專利名稱：具有溫度均化裝置的高溫電解槽的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及裝備有溫度均化裝置的電化學反應器 ，尤其是電解槽或燃料電池，以 及更具體是高溫電解槽。
背景技術：
電解槽包括多個基本電池，其形成自由電解質(zhì)隔開的陰極和陽極，借助于互連板， 基本電池被串聯(lián)電連接，其中互連板通常被置于基本電池的陽極和接著的(fο 1 lowing，隨 后的)基本電池的陰極之間。陽極-陽極連接之后是陰極-陰極連接也是可能的。互連板 是由金屬板形成的導電部件。此外這些金屬板可以確保將在基本電池中循環(huán)的陰極流體與 在接著的基本電池中循環(huán)的陽極流體分隔開。陽極和陰極由氣體可以在其中流動的多孔材料制備。例如，在電解水以產(chǎn)生氫氣的情況下，水蒸汽在陰極循環(huán)，陰極處產(chǎn)生氣態(tài)氫氣， 一種排出氣體在陽極循環(huán)并收集在陽極產(chǎn)生的氧氣。一般來說，目的在于減小電解槽的電阻以改善其性能，尤其是限制它的升溫和焦 耳效應的電損耗。然而目前的電解槽具有不可忽略的電阻，以致在電解槽水平的總反應是放熱的， 而在每個電池中的電化學反應是吸熱的。因此有必要排出這種熱量以確保電解槽的穩(wěn)定工作。于是主要通過從電解槽流出 的氣體來排出熱量。此熱量目前用于通過在提供在電解槽上游的外部交換器中的熱交換來 加熱進入的氣體。然而，因為電解槽的內(nèi)部部件，尤其是基本電池，至少部分地由陶瓷制成，所以它 們對于溫度梯度是高度敏感的并且不能夠支持大于50°C的熱沖擊。因此這意味著，進入氣 體的溫度相對于流出氣體的溫度不應該低于50°C以上。此外，為了確保電解槽的壽命長和它的正確運轉(zhuǎn)，優(yōu)選確保在電解槽內(nèi)盡可能均 勻的溫度分布。于是尋求在整個電解槽內(nèi)溫度的變化不大于10°c。為了避免這些熱沖擊(如先前所指出的)，使用如已在文獻“Concepts and Design for scaling up high temperature water νapourelectrolysis'M Doenits and R. Schmidberger, in Int. J. HydrogenEnergy, Vol. 7，N。4，pp. 321—330，1982 中所描述的、 在電解槽上游的熱交換器。然而，由于在電解槽的出口和交換器的入口之間不可避免的熱損失以及交換器的 溫差，所以在進入氣體的溫度和流出氣體的溫度之間存在至少50°c的差異。因此這迫使流 出氣體的溫度高于進入氣體所需要的溫度。然而，進入和流出氣體之間的這種溫差不利于在電解槽中均勻溫度分布的目的。此外，這種更高的溫度有害于電池的機械強度并降低轉(zhuǎn)換效率。因此這意味著要選擇特殊材料；在700°C的溫度以上，適宜的材料并不太多并且 它們的成本價格較高。此外，它們更難以操作和組裝。例如，特別適應于高溫的高溫合金如Haynes 230比不銹鋼貴10倍，不銹鋼可以在直至高達500°C溫度下使用。此外，因為從來自于陽極和陰極的氣體回收熱量(卡路里)，所以需要兩個具有高 溫階段的交換器。高溫下在電解槽和交換器之間連接的存在還提高了干預和維護交換器的成本和 困難，最后，整個裝置的體積和重量增加。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種電化學反應器，其具有改善的性能和更長的壽命ο本發(fā)明的另一個目的是提供具有更低成本價格的電化學反應器以及體積減小的 與電化學反應器整合的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
