專利名稱：具有經(jīng)改進的運行安全性的高溫電解槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為了產(chǎn)生氫的目的的水的高溫電解方法。本發(fā)明也涉及用于實施所述方法的反應(yīng)器和具有相關(guān)密封外殼的模塊。本發(fā)明更具體地涉及通過降低可引起效率減損和/或高溫電解槽元件的全部或部分的可能破損的泄露風(fēng)險而實現(xiàn)的高溫電解槽的經(jīng)改進的運行安全性。
背景技術(shù)：
高溫電解槽(HTE)包括通過由電解質(zhì)分隔的陰極和陽極形成的多個單元電池(elementary cell),其中單元電池通過一般插入在單元電池的陽極和下一個單元電池的陰極之間的互連板而串聯(lián)電連接。跟隨有陰極-陰極連接的陽極-陽極連接也是可能的?；ミB板是由至少一塊金屬板形成的電子傳導(dǎo)組件。這些板也提供在一個單元電池中流動的陰極液體與在隨后的單元電池中流動的陽極液體之間的分隔。陽極和陰極由多孔材料制成，氣體可通過該多孔材料流動。在水的高溫電解以產(chǎn)生氫的情況中，蒸汽在其中氫以氣體形式生成的陰極中流動，并且排出氣體(draining gas)可以在陽極中流動，并且通過這種方式收集在陽極中以氣體形式生成的氧。大部分高溫電解槽(HTE)使用空氣作為在陽極中的排出氣體。在高溫電解槽中，密封物按照慣例由“糊狀”玻璃密封物而制成，因為它們本質(zhì)上具有兩個優(yōu)點:良好的電子絕緣和良好的密`封性而不要求機械夾具。相反地，這些糊狀玻璃密封物的主要缺點為:-在其玻璃(vitrous)轉(zhuǎn)換溫度下的脆性，并且如果其經(jīng)受應(yīng)力，特別地由于不均勻膨脹而可能破損，-填充陰極支撐電池(非常厚的多孔材料)的厚度、保證密封性和隨著時間推移的在兩個陽極和陰極隔室之間的該密封性維護的困難性；實際上，這類型的電池不能實現(xiàn)獲得可被用作支撐的密集耐久的區(qū)域以便產(chǎn)生密封。另外，玻璃或其他裝填物不穿透多孔材料的孔，-由于許多種類型的玻璃是從玻片(slip)原生的獲得的事實，所以需要機械加工出凹槽以接收玻璃，-HTE電解槽的“吊頂(ceiling)”或豎直設(shè)計是不可能的，這是由于在其凹槽中的玻璃密封物可能流動的事實。-由于HTE電解槽的吊頂設(shè)計是不可能的事實，所以形成在堆疊體(stack)底部具有電池的更大濃縮的有差別的濃縮，由于堆疊體的重量而限制了堆疊的電池的數(shù)量，-需要超出運行溫度的溫度漂移以制造密封物；這種漂移對金屬材料是有害的，并因此隱含更大的損害，-由于在運行溫度處有粘性的玻璃會蠕變的事實，維持經(jīng)受高壓力差(>IOOmbar)的密封的困難性，-如果有運行溫度變化(玻璃膜層的熱機械破損)，更特別的在氫生產(chǎn)的停止的給定期間之后來維持低泄漏率的困難性，以及重新開始電解運行的困難性，-與電池的其他組件的潛在化學(xué)不相容性和與一個或多個互連器的其他組件的潛在化學(xué)不相容性，例如污染電極的SiO2蒸汽的排放，結(jié)果是墊圈表面的實質(zhì)腐蝕，-通過在冷卻期間的玻璃的粘性的損失，在堆疊體的組件之間創(chuàng)建剛性連接在瞬態(tài)熱期間引起應(yīng)力，
-拆解組件的困難，或甚至是在不改變電池或電池堆疊體的情況下如此操作的不可能性。其他解決方案包括將互連器的金屬釬焊在陶瓷上。然而，實現(xiàn)將互連器的金屬在陶瓷上潤濕連同兩種材料之間的熱膨脹差一起使得這種操作針對大尺寸非常困難。實際上，焊接縫固化后的冷卻經(jīng)常引起陶瓷的破損。最后，已經(jīng)提出了其它基于云母的或簡單的金屬壓縮密封物:它們要求大容積和非常大的外部夾具，并且難以控制和維持溫度以獲得有效密封而在加熱過程中沒有電池的破損。事實上，在運行溫度處，非常大的夾具隱含著蠕變，以及因此的電解槽結(jié)構(gòu)的改變和因此至多的密封性損失。為了改進HTE電解槽的運行安全性，發(fā)明人在以申請人名義提交的專利申請FR10 51783中建議使得包含至多1%的比的蒸汽作為排出氣體以在陰極和陽極兩者中流動。