具有间接加热运行方式的高温高压电解设备

摘要

本发明提供一种能够以间接加热模式运行的用于高温电解的电解设备，其包括：壳体(2、4、6)；至少一个电解板(8)，所述至少一个电解板包括相组合的阳极和阴极；以及用于对将要进行高温电解的活性流体进行加热的装置，所述电解设备的特征在于：所述壳体能够使电解槽维持在几十巴的高或极高压力下，且所述加热装置(10)位于所述壳体中并利用传热流体。

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.

过热水蒸汽到达阴极。在反应部位上，其被还原而形成氢气和O^2-离子。水蒸汽中变得富集有氢气，同时O^2-离子在电场的作用下迁移穿过薄膜。在阳极上，离子释放其所带的电子而形成氧气分子。

常用的电极材料是沉积于金属双极板上的金属陶瓷型材料，而电解质材料是离子导电性陶瓷型材料。这些陶瓷材料的电阻率和离子电阻率值随温度而减小，这趋于在运行温度升高时减少在电流通过时所产生的热量的量。

在当前正在开发的电解设备的设计中，在因陶瓷材料的电极被处于大气压力的空气所包围而形成的空腔中会发生水蒸汽/氢气混合物在压力下的外流，此种设计目前并不允许此种类型的电解设备在高的(即几十巴)气体混合物压力下运行。

另一方面，损耗现象所产生的热量的量的减少以及水分解反应的热力学特性随温度值的变化意味着此种类型的电解设备能够以吸热方式运行，但在此种情形中，这需要在整个电解设备中均使水蒸汽保持在高于吸热性阈值的温度。

目前有两种解决方案来提供使电解设备以吸热模式运行所需的热量。

第一种解决方案是由以下方式组成：通过位于电解设备上游的换热器对所要分解的水蒸汽进行间接加热，从而提供该能量。然而，对电解设备的吸热方式运行进行的模拟热计算表明：

-为在整个电解设备中维持良好的吸热运行状态(即维持温度高于吸热性阈值)，需要水蒸汽在进入电解设备时具有强的过热和高的流速，考虑到所需的温度(在此种情形中高于1100℃)，这将大幅增加锅炉成本和整个设备的成本，

-此种解决方案并不是已显示能为电解设备运行提供稳定、均匀的温度状态的最佳方案，除非是以高的质量流速提供食品级水蒸汽。

这意味着当设备(具体而言，时电解设备)所能承受的水蒸汽压力不能超过几巴时，需要具有非常大容量的封装设备和再循环设备。这也意味着在换热器、电解设备和管路中具有高的流速，从而具有高的压头损失，进而影响压缩设备的能量成本。

第二种解决方案是由以下方式组成：通过使热的传热气体与水蒸汽或水蒸汽/氢气混合物混合在一起进入电解设备，来提供所需的热量，此种解决方案需要使用额外的设备在电解设备下游分离化学体(chemical bodies)以便收集传热气体，这会导致传热气体出现损失。其还需要传热气体在低的压力下具有高的质量流，从而导致性能受限(即在电解设备中存在气体压头损失)和电解设备功率受限。

文件WO2004/113590描述一种进行碱性电解的装置，所述碱性电解只在液相状态下进行，从而将运行温度限制至低于水的临界温度(即374℃)的值。因此，利用该装置无法在能在吸热模式中实现可反转电压值的温度范围内运行。为在该温度下达到足够低的可反转电压值以便以吸热模式运行，必须达到大致低于1个大气压的极低压力值，从而无法应用于任何大型或中型设备。实际上不可能设计成在这样低的压力水平下能避免出现过大压头损失的管路和压缩级。

因此，由于需要明显的过热，目前已知的解决方案无法有效地减少提供给电解设备的能量的损耗。

此外，对于这些电解设备，无法确保在电解设备内具有均匀的温度。现在，为实现电解设备的均匀运行-这是各组件的其中一个使用寿命条件和使电解设备具有高性能的其中一个条件，力图限制电解设备内的实际温度变化。

因此，本发明的一个目的是提供能够以吸热方式运行且具有最佳的能量损耗以及稳定、均匀的温度运行的电解设备。

本发明的一个目的是提供一种其电能损耗得到降低的高温高压电解设备。

发明内容

前述目的是通过一种包括整合式加热系统的电解设备来实现。因此，直接在电解设备中加热电解槽，从而能够限制热量损失并可在整个电解槽中提供实质上稳定和均匀的温度。

换句话说，加热是在电解设备的箱体中直接进行，从而简化该装置并使能量供应更加高效。

通过对加热进行整合，可为电解设备提供其运行所需的热量，因为当以具有减少的不可反转性期限的吸热模式运行时，所需的能量不再由焦耳效应(Joule effect)提供。通过采用与电解设备相整合的加热，可维持所有电解单元(electrolysis cell)的温度，使电解设备的入口与出口之间的温度变化小于30℃且使热源的过热相对于电解设备的运行温度而言低于50℃。

在一较佳实施例中，根据本发明的电解设备通过与来自热源的传热流体进行热交换而整合加热系统。

所述加热系统较佳包括被外部热源(例如锅炉型或换热器型热源)加热至高温的传热流体。

此外，根据本发明的电解设备包括金属封闭件，利用所述金属封闭件，可将电解槽维持在几十个大气压的高或极高压力下。

电解槽的压力因而取决于电解设备的金属箱体的尺寸所适合的压力水平。其它金属构件，尤其是电解板，从而承受小得多的机械应力并在受压状态下工作，因为它们所容纳的所形成气体的压力低于它们所浸入的气体的压力。

