JP7753530B2 - 種々の突出要素を含むｓｏｅｃ／ｓｏｆｃ型の固体酸化物セルのスタックのためのインターコネクタ - Google Patents

Description

本発明は、高温電解（ＨＴＥ）の分野全般、詳細には高温水蒸気電解（ＨＴＳＥ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）の電解、またはさらに水蒸気および二酸化炭素（ＣＯ_２）の高温共電解に関する。

より正確には、本発明は、高温固体酸化物電解槽セル（ＳＯＥＣ）の分野に関する。

それは、高温固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の分野にも関する。

そのため、より一般的には、本発明は、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックの分野に関する。

より正確には、本発明は、種々の幾何形状の突出要素の群を含むＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックのためのインターコネクタの他に、複数のそのようなインターコネクタを備えるＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックに関する。

ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の文脈では、これは、同じ電気化学装置内で、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を二水素（Ｈ_２）もしくはメタン（ＣＨ_４）、天然ガス、バイオガスなどの他の燃料へ、および二酸素（Ｏ_２）へ電流を用いて変換すること、ならびに／または二酸化炭素（ＣＯ_２）を一酸化炭素（ＣＯ）へおよび二酸素（Ｏ_２）へ変換することにも関する。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池の文脈では、二水素（Ｈ_２）および二酸素（Ｏ_２）が、典型的には空気および天然ガスが、すなわちメタン（ＣＨ_４）によって供給されることによって、逆動作が使用されて電流および熱を生成する。簡潔さのために、以下の説明は、水蒸気の電解を行うＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の動作を優先する。しかしながら、この動作は、二酸化炭素（ＣＯ_２）の電解、または二酸化炭素（ＣＯ_２）との水蒸気の高温共電解（ＨＴＥ）にさえ適用可能である。加えて、この動作は、ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池のケースに置き換えることができる。

水電解を行うために、それを高温、典型的には６００および１，０００℃間で行うことが有利であるが、液体水よりも水蒸気を電解することが有利であるからであり、反応のために必要とされるエネルギーの一部を熱によって提供でき、電気よりも安価であるからである。

高温水蒸気電解（ＨＴＳＥ）を実装するために、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽は、互いに重ね合わされる３つのアノード／電解質／カソード層から成る固体酸化物電解セル、または電気化学セルも各々が含む基本ユニット、およびしばしば金属合金から作られ、バイポーラ板またはインターコネクタとも呼ばれる、相互接続板のスタックから成る。各電気化学セルは、２つの相互接続板の間に密に保持される。ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽は、それゆえ電気化学セルおよびインターコネクタの交互スタックである。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池は、基本ユニットの同じ種類のスタックから成る。この技術は可逆的であるので、同じスタックが、電解モードで動作して水および電気から水素および酸素を生成し、または燃料電池モードで動作して水素および酸素から電気を生成できる。

各電気化学セルは、電解質／電極接合体に相当しており、典型的にはセラミック多層接合体であり、その電解質が中央のイオン伝導層によって形成され、この層が固体、緻密および耐漏性であり、電極を形成する２つの多孔質層の間に密に保持される。追加の層が存在し得るが、既に記載した層の１つまたは複数を改善するためにのみ使用されることに留意されるべきである。

電気的および流体的相互接続装置は、電気的観点からは、基本ユニットのスタックにおける基本ユニットの各電気化学セルの接続を確保して、一方の面とセルのカソードとの間および、他方の面と隣のセルのアノードとの間の電気的接触を保証し、流体的観点からは、セルの各々に対する反応物の付加および生成物の排気を確保する電子伝導体である。そのため、インターコネクタは、電流を送給および収集する機能を確保し、分配および／または収集のために、ガス循環区画を画定する。

より正確には、インターコネクタの主な機能は、電流の通過以外にも、各セルの近傍内のガスの循環（すなわち：ＨＴＥ電解に対しては注入される水蒸気、抽出される水素および酸素；ＳＯＦＣセルに対してはその空気および燃料である注入される水素および抽出される水蒸気）を確保すること、ならびにそれぞれセルのアノードおよびカソードの側のガス循環区画である、２つの隣接セルのアノードおよびカソード区画を分離することである。

特に、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽について、カソード区画が水蒸気および、電気化学反応から生成された水素を含む一方、アノード区画は、存在すれば、排出ガス、および電気化学反応の別の生産物である酸素を含む。ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物燃料電池については、アノード区画が燃料を含む一方、カソード区画は酸化剤を含む。

水蒸気の高温電解（ＨＴＥ）を行うために、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）がカソード区画へ注入される。セルに印加される電流の影響下で、水素電極（カソード）と電解質との間の界面において蒸気形態の水分子の解離が行われ、この解離が二水素（Ｈ_２）ガスおよび酸素イオン（Ｏ^２－）を生成する。二水素（Ｈ_２）は収集され、水素区画の出口において排気される。酸素イオン（Ｏ^２－）は、電解質を通って移動し、電解質と酸素電極（アノード）との間の界面において二酸素（Ｏ_２）へ再結合する。空気などの排出ガスがアノードにおいて循環し、そのためアノードにおいてガス形態で発生される酸素を収集してよい。

固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の動作を確保するために、空気（酸素）がセルのカソード区画へ、水素がアノード区画へ注入される。空気の酸素は、Ｏ^２－イオンへ解離することになる。これらのイオンは、カソードからアノードに電解質内を移動して、電気の同時生成とともに、水素を酸化して水を形成することになる。ＳＯＦＣセルにおいて、ＳＯＥＣ電解におけるように、水蒸気は二水素（Ｈ_２）区画に位置する。極性だけが逆になる。

例示として、図１は、ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の動作原理を示す概略図を示す。そのような電解槽の機能は、以下の電気化学反応に従って水蒸気を水素および酸素へ変換することである：
２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２。