發(fā)明人從這一點推斷非氫化或幾乎非氫化的蒸汽的此類流動使得能夠避免復(fù)雜的密封解決方案，尤其是在通過用于回收產(chǎn)生的氫的導(dǎo)管的陽極之下的互連器的饋通中。事實上，如果泄露確實在這里發(fā)生，則非氫化的蒸汽變成夾層以形成(可以這么說)水墊或(換句話說)氣體緩沖器。本發(fā)明的目的因而提出使在HTE電解槽中通過使得蒸汽作為排出氣體在陰極和陽極兩者中流動來創(chuàng)建的這種緩沖區(qū)最優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明的一個目的是用于水的高溫電解的反應(yīng)器，包括基本電解電池的堆疊體，每個基本電解電池由陰極、陽極和夾在陰極與陽極之間的電解質(zhì)形成，其中至少一個互連板被定位在兩個相鄰的單元電池之間，以與兩個單元電池中的一個的電極和兩個單元電池中的另一個的電極電接觸，其中互連板界定至少一個陰極隔室和至少一個陽極隔室以便氣體分別在陰極中和在陽極中流動，其中陰極隔室端中的一個被稱為陰極入口端，其連至能夠輸送蒸汽的饋送機構(gòu)(feed)，并且陽極隔室端中的一個被稱為陽極入口端，其也連至能夠輸送蒸汽的饋送機構(gòu)，其中陰極隔室端中的另一個被稱為陰極出口端，其出現(xiàn)在被制成穿過電池和互連板的堆疊體的氫收集導(dǎo)管的部分中，并且陽極隔室端中的另一個被稱為陽極出口端，其出現(xiàn)在被制成穿過電池和互連板的堆疊體的氧收集導(dǎo)管部分中。根據(jù)本發(fā)明，每個陰極入口端定位為靠近氧收集導(dǎo)管部分和/或氫收集導(dǎo)管部分，并且每個陽極入口端定位為靠近氫收集導(dǎo)管部分和/或氧收集導(dǎo)管部分。在這里規(guī)定，“端”的概念必須在流體的寬泛意義中而不是在嚴格的幾何意義中理解。入口端從而可被限定為，從其利用蒸汽發(fā)生電解反應(yīng)的流體區(qū)域(陰極入口端)，或從其由蒸汽排出產(chǎn)生的氧的流體區(qū)域(陽極入口端)。相似地，出口端可被限定為，電解反應(yīng)不再從其發(fā)生的流體區(qū)域(陰極出口端)，或氧氣不再從其產(chǎn)生的流體區(qū)域(陽極出口端)。不言自明的是，將入口端定位于電解槽的角落構(gòu)成了特別的情況并在此限定范圍內(nèi)。最后，表述“靠近”必須被理解成在本發(fā)明的上下文中意味著陰極隔室的入口端或陽極隔室的入口端定位在離相應(yīng)地收集氧或氫的導(dǎo)管部分的外周一定距離處，以致在它所經(jīng)受的還原反應(yīng)的開始處或之前，蒸汽創(chuàng)建具有流速幾乎是HTE電解槽的饋送流速的緩沖容積。本發(fā)明因此包括使用還未被還原的蒸汽(即不包含或包含非常少的由電解產(chǎn)生的氧氣和氫氣的蒸汽)來在電解槽各部分周圍創(chuàng)建緩沖容積，通過該電解槽的各部分，所產(chǎn)生的氧和氫被收集并流動。還未被還原的蒸汽因而盡可能的靠近其注入陰極隔室或陽極隔室的點而被明智地使用，以作為由電解產(chǎn)生的氫和氧之間的分隔緩沖。換句話說，發(fā)明人因此考慮HTE電解槽和其效率的最優(yōu)化額外在于創(chuàng)建使得隔室(陰極或陽極)的入口盡可能靠近同一隔室和/或另一個相對隔室的出口的緩沖區(qū)域，如之前引用的申請FR 10 51783中提到的那樣。事實上，在水電解反應(yīng)中，在陰極處引入的蒸汽能夠被立即轉(zhuǎn)變成氫，并因此當其被用于對氧出口進行密封(產(chǎn)生的氧的收集)時，盡可能的靠近其引入點來做是有益的。并且根據(jù)本發(fā)明的這個解決方案決不是顯而易見的，因為在現(xiàn)有技術(shù)中通常接受的兩個氣體區(qū)域之間進行密封的解決方法在于將兩個區(qū)域彼此分離。不言自明的是，根據(jù)本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員謹慎地建立和維持足夠的蒸汽流以便不斷更新在緩沖區(qū)域中存在的蒸汽并且以便這種蒸汽保持純凈，即尚未填有反應(yīng)氣體(產(chǎn)生的02或!12)。