。しかしながら、これらの流路は、電解及び高温燃料電池スタックの動作温度範囲内である８００℃から８５０℃の間で相が変化する相変化材料４３８を含む。相変化材料４３８を変態するために必要な潜熱は、電解によって生成された熱によって供給される；従って、この熱は、相変化材料４３８によって吸収され、スタックに危険な閾値を超える温度上昇を制限する。
【００８６】
相変化材料４３８は、一定の温度で溶解し、スタックがこの相変化中に一定温度に維持されることを可能にするような共晶混合物であり得る。例えば、８００℃に近い固相線温度及び８５０℃に近い液相温度を有する合金であり得る。この共晶混合物材料は、例えば、８３５℃の融点を有するＡｇ（９６．９％）−Ｓｉ合金であり得、又は、それは、８０２℃の融点を有するＣｕ−Ｓｉ（８５％）、又は、８４８℃の融点を有するＬｉＦであり得、より低い温度の用途においては、７８０℃の融点を有するＡｇ−Ｃｕ（２８％）であり得る。Ａｇ５８−Ｃｕ３２−Ｐｄ１０（８５３℃〜８２４℃）、Ａｕ６０−Ｃｕ２０−Ａｇ２０（８４５℃〜８３５℃）、又はより低温においてはＡｇ９５−Ａｌ５（８３０℃〜７８０℃）又はＡｇ６８−Ｃｕ２７−Ｐｄ５（８１４℃〜７９４℃）などの他の合金が予想される。固相線温度又は液相温度はそれぞれ、ブラケット間に与えられる。
【００８７】
相変化材料４３８はまた、よりコストが掛からない溶融塩であり得る。溶融塩が使用される場合、放射プレートは、例えば窒化ホウ素による腐食から保護されなければならない。例えば、溶融塩として、８００℃の融点を有するＮａＣｌ又は８５０℃の融点を有するＮａ２Ｃｏ３が使用され得る。本発明の５つ毎のモジュールによる放射プレートの相変化材料としてＮａＣｌを用いることによって、８００℃の温度は、直径１０ｍｍで長さが２００ｍｍの１０の流路を充填することによって、３０分間、１．５Ｖで保証され得る。計算のために、排出される１００Ｗの出力、４７２ｋＪ／ｋｇのＮａＣｌの潜熱、及び２１６０ｋｇ／ｍ３の密度が考えられる。
【００８８】
相変化材料の使用のために、上限閾値及び下限閾値は、過渡変化と呼ばれる大きな一時的な温度変化を制限するために、スタック温度に導入され得る。
【００８９】
電気の費用に従った水素発生の最適化を求めて、電気代が低い場合に高電位（１．５Ｖ）において動作し、この合金を溶融するために放出される熱を使用するために、このシステムに関して決定することができる。次いで、電気代が高い場合、電解槽は、吸熱モードにおいて１．３Ｖのより低い電圧で動作する。相変化材料によって蓄えられる熱は、次いでそれが固化するとスタックに戻り、電界の効率を増加する利用可能な熱源をなす。
【００９０】
図３Ａから図７Ｂにおいて示された例において、流路は、線形であって互いに平行であるが、この形状は、限定的なものではなく、数層に分布され及び／又はプレートに不均一な方式で分布される屈曲した流路及び／又はあらゆる他の形状の流路は、本発明の範囲を逸脱するものではない。
【００９１】
流路を有する放射プレートは、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）工程を用いて粉末冶金によって製造され得る。
【００９２】
この場合、分配流路を形成するアセンブリは、パウダー形態で予め導入されるプレートを形成する材料によって囲われる湾曲した金属チューブによって得られる。このアセンブリは、密度が高い部分を得るために高温で加圧され、その外面は、最終的な寸法を得るために機械加工によって良好に形成され得る。変形例として、平行な第１の一連の穴あけを行い、続いて第１の一連の穴あけに垂直な第２の一連の２つの穴あけを行うことによって流路を形成することが決定され、第１の一連の穴あけが互いに連通するようなものである。次いで、例えば穴あけの寸法を有する円筒形状のプラグを溶接することによって排出領域が閉じられる。この変形例は、ＨＩＰ法より費用面で有利である。
【００９３】
示されていない他の実施形態によれば、対流による冷却は、放射伝達による冷却と組み合わされる。例えば、スタックは、熱導電性被覆にハウジングされ、放射プレートは、セル及び相互接続部材の横断面より大きな横断面を有し、それらは被覆に接触するようなものである；それらは、被覆に熱的に接続される。スタックに発生する一部の熱は、放射プレート及び被覆を介して対流によって排出され、その温度が制御され得る。この実施形態において、電気絶縁体は、放射プレート間の短絡を防止するために放射プレート及び被覆の間に提供される。
【００９４】
以上に記載された変形実施形態の組合せは、本発明の範囲を逸脱するものではない。例えば、対流による追加の冷却を提供する中性ガスが流れる流路であって、対流による追加的な冷却を提供する電解ガスが加熱され、相変化材料を含む流路を含む放射プレートは、本発明の範囲から逸脱するものではない。あらゆる他の組合せが考えられる。
【００９５】
スタックの単純化された熱管理を可能にすることに加えて、放射プレートはまた、この部分のセルが故障した場合にスタックの残りの部分が隔離されることを可能にすることができる。これを達成するために、放射プレートは、個々の電気接続部材に適合され得る。この部分の各端部に位置する２つのプレートを接続することによってブリッジを設けることがいつでも可能になる。この単純な動作は、セルの１つが損傷されるスタックのこの領域が、電気的に隔離されることを可能にする。それで、このスタックは、電流が損傷したセルを横切ることを避けながら動作し続けることができる。
【００９６】
最後に、相変化材料がない場合でさえ、放射プレートは、スタックに特定の熱慣性を引き起こし、これによって高い過度の温度勾配の出現を制限する。
【００９７】
高温電解槽の場合、本発明は、電解槽が、大きな熱に晒されることから回避することを可能にし、それが高い蒸気変換速度で動作することを可能にする。
【００９８】
本発明を用いて、高温電解槽及び燃料電池スタックの熱特性は、効率的に且つ相対的に単純に管理され得る。使用される手段、すなわち放射プレートはまた、高い動作安全性を有し、実施され得る冷却モードに関して大きな柔軟性を有する。同様に、これらのプレートは、吸熱動作モードで要求される熱を提供するために使用され得る。
【符号の説明】
【００９９】
２  セル
４  相互接続部材
６  放射プレート
１０  長手方向の面
１１  周辺頭部
１０６  放射プレート
２０６  放射プレート
２１６  流路
３０６  放射プレート
４０６  放射プレート
４１６  キャビティ
４３８  相変化材料
【図１Ａ】
0006306510.tif 000003
【図１Ｂ】
0006306510.tif 000004
【図１Ｃ】
0006306510.tif 000005
【図２Ａ】
0006306510.tif 000006
【図２Ｂ】
0006306510.tif 000007
【図２Ｃ】
0006306510.tif 000008
【図３Ａ】
0006306510.tif 000009
【図３Ｂ】
0006306510.tif 000010
【図４Ａ】
0006306510.tif 000011
【図４Ｂ】
0006306510.tif 000012
【図５】
0006306510.tif 000013
【図６Ａ】
0006306510.tif 000014
【図６Ｂ】
0006306510.tif 000015
【図７Ａ】
0006306510.tif 000016
【図７Ｂ】
0006306510.tif 000017
【図８Ａ】
0006306510.tif 000018
【図８Ｂ】
0006306510.tif 000019
【図９Ａ】
0006306510.tif 000020
【図９Ｂ】
0006306510.tif 000021