[发明专利]具有间接加热运行方式的高温高压电解设备

说明书

技术领域

本发明涉及在约几百摄氏度的高温下进行吸热性电解以使液相或气相试剂离解的领域。

更具体而言，本发明涉及一种具有间接加热运行方式的高温电解设备，其提供稳定且均匀的运行状态。

背景技术

在下文中，为使论述清楚起见，将以水的电解为例。

当在电解设备的端子上建立电流时，直流源所提供的能量的一部分在不同导体和电接点内、以及在离子经过电解质转移时被转化为热量。所有这些损耗现象均造成电能被无用地损耗掉，因而当前的技术开发着重于如何限制这些现象以及着重于电解设备稳定工作的持续时间。

此外，水分子的分解反应所需的能量输入可被分解成部分电能和部分热量。水分解反应所能吸收的最大热量随温度而增加。

当前的试验结果表明，在约750℃的温度阈值以下，电解设备可仅具有放热运行，即与电流的建立相关的损耗现象所产生的热量等于或大于水电解反应所消耗的热量。过量的热量必须随后传递至冷态源。

在高于约750℃的该阈值温度(其应被称为电解设备吸热性阈值)时，电解设备可具有自热运行方式，即水分子分解所需的所有能量(即功和热量)均由提供给电解设备的电流提供。

在该温度阈值以上，理论和试验结果表明，电解设备可有利地具有吸热工作方式，即间接加热，也就是说，水分子分解所需的一部分能量是以热量形式从外部热源间接地传递至电解设备。

吸热性运行(即间接加热运行)是优选的，因为其能够减少为进行电解而需要提供给电解设备的电能的量。

水电解设备被称为碱性电解设备，其中在碱性液体介质中进行电解反应。阳极和阴极通过离子薄膜或隔膜隔开，OH-离子则在离子薄膜或隔膜中循环。

电极上的反应表示为：

在阴极上：2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-

在阳极上：2OH^-→1/2O₂+2e^-

该电解设备在低于碱性溶液饱和值(在1巴时为80℃至90℃，在30巴时则为130℃至160℃)的温度值下运行。

根据电极和薄膜的电阻值(对OH-离子的传递的阻力)而定，在电极之间所要维持的电位差在1.75V与2.05V之间变化。这些值大于液态水的分解反应严格所需的理论电位差(在该温度水平下约为1.49V)。

由于存在与用于激活化学反应的过电压相关的以及与电极、碱性溶液和离子薄膜的低导电率值相关的损耗热现象，提供给设备的总电能中将有15％至25％以热量形式传递至冷态源而损耗掉。因此，该电解设备的工作只是放热性的。

还存在具有质子薄膜的放热运行的电解设备，其中以气相形式进行电解。阳极和阴极通过质子薄膜隔开，H+离子即在质子薄膜中循环。电极上的反应表示为：

在阳极上：H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e^-

在阴极上：2H⁺+2e^-→H₂

此种类型电解设备的运行温度受聚合物薄膜的机械阻力的限制，处于[300-400℃]范围内。

还存在在极高温度下运行的电解设备，被称为电解质高温电解设备，其是从固态氧化物燃料电池说法衍生出来的，以自热模式运行。这些电解设备目前处于试验阶段或者展示样机阶段，并且被供以极高温度的水蒸汽或蒸汽/氢气混合物，但这些电解设备无法在高(即几十个大气压)的水蒸汽或食品级混合物压力下运行。

电极上的氧化-还原反应表示为：

在阳极上，进行氧离子的氧化：

O^2-→¹/₂O₂+2e^-    (I)

在阴极上，进行水蒸汽的还原：

H₂O+2e^-→H₂+O^2-    (II)

因而，总的反应为：

H₂O→H₂+¹/₂O₂.