[发明专利]具有经改进的运行安全性的高温电解槽

说明书

技术领域

本发明涉及为了产生氢的目的的水的高温电解方法。

本发明也涉及用于实施所述方法的反应器和具有相关密封外壳的模块。

本发明更具体地涉及通过降低可引起效率减损和/或高温电解槽元件的全部或部分的可能破损的泄露风险而实现的高温电解槽的经改进的运行安全性。

背景技术

高温电解槽(HTE)包括通过由电解质分隔的阴极和阳极形成的多个单元电池(elementary cell)，其中单元电池通过一般插入在单元电池的阳极和下一个单元电池的阴极之间的互连板而串联电连接。跟随有阴极-阴极连接的阳极-阳极连接也是可能的。互连板是由至少一块金属板形成的电子传导组件。这些板也提供在一个单元电池中流动的阴极液体与在随后的单元电池中流动的阳极液体之间的分隔。

阳极和阴极由多孔材料制成，气体可通过该多孔材料流动。

在水的高温电解以产生氢的情况中，蒸汽在其中氢以气体形式生成的阴极中流动，并且排出气体(draining gas)可以在阳极中流动，并且通过这种方式收集在阳极中以气体形式生成的氧。大部分高温电解槽(HTE)使用空气作为在阳极中的排出气体。

在高温电解槽中，密封物按照惯例由“糊状”玻璃密封物而制成，因为它们本质上具有两个优点：良好的电子绝缘和良好的密封性而不要求机械夹具。相反地，这些糊状玻璃密封物的主要缺点为：

-在其玻璃(vitrous)转换温度下的脆性，并且如果其经受应力，特别地由于不均匀膨胀而可能破损，

-填充阴极支撑电池(非常厚的多孔材料)的厚度、保证密封性和随着时间推移的在两个阳极和阴极隔室之间的该密封性维护的困难性；实际上，这类型的电池不能实现获得可被用作支撑的密集耐久的区域以便产生密封。另外，玻璃或其他装填物不穿透多孔材料的孔，

-由于许多种类型的玻璃是从玻片(slip)原生的获得的事实，所以需要机械加工出凹槽以接收玻璃，

-HTE电解槽的“吊顶(ceiling)”或竖直设计是不可能的，这是由于在其凹槽中的玻璃密封物可能流动的事实。

-由于HTE电解槽的吊顶设计是不可能的事实，所以形成在堆叠体(stack)底部具有电池的更大浓缩的有差别的浓缩，由于堆叠体的重量而限制了堆叠的电池的数量，

-需要超出运行温度的温度漂移以制造密封物；这种漂移对金属材料是有害的，并因此隐含更大的损害，

-由于在运行温度处有粘性的玻璃会蠕变的事实，维持经受高压力差(＞100mbar)的密封的困难性，

-如果有运行温度变化(玻璃膜层的热机械破损)，更特别的在氢生产的停止的给定期间之后来维持低泄漏率的困难性，以及重新开始电解运行的困难性，

-与电池的其他组件的潜在化学不相容性和与一个或多个互连器的其他组件的潜在化学不相容性，例如污染电极的SiO₂蒸汽的排放，结果是垫圈表面的实质腐蚀，

-通过在冷却期间的玻璃的粘性的损失，在堆叠体的组件之间创建刚性连接在瞬态热期间引起应力，

-拆解组件的困难，或甚至是在不改变电池或电池堆叠体的情况下如此操作的不可能性。

其他解决方案包括将互连器的金属钎焊在陶瓷上。然而，实现将互连器的金属在陶瓷上润湿连同两种材料之间的热膨胀差一起使得这种操作针对大尺寸非常困难。实际上，焊接缝固化后的冷却经常引起陶瓷的破损。

最后，已经提出了其它基于云母的或简单的金属压缩密封物：它们要求大容积和非常大的外部夹具，并且难以控制和维持温度以获得有效密封而在加热过程中没有电池的破损。事实上，在运行温度处，非常大的夹具隐含着蠕变，以及因此的电解槽结构的改变和因此至多的密封性损失。

为了改进HTE电解槽的运行安全性，发明人在以申请人名义提交的专利申请FR 10 51783中建议使得包含至多1％的H₂的蒸汽作为排出气体以在阴极和阳极两者中流动。

发明人从这一点推断非氢化或几乎非氢化的蒸汽的此类流动使得能够避免复杂的密封解决方案，尤其是在通过用于回收产生的氢的导管的阳极之下的互连器的馈通中。事实上，如果泄露确实在这里发生，则非氢化的蒸汽变成夹层以形成(可以这么说)水垫或(换句话说)气体缓冲器。

本发明的目的因而提出使在HTE电解槽中通过使得蒸汽作为排出气体在阴极和阳极两者中流动来创建的这种缓冲区最优化。

发明内容