この反応は、電解槽のセルにおいて電気化学的に行われる。図１に概略的に図示されるように、各基本電解セル１が、固体電解質３のどちらの側にも置かれる、カソード２からおよびアノード４から形成される。２つの電極（カソードおよびアノード）２および４は、多孔質材料から作られる、イオンおよび／または電子伝導体であり、電解質３は、気密性、電子絶縁体およびイオン伝導体である。特に、電解質３は、アニオン伝導体、より正確にはＯ^２－イオンのアニオン伝導体でよく、電解槽は、それゆえ、プロトン電解質（Ｈ＋）とは対照的に、アニオン電解槽として知られている。

電気化学反応は、電子伝導体の各々とイオン伝導体との間の界面において起こる。

カソード２では、半反応は、次の通りである：
２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－→２Ｈ_２＋２Ｏ^２－。

アノード４では、半反応は、次の通りである：
２Ｏ^２－→Ｏ_２＋４ｅ^－。

２つの電極２および４の間に挿入された電解質３は、アノード４とカソード２との間に課せられる電位差によって作成される電界の影響下のＯ^２－イオンの移動部位である。

図１に括弧内に例示されるように、カソードの入口における水蒸気が水素Ｈ_２を伴ってよく、出口において生成および回収される水素は水蒸気を伴ってよい。同じく、点線で例示されるように、空気などの排出ガスがアノード側の入口へさらに注入されて、生成された酸素を排気してよい。排出ガスの注入は、温度調節器として作用する付加機能を有する。

基本電解槽、または電解反応器は、カソード２、電解質３およびアノード４を持つ、上記のような基本セル、ならびに電気的および流体的分配機能を確保する２つのインターコネクタから成る。

生成される水素および酸素流を増加させるために、複数の基本電解セルをインターコネクタによって分離することによってそれらを互いに積み重ねることが知られている。アセンブリは、電解槽（電解反応器）の電気供給およびガス供給をサポートする２つの端部相互接続板の間に配設される。

ＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽は、そのため、少なくとも１つの、一般的には互いに積み重ねられる複数の電解セルを備え、各基本セルが電解質、カソードおよびアノードから形成され、電解質がアノードとカソードとの間に挿入される。

上に示したように、１つまたは複数の電極と電気的接触している電気的および流体的相互接続装置は、概して、電流を送給および収集するための機能を確保し、ガス循環区画の１つまたは複数を画定する。

そのため、いわゆるカソード区画の機能は、電流および水蒸気を分配することの他に、接触しているカソードでの水素を回収することである。

いわゆるアノード区画の機能は、電流を分配することの他に、可能であれば排出ガスを使用して、接触しているアノードにおいて生成された酸素を回収することである。

図２は、先行技術に係るＳＯＥＣ型の高温固体酸化物電解槽の基本ユニットの分解立体図を示す。この電解槽は、インターコネクタ５と交互に積み重ねられた、固体酸化物セル（ＳＯＥＣ）型の複数の基本電解セルＣ１、Ｃ２を含む。各セルＣ１、Ｃ２は、カソード２．１、２．２からおよびアノード（セルＣ２のアノード４．２だけが図示される）から成り、その間に電解質が設けられる（セルＣ２の電解質３．２だけが図示される）。

インターコネクタ５は、典型的には、インターコネクタ５と隣接するカソード２．１との間、およびインターコネクタ５と隣接するアノード４．２との間の容積によってそれぞれ定められる、カソード区画５０とアノード区画５１との間の分離を確保する金属合金部品である。それは、セルへのガスの分配も確保する。各基本ユニットへの水蒸気の注入は、カソード区画５０において実施される。カソード２．１、２．２での生成された水素および残留水蒸気の収集は、セルＣ１、Ｃ２による水蒸気の解離の後にセルＣ１、Ｃ２の下流のカソード区画５０において実施される。アノード４．２での生成された酸素の収集は、セルＣ１、Ｃ２による水蒸気の解離の後にセルＣ１、Ｃ２の下流のアノード区画５１において実施される。インターコネクタ５は、隣接する電極との直接接触によってセルＣ１およびＣ２の間、すなわちアノード４．２とカソード２．１との間の電流の通過を確保する。

高温固体酸化物電解槽（ＳＯＥＣ）の動作条件が固体燃料電池（ＳＯＦＣ）のそれらに非常に類似しているので、同じ技術的制約が見られる。

そのため、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型のそのような固体酸化物セルのスタックの正しい動作は、主に以下に述べる点を満たすことを必要とする。

第１に、２つの連続するインターコネクタの間の電気的絶縁が必要であり、さもなければ電気化学セルは短絡されるであろうし、セルとインターコネクタとの間に良好な電気的接触および十分に大きな接触面も必要である。可能な限り低いオーム抵抗がセルとインターコネクタとの間に求められる。

その上、アノードおよびカソード区画の間に耐漏性を有することが必要であり、さもなければ生成されたガスが再結合して、効率の損失および、とりわけスタックを損なうホットスポットの出現に至る。

最後に、入口および生成物回収点両方におけるガスの良好な分配を有することが重要であり、さもなければ効率の損失、様々な基本ユニット内の圧力および温度の不均一性、または電気化学セルの許容不可能な劣化さえある。

生産効率を上昇させることに成功し、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックの良好な動作均一性を得るため、インターコネクタの役割は、特に、スタックの様々な部分の間の良好な電気的接触を得るために、および電気化学セル内のガスの良好な分配を可能にするためにも重要である。インターコネクタは、フランス特許出願ＦＲ３０２４９８５Ａ１に記載されているように、金属であり、３つの薄板から成ってよい。

