(57)【要約】  本発明は水素を生成する電解槽に関するものであり、この電解槽は複数の基本セル及び相互接続板(8)を具え、これらの基本セルは、カソード(2.1,2.2)、アノード(4.1,4.2)、及びカソードとアノードとの間に設けた電解質(6.1,6.2)を含み、相互接続板(8)は、基本セルのアノード(4.1)と次の基本セルのカソード(2.2)との間に挿入されて、これらのアノード及びカソードに電気接触し、カソード及びアノードへ流体を流すためのそれぞれカソード区画(11)及びアノード区画(9)、及びカソード(2.2)で生成された水素を捕集するためのチャンバー(12)を含み、チャンバー(12)は、第１壁面(8.1)及び第２壁面(8.2)によって、それぞれカソード区画及びアノード区画から分離され、第１壁面(8.1)は少なくとも、ガスがカソード区画から第１壁面を通ってチャンバーに拡散することを可能にする厚さを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の基本電解セル(C1, C2)の積層と、相互接続板(8)とを具えた電気化学反応器であって、前記基本電解セル(C1, C2)の各々が、カソード(2.1, 2.2)、アノード(4.1, 4.2)、及び前記カソード(2.1, 2.2)と前記アノード(4.1, 4.2)との間に設けられた電解質(6.1, 6.2)で形成され、前記相互接続板(8)が、前記基本電解セル(C1)の各々の前記アノード(4.1)と、当該基本電解セルの次の前記基本電解セル(C2)の前記カソード(2.2)との間に挿入され、前記相互接続板(8)が、前記アノード(4.1)及び前記カソード(2.2)に電気接触し、前記カソードにおいて流体を循環させるための少なくとも１つのカソード区画(11)、及び前記アノードにおいて流体を循環させるための少なくとも１つのアノード区画(9)を具えている電気化学反応器において、
前記相互接続板(8)がさらに、前記カソード(2.2)において生成される少なくとも１つのガスを捕集するための少なくとも１つのチャンバー(12)を具え、このチャンバーは、第１壁面(8.1)によって前記カソード区画(11)から分離され、かつ第２壁面(8.2)によって前記アノード区画(9)から分離され、前記第１壁面(8.1)は、少なくとも、前記ガスが前記カソード区画(11)から当該第１壁面(8.1)を通って前記チャンバー(12)に拡散することを可能にする厚さを有することを特徴とする電気化学反応器。
【請求項２】
前記第１壁面(8.2)が２００μｍ未満の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の電気化学反応器。
【請求項３】
水の電気分解によって水素を生成し、水蒸気が前記カソード(2.2)において循環し、前記第１壁面(8.1)を通って拡散するガスが水素であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気化学反応器。
【請求項４】
前記チャンバー(12)の入口が水蒸気源に接続され、前記チャンバーの出口が、前記第１壁面(8.1)に接触している前記カソード区画(11)に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電気化学反応器。
【請求項５】
前記チャンバー(12)の入口が、非酸化性排出ガス、例えばヘリウムのガス源に接続され、前記チャンバーの出口が、排出ガス及び水素を捕集するための手段に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電気化学反応器。
【請求項６】
前記第２壁面が、気体水素に対して漏れ止めであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電気化学反応器。
【請求項７】
前記カソード(2.1, 2.2)及び前記アノード(4.1, 4.2)が多孔質材料製であり、前記電解質(6.1, 6.2)が固体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電気化学反応器。
【請求項８】
７００℃以上の高温で動作することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電気化学反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素回収装置を設けた電気化学反応器、特に電解槽または燃料電池、さらには高温電解槽に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気化学反応器は、電解質によって分離されたカソード（陰極）及びアノード（陽極）で形成される複数の基本セルを具え、これらの基本セルは、ある基本セルのアノードと次の基本セルのカソードとの間に挿入された相互接続板を用いて直列に電気接続されている。これらの相互接続板は、例えば金属板で形成された電子導電性の構成要素である。これらの相互接続板はさらに、カソード流体とアノード流体とが分離した区画内を循環することを保証する。
