(57)【要約】  固体酸化物電解装置用の組み込み型加熱器がＳＯＥＣスタック中に直接一体化され、この加熱器は、電解プロセスとは独立してスタックを稼働及び加熱することができる。
2016516129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な固体酸化物電解セルスタックと、固体酸化物電解セルスタックが動作している時の連続的な動作のための加熱ユニットとを含む固形酸化物電解装置であって、上記加熱ユニットが、固体酸化物電解装置の一体化された一部である前記固形酸化物電解装置。
【請求項２】
上記加熱ユニットの動作温度が、少なくとも、セルスタックの動作温度から５０℃を引いた温度、好ましくは少なくともセルスタックの動作温度である、請求項１に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項３】
上記加熱ユニットが、２００％未満、好ましくは３０％未満、好ましくは２％未満の、表面からの伝熱損失とセルスタックへの有効な伝熱との比率を有する、請求項１または２に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項４】
上記加熱ユニットが、セルスタックの一方のエンドプレートに直接接続され、及び加熱ユニットの接続された部分の外側寸法は、セルスタックの上記のエンドプレートの外側の平坦寸法に相当する、請求項１〜３のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
【請求項５】
上記加熱ユニットがセルスタックの一方の末端に配置され、及び加熱ユニットがセルスタックの上記の一方の末端に接続される、請求項１〜４のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
【請求項６】
上記加熱ユニットが、二つのセルスタックの両端部の間にサンドイッチ配列で配置されている、請求項１〜５のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
【請求項７】
複数の、好ましくは二つの加熱ユニットが、二つのセルスタックの末端の間にサンドイッチ配列で配置されている、請求項６に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項８】
加熱ユニットが電気抵抗要素を含む、請求項１〜７のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
【請求項９】
電気抵抗要素が平坦なプレート加熱要素として形成され、ここで、電流が、この加熱プレートの平面に対し垂直に伝播する、請求項８に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項１０】
加熱ユニットが、セルスタックから電気抵抗要素を電気的に絶縁するのに役立つ電気絶縁要素を含む、請求項８に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項１１】
加熱ユニットがセラミック抵抗加熱器を含む、請求項１〜１０のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
【請求項１２】
加熱ユニットが化学的加熱器を含む、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
【請求項１３】
化学的加熱器が、化学的加熱器に供給されるバーナーガスの自動点火温度よりも低い温度でのこの化学的加熱器内での燃焼を可能にする触媒を含む、請求項１２に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項１４】
上記加熱ユニットがマニホルドの付近に置かれ、ここでプロセスガスがセルスタック中に入り、その際、加熱ユニットがセルスタック中に入るプロセスガスを加熱して、その結果、セルスタックを均一に加熱する、請求項１に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項１５】
上記加熱ユニットが、プロセスガスのための二つのマニホルドの間に置かれ、そして上記の二つのマニホルドが、二つのセルスタックの末端間にサンドイッチ配列で配置されている、請求項１４に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項１６】