これらのインターコネクタは、フランス特許出願ＦＲ２９９６０６５Ａ１にさらに記載されていてよい。この出願では、インターコネクタは、金属合金基板部品に相当しており、そのベース元素は鉄（Ｆｅ）またはニッケル（Ｎｉ）であり、主平面の１つが厚いセラミックまたは金属層で被覆され、水蒸気Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２、Ｏ_２、排出ガスなどのガスの分配および／または収集に適切な流路を画定することによって溝が付けられている。特に、ストロンチウムドープマンガン酸ランタンに基づく厚いセラミック接触層が酸素電極側（ＨＴＥアノード、ＳＯＦＣセルに関してはカソード）に設けられてよい。「厚層」は、厚さがいわゆる「薄層」技術によって得られる層の厚さより大きく、典型的には２および１５μｍの間の厚さの層を意味する。そのため、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣ型の固体酸化物セルのスタックにおいて低生産費で良好な性能が良好な均一性と共に得られる。

にもかかわらず、特に流体的および機械的観点から、そのようなインターコネクタを最適化する必要が依然としてある。

仏国特許出願公開第３０２４９８５号明細書 仏国特許出願公開第２９９６０６５号明細書

本発明の目的は、上述した必要性および先行技術の実施形態に関する欠点を少なくとも部分的に改善することである。

それは、特にインターコネクタの接触層の固有の機械加工を用いて、所与の締付けに対して、インターコネクタの高電気伝導率および良好な電気的または機械的接触を得る一方で、ガスの通過に対する圧力損失を削減することを可能にする、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックのための最適化されたインターコネクタ設計を生成することを特に目的とする。

そのため、本発明の目的は、その態様の１つによれば、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックのためのインターコネクタであって、スタックの２つの隣接する電気化学セルの間に配置されることが意図され、各電気化学セルがカソードから、アノードからおよびカソードとアノードとの間に挿入される電解質から形成される、インターコネクタであって、
平面であって、その上に少なくとも１つの第１の群の、平面に対する同一の第１の突出要素および第２の群の、平面に対する同一の第２の突出要素が形成される、平面を含み、
第１の突出要素が第２の突出要素に対して異なる幾何学的特徴を有し、
平面に対する第１の突出要素の最大垂直寸法であるとして測定される、各第１の突出要素の高さが、第２の突出要素の最大垂直寸法であるとして測定される、各第２の突出要素の高さと異なり、
平面と接触する内端の反対側の、電気化学セルと接触することが意図される、各第１の突出要素の外接触端の平面に対する最大水平寸法であるとして測定される、各第１の突出要素の接触幅が、平面と接触する内端の反対側の、電気化学セルと接触することが意図される、各第２の突出要素の外接触端の平面に対する最大水平寸法であるとして測定される、各第２の突出要素の接触幅と異なる、ことを特徴とする、インターコネクタである。

本発明に係るインターコネクタは、単独でまたは任意の可能な技術的組合せに従って以下の特徴の１つまたは複数をさらに含んでよい。

各第１の突出要素の接触幅は、０．５～５ｍｍで、好ましくは１ｍｍに等しくてよい。

各第２の突出要素の接触幅は、０．００５ｍｍ～０．５ｍｍで、好ましくは１００μｍに等しくてよい。

各第１の突出要素の高さは、２００μｍ～１，０００μｍで、好ましくは３５０μｍに等しくてよい。

各第２の突出要素の高さは、２５０μｍ～１，０５０μｍで、好ましくは４００μｍに等しくてよい。

各第２の突出要素の高さと各第１の突出要素の高さとの差は、５μｍ～５００μｍで、好ましくは５０μｍのオーダでよい。

その上、インターコネクタは、平面に形成される、Ｎ個（Ｎは２以上、好ましくは２～５０、同じく好ましくは５に等しい整数）の群の突出要素を含んでよく、同じ群の突出要素が全て同一であり、異なる群の突出要素が異なる幾何学的特徴、すなわち異なる高さおよび異なる接触幅を有する。

突出要素は、互いと平行して設けられる、歯または溝の形態でよく、突出要素の間の空間がガス循環流路を形成する。

突出要素は、特に円柱形状の、パッドの形態でもよく、突出要素の間の空間が単一の蛇行ガス循環流路を形成する。他の形状、例えば平行六面体形状も可能である。

さらには、突出要素は、平面上の少なくとも１つの水平方向に従って平面にわたって規則的に分布され、特に互いから同じ距離、特に５０μｍ～５ｍｍ、好ましくは７５０μｍに等しく離隔される。

平面の少なくとも１つの領域、特に中心領域は、突出要素がなくてよい。

加えて、最大幅を有する突出要素は、他の突出要素からおよびその他の突出要素の間の空間によって形成されるガス循環流路から距離をおいて、平面の周辺の周りに位置してよい。

インターコネクタは、２つの主平面を有する、特にベース元素が鉄またはニッケルであるクロミア形成型、特にＵｇｉｎｏｘ（登録商標）Ｋ４１型またはＶＤＭ（登録商標）Ｃｒｏｆｅｒ型のフェライト鋼の、金属合金基板を含んでよく、主平面の一方が電気化学セルとの第１の接触層を形成する第１の被覆層を備え、主平面の他方が電気化学セルとの第２の接触層を形成する第２の被覆層を備え、第１の被覆層および／または第２の被覆層が平面および、特に機械加工によって、その上に形成される突出要素を備える。

第１の被覆層は、多孔質であろうとなかろうと、厚いセラミック被覆層でよく、セラミック材料が、式Ｌａ_１－ｘＳｒ_ｘＭＯ_３で、Ｍ（遷移金属）＝ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）単独もしくはその混合物のマンガン酸ランタン、または式Ｌｎ_２ＮｉＯ_４（Ｌｎ＝ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、プラセオジム（Ｐｒ））のニッケル酸ランタニド、もしくは別の電気伝導性ペロブスカイト酸化物などの層状構造の材料から特に選択される。