【０００３】
これらのアノード及びカソードは多孔質材料製であり、その内部をガスが流れることができる。
【０００４】
例えば、水素を生成するための水の電気分解の場合は、水素が気体形態で生成されるカソードでは水蒸気が循環し、アノードでは排出ガスが循環して、アノードにおいて気体形態で生成された酸素を捕集する。
【０００５】
高温電解槽内では、導入される気体混合物は、例えばサーメットＮi／ＺrＯ2製のカソードに対して非常に攻撃的であり、従って、この気体混合物の攻撃性を制限するために、水蒸気を電解槽内に導入する前に、気体形態の水素を水蒸気中に導入して、還元性媒質中にカソードを維持する。この技術は比較的効率的であるが、特に追加的な水素源を必要とするので、工業レベルで応用可能ではない。入口において５％〜１０％の水素を含む混合物を得ることを目標とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、カソードの環境の攻撃性を低減した、工業用途に適した電子化学反応器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的は電気化学反応器によって達成され、この電気化学反応器は、当該電気化学反応器のカソードで生成される水素の一部を回収して、このカソードにおいて循環する水蒸気に混入して、カソードを包囲する媒質の攻撃性を低減するのに適した手段を具えている。
【０００８】
より具体的には、相互接続板を通してカソードに隣接したアノードに自然に移動する水素を回収する。こうして、外部の水素の流入を低減することができる。
【０００９】
換言すれは、相互接続板内に区画を配置して、捕集板に接触しているカソードで生成される水素の一部を回収し、この水素をカソードの入口に送って、カソードが内部に位置する媒質の攻撃性を低減する。従って、相互接続板は水素捕集板でもある。
【００１０】
この水素は漏洩によって自然に消失するものであり、従って、その捕集は、電解槽の出口で回収される水素の量は低減しない。
【００１１】
このことを行うために、上記電気化学反応器は、壁面によってカソード区画及びアノード区画から分離された内部チャンバーを具えた相互接続板を使用し、水素は、濃度差によって材料を通る浸透の原理により、チャンバー内のカソード側の壁面を通って移動しようとする。こうして、チャンバー内にある水素は、捕集されて水蒸気と混合される。
【００１２】
他の好適例によれば、水蒸気が相互接続板内を循環し、従って同時に、チャンバー内で収集した水素を混入される。そして、この水蒸気は、相互接続板に接触しているカソード区画内に直接導入される。その結果、回路のサイズ及びその複雑性が低減される。
【００１３】
ヘリウム型非酸化性ガスを相互接続板内に循環させて水素を排出し、水蒸気との混合を相互接続板の外部で行うこともできる。
【００１４】
本発明の主目的は、複数の基本電解セルの積層を具えた電気化学反応器にあり、各セルは、カソード、アノード、及びカソードとアノードとの間に設けた電解質で形成され、基本セルの各アノードと次の基本セルのカソードとの間に相互接続板が挿入され、この相互接続板は、これらのアノード及びカソードと電気接触し、カソード及びアノードにおける流体の循環用の、それぞれ少なくとも１つのカソード区画及び少なくとも１つのアノード区画を具え、この相互接続板はさらに、カソード区画及びアノード区画からそれぞれ第１壁面及び第２壁面によって分離され、カソードで生成される少なくとも１つのガスを捕集する少なくとも１つのチャンバーを具えていることを特徴とし、この第１壁面は、少なくとも、カソード区画からこの第１壁面を通ってチャンバーに至るガスの拡散を可能にする厚さを有する。
【００１５】
この第１壁は、２００μｍ以下の厚さを有して、上記壁面を通るガスの良好な拡散を保証することは有利である。
【００１６】
本発明による電気化学反応器は、水の電気分解によって水素を生成することに適合し、そしてカソードにおいて水蒸気が循環し、第１壁面を通って拡散するガスは水素である。
【００１７】
特に有利な例では、上記チャンバーは、その入口を水蒸気源に接続され、その出口を上記第１壁面に接触しているカソード区画に接続され、これにより、水素を、その捕集と同時に水蒸気に混入することができる。
【００１８】
他の例では、上記チャンバーは、その入口を、非酸化性ガス、例えばヘリウムのガス源に接続され、その出口を、排出ガス及び水素を捕集する手段に接続されている。
【００１９】
上記第２壁面を気体水素に対して漏れ止めにして、捕集チャンバーから上記アノード区画への水素の漏洩を回避することを、有利な方法で行うこともできる。
【００２０】
上記カソード及びアノードは、多孔質材料製であり、かつ上記電解質が固体であることが有利である。
【００２１】
本発明による電気化学反応器は、７００℃以上の高温で動作するのに特に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明は、図面を参照した以下の説明を読むと、より良く理解される。