關(guān)于在本發(fā)明的上下文中設(shè)想的蒸汽，其在陰極入口和陽極入口處可以為相同的組分，然后，如之前引用的申請FR 10 51783中描述的并要求的那樣，至多包含1%氫。還可以設(shè)想在陰極入口處的蒸汽與在陽極入口處的蒸汽不同:然后可以在陰極的入口處具有包含5%或10% H2的蒸汽，以 及在陽極入口處包含至多1% H2的蒸汽。無論哪種情況，留意從緩沖區(qū)域流至收集導(dǎo)管的蒸汽流動保持很小。根據(jù)第一實施例，反應(yīng)器包括至少一個導(dǎo)管，蒸汽可在該導(dǎo)管中流動，其中導(dǎo)管被形成在互連板中，其中所述導(dǎo)管的第一端連至能夠輸送蒸汽的饋送機構(gòu)并且第二端輸送出現(xiàn)在靠近每個陽極入口端或陰極入口端以及靠近被制成穿過電池和互連板的堆疊體的氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分中的一個和/或另一個的區(qū)域中的蒸汽，并且其中所述區(qū)域被設(shè)計成在蒸汽到達陰極入口端或陽極入口端之前，在氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分的一個和/或另一個的外周周圍創(chuàng)建所述蒸汽的緩沖容積。根據(jù)這個實施例，至少一個肋狀物(rib)可有利地定位在氫收集導(dǎo)管部分和氧收集導(dǎo)管部分的一個或另一個的外周周圍，其中該一個或多個肋狀物能夠通過在導(dǎo)管的第二端的出口處朝著陰極入口端或陽極入口端將蒸汽推回而允許進行引導(dǎo)。肋狀物實際上可為簡單設(shè)計的金屬密封件，即使其有差的本征性能，肋狀物也使在收集導(dǎo)管部分內(nèi)的蒸汽流動能夠?qū)嵸|(zhì)上減少。同樣根據(jù)本實施例，有利地具有與在氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分的一個或另一個的外周周圍的肋狀物相對地定位的多個附加肋狀物，其中在兩個相鄰的附加肋狀物之間的空間界定陰極入口端或陽極入口端，使推回的蒸汽的速度能夠增加。
根據(jù)另一個實施例，還可進行選擇以使每個陰極入口端和/或陽極入口端定位在反應(yīng)器的外周處，以接收反應(yīng)器周圍的并且靠近被制成穿過電池和互連板的堆疊體的氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分的一個和/或另一個的蒸汽，其中在陰極入口端或陽極入口端與氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分的一個和/或另一個之間限定的區(qū)域被設(shè)計成在氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分的一個或另一個的外周周圍創(chuàng)建所述蒸汽的緩沖容積。根據(jù)這個實施例，至少一個肋狀物可被定位在氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分的一個和/或另一個的外周周圍，其中一個或多個肋狀物能夠允許蒸汽被外圍地引導(dǎo)在所述收集導(dǎo)管部分周圍。肋狀物實際上可以是簡單設(shè)計的金屬密封件，即使其具有差的本征性能，也能使在收集導(dǎo)管部分內(nèi)的蒸汽流動實質(zhì)上減少。根據(jù)本發(fā)明的用于水的高溫電解的反應(yīng)器意圖在超過450°C、典型的在700°C和1000°C之間的溫度下工作，。