第２の被覆層は、特に格子型または緻密材料の、厚い金属被覆層でよく、金属材料が、ニッケル（Ｎｉ）およびその合金またはベース元素が鉄（Ｆｅ）であるクロミア形成合金、特にＵｇｉｎｏｘ（登録商標）Ｋ４１型もしくはＶＤＭ（登録商標）Ｃｒｏｆｅｒ型のフェライト鋼から特に選択される。

その上、本発明の別の目的は、その態様の別の１つによれば、カソード、アノード、およびカソードとアノードとの間に挿入される電解質から各々形成される複数の電気化学セル、ならびに各々が２つの隣接する電気化学セルの間に配置された、上に定めたような複数のインターコネクタを含む、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックである。

本発明は、以下の詳細な説明、その実装の非限定的な例を読んだ上、および添付した図面の概略図も部分図も検討の上でより良く理解され得る。

高温固体酸化物電解槽（ＳＯＥＣ）の動作原理を図示する概略図である。 先行技術に係るインターコネクタを備える高温固体酸化物電解槽（ＳＯＥＣ）の一部分の分解概略図である。 高温固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）または高温で動作する燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタックの先行技術に係るインターコネクタの概略正面図である。 図３に従うインターコネクタの詳細断面図である。 インターコネクタを通る電流線を図示する図３のものに類似の図である。 高温電解セル（ＳＯＥＣ）または高温燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタックの締付け前の構成および締付け後の構成に対する、ｍｍで表される、長さに応じたインターコネクタの歯の、ｍｍで表される、高さを、グラフ形式で例示する図である。 ２つの異なる歯幾何形状および２つの異なる締付力を持つ３つの異なる構成に対する分極曲線を、グラフで示す図である。 ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物セルのスタックの従来のインターコネクタの２つの歯および流路の断面図である。 締付け前の、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の高温固体酸化物セルのスタックのための本発明に従うインターコネクタの５つの歯および４つの流路の断面図である。 締付け後の、図７の構成の断面図である。 図７および図８の構成の上面図である。 図７の構成の代替実施形態である。 図１０の構成の上面図である。 図１１の構成の代替実施形態である。 図９の構成の幾何学的な代替実施形態である。 図１３の構成の代替実施形態である。 本発明に従うインターコネクタを持つＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックおよびスタックの締付システムを備えるアセンブリを、斜視および上からの観察によって、示す図である。

これらの図の全てにおいて、同一の参照子が同一または類似の要素を示してよい。

加えて、図をより読みやすくするために、図に示される様々な部分は、必ずしも一様なスケールに従うわけではない。

図１および図２は、先行技術に関する部分において上で既に説明されている。図１および図２に関して、二水素Ｈ_２、酸素Ｏ_２、空気および電流を分配および回収するための、記号およびＨ_２Ｏ水蒸気供給矢印が、図示される装置の動作を例示するために、明快さおよび正確さの目的で示されることが明記される。

さらには、所与の電気化学セルの構成要素（アノード／電解質／カソード）の全てが好ましくはセラミックであることが留意されるべきである。高温ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型のスタックの動作温度は、その上典型的には６００～１，０００℃である。

加えて、可能な用語「上」および「下」は、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型のスタックがその使用構成にあるときの動作の正常な方向に従ってここで理解されることになる。

インターコネクタ５は、特定の幾何形状、特に歯および流路の存在による溝形状を有してよい。例えば、フランス特許出願ＦＲ２９９６０６５Ａ１に記載されているように、インターコネクタ５は、特にベース元素が鉄またはニッケルである、クロミア形成型、特にＵｇｉｎｏｘ（登録商標）Ｋ４１型またはＶＤＭ（登録商標）Ｃｒｏｆｅｒ型のフェライト鋼の金属合金基板を含む部品から成ってよく、この基板が２つの主平面を有し、面の一方が、厚いセラミック層を含む被覆で被覆され、ガスの分配および／または収集のための流路および歯を画定することによって溝が付けられ、この層が「接触層」とも称される。そのため、歯および流路は、接触層に形成されてよい。加えて、以下の説明において、インターコネクタ５の歯および流路、またはより一般的には起伏がこのインターコネクタ５の接触層から形成されてよいことが理解される。

図３、図３Ａおよび図３Ｂは、高温ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型のスタックに一般に使用されるインターコネクタ５を図示する。電極における電流の送給または収集は、歯１０またはリブによって行われ、これらは関与する電極と直接機械的接触している。ＨＴＥ電解槽内のカソードにおける水蒸気またはアノードにおける排出ガスの送給、ＳＯＦＣセル内のカソードにおける二酸素またはアノードにおける水素の送給は、図３に見ることができる矢印Ｆ１によって表される。

ＨＴＥ電解槽内のカソードにおいて生成される水素またはアノードにおいて生成される酸素の収集、ＳＯＦＣセル内のカソードにおいて生成される水またはアノードにおける過剰水素の収集は、セルのスタックに共通である、一般にマニホールドとして知られている、流体接続へ通じる流路１１によって実施される。これらのインターコネクタ５の構造は、（ガス／電流）送給および収集の２つの機能の間の妥協を達成させられる。

インターコネクタ５、特に接触層と電気化学セルとの間の良好な電気伝導率を得るために、歯１０は、かなり近づけて離間されるべきである。しかしながら、これでは、それゆえガスに対して小さな通過面を有しがちであり、動作中の有意な圧力損失に至り得る。

その上、インターコネクタ５は、ガスを正しく循環させること、および低圧力損失を有することを可能にするべきであり、これは広い流路１１を使用して達成され得る。それでも、これは、歯１０が互いから離間されることに至り、電気伝導率に不利益である。

