[发明专利]制备氢方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及高温水蒸汽电解制备氢方法和装置，尤其是：涉及适合于向利用固体氧化物电解质隔膜把电解槽分隔成阳极侧和阴极侧的电解装置的阴极侧供给水蒸汽、向阳极侧供给还原性气体通过进行电解，降低电解电力的电解方法中使用的电解装置。

技术背景

以制备氢为目的的水的电解法有碱水电解，固体高分子水电解，高温水蒸汽电解等，但由于碱水电解，固体高分子水电解时必须使电解电压为1.8V以上，故电效率80％或更低，制备氢所需的电力量大。相反，使用固体氧化物电解质作为隔膜把电解槽分隔成阳极侧和阴极侧，通过向阴极侧供给高温的水蒸汽，在800℃左右的高温下电解水蒸汽的高温水蒸汽电解法，由于是高温故水分解时可利用热能进一步抑制电极过电压或电阻过电压在更低水平，故可期待90％以上的电效率，可使电解电压小到1.5V以下，可降低制备氢所需的电力量。此外，最近提出了通过向电解槽阳极侧供给天然气，使从阴极侧穿过固体氧化物电解质隔膜向阳极侧移动的氧离子在阳极侧反应，通过在水分解时使用反应的化学势能可以大幅度地降低电耗的电解法(美国专利6,051,125)。

上述美国专利中提出的方法，是直接向电解槽的阳极侧供给天然气，使之与存在于阳极侧的氧离子反应，将其反应能援用于阴极侧的水分解的方法。这种场合，在原理上由于甲烷的去极作用降低水的电解电压，故理论电解电压几乎为0。实用上的水电解装置必须对装置施加过电压的电压，而上述美国专利主张总电压在约0.5V则能水电解。

通常的高温水蒸汽电解使用的电解槽，与固体氧化物型燃料电池(SOFC)的电池和材料及结构相同，故作为导入水蒸汽生成氢的阴极侧的电极，使用适用于还原环境气氛的Ni金属陶瓷，而作为产生氧的阳极侧的电极，使用导电性氧化物，例如镧钴矿石，锰酸镧等。图1表示通常的高温水蒸汽电解装置的概念。图1表示的装置，电解装置(电解槽)利用固体氧化物电解质隔膜分隔成阴极侧和阳极侧，通过向阴极侧供给高温的水蒸汽而对阴极电极和阳极电极供给电力，在阴极侧进行水蒸汽的电解，得到高纯度的氢。水蒸汽电解产生的氧离子O^2-通过固体氧化物电解质隔膜移到阳极侧。

相反，向产生氧的电解槽的阳极侧导入还原性气体，边降低电解电力边进行水蒸汽电解的方法中，阴极、阳极均暴露在还原性的气体中。但在阳极侧导入作为原料的水蒸汽，直到发生氢的生成，有可能在金属的高温下引起水蒸汽氧化。阳极侧为了抑制碳析出有时导入水蒸汽，并且，由于电极反应生成水等的酸性气体，故同样地必须考虑高温水蒸汽氧化，但还没有提出适用这种情形的电解槽和工艺条件。

发明内容

本发明目的在于通过向上述说明的利用固体氧化物电解质隔膜分隔成阳极侧和阴极侧的电解槽的阳极侧供给还原性气体，向阴极侧供给水蒸汽，对阳极电极和阴极电极供给电力，发现适用于用水蒸汽电解制备氢方法的电解槽的构成。

作为解决上述课题的方法，本发明的一种方式是提供采用具备利用固体氧化物电解质隔膜隔成阳极侧和阴极侧的电解槽、向电解槽的阳极侧供给还原性气体的管路、向电解槽的阴极侧供给水蒸汽的管路的高温水蒸汽电解法的制备氢装置，该装置特征在于作为阳极电极和阴极电极的材质，使用在400～1000℃温度的还原性环境气氛中稳定的陶瓷与金属构成的金属陶瓷。

此外，本发明中向电解装置的阳极侧供给还原性气体。这里，所谓还原性气体，意味着在本发明所述的水蒸汽电解槽中与通过固体氧化物电解质膜透过到电解槽的阳极侧的氧进行反应可降低阳极侧的氧浓度的气体，包含天然气或甲烷等的烃气体。

附图简单说明

图1是表示通常的高温水蒸汽电解装置概念的图。

图2是表示本发明所述的高温水蒸汽电解装置概念的图。

图3是表示本发明所述的互连结构的图。

图4是表示本发明第2方式使用的高温水蒸汽电解装置的模式图。

图5是表示本发明第2方式所述的制备氢方法的一例的模式流程图。

图6是表示实施例1中使用的制备氢装置的模式图。

图7是表示本发明的实施例2使用的制备氢实验装置结构的图。

图8是表示本发明的实施例2的结果的曲线图。

图2表示本发明所述的制备氢装置一种方式的模式。本发明所述的制备氢装置，由于利用电解装置(电解槽)的阴极侧生成的氢、并在阳极侧供给还原性气体，故均成为还原性的环境气氛。因此，由于阳极电极和阴极电极均暴露在还原性的气体中，故其特征在于作为这些电极的材质使用在400～1000℃温度的还原性环境气氛中稳定的陶瓷与金属构成的金属陶瓷。