【００２３】
【図１】本発明による電解槽の実施例の側面図である。
【図２】図１の電解槽の平面Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図３】本発明による電解槽の他の実施例の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下の説明では、水素を生成する水の電気分解を一例として説明する。しかし、本発明は、燃料電池のような他のあらゆる電気化学反応器に適用される。
【００２５】
図１に、複数積層した基本電気化学セルＣ１、Ｃ２等を具えた本発明による電解槽の実施例を示す。
【００２６】
各基本セルは、カソードとアノードとの間に設けた電解質を具えている。
【００２７】
残りの説明では、セルＣ１及びＣ２、及びこれらの境界面を詳細に説明する。
【００２８】
セルＣ１はカソード２．１及びアノード４．１を具え、これらの間に、例えば固体で、一般に厚さ１００μｍの電解質６．１が配置されている。
【００２９】
セルＣ２はカソード２．２及びアノード４．２を具え、これらの間に電解質６．２が配置されている。
【００３０】
カソード２．１、２．２及びアノード４．１、４．２は多孔質材料製であり、例えば４０μｍの厚さを有する。
【００３１】
セルＣ１のアノード４．１は、アノード４．１及びカソード２．２に接触する相互接続板８によって、セルＣ２のカソード２．２に電気的に接続されている。さらに、相互接続板８は、アノード４．１及びカソード２．２の電源供給を可能にする。
【００３２】
相互接続板は、２つの基本セル間に、より正確には、ある基本セルのアノードと隣接セルのカソードとの間に挿入されている。この板は、それに隣接するアノード及びカソードと共に、流体の循環用の流路（チャンネル）を規定する。これらの流路は、アノードにおいてガスを循環させる専用のアノード区画９、及びカソードにおいてガスを循環させる専用のカソード区画を規定し、このことは特に図２に見られる。
【００３３】
本発明によれば、相互接続板８は、カソード２．２において生成される気体形態の水素を捕集する少なくとも１つのチャンバー１２を具えている。
【００３４】
図に示す例では、相互接続板は、複数の捕集チャンバー１２、及び複数のアノード区画及びカソード区画を具えている。チャンバー１２及びこれらの区画は、ハニカム（ハチの巣）形の六角形断面を有し、このことは、区画９、１１及びチャンバー１２の密度を増加させることを可能にする。
【００３５】
例えば、相互接続板８は、カソード２．２に接触している第１シート８．１、及びアノード４．１に接触している第２シート８．２を具え、シート８．１及び８．２は、内部捕集空間またはチャンバー１２を組織する。シート８．１及び８．２は、カソード２．２及びアノード４．２と共に、それぞれ、カソード区画１１及びアノード区画１２を組織する。
【００３６】
カソード２．２に接触している第１シート８．１は、シート８．１を通したカソード側２．２から空間１２への水素の良好な拡散を可能にするように十分薄く設ける。シート８．２の厚さは、チャンバー１２からアノード４．１への水素の拡散を制限するように選定することが有利である。
【００３７】
シート８．１の厚さは、例えば１ｍｍ未満であり、２００μｍ未満であることが有利であり、さらに有利な様式では１００μｍのオーダーである。
【００３８】
チャンバー１２は、気体状流体の入口（図示せず）に接続され、他方は、水素を排出する出口（図示せず）に接続されている。
【００３９】
以下、本発明が機能する様子を説明する。
【００４０】
本発明は、濃度差によって材料、特に金属を通る浸透の原理を利用する。
【００４１】
本発明の場合、カソードにおける水素濃度は、相互接続板８の容積１２内の水素濃度よりもずっと高く、その結果、カソード２．２において生成される気体形態の水素は、第１シート８．１を通して自然に拡散しようとし、第１シート８．１の厚さは、こうした拡散を可能にする厚さにする。こうして、チャンバー１２は、気体形態の水素がより高濃度になろうとする。この拡散は矢印１４で表す。
【００４２】
なお、工業電解槽の場合、相互接続板の表面は数百ｃｍ2のオーダーであり、そのサイズを限定すべくこれらの厚さは低減され、その結果、拡散現象がさらに生じる。従って、本発明は、この種の大型電解槽において特に有利である。
【００４３】
同時に、アノード４．１における水素濃度はチャンバー１２内の水素濃度よりもずっと低いので、これによっても、水素が第２シートを通して拡散し、酸素と再結合して水蒸気を形成しようとする。しかし、チャンバー１２内の水素の分圧はカソード２．２における水素の分圧よりも低いので、こうしたアノード４．１への拡散現象は、既存の電解槽に比べれば低減される。
【００４４】
次に、水蒸気を供給してチャンバー１２内を直接循環させる。こうするために、チャンバー１２を水蒸気源に接続し、これにより電解槽内で水蒸気に水素を直接混入して、カソード２．２に直接送る。こうして、水蒸気を循環させる回路が低減される。水蒸気の循環は、相互接続板８における循環については矢印１６で表し、カソード２．２における循環については矢印１８で表す。