上記加熱ユニットが、セルスタックのためのプロセスガス用の外部マニホルドによって形成され、そして加熱が、外部マニホルド中でバーナーガスをプロセスガスに加えることによって行われる、請求項１に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項１７】
マニホルドが、ＳＯＥＣセルスタックのカソード側のプロセスガスのためのものである、請求項１４または１５または１６に記載の固体酸化物電解装置。
【請求項１８】
マニホルドが、ＳＯＥＣセルスタックのアノード側のプロセスガスのためのものである、請求項１４または１５または１６に記載の固体酸化物電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱ユニットを備えた固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）装置に関する。詳しくは、本発明は、装置の熱損失を最小化することによって、より具体的には加熱ユニットとＳＯＥＣスタックとの緻密な機械的一体化により配管及び外部加熱器表面からの熱損失を低減することによってＳＯＥＣ装置の効率を向上するＳＯＥＣ装置のための一体化された加熱ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物セルは、様々な燃料からの発電（燃料電池モード）並びに水及び二酸化炭素からの合成ガス（ＣＯ＋Ｈ２）の生成（電解セルモード）の両方を初めとした広い範囲の目的のために使用することができる。
【０００３】
固体酸化物セルは、６００℃〜１０００℃超の範囲の温度において動作し、それ故、固体酸化物セル装置を例えば室温からスタートアップする時に上記動作温度に到達させるためには、熱源が必要がある。
【０００４】
この目的のためには、外部加熱器が広く使用されてきた。これらの外部加熱器は、典型的には固体酸化物セル装置の空気入力側に接続され、そして装置の温度が、固体酸化物セルの動作を開始できる６００℃超になるまで使用される。
【０００５】
固体酸化物セルの電気化学的動作の間は、典型的には、熱は抵抗損に関連して生成される：
Ｑ＝Ｒ＊Ｉ２      （１）
式中、Ｑは発生する熱であり、Ｒは燃料電池（スタック）の電気抵抗であり、そしてＩは動作電流である。
【０００６】
更に、熱は、次のように電気化学的プロセスによって生成または消費される：
Ｑ＝Ｆ＊ｋ＊Ｉ    （２）
ｋは、与えられた「燃料」についての化学エネルギー（例えば、与えられた燃料の低位発熱量）であり、そしてＦはファラデー数である。ここで「燃料」とは、燃料電池モードで酸化（例えばＨ２またはＣＯ）または電解モードで還元（例えばＨ２ＯまたはＣＯ２）のいずれかをできる関連する供給原料のことと解される。
【０００７】
等式（２）では、燃料電池モードで熱が発生し（正符号の電流）、電解モードでは熱が消費される（負符号の電流）。
【０００８】
電流を関数として固体酸化物セルまたはスタックによって生成される熱の例を図１に示す。この際、全ての電流について固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）モードでは熱が生成され、そしてＩ＿ｔｎを超える電流では、ＳＯＥＣモードでも熱が生成される。
【０００９】
ここで、Ｉ＿ｔｎは、所謂、熱中性電流（ｔｈｅｒｍｏ  ｎｅｕｔｒａｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ）である：
Ｒ＊Ｉ＿ｔｎ２＋Ｆ＊ｋ＊Ｉ＿ｔｎ＝０＝＞Ｉ＿ｔｎ＝Ｆ＊ｋ／Ｒ      （３）
一般的にＳＯＦＣ及びＩ＿ｔｎ超で動作するＳＯＥＣ装置には、固体酸化物セル装置の所望の動作温度を維持するために追加的な加熱要素は一般的には必要ない。
【００１０】
しかし、Ｉ＿ｔｎ未満の電流でＳＯＥＣモードで動作する装置では、熱はこのプロセスで消費され、そして必要な動作温度を維持するためには、スタック動作温度に近いかまたはこれを超える温度で動作する追加の熱源が必要である。
【００１１】
本発明は、このような装置に並びにこのような装置の効率的な機械的設計のための方法に関する。
【００１２】
ＵＳ２０１００２００４２２（特許文献１）は、複数の電解単セルのスタックを含む電気分解装置を記載しており、各々のセルは、カソード、アノード、及びカソードとアノードとの間に配置された電解質を含む。単セルの各々のアノードと次の単セルのカソードとの間にインターコネクタプレートが介在し、この際、このインターコネクタプレートは、アノード及びカソードと電気接触している。空圧流体をカソードと接触させるべきであり、そして電気分解装置は更に、空圧流体をカソードと接触させる前にこれを加熱するために電気分解装置中の空圧流体の循環を保証する機構を含む。それ故、ＵＳ２０１００２００４２２（特許文献１）は、ＳＯＥＣスタックから熱を取り除く必要がある状況を記載しているが、他方、本発明は反対の状況に関する。これは、熱交換器（冷却）機能がセル間に埋め込まれている発明を記載する。本発明は、スタックの外側であるが、スタック及び加熱器の高温領域を減らすためのスタックメカニック内に配置された追加的な加熱器ブロックに関する。