在一尤其较佳的实例性实施例中，加热系统包括插入于电极之间的板，其也呈板的形式。

根据本发明的一实施例，因而可使用大量串联安装的小尺寸基本单元来制造电解设备，从而能够限制流经电解设备的不同元件的电流的强度并因此限制作为热量消耗掉的电功率。实际上，通过串联安装，所需的强度可仅等于一个板所需的强度，而且，由于板的尺寸减小，所述强度的值较低。

传热流体可呈液相(即熔融的金属或盐)，或者呈气相。一较佳实施例是将传热流体变为高压并针对该目的而确定加热板的尺寸。

各个单元的设计及其在加压壳体中的排列使得阴极-电解质-阳极总成不承受与流动气体之间的压力差相关的力。由水蒸汽与所形成气体之间的压力差或由水蒸汽与外界之间的压力差引起的力是由槽的内部构件(比如金属框架的直立件和传热液态的换热器的外壳)和由电解设备的壳体承受。

因此，可对阴极-电解质-阳极总成进行优化，以通过减小其厚度而减小电阻、减小离子电阻和通过增大缩小的电极的孔隙度而减小对所述电极中气体扩散的阻力，同时允许在电解设备的壳体中以高的压力水平运行。

因而，本发明的标的物主要是一种能够以吸热模式运行的用于高温电解的电解设备，其包括相组合的至少一个阳极和至少一个阴极、以及用于对要进行高温分解的活性流体进行加热的装置，所述加热装置整合于电解设备中。因此，加热更加高效且在电解设备中更加均匀。

较佳地，所述加热装置利用传热流体，例如通过使用化石燃料或使用生物物质的常规锅炉进行加热或通过处于极高温度的核燃料锅炉进行加热、抑或通过太阳能进行加热；通过这种方式，降低对电能的依赖。

因而，本发明的标的物主要是一种能够以间接加热模式运行的用于高温电解的电解设备，其特征在于，包括：壳体；至少一个电解板，包括相组合的阳极和阴极；以及用于对要进行高温电解的活性流体进行加热的装置，所述电解设备的特征在于，所述壳体能够使电解槽维持在几十个大气压的高或极高压力下，且所述加热装置排列于所述壳体中并利用传热流体。

所述活性流体较佳是气体。

所述传热流体可以是高压气体，例如氦气。其也可以是熔融的金属(例如锌)，或熔融的盐，由此可减小压力降。

所述壳体例如包括下室、中间箱体和上室。

所述电解板例如包括：中央本体，所述中央本体是由导电性芯体形成为板，所述中央本体在其两个面上被阳极覆盖，阳极本身被电解质覆盖、电解质本身被阴极覆盖；以及导电性框架，所述导电性框架围绕所述中央本体并对形成中央本体的各个层施加压力。利用所述框架，可加强所述电解板并改善各个层之间的接触。

阳极销连接至所述芯体以将所述阳极连接至电流源，且所述阴极电连接至本身支承阴极销的框架，所述阳极销和所述阴极销位于所述电解板的彼此相对的端部上。所述阳极销和所述阴极销的此种排列可利于串联连接。

所述电解设备较佳地包括至少一个制作于所述阳极中的通道和连接至该通道的收集端件，以将在所述阳极处形成的气体引至所述电解设备外部，在所述阳极处形成的所述气体的压力低于所述阴极处的所述电解槽的压力，所述阳极、所述电解质和所述阴极因而相互压靠。所述电解设备可包括由制作于所述芯体中的沟槽和由蓄积槽形成的通道，所述蓄积槽中的一个连接至所述端件以将所述气体连接至主歧管。

所述加热板较佳地具有实质上与所述电解板相同的尺寸并可包括金属壳，换热本体位于所述金属壳中，所述换热本体包括多个通道，所述多个通道延伸于被供以热态传热流体的端部与连接至冷态传热流体歧管的端部之间。

根据本发明的所述电解设备包括多个电解板和多个加热板，所述电解板位于两个加热板之间。

在一实施例中，所述电解板串联电连接，相邻的所述电解板安装于所述壳体中的方式使其中一个电解板的所述阳极销穿过所述下室且相邻板的所述阳极销穿过所述上室，其允许限制所需电流量。

在另一实施例中，所述电解板全部并联电连接。

作为另一种选择，所述电解板被分配于并联电连接的群组中，所述群组则串联连接在一起，同一群组的所述电解板安装于所述箱体中的方式使这些板的所有所述阳极销穿过同一下室或上室，两个相邻群组的阳极销不穿过同一室，从而允许所述电解设备适应于所述电源。

所述电解板例如通过制作于所述中间箱体上的滑道安装于所述壳体中，在所述板与所述滑道之间设置电绝缘装置，并且其中所述加热板也安装于设置在所述中间箱体上的所述滑道中。

所述上室和所述下室包括用于让用于所述传热流体的端件、用于收集在所述阳极处形成的所述气体的端件、和阳极销和阴极销穿过的孔以及用于所述活性流体的主通路，其允许在所述电解设备的外部做流体连接和电连接。

用于让所述阳极销和所述阴极销穿过的所述孔较佳地被用于冷却电连接的通道覆盖，从而可改善所述连接的电传导性。

用于让所述阳极销和所述阴极销穿过的所述孔较佳地被制作于所述上室和所述下室的凹槽中，以减小所述电导体的长度。

可将连接板在所述上室的外部围绕所述上室上的所述阳极销和/或所述阴极销排列，且将连接板在所述下室的外部围绕所述下室上的所述阳极销和/或所述阴极销排列。

本发明的标的物还是一种用于通过电解产生气体的设备，其特征在于，包括：

-至少一个根据本发明的电解设备，

-具有给定电压的电源，

其中所述电解板被分组成多个群组，同一群组内的所述电解板串联连接且所述多个群组并联连接，每一群组的电解板的数量被选择成使每一电解板群组的电压均接近于所述电源的所述给定电压。