上述目的是通過電化學反應器來實現(xiàn)，其中電化學反應器包括通過(若干)互連 板連接的多個堆疊的基本電池，互連板結(jié)合有(integrating)通道，其中通道用于在進入 氣體注入到陰極和/或陽極以前對電化學反應器中的進入氣體進行循環(huán)。換句話說，電化學反應器結(jié)合有直接形成在基本電池之間的內(nèi)部熱交換器。在電解水的情況下，進入的水蒸汽在陰極中循環(huán)以前在互連板中循環(huán)；在此循環(huán) 期間，它通過與在陰極中循環(huán)的氣體和與接觸互連板的陽極進行熱交換而被加熱。外部交換器可以被簡化并變得更緊湊。還不再需要使流出氣體的溫度高于進入氣體所需要的溫度。因此更容易獲得電化 學反應器內(nèi)的溫度均勻性，從而可以改善電化學反應器的性能(或工作)。在放熱電解槽的情況下，直接在基本電池中形成的流體回路因而使得可以-對于電化學電池的給定操作溫度通過在互連板中循環(huán)進入(的)氣體來降低互 連板的溫度，增益的溫度可以實現(xiàn)大于50°C，-降低氣體的進入溫度，降低至小于600°C的溫度，_相對于氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)來說，將稱作“熱”區(qū)域的區(qū)域，換句話說高于600°C的區(qū) 域，限制于電解槽內(nèi)，-降低外部交換器的成本，它們的價格可以降低5倍、或甚至10倍，-改善電解槽內(nèi)的溫度均勻性，基本的電化學電池的兩處之間的溫差可以被降低 到小于IO0Co因此，這種結(jié)合在電池中的回路使得可以基于電解槽的內(nèi)部損失對一種(或多 種)進入氣體進行有效和直接地加熱，并使它們的溫度均勻化。在借助于異熱操作的吸熱電解槽的情況下，直接在互連板中形成的流體回路使得 可以通過進入氣體來加熱電解槽并避免安裝傳熱體和特定回路來加熱電解槽內(nèi)部的氣體。因此本發(fā)明的主要主題是一種電化學反應器，該電化學反應器包括堆疊的多個基 本的電解電池，每個電池由陰極、陽極以及提供在陰極和陽極之間的電解質(zhì)形成，互連板被 置于兩個基本電池之間，所述互連板與基本電池的電極和接著的基本電池的電極電接觸， 所述電化學反應器還包括這樣的裝置，其能夠確保至少一種用來與電化學反應器中的陰極 和/或陽極接觸的氣動流體的循環(huán)，以在接觸陰極和/或陽極以前對它進行加熱。所述循環(huán)裝置包括例如至少一個用于循環(huán)氣動流體的導管，以致發(fā)生在氣動流體與陰極和/或陽極之間的熱交換。 導管可以形成在互連板中，所述導管的第一端連接于氣動流體的供給(源)以及 第二端使經(jīng)加熱的氣動流體接觸與互連板接觸的電極中的一個或另一個。在一種可替換方式中，導管被置于互連板和電極中的一個和/或另一個之間。在另一種實施例中，循環(huán)裝置包括第一導管，用于循環(huán)用來接觸兩個電極之一的 氣動流體，以及第二導管，用于循環(huán)用來接觸其它電極的氣動流體。第一和第二導管可以形成在互連板中，或第一導管可以被置于互連板和電極之一 之間以及第二導管可以被置于互連板和其它電極之間。在至少兩個電極之一是陰極的情況下，用來接觸于陰極的氣動流體是水蒸汽，于 是反應器進行水的電解以產(chǎn)生氫氣。上述反應器，例如，用來在高溫下進行工作(或運作)，有利地高于900°C。本發(fā)明的主題還是一種電解裝置，其包括根據(jù)本發(fā)明的電解槽和電化學反應器上 游的熱交換器，其中以分開的方式循環(huán)進入的氣動流體和流出的氣動流體，以便基于流出 的氣動流體加熱進入的氣動流體。本發(fā)明的另一個主題是用于電解氣動流體的方法，其中使用根據(jù)本發(fā)明的電化學 反應器，上述方法包括以下步驟a)在基本電池的電極和相鄰的基本電池的電極之間循環(huán)氣動流體用于加熱所述 氣動流體而沒有接觸那些電極，b)將經(jīng)加熱的氣動流體注入到所述電極的一個和/或另一個上。在步驟a)中，可以提供用來與所述電極中的一個接觸的氣動流體和用來與另一 個電極接觸的氣動流體沿分開的流的循環(huán)，以及在步驟b)中，這些氣動流體分別注入到所 述電極中的一個和另一個上。


通過閱讀以下描述并參照附圖，將可以更好地理解本發(fā)明，其中圖1是側(cè)視圖，其示出根據(jù)本發(fā)明的電化學反應器的實施方式的實施例，圖2是圖1所示電化學反應器的沿平面A-A的剖面圖，圖3是側(cè)視圖，其示出根據(jù)本發(fā)明的電化學反應器的實施方式的另一個實施例，圖4是圖3所示電化學反應器的沿平面B-B的剖面圖，圖5是透視示意圖，其示出可以用于根據(jù)本發(fā)明的電化學反應器的熱交換器的一 個實施例。