【００４５】
５％〜１０％の水素を含む水蒸気を得て、カソード用の十分な還元性の媒質を得ることを目標とする、この比率が、第１シート８．１を通した水素の拡散によって直接得るならば、チャンバー１２内に導入する水蒸気は事前に水素を混入していない水蒸気とする。他方では、水素の比率が所望の比率より小さければ、既に水素を混入した水蒸気を導入する。従って、事前に供給すべき水素の量が従来技術に比べて低減される。
【００４６】
あるガスを供給してチャンバー１２内を循環させて、チャンバー１２内に拡散する水素を排出することもできる。このガスは、例えばヘリウム等の非酸化性ガスであることが有利である。次に、この水素を混入したガスを、カソード区画の入口で水蒸気と直接混合するか、捕集して排出ガスから水素を分離するかのいずれかを行う。
【００４７】
相互接続板８は、固体板を用いて形成することもでき、この固体板内に、流路網を機械加工し、この固体板のいずれの側にも薄板を配置して、カソード及びアノードに接触させる。カソードと接続している薄板は、流路方向への水素の拡散を可能にするように十分薄く設ける。
【００４８】
流体をチャンバー１２内に循環させて水素を捕集し、チャンバー１２の出口で純水素を捕集しないことが好ましく、チャンバー１２の出口で純粋な水素を捕集することは拡散にとって有害である。実際に、そうすると、チャンバー１２内の水素濃度がカソードにおける水素濃度に近くなり、拡散現象を制限する。
【００４９】
排出ガスをアノードにおいて循環させて、アノードにおいて生成された酸素を捕集することもできる。
【００５０】
各相互接続板８が、拡散によって水素を捕集するため少なくとも１つのチャンバーを具えて、各カソード区画内を循環する水蒸気に、隣接する相互接続板において回収した水素を混入することが有利である。
【００５１】
従って、本発明は、相互接続板８を通して自然に行われるカソード区画からアノード区画への水素の漏洩を利用して、カソードの寿命を増加させる利点を有する。
【００５２】
さらに、本発明は、電解槽内で生成される水素を利用することを可能にして、電解槽内で生成されたものを使用するための外部源または特定手段、特に、冷却して供給圧に圧縮する手段に頼ることを回避し、これらの手段はエネルギーを消費し、高価かつ大型である。従って、本発明は、再循環回路を低減し、さらには排除することも可能にする。
【００５３】
さらに、電解槽内に含まれる水素は既に基本セルの積層の温度であるので、熱衝撃を回避するために加熱する必要がない。
【００５４】
従って、本発明による電解槽は、従来技術の電解槽に比べて、より小型であり、より製造が容易であり、従ってコストを低減した価格であり、さらに、よりエネルギーを消費しない。
【００５５】
図３に、図１及び図２の電解槽の代案実施例を示し、ここでは、排出ガスをアノード上に注入する前に循環させるための流路２０を設け、こうした電解槽内の事前循環は、このガスを加熱することを可能にする。
【００５６】
一例として、厚さ２００μｍのシートを通る水素のモル流量を、次式によりmol・ｍ-2・ｓ-1単位で計算する。
【数１】
2010540770.tif 000003
ここに、
Φ∞は、mol・ｍ-2・ｓ-1単位の水素のモル流量であり、
Ｐｅは、ｍ3・ｍ・ｍ-2・ｐ-1/2単位の透過係数であり、
ＰH2は、Ｐa単位の水素の分圧であり、
Ｅは、シート８．１のｍ単位の厚さであり、
Ｖmは、モル体積：２２．４・１０-3ｍ3・mol-1である。
【００５７】
フェライト系材料をシート用に選択し、この場合、実験的に得られた次式の係数を有する：
【数２】
2010540770.tif 000004
ここに、Ｒは理想気体定数：８．３１Ｊ・mol-1・Ｋ-1であり、ＴはＫ単位の温度である。
【００５８】
従って、厚さ２００μｍの板については、８００℃の温度及び１０5Ｐaの水素分圧では、＝５．５８・１０-2mol・ｍ-2・ｓ-1であり、この値は、生成された水素の流量の数％に相当する。
【００５９】
相互接続板内に形成されるチャンバー１２の回路の寸法は、カソード区画の寸法と同じオーダーの大きさである、というのは、相互接続板内及びカソード区画内を循環するのは、同量で同速度の流体であるからである。
【００６０】
相互接続板を通って拡散する水素の捕集を説明してきたが、電解槽のあらゆる点における拡散による水素のあらゆる捕集が、本発明の範囲を超えない。
【００６１】
相互接続板の壁面は、例えば、Haynes230（登録商標）、Inconel600（登録商標）、またはCrofer22APU（登録商標）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2010540770.tif 000009
2010540770.tif 000010
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