利用此种配置，在所述电源的输出端可不使用变压器。

本发明的标的物也是一种应用根据本发明的电解设备通过电解来产生至少一种气体的方法，其中所述电解槽的压力实质上等于所述气体的通常存储压力和/或分配压力，例如介于30巴与130巴之间。

所述水蒸汽的摩尔流速与所产生的氢气的摩尔流速之比较佳地具有介于2与5之间的值，由此可在所述电解设备的出口获得高的氢蒸汽压力、同时确保在所述电解板上具有充足的一层水。

附图说明

参照下文说明和附图，可更好地理解本发明，附图中：

图1A是根据本发明的用于收集所产生的氢气和用于向电解设备提供热态传热流体的腔室的示意图；

图1B是根据本发明的用于向电解设备馈料和用于收集电解设备的冷态传热流体的腔室的示意图；

图2A和2B分别显示根据本发明的处于中间状态的电解板的中央本体的立体图；

图3是完整中央本体的立体图；

图4是中央本体的纵向剖面图；

图5是框架的立体图，所述框架旨在围绕中央本体而形成电解板；

图6是电解板的立体图；

图7A和7B是根据本发明的电解设备在电解板处的横向剖面图；

图8A-8C分别显示根据本发明的电解设备的加热板的正视图、横向剖面图和纵向剖面图；

图9是根据本发明的电解设备在加热板处的横向剖面图；

图10是电解设备支承滑道的侧壁的内表面的正视图，电解设备支承滑道旨在用于接纳电解板的和加热板的侧边缘；

图11是在各电解板串联连接情形中，电解设备的俯视图；

图12A-12C分别是上室上用于连接的连接板的仰视图、纵向剖面图和俯视图；

图13是安装于下室上的连接板的仰视图；

图14A和14B是在各子群组并联连接的情形中，电解板的电连接的示意图；

图15显示根据本发明的电解设备在共电流运行模式中，水/氢气混合物的和传热流体的温度值沿电解板的分布；

图16A和16B显示根据本发明的电解设备在反电流运行模式中，水/氢气混合物的和传热流体的温度值沿电解板的分布的两种情形；

图17显示水离解反应的热力学函数；

图18显示本发明的电解设备的热量/电分布与温度的关系的柱状图；

图19显示实例性的电解设备特性，在该图上可以看到电位相对于电流密度的变化；以及

图20显示在现有技术中具有间接加热运行方式的电解设备的情形中，无任何整合式加热的电解设备中混合物的温度分布曲线。

具体实施方式

下文将通过举例说明方式，描述高温、基本水电解单元的不同运行排程，所述高温、基本水电解单元由阳极、阴极和电解质组成，其中阳极被供以电流I。这些不同部件是由陶瓷材料形成。

水分解反应是吸热性转换，Gibbs-Helmholtz(吉布斯-亥姆霍兹)方程表明：在吸热反应期间，试剂-产物混合物的自由焓的变化随反应温度而减小，此更示意性地意味着水蒸汽、氢气混合物和所形成的氧气的温度越高，水分子分解所需的电能部分就越小，且维持混合物处于恒定温度所需的热能部分就越多。

使1摩尔的水在1巴的压力(标准条件)下进行分解时的值ΔG°、ΔH°及T*ΔS°(ΔH°是总能量需求ΔH°＝T*ΔS°+ΔG°)作为温度的函数分别由曲线ΔG°、ΔH及T*ΔS°表示于图21所示的曲线图中，其中在饱和温度下，T*ΔS°的减小量等于1摩尔的水的气化热量。

在本发明所关心的区域(即气相区域)中，ΔH°及ΔS°的值是实际上恒定的，且在1摩尔的水蒸汽分解时可提供的热能(由焓与温度的乘积T*ΔS°表示)与温度成正比。因而，用于表示纯体(pure bodies)在温度T下进行转换所需的电能需求的项ΔG°(T)与温度成线性关系地减小。

在这些条件下，气相状态的1摩尔的水在温度T和总压力P下的总电解反应被视为：

H₂O(g)→H₂(g)+¹/₂O₂(g)    (1)

该反应伴随着自由焓ΔG的变化。

如果出于简化目的，对理想气体的混合物采用Raoult定律，则表示气相形式1摩尔水进行分解所需的电能需求的自由焓ΔG的变化可表示为：

ΔG(T，P)＝ΔG°(T，P₀)+RT*Ln(P_H2*P_O2^1/2/P_H2O)