さらには、歯１０および流路１１の幾何形状は、特にセルおよびインターコネクタ５の、表面欠陥に適応することを可能にするべきである。これのために、それらは、容易に圧潰することができなければならない。これは、例えば、細い歯１０を生成することによって得られてよい。しかしながら、歯１０が著しく圧潰すれば、流路１１の高さは著しく減少し、ガスに対する通過面はそれによって減少され、より大きな圧力損失に至ることになる。例として、図４は、締付け前の構成Ｃ１および締付け後の構成Ｃ２に対する、ｍｍで表される、長さＬに応じた歯１０の、ｍｍで表される、高さＨを、グラフ形式で例示する。

ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタック、またはスタックに印加される力は、局部締付応力を計算することを可能にする。そのため、１，０００Ｎの力Ｆが印加され、支え面Ｓが１００ｃｍ^２であれば、Ｆ／Ｓ応力は０．２ＭＰａとなる。インターコネクタ５の、特に表面の半分を表す、その接触層の歯１０を使用して接触が行われれば、局部応力は０．４ＭＰａとなる。

１００ｃｍ^２の表面積の５つのセルを持つＳＯＥＣ型のスタックから水素を生成するための３つの実際の実験（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）が、インターコネクタの２つの幾何形状（歯Ａおよび歯Ｂ）ならびに２つの異なる締付力（力Ａおよび力Ｂ）により行われた。全流量が１２Ｎｍｌ／ｍｉｎ／ｃｅｌｌ／ｃｍ^２の水蒸気および水素の混合物が送られた。Ｈ_２Ｏ／Ｈ_２混合物は、９０％のＨ_２Ｏおよび１０％のＨ_２である。スタックの温度は８００℃である。

Ａ／ｃｍ^２で表される電流ｉを徐々に増加させること、および関連するセルの、Ｖで表される電圧Ｅを測定することによって、分極曲線（歯Ａ、力Ａに対するＥ１；歯Ｂ、力Ａに対するＥ２；歯Ｂ、力Ｂに対するＥ３）が毎回実施される。これらの曲線は、水蒸気の最大使用率ｔの他に、セル、インターコネクタ、界面、接続システム等に由来する面積比抵抗（ＡＳＲ）を測定することを可能にする。

基準インターコネクタ幾何形状は、幅Ａの歯１０（歯Ａ）を持つインターコネクタ、特に接触層を含む。第２のインターコネクタ幾何形状には、幅Ａより３倍細い、幅Ｂの歯１０（歯Ｂ）が生成された。印加される力は、基準力Ａ（力Ａ）または、力Ａより３倍小さい、力Ｂでよい。

図５は、２つのインターコネクタ幾何形状（歯Ａ、歯Ｂ）および２つの異なる力（力Ａ、力Ｂ）の３つのスタックに対して得られた分極曲線Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を、グラフ形式で例示する。加えて、以下のＴａｂｌｅ １（表１）は、Ｏ_２室に対して得られた相対圧力損失を示す。

そのため、同じ締付力（力Ａ）を維持することによって歯が細い（歯Ｂ）と、ＡＳＲは低く、したがって性能は改善されるが、圧力損失は増加する。歯の圧潰は、ガスに対する通過面を減少させた。歯が細い（歯Ｂ）が力が減少される（力Ｂ）と、性能は劣化する（高ＡＳＲおよび減少した最大使用率）が圧力損失は著しく減少させられる。

本発明の原理を、ここで図７～図１４を参照しつつ記載するが、そこで、これらの態様を最適化し、特に、インターコネクタ、特に接触層の設計を得て、歯１０の良好な圧潰を有すること、およびも有意な容積のガス循環流路１１を維持することも可能にすることを目的とする。

高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタックのためのインターコネクタ５であって、スタックの２つの隣接する電気化学セル１の間に配置されることが意図され、各セルがカソードから、アノードからおよびカソードとアノードとの間に挿入される電解質から形成される、インターコネクタは、通常規則的な幾何形状を有する。特に、インターコネクタ５の金属合金基板の面の１つに被覆を形成する接触層は、従来、規則的な幾何形状の歯１０および流路１１を含む。そのため、歯１０は全て同じ寸法（高さおよび幅）を有し、流路１１の全てが同じ幅を有する。歯１０および流路１１の主な特徴は、図６における断面図に詳述される。そのため、歯１０の接触幅がＤと記され、流路１１の上の幅がＣ－ｈと記される一方、流路１１の下の幅はＣ－ｂと記され、歯１０の高さはＨと記される。

本発明に従って、インターコネクタ５、特に接触層の幾何形状は、最適な電気的接触、およびガスの通過中に僅かな抵抗、したがって僅かな過剰圧力しか与えないガス分配の両方を可能にする不均一性を得るために変更される。特に、同じインターコネクタ５上、特にこのインターコネクタ５の同じ接触層上で、特徴が異なる歯および流路を得るために、不均一機械加工が行われる。

そのため、本発明に係るインターコネクタ５は、少なくとも第１の群の同一の第１の突出要素１０ａおよび第２の群の同一の第２の突出要素１０ｂが形成される平面Ｐを含み、第１の突出要素１０ａおよび第２の突出要素１０ｂが異なる幾何学的特徴を有する。

図７および図８は、圧潰の前後で、２種類の機械加工幾何形状を持つ実施形態の一例を図示する。しかしながら、本発明の範囲内で多数の異なる幾何形状がインターコネクタ５のために提供されてよい。

そのため、平面Ｐに対する第１の突出要素１０ａの最大垂直寸法であるとして測定される、各第１の突出要素１０ａの高さＨ１は、第２の突出要素１０ｂの最大垂直寸法であるとして測定される、各第２の突出要素１０ｂの高さＨ２と異なる。同様に、平面Ｐと接触する内端１０ａｉの反対側の、電気化学セル１と接触することが意図される、各第１の突出要素１０ａの外接触端１０ａｅの平面Ｐに対する最大水平寸法であるとして測定される、各第１の突出要素１０ａの接触幅Ｄ１は、平面Ｐと接触する内端１０ｂｉの反対側の、電気化学セル１と接触することが意図される、各第２の突出要素１０ｂの外接触端１０ｂｅの平面Ｐに対する最大水平寸法であるとして測定される、各第２の突出要素１０ｂの接触幅Ｄ２と異なる。