【００１３】
ＥＰ１６０２１４１（特許文献２）は、モジュラー式に構築された高温燃料電池装置に関し、ここで高温燃料電池スタック中に追加の部品が有利にかつ直接配置されている。これらの部品の形態はスタックに適合されている。それにより、追加的な配管はもはや必要ではなく、構築方法のスタイルは非常にコンパクトであり、そしてこれらの部品とスタックとの直接的な接続は追加的に熱のより効果的な使用をもたらす。しかし、ＥＰ１６０２１４１（特許文献２）は、ＳＯＥＣの技術分野になく、ＳＯＥＣに関連する特別な問題に関係がない。特に、ＳＯＥＣとはプロセスが独立しておりかつスタック動作温度に近いかまたはこれを超える温度で動作する加熱ユニットを用いて動作中にセルスタックを連続的にかつ有効に加熱することについての要望は記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】ＵＳ２０１００２００４２２
【特許文献２】ＥＰ１６０２１４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
それ故、ＳＯＥＣ装置のためのエネルギー効率がよくかつ経済的な加熱ユニットへの要望がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この問題は、特許請求の範囲に記載の態様に従う本発明によって解消される。
【００１７】
上述の通り、Ｉ＿ｔｎ未満の電流でＳＯＥＣモードで動作する装置では、熱はプロセスで消費され、そして必要な動作温度を維持するためには、ＳＯＥＣプロセスと独立した追加的な熱源が必要である。
【００１８】
このような装置では、熱損失の低減がエネルギー効率のよい動作にとって本質的である。なぜならば、周囲への熱消散を介して損失した全てのワットを追加的なエネルギーとして提供する必要があり及びこの熱損失は効率を低下させるからである。
【００１９】
生成物ガスのエネルギーとは、典型的には、生成されるＨ２及びＣＯの低位発熱量のことと解される。総エネルギー入力は、主として、電解プロセスのための電気入力からなるが、ガス供給物のエネルギー（温度及び圧力）並びにスタック及び装置の動作温度を維持するために加えられる全てのエネルギーも含む。
【００２０】
本発明は、加熱要素をスタックと機械的に一体化することによる、固体酸化物装置における熱損失の低減に関する。殆どの高温設計では、熱損失は、高温の表面からの熱損失が主である。この熱損失は、高温表面積に比例する。
【００２１】
ＳＯＥＣ及び積層したセルと共に使用される加熱器では、加熱器に関連して高温表面は次の通りである：
・加熱器表面、
・加熱器とセルの固体酸化物スタックとの間の任意の配管の高温表面。
【００２２】
本発明の一態様によれば、固体酸化物電解装置は、平坦な固体酸化物電解セルスタックと加熱ユニットとを含み、ここで特に、上記加熱ユニットは、固体酸化物電解装置の一体化された部分である。それ故、加熱ユニットが統合されるために、加熱器表面が減少する。なぜならば、加熱器表面の少なくとも一部がＳＯＥＣスタックの表面に直接接続され、それ故ＳＯＥＣスタックの表面に対し密接に機械的／物理的に接触した状態にあるからである。より具体的には、ＳＯＥＣスタックの二つの高温末端（上面及び底面）並びに加熱ユニットの二つの高温末端（上面及び底面）を有する代わりに、加熱ユニットをＳＯＥＣスタック内に組み入れることができ、高温末端（表面）の総数が４つから２つへと減らされる。追加的に、他の場合は大きな表面：体積比を有し、それ故大きな熱損失を持つ配管を省略でき、コスト及び特に熱損失の削減となる。該スタックは平坦であり、これは、複数の積層されたプレート、例えば電極、電解質及びインターコネクタを含み、それ故、加熱ユニットも平坦であり、そのためこれがＳＯＥＣ部品に機械的に合致することが有利であり得る。例えば、加熱ユニットは一つまたは二つ以上の平坦なプレートを含むことができ、ここで各々のプレートは、一つまたは二つ以上の加熱要素を有する。
【００２３】