其中，ΔG°(T)是自由焓在温度T、压力P₀＝1巴条件下的Gibbs标准变化，

P_H2、P_O2是气体的分压，单位为巴，

P_H2O是水蒸汽的分压，单位为巴；

T是温度，单位为K；

R是理想气体常数(8,314J.mol^-1K^-1)；

ΔG表示为使1摩尔的水蒸汽在温度T、总压力P条件下分解所要提供的能量。

2F*E是在2F(F是Faraday常数：1摩尔电子的电荷的绝对值，即96485C)的电荷从0参考电位变换至电位E时提供的电能。

因此，平衡电位(在0电流时)的绝对值表示为：

E_i＝0＝ΔG/2F。

因此，根据Nernst定律：

E_i＝0＝E°+(RT/2F)*Ln(P_H2*P_O2^1/2/P_H2O)。

E°等于ΔG°/2F。

在闭合回路中，要施加于电解端子上的电压大于由Nernst定律给出的可反转电压E_i＝0。在单元的不同组成部件中建立强度为I的电流时，会出现许多不反转性现象。

主要现象是：

·产生阻抗电流流过电解板材料和互连线的电阻(R_ohmic)，此会造成欧姆电压降(ohmic drop)；其中一个损耗因素是与固态电解质有关；

·与电极-气体界面处的基本反应的激活以及与气体在电极中的扩散有关的电极过电压(η)。

因此，要施加于电解单元端子上的电压表示为：

E＝E_i＝0+R_ohmic*I+∑η。

或者：

E＝E°+(RT/2F)*Ln(P_H2*P_O2^1/2/P_H2O)+R_ohmic*I+∑η。

欧姆电阻和过电压的值取决于电解设备的物理特性，它们随运行温度而减小。

如前面所早已指出，对于现今的设备，在低于约750℃的温度阈值条件下(由图22可见)，由于提供给电解单元的电能而通过焦耳效应产生的热量的量大于电解反应所消耗的热量，因此所述总成的工作方式是放热性的。

目前的技术开发，尤其是考虑到机械阻力约束条件而在材料选取以及电极和电解质厚度的减小方面进行的技术开发，往往会降低使电解设备开始以吸热模式运行的温度阈值。

在电解过程中，必须以热量形式向所述过程提供对应于焓部分T*ΔS的能量。该部分热量是在电解设备内通过焦耳效应而产生，此取决于流过电解单元的电流强度I：

若：

Rohmic*I²+∑η*I＞T*ΔS*I/2F，

则电解设备会产生过多的热量，从而处于放热模式，在此种情形中，为将试剂和产物维持于恒定温度，需要向冷态源排出热量。

如果：

R_ohmic*I²+∑η*I＝T*ΔS*I/2F，

则电解设备会产生足够的热量，从而处于热平衡，且将试剂和产物维持于恒定温度并不需要外部热源，因此，电解设备处于自热模式，即无任何外部热源。

而如果：

R_ohmic*I²+∑η*I＜T*ΔS*I/2F，

则电解设备产生的热量不足以使水分解反应维持热平衡，因而电解设备处于吸热模式，需要从外部热源提供热量来维持恒定温度。因此，运行模式是间接加热模式。

作为实例，图19显示在总压力为30巴、温度为900℃、比值H₂/H₂O的平均值固定为0.5且电解质厚度为30μm条件下，电位E(E＝E_i＝0+Rohmic*I+∑η)的计算趋势(显示为V)与电解板上的电流密度D_C(比值I/S的单位是A/cm²，其中I是提供给电解板的电流强度，单位为A，S是阳极/电解质/阴极的表面积，单位为cm²)的函数关系。

在值等于ΔH/2F的电位V1以上，工作模式是放热模式。

值等于ΔG/2F的电位V2是电解所需的最小电位。

在电位V1与V2之间，工作模式是吸热模式。

在具有图19所示特性的电解板的实例中，电流密度值是0.99A.cm^-2，对应于特定的热平衡点。在该点以上，将以放热模式产生氢气。

在此种情形中，电解板的吸热工作方式位于电流密度为0A.cm^-2至0.98A.cm^-2的范围内，过电压和欧姆损耗Δelec并不产生足够的热量，因此对于每摩尔的被分解水，需要从外部源提供Q_allo的热量。

根据本发明的电解设备在稳定、均匀的温度条件下以吸热工作方式进行电解。

在图1-13中，可以看到将各电解板的电源串联的本发明的换热器-电解设备的不同编号。

在下文的说明中，为简明起见，将换热器-电解设备称为电解设备。

如在图7A和7B中可见，电解设备包括上室2、中间箱体4和下室6，上室2形成用于收集所产生的氢气H₂的腔室，下室6则形成水蒸汽供应腔室。这三个元件可焊接在一起或利用托架7组装在一起，以便形成形状近似为矩形平行六面体的密封金属壳体，其中主要填充有高压水蒸汽(即几十巴的压力)。较佳地，这些压力对应于所产生气体的存储和运输压力，以便限制后续的压缩步骤。这些压力例如介于30巴与130巴之间，或者甚至以上。

所述壳体可由例如预定厚度的800H的不锈钢或耐热镍基合金(Hastelloy)制成，所述预定厚度例如为几厘米。壳体的壁的厚度可按照“Règles de Conception et de Construction des Matériels”(设备设计和建造导则)，根据压力水平来确定。

考虑到电解箱体的简单形状，可采取措施来用碳化硅(SiC)对内壁衬垫一或几厘米，以保护机械壳体不出现腐蚀现象并略微降低机械壁的温度。也可使用耐熔玻璃涂覆技术来保护机械壳体的内壁。碳化硅衬层还有助于限制设备的热损失。

根据本发明，电解设备还包括位于电解设备内的加热装置，所述加热装置利用传热流体。在所示实例中，由与电解板8交替地设置于密封壳体中的加热板10形成加热装置。

传热流体旨在在加热板8中循环，以通过热交换来加热壳体中所容纳的流体。传热流体通过外部热源(例如锅炉型或换热器型)而升至高温。

传热流体可为液相，即熔融的金属或盐，或为气相。传热流体也可为高压气体，例如氦气。传热流体的性质可不同于将要进行电解的流体的性质和/或不同于电解产物的性质。

电解板的电源是在上室2和下室6处提供。

在下文说明中，将详细说明电解设备的每一组件。

上室2为开口壳体的形状，其上表面9包括设置有多个孔13的第一凹槽11，孔13被对齐以让加热板的端件穿过并被用于分配传热流体14的导管覆盖，所述导管14则密封地附装或焊接到上表面9。

上表面9包括设置有多个孔15的第二凹槽12，孔15用于让用于从电解设备收集氧气的端件穿过并被用于收集氧气的上导管16覆盖，上导管16则密封地附装或焊接到上表面9。