在閱讀參考以下附圖的詳細說明的基礎(chǔ)上，其他優(yōu)點和特征會更清楚看到，其中:-圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于高溫電解的反應(yīng)器的實施例的側(cè)視圖，-圖1A是在正常電解運行期間，在平面A-A中的圖1的反應(yīng)器的截面圖，-圖1B是同樣在正常電解運行期間，在平面B-B中的圖1的反應(yīng)器的截面圖，-圖2是根據(jù)圖1至圖1B的 靠近陰極入口端和氧收集器部分的反應(yīng)器的詳細立體圖，-圖2A是圖2的但根據(jù)陰極隔室的面8A的視圖的詳細視圖，-圖2B是圖2的但根據(jù)陽極隔室的面8B的視圖的詳細視圖，-圖3是根據(jù)圖1至圖1B的靠近陽極入口端和氫收集器部分的反應(yīng)器的詳細視圖，-圖3A是圖3的但根據(jù)陽極隔室的面8B的視圖的詳細視圖-圖3B是圖3的但根據(jù)陰極隔室的面8A的視圖的詳細視圖。
具體實施例方式本發(fā)明相關(guān)于用于生成氫的高溫水電解槽的結(jié)構(gòu)類型來描述。不言自明的是，本發(fā)明可適用于其他結(jié)構(gòu)。所示的電解槽運行的高溫高于450°C，典型地在700°C和1000°C之間。規(guī)定:術(shù)語“上游”和“下游”參考蒸汽的流動方向和在陰極處產(chǎn)生的氫的流動方向而使用。規(guī)定不同元件的表示非按比例。在圖1中已經(jīng)表示了根據(jù)本發(fā)明的EHT電解槽，其包括多個堆疊的單元電池Cl、
ro坐坐a -rj- -rj- ο每個單元電池包括定位在陰極和陽極之間的電解質(zhì)。在說明書的其余部分中，我們將具體描述電池Cl和電池C2以及它們的接口(interface)。電池Cl包括陰極2.1和陽極4.1，電解質(zhì)6.1 (例如固態(tài)電解質(zhì))定位在其之間，其在被稱為“電解質(zhì)支撐”電池的電池的情況中通常100 μ m厚并且在被稱為“陰極支撐”電池的電池的情況中是幾μ m厚。電池C2包括陰極2.2和陽極4.2，電解質(zhì)6.2定位在其之間。陰極2.1、陰極2.2和陽極4.1、陽極4.2由多孔材料制成，并且例如，其在“電解質(zhì)支撐”電池的情況中為40 μ m厚而且在“陰極支撐”電池的情況中相應(yīng)地為大約500 μ m厚和40 μ m厚。通過接觸到陽極4.1和陰極2.2的互連板8，電池Cl的陽極4.1電連接至電池C2的陰極2.2。另外，允許陽極4.1和陰極2.2被電力供電。互連板8被插入在兩個單元電池Cl和C2之間。在表示的示例中，其被插入在單元電池的陽極和相鄰電池的陰極之間。但是其可以被插入在兩個陽極或兩個陰極之間。互連板8與相鄰的陽極和相鄰的陰極限定流體流經(jīng)的通道。更具體地，它們限定在陽極4中專用于氣體流動的陽極隔室9和在陰極2中專用于氣體流動的陰極隔室11。在表示的示例中，陽極隔室9通過壁9.11與陰極隔室11分離。在表示的示例中，互連板8還包括至少一個導(dǎo)管10，該導(dǎo)管10與壁9.11 一起界定陽極隔室9和陰極隔室11。在表示的示例中，互連板包括多個導(dǎo)管10、多個陽極隔室9和多個陰極隔室11。有利地，導(dǎo)管10和隔室具有六邊形蜂巢截面，其使得隔室9、隔室11和導(dǎo)管10的密度增加。如圖1A中所表示的，非經(jīng)氫化的蒸汽被使得在每個陰極2.1、陰極2.2處和在陽極
4.1、陽極4.2處作為排出氣體流動。這種在非經(jīng)氫化的蒸汽的陰極和陽極兩者中的流動使得可能引起效率減損和/或由其導(dǎo)致的電解槽的全部或部分的破損的泄露風(fēng)險減小。圖1A的箭頭12和箭頭13從而清楚地表示在陽極隔室9和陰極隔室11中的非經(jīng)氫化的蒸汽的相等壓力的同時路徑。在這種情況中示意性地表示的流動發(fā)生在電池Cl的陽極隔室9和相鄰電池C2的陰極隔室11之間的相反方向中(相反方向中的箭頭12和箭頭13)。如圖1B中所表示的，電解槽的結(jié)構(gòu)還能使導(dǎo)管10的第一端10.1經(jīng)由另一個導(dǎo)管連至非經(jīng)氫化的蒸汽的供應(yīng)端，且導(dǎo)管10的第二端10.2連至陰極隔室11。箭頭14從而顯示非經(jīng)氫化的蒸汽從其在導(dǎo)管10中的流動(箭頭16)朝著陰極隔室11的返回流動。根據(jù)本發(fā)明，每個陰極入口端11.1被定位于靠近被制成穿過電池Cl、電池C2、……電池Cn和互連板8的堆疊體的氧收集導(dǎo)管部分17，并且每個陽極入口端9.1被定