本発明の特定の態様の一つでは、加熱ユニットは、セルスタックの一方のエンドプレートに直接接続し、そして加熱ユニットの接続された部分の外側寸法は、セルスタックの上記のエンドプレートの外側の平坦寸法に相当する。有利には、加熱ユニットは、セルスタックに接続されたエンドプレート面とは反対側のエンドプレート面に接続される（図３も参照されたい）。それによって、エンドプレートの一方の面が加熱され、次いで熱が、典型的には金属でできたエンドプレート内の熱伝達によってＳＯＥＣに供給される。この態様の一変形では、加熱ユニットは、スタックの一つのエンドプレートと積層された活性部品（電解質、電極及びインターコネクタ）との間でＳＯＥＣの一端部に接続してよい。
【００２４】
大きな容量を持つＳＯＥＣを達成するためには、複数のＳＯＥＣスタックを接続することが通常である。このようなケースでは、本発明の有利な態様の一つでは、二つのＳＯＥＣの両末端の間にサンドイッチ配列で加熱ユニットを配置することである。これは、熱損失が更に減少するという効果を有する。なぜならば、ＳＯＥＣスタックまたは加熱ユニットの一方の端部が、周囲を向くのではなく他のスタックに接続されるからであり、そして更に、一つの加熱ユニットが二つのスタックを加熱するためコストが削減される。この態様の一変形では、１つ超の、好ましくは二つの加熱ユニットが二つのＳＯＥＣスタックの間に挟み込まれる。これは、二つのスタックが、他の部品、例えばマニホルドを共有し、この他の部品を、二つの加熱ユニットの間に挟み込み得る時に有利であり得る。このように、二つのＳＯＥＣスタックになおも二つの加熱ユニットが必要であるが、加熱ユニットを備えた二つの別々のスタックと比べて熱損失は減少する。
【００２５】
好ましい態様の一つでは、一つの加熱器が、両端面上で、（例えば入力プロセスガスを二つのスタックに供給するために使用できる）マニホルドプレートに接続されている。このようにして、高温の入力プロセスガスが、スタック内でのセルの均一な加熱を与える。図１０を参照されたい。ここで、プロセスガスとは、ＳＯＥＣセルスタックのアノード側またはカソード側のいずれかでＳＯＥＣセルスタックに供給されるかまたはそれによって排出されるガスのことと理解される。
【００２６】
他の好ましい態様の一つでは、個々のＳＯＥＣスタックは、コンパクトな大きな装置を提供するために並べて置くことができる。ここで、矩形の加熱器を、図１１に示されるように二つのスタックの側面の間に使用することもできる。入力プロセスガスが伝搬しているスタックの側上に加熱器が置かれる場合には、これらの加熱器は加熱されそして再びスタック内の全てのセルにわたって熱の均一な分配を提供する。
【００２７】
本発明によれば、加熱ユニットは一つの態様において電気抵抗要素を含んでよい。この態様の重要なファクターの一つは、電気的抵抗要素が、スタック動作温度を超える温度で動作でき、そして熱を（スタック動作温度よりも低い温度で）、スタック（既知のガス予熱器または熱交換器）に伝達するのにプロセスガスに頼る他の開示されている方策とは異なり、ＳＯＥＣ中で起こり得るかまたは起こらないかもしれない任意のプロセスとは独立して、ＳＯＥＣスタックを加熱する可能性を含む。ＳＯＥＣプロセスには電気が必要であるため、該装置には電気を利用でき、そして電気的抵抗要素は、加えられる熱の簡単な制御及びコンパクトな物理的寸法を提供する。電気抵抗要素を含む加熱ユニットは、ＳＯＥＣスタックの動作時に熱の生産を可能とし、並びにＳＯＥＣスタックが動作時ではない時は待機熱生産を可能とするが、但し、短いスタートアップ時間への要望がある。この態様の一変形では、加熱ユニットは、セルスタックから電気抵抗要素を電気的に絶縁するのに役立つ電気絶縁要素を更に含む。これは、ＳＯＥＣスタックの熱・力学に十分に適合しかつ短絡のリスク無く強く及び比較的安価な金属加熱要素の使用を可能とする。上記電気絶縁要素はセラミックでできていることができ、これは、電気的絶縁並びに高い耐熱性を提供する。
【００２８】
更に別の特定の態様では、加熱ユニットは、セラミック加熱器または化学的加熱器を含む。
【００２９】
化学的加熱器は、本発明の態様の一つでは、化学的加熱器に供されるバーナーガスの自動点火温度よりも低い温度での化学的加熱器中の燃焼を可能とする触媒を含んでよい。前記バーナーガスは、動作中にＳＯＥＣ中で生産されるガスの一部であることができる。
【００３０】
本発明の更に別の態様の一つでは、加熱ユニットは、ＳＯＥＣセルスタックのためのプロセスガス用の外部マニホルドによって形成され、そして加熱は、外部マニホルド中に所謂「バーナーガス」を加えることによって行われる。
【００３１】