较佳地，用于进行上部电连接的冷却通道18也密封地附装或焊接于第二凹槽12中，覆盖多个孔19，孔19用于让供电板的阳极销或阳极销穿过。

上室2还包括主导管20，用于使电解设备-换热器中形成的水蒸汽/氢气混合物流出。

中间箱体4包括具有开口平行六面体形状的金属外壳，所述金属外壳在两个相对的表面上具有滑道22、24，如图10所示，在滑道中分别插有与加热板8交替的电解板12。

下室6所具有的形状非常接近于上室2的形状。其具有开口外壳的形状，其下表面26也包括凹槽28和另一凹槽32，凹槽28设置有一系列孔29，孔29用于让用于收集冷态流体的端件穿过，这些孔29被用于收集冷态传热流体的导管30覆盖，凹槽32包括孔33，孔33用于让用于收集氧气的端件穿过并被用于收集氧气的下导管34覆盖，下导管34密封地附装或焊接至凹槽32。

较佳地还在用于让阳极销和/或阴极销穿过的孔35上方提供用于冷却下部电连接的通道36，通道36焊接到凹槽32上。下室2还包括主加压水蒸汽供应导管38。

在所示实例中，电源对电解板的供电是通过位于冷却通道18、36中的金属编织导体来实现，利用金属编织导体，可获得非常好的金属导体导电率。电连接是在电解设备的外部进行，因此不会承受电解设备的高温。

现在将描述根据本发明的电解板8，电解板8包括中央本体8.1和框架8.2。

大体而言，根据本发明的中央本体8.1是层压体，即，其是由多个层叠置而成。在图4的电解板的纵向剖面图中尤其可以看到这些层。

根据本发明的中央本体8.1包括刚性芯体40，刚性芯体40在其两个主要表面上被阳极42覆盖，并被覆盖阳极的电解质44以及覆盖电解质44的阴极46覆盖。

芯体40较佳是传导电流的金属；其也可使用高密度的导电性陶瓷材料制成，例如使用用于制作阳极的材料、但以非常高的密度制成。其实质上具有厚度为几毫米的矩形形状，并在纵向端处包括较厚的端头48，例如约1到2厘米厚，阳极销50与端头48形成一体，阳极销50旨在用于将阳极42连接到电源。

芯体40较佳地包括用于排出在阳极42处产生的氧气的装置52。在所示实例中，这些排出装置52是由制作于芯体的每一表面中的沟槽54和由蓄积槽56形成，此可见于图2A中。蓄积槽56被分解成中间蓄积槽56.1和主蓄积槽56.2，中间蓄积槽56.1用于在阳极的不同位置处收集氧气，主蓄积槽56.2则通过沟槽54连接至所有中间蓄积槽56.1并直接连接至氧气收集器。

凹槽54和蓄积槽56.1、56.2填充有为良导体的多孔材料，例如金属泡沫，以便允许在金属芯体的表面上沉积阳极形成层。

沟槽54制作于芯体表面上，以便确保以均匀的方式有效地收集氧气。根据沟槽的长度和其在板上的位置，沟槽具有可变的尺寸。

如在图4中可见，主蓄积槽56.2是由填充有金属泡沫的直通凹槽形成。所述直通凹槽通过纵向地制作于金属芯体中的钻孔60，连接至用于收集氧气的端件58的喷嘴。

阳极42是多孔陶瓷阳极型并且是非常好的导电体，例如是由掺杂有锶的亚锰酸镧(lanthanum manganite)或等效材料制成。所述材料被沉积为约十分之一毫米厚的薄层。在图2B中，可看到金属芯体40被阳极42覆盖。

电解质44是密封的并且是电绝缘体和良好的离子导体，例如，其是由稳定化氧化锆制成，氧化锆在阳极42上被沉积为极薄的层(例如约40μm)。在金属芯体40的未被阳极覆盖的部分上，电解质则被沉积为较厚的层，以形成连续的平坦表面。

阴极46是例如由金属陶瓷、由镍、由稳定化的氧化锆制成。其在电解质44上被沉积为约十分之一毫米的薄层。

如前面所述，电解板8包括与主蓄积槽56.2相连的金属端件58。

该端件58可例如被铜焊于金属支撑件62上，金属支撑件62通过电绝缘的螺钉而贴靠金属芯体40的端头施加，在芯体40的端头与支撑件62之间设置电绝缘的密封垫圈64。

端件58还可直接铜焊于芯体40的端头上，从而能够抑制垫圈64。在此种情形中，在电解设备的出口处设置电绝缘。整个电解板的完整中央本体8.1可见于图3中。

在图5中，可看到框架8.2，其是由位于中央本体8.1的两侧上的两个金属半壳66和闭合/固紧系统68形成，以便将中央本体8.1压紧于这两个半壳66之间。由此形成的压紧作用有助于电解板的刚度和密封。

此外，框架8.2是电导体，例如由金属形成，并且连续地确保阴极46和由框架8.2支承的阴极销70之间的电连接。阴极销70被设置成与阳极销50沿轴向相对。在金属芯体40的端头与框架8.2以及中央本体8.1的侧边与金属框架8.2的侧边之间设置电绝缘垫圈72。通过利用框架8.2将阴极连接至阴极销70，可避免利用连接电缆。