位于靠近被制成穿過電池Cl、電池C2、......電池Cn和互連板8的堆疊體的氫收集導(dǎo)管部
分18。因此，根據(jù)本發(fā)明，并如圖2至圖2A中所表示的，互連板8的面8A包括出現(xiàn)在互連板8的兩個肋狀物80、81之間的區(qū)域中的每個導(dǎo)管10的端10.2。在兩個相鄰肋狀物80之間的空間界定陰極隔室11的入口端11.1。肋狀物81，就其本身而言，界定收集在陽極9處產(chǎn)生的氧的導(dǎo)管的部分17。如所示出的，導(dǎo)管10被規(guī)則地定位，它們的端10.2根據(jù)所確定的角度而彼此分開，如被單獨地插入在導(dǎo)管的兩個端
10.2之間的端11.1。
如圖2B中所表示的，互連板8的其他面8B (與8A即相反的一個面)，也包括肋狀物82、肋狀物83。在兩個肋狀物82之間的空間界定陽極隔室9的出口端9.2。肋狀物83，就其本身而言，界定收集在陽極9處產(chǎn)生的氧的導(dǎo)管的部分17。最后，這個面SB包括收集在陽極處產(chǎn)生的氧的導(dǎo)管170。如所示出的，導(dǎo)管170被規(guī)則地定位，它們的端10.2根據(jù)所確定的角度而彼此分開，如陽極端9.2。如以隧道形式示出的導(dǎo)管170允許在肋狀物81和肋狀物83之間的電解電池C的夾持力的經(jīng)改進的傳輸。同樣根據(jù)本發(fā)明，并如圖3和圖3A中所示的，互連板8的面SB包括在其外周上的由兩個肋狀物84、85界定的區(qū)域。在這兩個肋狀物84、85之間的空間界定陽極隔室9的入口端9.1。另一個肋狀物86，就其本身而言，界定收集在陰極11處產(chǎn)生的氫的導(dǎo)管18的部分的外周。如圖3B中所示的，互連板8的其他面8A包括在其外周的肋狀物87。兩個其他肋狀物88、89界定陰極隔室11的輸出端11.2和收集在陰極11處產(chǎn)生的氧的導(dǎo)管的部分18的外周。在表示的示例中，互連板8通過尤其通過在氧收集導(dǎo)管部分17周圍的焊道(welding bead) 19裝配焊接至彼此的兩個盤狀金屬板而制成。肋狀物80、肋狀物81、肋狀物82、肋狀物83、肋狀物84、肋狀物85、肋狀物86、肋狀物87、肋狀物88和肋狀物89從而是被擠壓的部分肋狀物。在圖3至圖3B的實施例中，在氧收集導(dǎo)管部分18的周圍沒有焊道。在這里規(guī)定，圖3至圖3B的HTE電解槽的實施例要求在電解電池的堆疊體的周圍使用能夠包含至多包含1%氫的蒸汽的密封殼體，如在申請FR 10 51783中所描述和要求的那樣。上述電解槽的運行因此可被概括如下:可以被預(yù)先加熱的非經(jīng)氫化的蒸汽進入導(dǎo)管10。當其移動進入導(dǎo)管10時，通過與互連板8排成一行的陽極9和陰極11進行熱交換而將其加熱。首先，這種加熱至接近電池Cl的溫度的溫度的非經(jīng)氫化的蒸汽通過端11.1進入陰極隔室11 (圖1B和2A的箭頭14)。更確切地，參考圖2A，非經(jīng)氫化的加熱的尚未經(jīng)歷任何還原的蒸汽流從導(dǎo)管10的端10.2出現(xiàn)并且通過被推回(可以這么說)到肋狀物81上以進入陰極端11.1。根據(jù)本發(fā)明，這種非經(jīng)氫化的尚未被還原的蒸汽流的推回創(chuàng)建了在肋狀物81的整個外周周圍(即，在氧收集導(dǎo)管17的整個外周周圍)的氣體緩沖容積，如可從圖2A中象征性地表示的彎曲的寬箭頭中看出。這種緩沖容積是有意的處于與在導(dǎo)管17中收集的氧相比的稍微更高的溫度。肋狀物81的功能因此是允許通過將在導(dǎo)管10的第二端10.2的出口處的蒸汽朝著陰極入口端11.1或陽極入口端9.1排放而允許進行引導(dǎo)。與肋狀物81相對定位的兩個相鄰的附加肋狀物80之間的距離界定陰極入口端11.1，從而使被推回的蒸汽的速度在蒸汽通過所述端時增加。根據(jù)本發(fā)明緩沖區(qū)域的性能從而被改進。