プロセスガスは、ＳＯＥＣカソードガス（すなわち、ＣＯまたはＨ２）であってよく、この場合、「バーナーガス」は酸素豊富ガスとなろう。代替的に、プロセスガスは、ＳＯＥＣアノードガス（すなわちＯ２）であることができ、この場合、「バーナーガス」は、例えばＨ２、ＣＯ、ＣＨ４またはＮＨ３などの燃料タイプガスとなり得る。本発明のこの態様は、有利には、触媒を含む上記の態様と組み合わせることができる。
【００３２】
更に別の態様の一つでは、加熱ユニットは、入力流がスタックに入るところのスタックマニホルドの付近に置かれる。次いで、加熱ユニットは入力流を加熱し、これが再びスタックの均一な加熱という結果になる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】電流を関数として固体酸化物セルまたはスタックによって生成される熱の例。
【図２】従来の固体酸化物電解装置の一例。
【図３】加熱ユニットがセルスタックに接続されたエンドプレート面とは反対側のエンドプレート面に接続された例。
【図４】スタック間に「サンドイッチ」された電気加熱ユニットを備えた二つのスタックが背中合わせで配置された例。
【図５】電気抵抗巻線をベースとする電気的加熱器の例。
【図６】織金網を使用した例。
【図７】バーナーガスを燃料供給物流中に供給することによって操業される加熱器の例。
【図８】外部エアマニホルド化スタックの例。
【図９】幅「ｗ」、奥行き「ｄ」及び高さ「ｈ」を有する薄い加熱プレートの例。
【図１０】一つの加熱器が両端面上でマニホルドプレートに接続されている例。
【図１１】矩形の加熱器を二つのスタックの側面の間に配置した例。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面を参照して以下の例によって本発明を更に説明する。
【００３５】
従来の固体酸化物電解装置の一例を図２に示す。熱交換器及び電気加熱ユニットを介してＨ２Ｏ及び／またはＣＯ２を固体酸化物電解スタックに供給する。先ず、低温の供給ガスを入力／出力熱交換器中で予熱し、次いで、電気加熱ユニット中で動作温度を超える温度（例えば７５０℃で動作するスタックでは８５０℃）に加熱する。
【００３６】
例えば８５０℃の出力温度で５００Ｗを供する電気的加熱ユニットは、セラミック管中に置いたカンタル（Ｋａｎｔｈａｌ）製巻線から構成することができる。次いで、このセラミック管は、３４０ｃｍ２の表面積に相当する直径７ｃｍ及び長さ１２ｃｍの円筒状のスチール管中に組み入れる。加熱ユニットとスタックとの間の配管は典型的には高温表面を追加で２００ｃｍ２増して、５４０ｃｍ２の全高温加熱ユニット表面積を与える。
【００３７】
本発明では、加熱ユニットを、例えば１．５×１２×１２ｃｍ（幅１２ｃｍ及び奥行き１２ｃｍのＳＯＥＣスタック平坦寸法に相当する）の電気加熱ユニットとしてスタック構造中に含ませることが提案される。この場合、このオープン加熱ユニットは、図３に示すように１２×（１２＋４×１．５）＝２１６ｃｍ２の表面積を有するであろう。性能指数として、熱「損失」表面積と熱伝導との間の比率を使用することができる。この場合、これは（１２×（１２＋４×１．５））／（１２×１２）＝１５０％である。
【００３８】
加熱ユニットの表面積を更に減少するためには、図４に示すような、スタック間に「サンドイッチ」された電気加熱ユニットを備えた二つのスタックを背中合わせで配置することもできる。この場合、加熱ユニットオープン表面は、図４に示すように１２×４×１．５＝７２ｃｍ２まで減少される。この態様では、損失比は２５％となる。更に、幾つかのサンドイッチされたＳＯＥＣスタックを並べて配置することができ、これは更に、オープン表面積を減少する。
【００３９】
図５は、電気抵抗巻線をベースとする電気的加熱器を示す。この電気抵抗線条は、例えば、直径０．６ｍｍ及び抵抗率１．３５オームｍｍ２／ｍのカンタルＤから作ることができる。この抵抗線条は、直径１０ｍｍ及び各巻き間の周期３ｍｍに巻かれる。各々８ｃｍの巻線の六つの列をセラミックチャネル中に置いて、２４オームの抵抗を有する加熱器を与える。
【００４０】
これらのセラミックチャネルは、例えば、各々積み重ねた二つのＡｌ２Ｏ３フォームプレートによって作ることができる。加熱器の線条及びセラミック製保護部材は、スタックの熱膨張係数と同等の熱膨張係数を有する金属フレーム内に置かれる。これは、例えばＣｒｏｆｅｒ  ＡＰＵであることができる。電気抵抗線条は、電気接続を介した漏れを回避する様に外界に接続する必要がある。これは、例えば高温セラミックフィードスルーを介することができる。
【００４１】