固紧装置例如是安装在半壳66的托架74内的螺钉-螺母型装置，这些托架还形成导向件，所述导向件旨在接纳于电解设备的中间箱体4的滑道22中。

滑道22还设置有电绝缘装置75，用于使阴极与箱体绝缘并用于避免出现短路。

应注意，以高的水蒸汽压力运行会强力地且连续地将形成电解板的中央本体8.1的不同层彼此贴靠地压平，从而确保电解板8的运行。

当水蒸汽/氢气混合物的压力远高于排出装置所收集的氧气的压力时，电解壳体内所容纳的水蒸汽/氢气混合物的压力越高，阴极46被强力地且连续地压平在电解质44上、电解质44压平在阳极42上以及阳极42压平在金属芯体40上的程度就越大，因此，这些不同构件之间的电接触就越好。因此，对于此种类型的电解设备，这有助于获得随时间恒定不变的高性能。

因此，当再次采用要对电解施加的电压的表达式时，不可反转性项是由欧姆损耗项和激活过电压项∑η形成。现在，在高于本发明电解设备的800℃工作温度下，水离解反应是由温度激活，因此只需要非常低的激活过电压∑η，电解单元的端子上的总电压因而实质减小为在0电流下的电压与欧姆电压降之和，其中欧姆电压降随电流密度而线性变化。因此，通过将电解质压平在阳极上并将阳极压平在金属芯体上，使欧姆电压降这一项得以减小，由此减小不可反转性项，进而允许以高的吸热性来运行。欧姆损耗的减小还通过在外壳外部维持强度较强的电管道来获得，以使其保持处于较低温度。

本发明还具有以下优点：简化氧气导管与容纳氢气的导管之间的密封的制作并使其更加有效。实际上，通过相对于所形成的氢气流来维持足够的水蒸汽流，并且通过维持均匀的水蒸汽/氢气混合物，密封垫圈会在电解板处受到均匀的含氢气的水蒸汽混合物的外部过压，并且不受内部过压，因而所述密封更容易形成。因此，该电解设备具有更长的使用寿命。

现在将描述在图8A-8C中所示的根据本发明的加热板10。

加热板包括两个金属片76，例如由800H钢或由耐热的镍基合金制成的金属片，所述金属片在其整个周边上进行冲压和焊接。

在两个金属片76之间设置有换热本体78，换热本体78包括一或数百个在上端10.1与下端10.2之间沿纵向延伸的通道，传热流体将在所述通道中循环。

用于接纳热态传热流体的歧管80设置于上端8.1处，而用于排放冷态传热流体的歧管82设置于下端8.2处。

端件84、86设置于接纳歧管80和排放歧管82上，较佳地，这些端件84、86是金属的并铜焊于歧管80、82上。

此外，两个导向件86设置于加热板10的横向侧上，以穿入中间箱体4的滑道24内。

现在将在串联安装各电解板8的情形中，如何对构成本发明电解设备的不同构件进行组装。

首先，将参照图7A。

将下室6附装至中间箱体4上。然后，通过将其横向导向件74滑入滑道22中，将电解板8插入中间箱体4中。

阴极销70穿入在下室6中在冷却通道36中为此目的而制作的孔35中。

然后，将加热板10插入相邻滑道24中(可见于图9)，用于使冷态传热流体流出的端件86穿过设置于下室6中的孔29。

接下来，将另一电解板78引入中间箱体4中，此次是以阳极销50穿过孔35的方式进行引入，如图7B中所示。然后，用于收集氧气的端件58也穿过向通道开口的用于收集氧气34的孔口33。

接下来，以与前一加热板相同的方式相邻地引入新的加热板10，以此类推，直到箱体被填充满。

应注意，各电解板8是交替地引入而使阳极销50交替地朝上和朝下，从而可减小电连接的长度(此在下文将可以看出)，并且只可使用相同的电解板。

然后，将上室2定位于中间箱体4上，使阳极销50穿过孔19、用于收集氧气的端件58穿过孔15并使用于供应热态传热流体的端件84穿过孔13。

将上室2附装至中间箱体4上。

将热态传热流体导管14连接至热态传热流体源，将用于收集氧的导管16连接至存储氧气的存贮器，将主导管20连接至用于回收水/氢气混合物的存贮器。

将接纳端件84铜焊于上室的凹槽11的上表面，从而将其连接至热态传热流体通道。通过进行铜焊，可不再利用其它密封手段，从而延长电解设备的使用寿命。

从上室2向外开口的阳极销50和阴极销70是如图11所示进行连接，不存在冷却通道18。该电连接允许将各电解板8串联地安装而不利用沿板敷设的电路。

上室2和下室6中的凹槽具有能缩短阳极销和阴极销所需的长度、从而减小由焦耳效应引起的损耗的优点。

较佳地，可将图12A-12C所示的连接板88与阳极销50和阴极销70交叉地定位。

在串联安装的情形中，该连接板88是由陶瓷制成，以便使阳极销和/或阴极销绝缘，从而避免出现短路。

例如，根据电解设备中的压力水平而定，其具有从1厘米至几厘米的厚度，且其密封垫圈确保各连接相对于电解箱体进行密封和电绝缘。

连接板88包括一系列对齐的钻孔90，用于让阳极销50和阴极销70穿过。此外，板88在其周边上包括钻孔92，用于让紧固用柱螺栓94穿过以将其附装至供应室2上并压缩密封垫圈(图未示出)。