具體實施例方式在以下描述中，將通過舉例的方式來描述用于產(chǎn)生氫氣的水的電解槽。然而，本發(fā) 明適用于任何其它電化學反應器如燃料電池。在圖1中可以看到根據(jù)本發(fā)明的電解槽的實施方式的實施例，其包括多個堆疊的 基本電池C1、C2等。每個基本電池包括提供在陰極和陽極之間的電解質(zhì)。 在描述的其余部分，我們將詳細描述電池Cl和C2以及它們的界面。
電池Cl包括陰極2. 1和陽極4. 1，其間提供有電解質(zhì)6. 1，例如固體，通常具有1OOym的厚度。電池C2包括陰極2. 2和陽極4. 2，其間提供有電解質(zhì)6. 2。陰極2. 1,2. 2和陽極4. 1,4. 2由多孔材料制備并且具有例如40 μ m的厚度。通過互連板8，電池Cl的陽極4. 1電連接于電池C2的陰極2. 2，其中互連板接觸 陽極4. 1和陰極2. 2。此外，它使得能夠向陽極4. 1和陰極2. 2供電?；ミB板8被置于兩個基本電池之間。在所示實施例中，它被置于基本電池的陽極 和相鄰電池的陰極之間。但可以將它們置于兩個陽極或兩個陰極之間。借助于相鄰陽極和陰極，互連板8限定用于循環(huán)流體的通道。它們限定陽極室9 以及陰極室11，陽極室用于在陽極循環(huán)氣體，陰極室用于在陰極循環(huán)氣體，在圖2中這是特 別明顯的。根據(jù)本發(fā)明，互連板8進一步包括至少一個導管10，該導管通過第一端10. 1連接 于氣動流體的供給(源)，其中氣動流體用來經(jīng)受還原。在所考慮的實施例中，涉及的是水 蒸汽，并且在陰極室的第二端10. 2。這種導管有利地具有蛇形管(或稱“帶有彎曲部的管”)的形狀以增加熱交換表面。在所示實施例中，互連板包括多個導管10、多個陽極室和陰極室。有利地，導管10 和上述室具有蜂窩狀六角形截面，其使得可以增加室9、11以及導管10的密度。箭頭12表示進入電解槽的“冷”水蒸汽而箭頭14則表示在陰極室11中循環(huán)的加 熱水蒸汽。箭頭16表示熱量從陰極2. 2和陽極4. 1朝互連板傳送，或更精確地說朝“冷”水
蒸汽傳送。箭頭17表示加熱的水蒸汽從導管10向陰極室11流動。我們現(xiàn)將說明如何實施本發(fā)明。水蒸汽(如有必要，預先加熱)進入到導管10中；當它在導管10內(nèi)移動時，它與 沿著互連板8邊緣的陰極和陽極進行熱交換而被加熱。溫度被加熱至接近電池C 1溫度的蒸汽然后進入陰極室1中，在陰極室中在它接 觸陰極2. 2時經(jīng)受還原；按照以下反應產(chǎn)生氫氣2H20 — 2H2+02。熱交換器有利地設置在電解槽的上游，用于由(或基于)流出流體加熱進入流體， 然而和現(xiàn)有技術相比，這可以有利地更簡單并且體積更小，因為它并不需要具有高溫階段。導管10可以設置成在入口連接于排出氣體(用來在陽極室9中循環(huán))源，以及在 出口連接于陽極室9。在圖3和4中可以看到根據(jù)本發(fā)明的電解槽的實施方式的另一個實施例，其中沿 著導管10設置有另外的導管18并用來接收在陽極室9中循環(huán)的排出氣體。箭頭20表示進入電解槽的“冷”排出氣體以及箭頭22表示在陽極室9中循環(huán)的 經(jīng)加熱的排出氣體。箭頭24表示熱量從陰極2. 2傳送到互連板，或更精確地說傳送到“冷”水蒸汽，以 及箭頭26表示熱量從陽極4. 1傳送到互連板，更精確地說傳送到排出氣體。箭頭25表示排出氣體(draining gas，排泄氣體)從導管18向陽極室9流動。這種流動并不是在任何情況下都必要的，這種氣體可以用于其它區(qū)域或甚至在反應器的外部?，F(xiàn)將說明根據(jù)本發(fā)明的電解槽的其它實施例的工作。水蒸汽(如有必要，預先加熱)進入導管10中；當它在導管10內(nèi)移動時，它通過與沿著互連板邊的陰極進行熱交換而被加熱。然后溫度被加熱至接近電池Cl的溫度的蒸汽進入到陰極室11中，在其中它經(jīng)受 還原；然后產(chǎn)生氫氣。排出氣體(如有必要，預先加熱)進入到導管18中，當它在導管18內(nèi)移動時，它 通過與沿著互連板邊的陽極的熱交換而被加熱。