實際上，通過在通道11.1中以更高速度推動(可以這么說)被推回的蒸汽，產(chǎn)生的氣體餌或02)的逆擴散現(xiàn)象被防止發(fā)生。話句話說，產(chǎn)生的氣體將在從緩沖區(qū)域朝著收集導(dǎo)管部分的相反方向中流回的風(fēng)險減少?；蛘撸€換句話說，圖2至圖2B的實施例中設(shè)計的部分11.1的變窄使得蒸汽的速度在陰極隔室的入口處或陽極隔室的入口處增加，以為了防止提到的逆擴散。在當非經(jīng)氫化的已進入陰極隔室11的蒸汽接觸到陰極2時，其經(jīng)歷還原。然后根據(jù)以下反應(yīng)生成氫:2H20 — 2H2+02o通過沿著陰極隔室11的整個長度的還原而生成的氫被收集在專用收集導(dǎo)管18中。更準確地，如圖3B中所描述的，根據(jù)箭頭12流動的產(chǎn)生的氫，在面8A的外周區(qū)域中到達遠至在肋狀物88和肋狀物89之間的陰極出口端11.2并進入收集導(dǎo)管18中。此外，同時地，尚未包含氧的非經(jīng)氫化的蒸汽通過互連板8的外周，通過由肋狀物84、肋狀物85界定的端9.1進入陽極隔室9 (圖3A的箭頭15)。更確切的，這種不包含氧的非經(jīng)氫化的蒸汽流在肋狀物86周圍、并從而在氫收集器18的部分的外周的周圍分布。這種蒸汽流根據(jù)本發(fā)明在肋狀物86的整個外周周圍(即，在氧收集導(dǎo)管18的整個外周周圍)創(chuàng)建氣體緩沖容積，如可從圖3A中象征性表示的寬箭頭看出。該緩沖容積有意的處于與導(dǎo)管18中收集的氫相比稍微更高壓力。

沿著陽極隔室9的整個長度在陽極9處產(chǎn)生的氧被收集在專用收集導(dǎo)管17中。更準確的，如圖2B中所描述的，根據(jù)箭頭13流動的產(chǎn)生的氧，在面SB的區(qū)域中到達遠至在相鄰肋狀物82之間的陽極出口端9.2并經(jīng)由導(dǎo)管170進入收集導(dǎo)管17。剛被描述的本發(fā)明同時在于:-使得蒸汽在陽極和在陰極中附隨地流動，-產(chǎn)生盡可能靠近氫和氧(其通過堆疊體和互連板產(chǎn)生)的相應(yīng)收集導(dǎo)管部分的陽極入口端和陰極入口端，以為了在這些收集部分的周圍創(chuàng)建處于稍微更高壓力的蒸汽的緩沖容積。通過創(chuàng)建緩沖容積，因此產(chǎn)生了包括尚未還原且尚未包含氧的非經(jīng)氫化的蒸汽的泄露流速。存在著或者通過(在非經(jīng)氫化的蒸汽與收集到的氧或與收集到的氫之間)混合或者通過擴散源自于反應(yīng)的蹤跡，但是在給定緩沖容積的明智位置下，這些蹤跡在所有情況下都是高度變淡的。根據(jù)本發(fā)明的通過包含至多I %氫的蒸汽的注入而靠近氧和氫收集器部分創(chuàng)建的緩沖容積具有以下優(yōu)點:-制造簡單，-可以避免復(fù)雜設(shè)計的密封的使用，和/或避免要求必須被控制的實質(zhì)機械夾具，-如果使用附加密封，則保證改進的安全。包含從HTE電解槽的外周注入的至多1%氫的、并靠近收集器18 (見圖4A)的部分的蒸汽，必須來自在其中限制所述蒸汽的密封殼，如申請FR 10 51783中所描述和要求的。盡管沒有具體描述，不言自明的是材料的一個或多個層可被沉積在電池的三個構(gòu)成部分(陽極、陰極、電解質(zhì))中的每一個上，并還沉積在互連器或互連板上。并且，其他改進可以在沒有超出本發(fā)明的范圍的情況下而被制成。因此，在描述的實施例中，圖2至圖2B中所示的實施例說明在陰極隔室11的入口