在图12B中，显示板88的纵向剖面，可以看出，每一钻孔90均包括密封垫圈96。在图12C中，可以看到板88，其中各电解板串联连接。

在连接板88的下表面和上室的外表面上设置有密封垫圈(图未示出)。

第一电解板8的阳极销50.1连接至电源(图未示出)，第二电解板8的阴极销70.1连接至阳极销50.1，以此类推。

在图13中，可以看到密封板98，其类似于板88，用于下室6的外表面上的电连接。

在并联安装的情形中，这些连接板88、98可以是金属制成的，更一般地是由导电材料制成；这些销可从而直接铜焊在连接板88、98上。

此外，在所述的实例中，阳极销和阴极销是矩形截面，然而，也可使其具有圆形截面，从而允许其通过电缆夹连接至连接电缆。

在所示实例中，连接板是单体件，但也可使连接板为多个部分的形式。

使带有其密封垫圈89的连接板88、98在电解板的销50、70上滑动，然后用螺钉固定至上室和下室上。

将销50、70铜焊于其外壳上；对用于传热流体流的导管14、30进行压接或铜焊，以便形成分配通道和收集通道以及氧气导管16、34。

将用于热态和冷态传热流体循环的通道、用于排放氧气的通道和用于冷却电接触器的通道安装于其各自的导管上。

所述电解设备旨在在高或极高的压力下运行。为此，所述电解设备包括能够使电解气体维持在几十巴的高或极高压力下的壳体。

本发明使该高压力甚至极高压力运行变为可能，因为机械应力大部分被金属封闭壳体吸收。其它机械构件，尤其是电解板，则承受小得多的机械应力。因此，尺寸约束主要与壳体而非与电解设备的其它构件有关。此外，电解板是在受压状态下工作，因为如前面所述，其所容纳的所形成气体的压力低于其被浸入的气体的压力。

在传热流体的压力低于电解气体的压力的情形中，例如在传热流体为液态金属或熔融盐型流体的情形中，加热板也在受压状态下工作，或者如果传热流体的压力与电解气体的压力处于同一水平或略高于电解气体的压力，则存在低的张应力。

由此，可直接实现通过电解而在几十巴的极高压力下生产气体，从而能够降低在存储和运输由电解设备生产的气体时所需的压缩水平，对于氢气而言，存储和运输压力目前是在30至130巴的范围内。气体的压缩需要在电解设备下游使用电动压缩机，而这会消耗大量的能量。

由此，还可减小电解气体在不同板之间的流速，从而减小电解设备中的压力降。由此，在设备的生产容量值较大时，还可获得可接受的生产设备尺寸，同时维持气体流的压力降值，从而降低用于升高回路压力的装置的耗电量。

此外，根据本发明的电解设备允许利用工厂的供应阶段的用于供应待电解的流体泵作为唯一的压缩设备，在生产工厂的不同阶段中以高甚至极高的压力运行。由此，可使工厂的不同设备更加紧凑，并且可通过减少甚至消除所需压缩机的数量以及，由于压力降减小，通过减小用于升高回路压力的装置的容量，来降低工厂的耗电量。

作为实例，根据本发明的电解设备可包括58个电解板和59个加热板。

例如，电解板的宽度为0.16m，高度为0.38m，厚度为0.0133m。阴极的有效部分可因而形成高度为0.35m、宽度为0.119m的矩形。

加热板10的高度和宽度尺寸类似于电解板8，通道可具有0.004m的等效内部水力直径，金属板的厚度为0.001m，从而使板的外部厚度为0.006m，其中金属板的厚度可以较小，这是因为在传热气体与水蒸汽之间不存在压力差。

加热板与电解板之间的间隙为0.003m。

中间箱体的内部尺寸从而为以下数值：

-高度：0.38m

-宽度：0.16m

-长度：1.48m

该电解设备允许产生0.05mol/s(即4.320Nm³/h)的氢气。

传热流体和水蒸汽/氢气混合物可以并流形式流动，其中热态传热流体是通过与水蒸汽/氢气混合物相同的侧的底部流入，或者以逆流的形式流动，其中热态传热流体是在与水蒸汽/氢气混合物的流入侧相反的侧上通过顶部(如在图7A和7B以及图9中所示的情形中一样)流入。

通过将各电解板串联安装，可降低电源强度，由此减小供电编织导体的尺寸，从而减小由焦耳效应引起的损耗。

在另一实施例中，也可将各电解板并联连接。

根据第一种备选方案，可将所有电解板并联安装。对于此种安装方式，可直接将阳极销和阴极销铜焊在连接板上。

根据另一备选方案，可使各个电解板群组串联连接，各个群组本身则并联连接。此种并联安装方式允许根据电源干线上具有的电位差来调整电解设备各端子上的电位差。实际上，可将预定数量的电解板分成一组，以按照并联安装配置对其进行连接，从而形成并联的连接群组G1、G2，然后按照串联安装配置将这些群组连接在一起。

为此，在将电解板安装于中间箱体4中期间，采用以下方式即可：将连接群组G1中的所有板沿同一方向放置，例如使阳极销50朝上，然后将下一连接群组G2的板朝向相反方向，使阳极销50朝下，从而最终形成根据图14A(上室2上的连接)和14B(下室6上的连接)所示接线图进行的电连接。

根据本发明的电解设备较佳地适合于此种类型的安装配置，因为承受连接群组的总强度的唯一导电构件是外部金属编织导体，所述外部金属编织导体在低温下运行并可相应地计算出其横截面。

根据本发明的电解板具有以下优点：无需修改电解板便能实现串联或并联安装，电解板的插入方向足以允许进行串联或并联连接。

现在描述在所要分解的试剂是在30巴压力下被过热至850℃温度的水蒸汽的情形中，确定根据本发明的电解设备的尺寸的实例。在该温度值下，使1摩尔的水离解(并形成1摩尔的氢气)所需的能量总量约为247.2kJ/mol，包括167.2kJ/mol的电能和80kJ/mol的热量。在电流密度为2000A/m²时，各电极之间的电位差约为1.06伏，因电流通过电极以及O^2-离子通过电解质而产生的热量约为37.4kJ/mol。因此，可直接提供42.6kJ/mol的能量作为由在加热板中流动的传热流体所提供的热量。