特に、各第１の突出要素１０ａの接触幅Ｄ１は、０．５～５ｍｍであり、好ましくは１ｍｍに等しい。この広い幅は、締付制約を支持することおよび圧潰制限として作用することを可能にする。

各第２の突出要素１０ｂの接触幅Ｄ２は、０．００５ｍｍ～０．５ｍｍであり、好ましくは１００μｍに等しい。この狭い幅は、流体流を妨げることなく電気化学セル１の接触面全体の周りに規則的な接触点を有することを可能にする。

その上、各第１の突出要素１０ａの高さＨ１は、各第２の突出要素１０ｂの高さＨ２より低く、それぞれ３５０および４００μｍである。そのため、狭い幅Ｄ２の突出要素１０ｂは、電気的接触を確保する。

図７および図８のこの例では、図１０～図１２に関して、突出要素１０ａ、１０ｂ、１０ｃが、互いと平行して設けられる、歯または溝の形態であることが留意されるべきである。しかしながら、突出要素は、電気的接触およびガスの循環を確保することを保証する任意の形状をとってよい。そのため、突出要素１０ａ、１０ｂ、１０ｃの間の空間がガス循環流路１１を形成する。

その上、突出要素１０ａ、１０ｂは、ここで平面Ｐにわたって規則的に分布される。正確には、それらは、平面Ｐにわたる少なくとも１つの水平方向ＤＨに従って、互いから同じ距離Ｃ－ｂ、特に５０μｍ～５ｍｍ、好ましくは７５０μｍに等しく離間される。突出要素１０ａ、１０ｂの間の間隔は、したがって一定であり、電気化学セル１の電極内の電流の良好な分配を可能にする。間隔の値は、使用される電気化学セル１に依存していてよい。

締付けの間、突出要素１０ｂは、それらの方が高いので最初に圧潰する。接触幅Ｄ２が狭いので、圧潰は著しくなる。これは、次いで幾何学的欠陥の良好な適応を可能にする。

この圧潰は、突出要素１０ｂの高さＨ２が突出要素１０ａの高さＨ１に達するまで続く。接触面は、したがって急増し、圧潰を停止する。圧潰のこの停止は、ガス循環流路１１のための有意な空間を保つことを可能にする。そのため、圧力損失は、低いままであり得る。加えて、突出要素１０ａ、１０ｂの間の間隔Ｃ－ｂがかなり小さいので、良好な電気伝導率が得られる。

有利には、本発明は、圧潰を停止するために締付力を正確に調節することを必要としない。実際、突出要素１０ａとの接触が確立されるときの表面の有意な増加は、応力を著しく減少させて、初期力の影響を制限することを可能にする。

図９は、図７および図８の例の第１の突出要素１０ａおよび第２の突出要素１０ｂの規則的な分布を見ることを可能にする。

インターコネクタ５および電気化学セル１の製造が規則的でないので、突出要素を備え、その圧潰が動作中に調整され得るインターコネクタ５、特にインターコネクタ５の接触層を有することがさらに有利であり得る。

そのため、Ｎ個の異なる幾何形状を作成することによって、容易にアクセス可能な圧潰段階を、試験中にさえ得ることができる。言い換えれば、インターコネクタは、平面Ｐに形成される、Ｎ個（Ｎは２以上、好ましくは２～５０、同じく好ましくは５に等しい整数）の群の突出要素をより一般的に含んでよく、同じ群の突出要素が全て同一であり、異なる群の突出要素が異なる幾何学的特徴、すなわち異なる高さおよび異なる接触幅を有する。

図１０および図１１は、Ｎ＝３のためのケースを例示することを可能にするが、これは単に本発明の例示的および非限定的な例である。そのため、インターコネクタ５は、接触幅Ｄ１および高さＨ１の第１の突出要素１０ａ、接触幅Ｄ２および高さＨ２の第２の突出要素１０ｂ、ならびに接触幅Ｄ３および高さＨ３の第３の突出要素１０ｃを備える。選ばれた値は、Ｄ３＞Ｄ１＞Ｄ２およびＨ２＞Ｈ１＞Ｈ３のようである。

この可能性は、複数の可能な圧潰レベルを有することを可能にする。そのため、突出要素１０ｂを圧潰するだけの力１での圧潰を有することが可能である。これが十分でなければ、補償されるべき幾何学的欠陥が著しいので、突出要素１０ｃの高さＨ３に突出要素１０ａを圧潰するために、力１より大きい、力２に変更することが可能である。圧潰および接触は、そのため必要に応じて調整できる。

したがって、必要であれば、接触幅が増えていくＮの異なる幾何形状を有することを想定することが可能である。締付力の連続増加は、突出要素を段階ごとに圧潰し、次いで接触が良好であり、最適な圧潰に対するものであれば直ちに停止することを可能にする。そのため、全ての幾何形状に適合するインターコネクタ５、またはその接触層が得られる。

図１２は、他の突出要素１０ａ、１０ｂからおよびガス循環流路１１から距離をおいて、平面Ｐの周辺Ｐｉの周りに位置する最大接触幅Ｄ３を有する突出要素１０ｃを有する可能性を例示する。

これらの突出要素１０ｃは、それらが最大接触幅Ｄ３を有するので、圧潰制限を形成する。それらは、有効領域の外に位置してよい。このように、最大限の表面がガスの通過のために予約される。