11.1和氧收集導(dǎo)管的部分17的外周之間的緩沖容積的創(chuàng)建，而圖3至圖3B中所示的實施例說明在陽極隔室9的入口 9.1和氫收集導(dǎo)管部分18的外周之間的緩沖容積的創(chuàng)建?？梢栽O(shè)計一種HTE電解槽結(jié)構(gòu)(可以顛倒來說)，即，使用圖2至圖2B中所示的實施例，其使得能夠創(chuàng)建在陽極隔室11的入口 9.1和氫收集導(dǎo)管的部分17的外周之間的緩沖容積，而圖3至圖3B中所示的實施例將允許在陰極隔室11的入口 11.1和氧收集導(dǎo)管部分18的外周之間創(chuàng)建緩沖容積。換句話說，導(dǎo)管部分17和導(dǎo)管部分18的收集功能被顛倒，且隔室9和隔室11的功能被顛倒。這顯然可以通過在HTE電解槽內(nèi)保持互連板8的相同定位但是通過反轉(zhuǎn)電解電池Cl、電解電池C2、……電解電池Cn(其中陰極2.1、陰極2.2、……陰極2.η此時被制成與板8的面8B相對，而陽極4.1、陽極4.2、……陽極4.η此時被制成與板8的面8Α相對)來實現(xiàn)。還可進行選擇以在單個HTE電解槽內(nèi)具有根據(jù)圖2至圖2Β的兩個實施例，即，用于同時在陰極隔室11的入口 11.1和氧收集導(dǎo)管部分17的外周之間、以及在陽極隔室9的入口 9.1和氫收集導(dǎo)管部分18的外周之間創(chuàng)建緩沖容積。還可進行選擇以在單個HTE電解槽內(nèi)具有根據(jù)圖3至圖3Β的兩個實施例，即，用于同時在陰極隔室11的入口 11.1和氧收集導(dǎo)管部分17的外周之間、以及在陽極隔室9的入口 9.1和氫收集導(dǎo)管部分18的外周之間創(chuàng)建緩沖容積。還可進行選擇以在單個HTE電解槽內(nèi)具有根據(jù)圖2至圖2Β的實施例和根據(jù)圖3至圖3Β的實施例。還可進行選擇以在單個HTE電解槽內(nèi)具有靠近氫收集導(dǎo)管部分18而定位的每個陰極端11.1，以及具有靠近氧收集導(dǎo)管部分17而定位的每個陽極端9.1:然后根據(jù)本發(fā)明的緩沖區(qū)域在給定產(chǎn)生的氣體餌或02)入口和出口之間創(chuàng)建。進一步地，如果在所描述的實例中，在陽極隔室和陰極隔室的入口處的蒸汽為非經(jīng)氫化的，不言自明的是，針對產(chǎn)生氫的視角，這種蒸汽也可包含不參與到實際電解反應(yīng)中的氣體(諸如氮和/或CO2)。最后，盡管單獨地描述關(guān)于水電解的應(yīng)用，不言自明的是本發(fā)明可被施用于其他電催化的反應(yīng)器，只要一種或多種入口氣體可被認為關(guān)于出口氣體(反應(yīng)氣體)中性且無害，并只要在出口氣體的一個中的一種或多種入口氣體的最小存在不妨礙它/它們的收
集。`
權(quán)利要求
1.一種用于水的高溫電解的反應(yīng)器，包括:基本電解電池(C1、C2、......Cn)的堆疊體，其每個都由陰極(2.1,2.2)，陽極(4.1,4.2)和夾在陰極與陽極之間的電解質(zhì)(6.1,6.2)形成，其中至少一個互連板(8)安裝在兩個相鄰的單元電池之間，以與兩個單元電池中的一個的電極和兩個單元電池中的另一個的電極電接觸，其中互連板界定至少一個陰極隔室(11)和至少一個陽極隔室(9)以便氣體分別在陰極中和在陽極中流動， 其中，所述陰極隔室(11)的端中的一個被稱為陰極入口端，其連至能夠輸送蒸汽的饋送機構(gòu)，并且所述陽極隔室(9)的端中的一個被稱為陽極入口端，其也連至能夠輸送蒸汽的饋送機構(gòu)， 其中，所述陰極隔室(11)的端中的另一個被稱為陰極出口端，其出現(xiàn)在被制成穿過電池和互連板的堆疊體的氫收集導(dǎo)管的部分，并且所述陽極隔室(9)的端中的另一個被稱為陽極出口端，其出現(xiàn)在被制成穿過電池和互連板的堆疊體的氧收集導(dǎo)管的部分中， 并且其中，每個陰極入口端(11.D被定位為靠近氧收集導(dǎo)管部分和/或氫收集導(dǎo)管部分(17)，并且每個陽極入口端(9.1)被定位為靠近氫收集導(dǎo)管部分和/或氧收集導(dǎo)管部分(18)?！?