[发明专利]具有异热功能和高生产能力的高温、高压电解槽

说明书

技术领域

本发明涉及约数百摄氏度高温的吸热电解，以分解液相或气相试剂的领域。

本发明更具体地涉及高温高压电解槽，其以异热(allothermal)模式运行并提供稳定的均一的运行条件。

在其余部分，为明确说明起见，将使用水电解的实例。

背景技术

当在电解槽的末端建立电流时，由直流电源提供的部分能量在不同导体和电触点内并且在离子迁移通过电解质期间被转化成热量。所有这些损耗现象促使电能的无用损失，目前的技术发展集中于限制这些现象以及集中于电解槽稳定运行的持续时间。

此外，水分子的分解反应所需输入的能量可以分解为部分电能和部分热量。由水分解反应所吸收的最大热量随温度增加而增加。

目前的实验结果表明，低于约750℃电解槽的温度阈值仅可以具有放热性能，即由损耗现象(与电流的建立有关)产生的热量等于或大于由水电解反应所消耗的热量。然后多余的热量必须被传送到冷源。

在约750℃(称之为电解槽吸热阈值)的临界温度以上，电解槽可以具有自热功能，即分解水分子所需要的所有能量，即功和热量，是由供给电解槽的电流提供的。

在此温度阈值以上，理论和实验结果表明，电解槽可以有利地具有吸热功能，即异热，也就是说，分解水分子所需要的部分能量以热量形式从外部热源被直接传送到电解槽。

吸热即异热运行是优选的，因为它可以减少为进行电解所需要供给到电解槽的电能的量。

水电解槽被称作碱性电解槽，其中电解反应在碱性液体介质中进行。阳极和阴极由离子膜或隔膜隔开，OH^-离子在该离子膜或隔膜中循环。

在电极处的反应被写成：

·在阴极：2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-

·在阳极：2OH^-→1/2O₂+2e^-

此电解槽在低于碱性溶液的饱和值(1巴下的80℃至90℃和30巴下的130℃至160℃)的温度值下运行。

在电极之间要保持的电位差为1.75V至2.05V，其取决于电极和膜的电阻值(对OH^-离子通过的阻力)。这些值大于对于液态水的分解反应来说绝对必要的理论电位差值(在此温度水平下约为1.49V)。

考虑到与过电压激活化学反应以及电极、碱性溶液和离子膜的低电导率值有关的热损耗现象，供给到设备的15％至25％的总电能将以传送到冷源的热量的形式被损失掉。因此这种电解槽的运行仅是放热的。

还存在具有质子膜的电解槽，其运行是放热的，其中电解是在气相中进行的。阳极和阴极由质子膜隔开，H⁺离子在该质子膜中循环。在电极处的反应被写成：

·在阳极：H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e^-

·在阴极：2H⁺+2e^-→H₂

这种类型的电解槽的运行温度受限于聚合物膜的机械阻力，该运行温度在300至400℃的范围内。

还存在极高温度下运行的电解槽，称为电解质高温电解槽(来自固体氧化物燃料电池的技术)，其以自热模式进行运行。这些电解槽目前处于试验阶段或是演示样机，并在非常高的温度下供给有水蒸汽或一种蒸气/氢混合物，但它们不能在高压，即几十巴水蒸汽或供应的混合物下运行。

在电极处的氧化还原反应被写成：

·在阳极，氧离子的氧化：

O^2-→¹/₂O₂+2e^-    (I)

·在阴极，水蒸汽的还原：

H₂O+2e^-→H₂+O^2-    (II)

以完成总反应：

H₂O→H₂+¹/₂O₂。

过热水蒸汽到达阴极。在反应位置，它被还原以形成氢气和O^2-离子。水蒸汽变成富含氢气，而O^2-离子在电场作用下迁移通过膜。在阳极，离子释放它们的电子以形成氧分子。