さらには、突出要素１０ａ、１０ｂ、１０ｃのために任意の形状が可能である。それらは、必ずしも上記したように歯の形状であるわけではない。

そのため、図１３および図１４は、特に円柱形状の、パッドの形態の突出要素１０ａ、１０ｂを有する可能性を例示する。他の形状、例えば平行六面体形状も可能である。突出要素１０ａ、１０ｂの間の空間は、次いで単一の蛇行ガス循環流路１１を形成する。

有利には、これは、適切な表面で応力をより正確に調整し、ガスの通過を最適化することを可能にし得る。

その上、図１４は、突出要素がない、平面Ｐの少なくとも１つの領域Ｚ、ここでは中心領域Ｚを有する可能性を例示する。実際、大きすぎる電気化学セル１の表面による発熱は、特に熱が排気されにくいセル１の中心において、過熱問題を生じさせ得る。そのため、特定の中心領域Ｚにおける伝導率を低下させ、それにより電気的接触を意図的になくすことによって、セル１のコアにおける反応を意図的に制限することが可能である。

有利には、本発明に係るインターコネクタ５が、フランス特許出願ＦＲ２９９６０６５Ａ１に記載されているように、２つの主平面を有する、特にベース元素が鉄（Ｆｅ）またはニッケル（Ｎｉ）であるクロミア形成型、特にＵｇｉｎｏｘ（登録商標）Ｋ４１型またはＶＤＭ（登録商標）Ｃｒｏｆｅｒ型のフェライト鋼の、金属合金基板を含んでよいことが留意されるべきである。

主平面の一方が、電気化学セル１との第１の接触層を形成する第１の被覆層を備え、主平面の他方は、電気化学セル１との第２の接触層を形成する第２の被覆層を備える。

第１の被覆層および／または第２の被覆層は、平面Ｐおよび、上記したような、特に機械加工によって、その上に形成される突出要素１０ａ、１０ｂ、１０ｃを備えてよい。

これらの２つの被覆層にそのような突出要素が設けられるとき、これらの突出要素は、第１および第２の被覆層において同一でも同一でなくてもよく、それらの分布は、第１および第２の被覆層において同一でも同一でなくてもよい。

第１の被覆層は、多孔質であろうとなかろうと、特にストロンチウムドープマンガン酸ランタンベースの、第１の厚いセラミック被覆層でよい。それは、酸素電極側に設けられてよい。

第２の被覆層は、特に第２の厚い金属、特にニッケルベースの、接触層でよい。それは、水素電極側に設けられてよい。

この第２の層は、特に少なくとも２つの異なる種類のニッケル格子を含んでよい。これらの格子上で、ｃｍ^２当たりのメッシュ数および線径が調整されてよい。例えば、突出要素を形成するメッシュ数がＮａの、高さＨａの格子Ａを使用し、それが著しく圧潰することを可能にし、圧潰制限として作用するように、突出要素を形成する、メッシュ数Ｎａより小さいメッシュ数Ｎｂの、高さＨａより小さい高さＨｂの第２の格子Ｂを使用することが可能である。

その上、図１５は、本発明に従う高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタック２０を図示する。

より正確には、図１５は、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタック２０および締付システム６０を備えるアセンブリ８０を図示する。

このアセンブリ８０は、フランス特許出願ＦＲ３０４５２１５Ａ１に記載されているアセンブリのものに類似の構造を有する。

スタック２０は、カソードから、アノードからおよびカソードとアノードとの間に挿入される電解質から各々形成される複数の電気化学セル１、ならびに２つの隣接する電気化学セル１の間に各々配置される本発明に従う複数のインターコネクタ５を含む。電気化学セル１およびインターコネクタ５のこのアセンブリは、「スタック」とも呼ばれてよい。

加えて、スタック２０は、上端子板４３および下端子板４４を含み、それぞれ上スタック端子板４３および下スタック端子板４４としても知られており、その間に複数の電気化学セル１および複数のインターコネクタ５が締め付けられ、またはその間にスタックが位置する。

その上、アセンブリ８０は、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタック２０の締付システム６０も含み、上締付板４５および下締付板４６を含んでおり、その間にＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタック２０が締め付けられる。

締付システム６０の各締付板４５、４６は、４つの締付開口５４を含む。加えて、締付システム６０は、上締付板４５の締付開口５４を通って、および下締付板４６の対応する締付開口５４を通って延びて、上締付板４５および下締付板４６を互いに組立てることを可能にする４つの締付ロッド５５またはタイロッドをさらに含む。加えて、締付システム６０は、上締付板４５および下締付板４６の各締付開口５４において締付ロッド５５と協働して、上締付板４５および下締付板４６を互いに組立てることを可能にする締付手段５６、５７、５８を含む。より正確には、締付手段は、下締付板４６の各締付開口５４において、締付開口５４を通って挿入される対応する締付ロッド５５と協働する第１の締付ナット５６を含む。加えて、締付手段は、上締付板４５の各締付開口５４において、締付ワッシャ５８と関連する第２の締付ナット５７を含み、後者が、締付開口５４を通って挿入される対応する締付ロッド５５と協働する。締付ワッシャ５８は、第２の締付ナット５７と上締付板４５との間に位置する。

もちろん、本発明は、今記載された実施形態の例に限定されない。当業者によって種々の変更がなされ得る。

１ 電気化学セル
２ カソード
３ 固体電解質
４ アノード
５ インターコネクタ
１０ 歯
１０ａ 第１の突出要素
１０ａｅ 外接触端
１０ａｉ 内端
１０ｂ 第２の突出要素
１０ｂｅ 外接触端
１０ｂｉ 内端
１０ｃ 第３の突出要素
１１ 流路
２０ スタック
４３ 上端子板
４４ 下端子板
４５ 上締付板
４６ 下締付板
５４ 締付開口
５５ 締付ロッド
５６ 第１の締付ナット、締付手段
５７ 第２の締付ナット、締付手段
５８ 締付ワッシャ、締付手段
６０ 締付システム
８０ アセンブリ
Ｐ 平面
Ｐｉ 周辺
Ｚ 領域