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于水的高溫電解的反應(yīng)器，包括蒸汽可在其中流動的至少一個導(dǎo)管(10)，其中所述導(dǎo)管(10)在互連板(8)中形成，其中所述導(dǎo)管的第一端(10.1)連至能夠輸送蒸汽的饋送機構(gòu)，并且第二端(10.2)輸送出現(xiàn)在靠近每個陰極入口端或陽極入口端的以及靠近被制成穿過電池和互連板的堆疊體的氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分中的一個和/或另一個的區(qū)域中的蒸汽，并且其中該區(qū)域被設(shè)計成在蒸汽到達陰極入口端或陽極入口端前，在氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分中的一個和/或另一個的外周周圍創(chuàng)建所述蒸汽的緩沖容積(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于水的高溫電解的反應(yīng)器，包括至少一個肋狀物(81)，其被定位在氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分中的一個或另一個的外周周圍，其中一個或多個所述肋狀物能夠通過在所述導(dǎo)管的第二端的出口處朝著陰極入口端或陽極入口端將蒸汽推回來允許進行引導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于水的高溫電解的反應(yīng)器，包括多個附加肋狀物(80)，其與在氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分中的一個或另一個的外周周圍的肋狀物(81)相對地定位，其中在兩個相鄰的附加肋狀物(80)之間的空間界定陰極入口端或陽極入口端，使得排放蒸汽的速度能夠增加。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于水的高溫電解的反應(yīng)器，其中每個陰極入口端和/或陽極入口端定位在反應(yīng)器的外周上以接收反應(yīng)器周圍的并靠近被制成穿過電池和互連板的堆疊體的氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分中的一個和/或另一個的蒸汽，其中在陰極入口端或陽極入口端與氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分中的一個和/或另一個之間限定的區(qū)域被設(shè)計成在氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分中的一個和/或另一個的外周周圍創(chuàng)建所述蒸汽的緩沖容積(13)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于水的高溫電解的反應(yīng)器，包括至少一個肋狀物(84，85，86)，其被定位在氧收集導(dǎo)管部分和氫收集導(dǎo)管部分中的一個和/或另一個的外周周圍，其中一個或多個肋狀物能夠允許蒸汽被外圍地引導(dǎo)(13)在所述收集導(dǎo)管部分的周圍。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項所述的用于水的高溫電解的反應(yīng)器，其意圖在超過450°C、典型地在70 0°C至1000°C之間的溫度處下工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有電解電池(C1、C2、……Cn)的堆疊體的高溫電解槽(HTE)，其中蒸汽被使得在陰極(2.1，2.2，……2.n)和在陽極(4.1，4.2，……4.n)處流動。根據(jù)本發(fā)明，HTE電解槽的結(jié)構(gòu)被設(shè)計成具有靠近氧收集導(dǎo)管部分或相應(yīng)的氫收集導(dǎo)管部分(17，18)的每個陰極入口端(11.1)和陽極入口端(9.1)。由此方式，在氧收集器和氫收集器的周圍創(chuàng)建了蒸汽的緩沖容積，因此在電解槽內(nèi)構(gòu)建了簡單并有效的密封方式。
文檔編號C25B1/06GK103154324SQ201180048599
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者帕特里克·勒加洛 申請人:原子能與替代能源委員會