該被加熱至接近電池Cl溫度的氣體然后進入到陽極室9中，并帶走在陽極產(chǎn)生的氧氣。在圖1至4中的實施例中，互連板是大量的并且通道直接形成在其中。然而，如在圖5(其示出根據(jù)本發(fā)明的集成的熱交換器的另一個實施例)中可以看 到的，交換器設置在互連板上。示出了電化學電池Cl，由空心管形成的蛇形管28，所述蛇形 管接觸電池的電極以及互連板8。氣動流體通過一端28. 1進入到蛇形管28中，在通過一端28. 2流出以前，在蛇形 管28中循環(huán)，并擴散在電極上。如果此電極是陰極2. 1，則流體是水蒸汽。蛇形管有利地制備自導電材料以有助于電池Cl的陰極和互連板之間的電連接。 應當指出，互連板還用來隔開基本電池的陰極流體與相鄰的基本電池的陽極流體。以對稱方式，在互連板的另一面上，將蛇形管(未示出)置于陽極和互連板之間。因此本發(fā)明包括提供這樣的裝置，該裝置能夠確保對至少一部分進入電解槽的氣 體在接觸陰極或陽極以前進行加熱。熱交換器回路的尺寸與陰極回路和/或陽極回路尺寸具有相同數(shù)量級，因為是相 同流體和相同流速在這些不同回路中循環(huán)。電化學反應器的性能是基于表面的展開以使電極表面最大化，從而增加反應產(chǎn) 率。熱交換器還需要高交換面積，以變得有效率。因此，反應面積的增加使得可以增加熱交 換面積。由于本發(fā)明，一部分熱交換器直接結(jié)合在電解槽中，尤其是它的最熱部分。因此接 收高溫流體的區(qū)域限于電解槽，從而減少了用于形成用來與高溫流體接觸的部分的材料的 量。因而，和現(xiàn)有技術的裝置相比，可以降低材料成本5倍，甚至10倍。還降低在電解槽中的溫差。此外，因為減小了從熱源(反應器的電池)至交換器 的熱傳輸距離，所以可以獲得小于50°C的溫差。對于放熱反應器，互連板的溫度低于電池的溫度至少50°C。因此減少了腐蝕，并因而減少了其氧化。因此互連板的電阻增加得較慢了，這可以 減小隨時間由焦耳效應引起的損失?；ミB板例如由鐵或鎳制備，并且包含元素如鉻。該鉻傾向于進入氣體并污染電極。 然而，由于本發(fā)明，由于溫度的降低，降低了合金元素的揮發(fā)作用，因而降低了將污染電池 的電極的污染物的排放；應當指出，按照阿侖尼烏斯定律，這些排放以指數(shù)方式隨溫度而增加。由于本發(fā)明，堆疊的電池(組)的壽命通常會增加，這是由于工作溫度的下降。 P. Batfalsky 在 Journal of Power Sources 155，2006，pp. 128-13 中事實上表明，通過將 溫度從800°C降低至700°C，現(xiàn)有技術的電解槽的壽命可以被延長10倍，甚至20倍。此外，電池的最低溫度和最高溫度之間的差異可以被減小到小于10度左右，因而 可以改善電解槽的性能。氣體的進入和出去溫度可以更低，這使得可以將電解槽連接于具有小于600°C的 更低溫度的回路，僅電解槽內(nèi)部處于高溫，其使得可以使用標準的和成本較低的閥門和儀器 .此外，根據(jù)本發(fā)明的交換器和與電解槽的連接回路可以具有更簡單和更便宜的設 計。熱損失也會更低。相對于熱交換的材料和整體效率而言，這種交換器可以在較小限制 性的溫度范圍內(nèi)進行操作。對于放熱反應器本發(fā)明使得可以在電解槽的內(nèi)部加熱電解槽，這是由于在電解 槽內(nèi)部存在熱交換。在輸入端的氣體溫度的升高受到限制，并且電解槽提供改善的效率。
權(quán)利要求
一種電化學反應器，包括堆疊的多個基本電解電池(C1、C2)，每個電池(C1、C2)由陰極(2.1、2.2)、陽極(4.1、4.2)以及提供在所述陰極(2.1、2.2)和所述陽極(4.1、4.2)之間的電解質(zhì)(6.1、6.2)形成，互連板(8)被置于兩個基本電池(C1、C2)之間，所述互連板(8)與基本電池的電極和接著的基本電池的電極電接觸，所述電化學反應器還包括裝置(10、18、28)，所述裝置能夠確保至少一種用于與所述陰極和/或所述陽極接觸的氣動流體在所述電化學反應器中的循環(huán)，以便在使所述氣動流體接觸所述陰極和/或所述陽極以前對所述氣動流體進行加熱，其中所述循環(huán)裝置包括至少一個導管(10、18、28)，用于所述氣動流體的循環(huán)，以致在所述氣動流體與所述陰極和/或所述陽極之間發(fā)生熱交換，所述導管包括第一端和第二端，所述第一端連接于輸送所述氣動流體的供給源，所述第二端使經(jīng)加熱的所述氣動流體接觸與所述互連板接觸的所述電極中的一個或另一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學反應器，其中，所述導管(10、18)在所述互連板(8)中 