上述实例只是一个运行点，可通过减小水的供应流速来提高氢气的分压。

所选的传热流体是压力为30巴、温度为900℃的氦气。

为保证水蒸汽覆盖各电解板，所选的水供应流速的值比所产生的氢气流速的值大5倍，即水蒸汽供应流速为0.25mol/s。

具体而言，水蒸汽/所产生氢气的摩尔流速比应介于2-5范围内，以便获得高的氢气分压，同时确保水蒸汽恰当地覆盖电解板。

电解板的适用宽度被设定为0.119m、高度被设定为0.35m，每个板的阳极和阴极表面积因而为0.0833m²。在电流密度为2000A/m²时，在1.06V的电压下，一个板所需的电流为0.1663kA。高的强度值会导致为了限制金属阳极支撑件的电阻和所产生的热量而使金属阳极支撑件厚度较大(0.8cm)。

电解板的数量因而为58个，加热板的数量因而为59个。

此种电解设备的生产量是0.05mol/s，即4.32Nm³/小时。

一个电解板的总厚度为0.0133m。

加热板与电解板之间的空间(间隙)被选择成等于0.003m。

一个加热板的厚度是0.006m。

中间块的长度为1.48m、高度为0.38m、宽度为0.16m。室2、6的内部尺寸为：宽度0.16m，长度1.48m，深度为几十厘米，由此可确保恰当地分配和收集水蒸汽和水蒸汽/氢气混合物。

关于传热流体，其应获得约35℃的入口/出口温度变化；为提供离解0.05mol/s的水蒸汽所需的热量，总的氦气流速为3mol/s。

现在将描述对永久运行中热状态的数值模拟，其显示本发明的效率，具体而言，模拟电解设备内尤其是沿电解板的轻微温度变化和温度的分布均匀性。

用于计算加热板与电解板之间试剂流量的热化学代码一方面将水分子的每一次离解所需的反应焓考虑在内，另一方面将通过加热板的壁与传热流体进行的热交换考虑在内。

图15中显示水蒸汽/氢气混合物在其沿阴极流动的方向上(单位：cm)的温度值(单位：℃，以实线表示)和用作传热流体的氦气的温度值(以虚线表示)的曲线图。

在电解箱体的入口处，在温度为850℃、压力为30巴时，水蒸汽流速为0.25mol/s。

对于用作传热流体的氦气，入口温度的值为900℃，流速值为3mol/s。

所述曲线可被分解成两个区域：

·相对较短的区域(长度为12cm)，在此种情形中，水蒸汽过热(相对于氦气传热流体的流速，水蒸汽的流速较低)。在该部分中，加热板所提供的热量多于离解水分子所需的热量。

·平衡或冷却区域，其中加热板的氦气和水/氢气混合物一同冷却，具有斜坡，这是因为氦气、水蒸汽和所形成的氢气体系的总的热惯量较高。

在图15的曲线上可以看出，在热态传热流体的温度与水蒸汽流入温度之间只存在50℃的差异：

·电解板的运行温度的最大变化小于33℃；

·混合物的流入和流出温度值实质相等，在流出时略微过热，流入温度为850℃，流出温度为854℃。此外，还可通过增大或减小传热流体的流速来调节电解设备的入口与出口之间的温度差。

该曲线显示了所述设备的优点，因为可利用较低的试剂流速值来实现电解板的均匀运行。

更一般而言，该设备的尺寸可确定成在通过利用具有高的质量热容量值的液态或气态传热流体来电解具有低的质量热热量的气体的情形中特别有效。

在图16A和16B中，可以看到在传热流体相对于水蒸汽/氢气混合物为逆流流动的情形中，沿阴极且更一般而言沿电解板(单位：cm)的温度分布(单位：℃)的曲线图。

可存在两种运行情形：

·期望在电解设备出口得到过热的蒸汽/氢气混合物，这是图16A所示的情形，在该情形中，维持相同的流速和相同的流入温度。过热从而约为40℃，在想要循环使用水蒸汽的情形中，此特别有益；

·期望减小热源与电解设备的稳定化运行温度设定值之间的温度差，这是图16B所示的情形，在该情形中，在相同的传热流体流速下，获得处于850℃设定值的20℃以内的运行温度，其中热态传热流体处于仅879℃。可通过提高传热流体的流速来进一步改善这些性能。

作为比较，图20显示在第7页及第8页中所述的高温电解设备中，在水蒸汽摩尔流速为所产生氢气的流速的五倍、但不存在任何整合式加热系统的条件下，水蒸汽/氢气混合物的温度变化与沿阴极的距离d(单位：厘米)的函数关系。

在该图20中可以看出，电解设备的入口与出口之间的温度变化大于220℃，且为确保使流出温度值为850℃，需要使混合物的流入温度为1075℃。

作为实例，利用本发明，通过使用锅炉输送900℃的传热流体，可使整个电解设备维持在降低的高温范围[850℃-880℃]，其中水蒸汽流速仅为所产生氢气的流速的5倍、同时提供42kJ/每摩尔所产生氢气作为热量，即，通过在水蒸汽产生器中提供热量从而在电解设备上游使水汽化来提供所消耗电能(204kJ/mol H2)的五分之一即41kJ/mol H2。

上文已利用对水进行电解并收集氧气的实例描述了根据本发明的电解设备，然而，应理解，根据本发明的电解设备的架构也可应用于其它气体的电解和应用于收集任何其它气体。

上文所述的电解设备包括位于板的下面、更一般而言沿板的轴线的活性流体供应源，然而，也可在中间箱体中提供侧面供应源以使供应流垂直于电解板，从而简化壳体的设计。