Claims (16)

1. 高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタック（２０）のためのインターコネクタ（５）であり、前記スタック（２０）の２つの隣接する電気化学セル（１）の間に配置されることが意図され、各電気化学セル（１）がカソードから、アノードから、および前記カソードと前記アノードとの間に挿入される電解質から形成される、インターコネクタであって、
   平面（Ｐ）であって、少なくとも１つの第１の群の、前記平面（Ｐ）に対する第１の突出要素（１０ａ）、および第２の群の、前記平面（Ｐ）に対する第２の突出要素（１０ｂ）が形成される、平面（Ｐ）を含み、
   前記第１の突出要素（１０ａ）が前記第２の突出要素（１０ｂ）に対して異なる形状を有し、
   前記平面（Ｐ）に対する前記第１の突出要素（１０ａ）の最大垂直寸法であるとして測定される、各第１の突出要素（１０ａ）の高さ（Ｈ１）が、前記第２の突出要素（１０ｂ）の最大垂直寸法であるとして測定される、各第２の突出要素（１０ｂ）の高さ（Ｈ２）と異なり、
   前記平面（Ｐ）と接触する内端（１０ａｉ）の反対側の、電気化学セル（１）と接触することが意図される、各第１の突出要素（１０ａ）の外接触端（１０ａｅ）の前記平面（Ｐ）に対する最大水平寸法であるとして測定される、各第１の突出要素（１０ａ）の接触幅（Ｄ１）が、前記平面（Ｐ）と接触する内端（１０ｂｉ）の反対側の、電気化学セル（１）と接触することが意図される、各第２の突出要素（１０ｂ）の外接触端（１０ｂｅ）の前記平面（Ｐ）に対する最大水平寸法であるとして測定される、各第２の突出要素（１０ｂ）の接触幅（Ｄ２）と異なり、
   前記インターコネクタ（５）が、２つの主平面を有する金属合金基板を含み、前記主平面の一方が、電気化学セル（１）との第１の接触層を形成する第１の被覆層を備え、前記主平面の他方が、電気化学セル（１）との第２の接触層を形成する第２の被覆層を備え、
   前記第１の被覆層および／または前記第２の被覆層が前記平面（Ｐ）およびその上に形成される前記第１および第２の突出要素（１０ａ、１０ｂ）を備える
   ことを特徴とする、インターコネクタ。
2. 各第１の突出要素（１０ａ）の前記接触幅（Ｄ１）が０．５～５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のインターコネクタ。
3. 各第２の突出要素（１０ｂ）の前記接触幅（Ｄ２）が０．００５ｍｍ～０．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載のインターコネクタ。
4. 各第１の突出要素（１０ａ）の前記高さ（Ｈ１）が２００μｍ～１，０００μｍであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
5. 各第２の突出要素（１０ｂ）の前記高さ（Ｈ２）が２５０μｍ～１，０５０μｍであることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
6. 各第２の突出要素（１０ｂ）の前記高さ（Ｈ２）と各第１の突出要素（１０ａ）の前記高さ（Ｈ１）との差が５μｍ～５００μｍであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
7. 前記インターコネクタが、前記平面（Ｐ）に形成される、Ｎ個（Ｎが２以上の整数）の群の突出要素を含み、同じ群の前記突出要素が全て同一であり、異なる群の前記突出要素が異なる形状、すなわち異なる高さおよび異なる接触幅を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
8. 前記突出要素が、互いと平行して設けられる、歯または溝の形態であり、前記突出要素の間の空間がガス循環流路（１１）を形成することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
9. 前記突出要素が、パッドの形態であり、したがって前記突出要素がそれらの間の空間を画定し、前記空間が単一の蛇行ガス循環流路（１１）を形成することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
10. 前記突出要素が、前記平面（Ｐ）上の少なくとも１つの水平方向（ＤＨ）に従って、前記平面（Ｐ）にわたって均等に分布されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
11. 前記平面（Ｐ）の少なくとも１つの領域（Ｚ）に突出要素（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）がないことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
12. 最大幅（Ｄ３）を有する突出要素（１０ｃ）が、他の突出要素（１０ａ、１０ｂ）から、および他の突出要素（１０ａ、１０ｂ）の間の空間によって形成される前記ガス循環流路（１１）から距離をおいて、前記平面（Ｐ）の周辺（Ｐｉ）の周りに位置することを特徴とする、請求項８または９に記載のインターコネクタ。
13. 前記金属合金基板が、ベース元素が鉄（Ｆｅ）またはニッケル（Ｎｉ）であるクロミア形成型であることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
14. 前記第１の被覆層が、多孔質であろうとなかろうと、厚いセラミック被覆層であり、前記セラミック材料が、式Ｌａ_１－ｘＳｒ_ｘＭＯ_３、Ｍ（遷移金属）＝ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）単独もしくはその混合物、のマンガン酸ランタン、または式Ｌｎ_２ＮｉＯ_４（Ｌｎ＝ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、プラセオジム（Ｐｒ））のニッケル酸ランタニド、もしくは別の電気伝導性ペロブスカイト酸化物の層状構造の材料から選択されることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
15. 前記第２の被覆層が厚い金属被覆層であり、金属材料が、ニッケル（Ｎｉ）およびその合金またはベース元素が鉄（Ｆｅ）であるクロミア形成合金から選択されることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載のインターコネクタ。
16. カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードとの間に挿入される電解質から各々形成される複数の電気化学セル（１）、ならびに各々が２つの隣接する電気化学セル（１）の間に配置された、請求項１から１５のいずれか一項に記載の複数のインターコネクタ（５）を含む、高温で動作するＳＯＥＣ／ＳＯＦＣ型の固体酸化物セルのスタック（２０）。