電気抵抗巻線の代わりに、例えば図６ａ及び図６ｂに示すように、織金網を使用することもできる。織網の利点は、加熱線条がメッシュとして接続され、そのため一つの線条が切れた場合にも、電流が流れるための多くの流路がなおも存在することである。
【００４２】
電気加熱器は、例えばＢａｃｈ  Ｒｅｓｉｓｔｏｒ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ＧｍｂＨによって提供されるものなどのセラミック抵抗加熱器プレートの形の、セラミック抵抗加熱器であることもできる。これらは次いで、スタック構成に適合する金属製ハウジング内に置くことができる。
【００４３】
非常にコンパクトである上、セラミックフィードスルーの必要性を避ける電気加熱器の他の態様の一つは、加熱プレート平面に対して垂直に電流が伝播する平坦プレート加熱要素である。これは、幅「ｗ」、奥行き「ｄ」及び高さ「ｈ」を有する薄い加熱プレートについて図９に示され、ここで、電流は、「ｈ」軸に沿って、プレートの上面から底面に伝播する。
【００４４】
実現化の一例としては、１２×１２ｃｍのスタック寸法に適合するように設計された加熱プレートが考慮され、この時は、「ｗ」と「ｄ」の両方が１２ｃｍであろう。２２０Ｖの電力源から２ｋＷの熱を生産することが望まれる場合には、加熱プレートの抵抗は（２２０Ｖ）２／２０００Ｗ＝２４．２であるのがよい。０．３ｍｍの薄い加熱プレートが望まれる場合には、加熱プレート材料の抵抗率は０．１１ＭΩｃｍであるのがよい。このような抵抗率は、幾つものセラミック、例えばＳｉＣ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３及び未ドープのＣｒ２Ｏ３から得ることができる。所望の抵抗率は、二種または三種以上のセラミックを混合することによって実現することもでき、ここで、一方は所望の目的値を超える抵抗率を、そして他方は所望の目的値未満の抵抗率を有する。
【００４５】
加熱要素をスタック中で実現するためには、加熱プレートは、二つの金属プレート、例えばスタックインターコネクタに使用する同じ材料、例えばＣｒｏｆｅｒ  ＡＰＵでできた二つの金属プレートの間に挟み込むことができる。スチールプレートはそれぞれ０．３ｍｍ厚であることができ、そして電気接続のためのスタック境界の外側に伸び部（「耳」）を有することができる。このように、非常にコンパクトな加熱器を実現でき、これは、二つのスタックの間に挟み込まれた場合には、わずか４×１２ｃｍ×０．１ｃｍ＝４．８ｃｍ２のオープン表面積を有するであろう。このような構成は、２％未満の損失比を有するであろう。
【００４６】
代替的に、加熱器は、典型的にはバーナーガスを該装置中に注入することによって、化学的加熱をベースとすることができる。図７は、バーナーガス（例えばＣＯ、Ｈ２またはＣＨ４）を燃料供給物流中に供給することによって実行された加熱器を図示するものである。このようなバーナーガスは、燃料ガスをリサイクルする場合には、燃料供給物流中に既に確認されるかもしれない。加熱器室では、酸素がバーナーガスと一緒になりそして燃焼する。
【００４７】
化学的加熱器構成では、バーナーガスの燃焼は、典型的には、バーナーガスが、Ｈ２、ＣＯ及びＣＨ４では６００℃に近い自動点火温度を超えた時に、起こる。バーナーガスの進路に沿って触媒を含ませることによって、より低い温度で燃焼を開始することができる。
【００４８】
加熱が酸素側ガス流内で行われる態様では、類似の加熱機能を提供することができる。外部エアマニホルド化（ａｉｒ−ｍａｎｉｆｏｌｄｅｄ）スタックのための特に優れた態様の一つは、図８に示すように、典型的には高い酸素濃度を有するスタック筐体中にバーナーガスを挿入することである。
【００４９】
燃料側では、スタックは内部にマニホルド化されており、他方で、これは、スタックの酸素側ではオープンセル境界面を持って外部にマニホルド化されている。酸素側では、スタックは不活性ガス（例えばＣＯ２またはＮ２）でフラッシングし、そしてバーナーバスをこの流れ中に加える。バーナーガスが高温で酸素豊富なスタック筐体に入る時、燃焼は瞬間的である。スタック温度は、スタック筐体上でまたは出力ガス上で測定でき、そしてこれらの温度は、バーナーガスの使用量の制御のために使用できる。
【００５０】
代替的な態様の一つでは、スタックの酸素側はフラッシングされず、そしてスタックによって生産された純粋な酸素が、電解プロセスによって生成される圧力によってスタック筐体から押し出される。この場合は、バーナーガスは、独立した流れとしてスタック中に供給できる。
【００５１】
本発明の特徴