形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學反應器，其中，所述導管(28)被置于所述互連板與所 述電極中的一個和/或另一個之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學反應器，其中，所述循環(huán)裝置包括第一導管(10)以及 第二導管(18)，所述第一導管用于循環(huán)用來與所述兩個電極之一接觸的一種氣動流體，所 述第二導管用于循環(huán)用來與所述另一個電極接觸的一種氣動流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學反應器，其中，所述第一導管(10)和所述第二導管 (18)形成在所述互連板中。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學反應器，其中，所述第一導管被置于所述互連板和所 述電極之一之間，而所述第二導管被置于所述互連板和所述另一個電極之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的電化學反應器，其中，當所述兩個電極的至少之 一是陰極時，用來與所述陰極接觸的所述氣動流體是水蒸汽。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電化學反應器，用來在高溫下工作，有利地高于 900 "C。
9.一種電解裝置，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電解槽以及位于所述電化學 反應器的上游的熱交換器，其中以分開的方式循環(huán)進入的氣動流體和流出的氣動流體，以 便由所述流出的氣動流體加熱所述進入的氣動流體。
10.一種用于電解氣動流體的方法，利用根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的電化學反 應器，所述方法包括以下步驟a)在基本電池的電極和相鄰的基本電池的電極之間循環(huán)所述氣動流體而不接觸這些 電極，以加熱所述氣動流體，b)將所述經(jīng)加熱的氣動流體注入到所述電極中的一個和/或另一個之上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電解方法，其中，步驟a)提供了用來接觸所述電極之一的 一種氣動流體和用來接觸所述另一個電極的一種氣動流體沿分開的流的循環(huán)，以及步驟b) 提供了將這些氣動流體分別注入到所述電極中的一個和另一個之上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電解槽，該電解槽包括堆疊的多個基本電解電池(C1、C2)，每個電池(C1、C2)由陰極(2.1、2.2)、陽極(4.1、4.2)以及提供在陰極(2.1、2.2)和陽極(4.1、4.2)之間的電解質(zhì)(6.1、6.2)形成，互連板(8)置于基本電池(C1)的每個陽極(4.1)和接著的基本電池(C2)的陰極(2.2)之間，所述互連板(8)與陽極(4.1)和陰極(2.2)電接觸，其中水蒸汽用于與陰極接觸，所述電解槽包括能夠確保水蒸汽在電解槽中循環(huán)的裝置，用于在水蒸汽接觸陰極以前對它進行加熱。
文檔編號C25B15/02GK101809205SQ200880108498
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者帕特里克·勒加洛, 皮埃爾·博朗 申請人:法國原子能委員會