１．平坦な固体酸化物電解セルスタックと、固体酸化物電解セルスタックが動作している時の連続的な動作のための加熱ユニットとを含む固形酸化物電解装置であって、上記加熱ユニットが、固体酸化物電解装置の一体化された一部である前記固形酸化物電解装置。
２．上記加熱ユニットの動作温度が、少なくとも、セルスタックの動作温度から５０℃を引いた温度、好ましくは少なくともセルスタックの動作温度である、特徴１に記載の固体酸化物電解装置。
３．上記加熱ユニットは、表面からの伝熱損失と、セルスタックへの有効な伝熱との比率が２００％未満、好ましくは３０％未満、好ましくは２％未満である、上記特徴１または２に記載の固体酸化物電解装置。
４．上記加熱ユニットは、セルスタックの一方のエンドプレートに直接接続され、及び加熱ユニットの接続された部分の外側寸法は、セルスタックの上記のエンドプレートの外側の平坦寸法に相当する、上記特徴１〜３のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
５．上記加熱ユニットが平坦であり及び積層された層を含む、上記特徴１〜４のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
６．上記加熱ユニットがセルスタックの一方の末端に配置され、及び加熱ユニットがセルスタックの上記の一方の末端に接続される、上記１〜５のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
７．上記加熱ユニットが、二つのセルスタックの両端部の間にサンドイッチ配列で配置されている、上記特徴１〜６のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
８．複数の、好ましくは二つの加熱ユニットが、二つのセルスタックの末端間にサンドイッチ配列で配置されている、上記特徴７に記載の固体酸化物電解装置。
９．加熱ユニットが電気抵抗要素を含む、上記特徴１〜８のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
１０．電気抵抗要素が平坦なプレート加熱要素として形成され、ここで、電流が、この加熱プレートの平面に対し垂直に伝播する、上記特徴９に記載の固体酸化物電解装置。
１１．加熱ユニットが、セルスタックから電気抵抗要素を電気的に絶縁するのに役立つ電気絶縁要素を含む、前記特徴９に記載の固体酸化物電解装置。
１２．加熱ユニットがセラミック抵抗加熱器を含む、上記特徴１〜１１のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
１３．加熱ユニットが化学的加熱器を含む、上記特徴１〜１２のいずれか一つに記載の固体酸化物電解装置。
１４．化学的加熱器が、化学的加熱器に供給されるバーナーガスの自動点火温度よりも低い温度でのこの化学的加熱器内での燃焼を可能にする触媒を含む、上記特徴１３に記載の固体酸化物電解装置。
１５．上記加熱ユニットがマニホルドの付近に置かれ、ここでプロセスガスがセルスタック中に入り、その際、加熱ユニットがセルスタック中に入るプロセスガスを加熱して、その結果、セルスタックを均一に加熱する、上記特徴１に記載の固体酸化物電解装置。
１６．上記加熱ユニットが、プロセスガスのための二つのマニホルドの間に置かれ、そして上記の二つのマニホルドが、二つのセルスタックの末端間にサンドイッチ配列で配置されている、上記特徴１５に記載の固体酸化物電解装置。
１７．上記加熱ユニットが、セルスタックのためのプロセスガス用の外部マニホルドによって形成され、そして加熱が、外部マニホルド中でバーナーガスをプロセスガスに加えることによって行われる、上記特徴１に記載の固体酸化物電解装置。
１８．マニホルドが、ＳＯＥＣセルスタックのカソード側のプロセスガスのためのものである、上記特徴１５または１６または１７に記載の固体酸化物電解装置。
１９．マニホルドが、ＳＯＥＣセルスタックのアノード側のプロセスガスのためのものである、上記特徴１５または１６または１７に記載の固体酸化物電解装置。
【図１】
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【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図９】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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