具有温度均化装置的高温电解槽 【技术领域】
本发明涉及装备有温度均化装置的电化学反应器，尤其是电解槽或燃料电池，以及更具体是高温电解槽。
背景技术
电解槽包括多个基本电池，其形成自由电解质隔开的阴极和阳极，借助于互连板，基本电池被串联电连接，其中互连板通常被置于基本电池的阳极和接着的(following，随后的)基本电池的阴极之间。阳极-阳极连接之后是阴极-阴极连接也是可能的。互连板是由金属板形成的导电部件。此外这些金属板可以确保将在基本电池中循环的阴极流体与在接着的基本电池中循环的阳极流体分隔开。
阳极和阴极由气体可以在其中流动的多孔材料制备。
例如，在电解水以产生氢气的情况下，水蒸汽在阴极循环，阴极处产生气态氢气，一种排出气体在阳极循环并收集在阳极产生的氧气。
一般来说，目的在于减小电解槽的电阻以改善其性能，尤其是限制它的升温和焦耳效应的电损耗。
然而目前的电解槽具有不可忽略的电阻，以致在电解槽水平的总反应是放热的，而在每个电池中的电化学反应是吸热的。
因此有必要排出这种热量以确保电解槽的稳定工作。于是主要通过从电解槽流出的气体来排出热量。此热量目前用于通过在提供在电解槽上游的外部交换器中的热交换来加热进入的气体。
然而，因为电解槽的内部部件，尤其是基本电池，至少部分地由陶瓷制成，所以它们对于温度梯度是高度敏感的并且不能够支持大于50℃的热冲击。因此这意味着，进入气体的温度相对于流出气体的温度不应该低于50℃以上。
此外，为了确保电解槽的寿命长和它的正确运转，优选确保在电解槽内尽可能均匀的温度分布。于是寻求在整个电解槽内温度的变化不大于10℃。
为了避免这些热冲击(如先前所指出的)，使用如已在文献“Concepts and Design for scaling up high temperature water vapourelectrolysis”，W Doenits and R.Schmidberger，in Int.J.HydrogenEnergy，Vol.7，N°4，pp.321-330，1982中所描述的、在电解槽上游的热交换器。
然而，由于在电解槽的出口和交换器的入口之间不可避免的热损失以及交换器的温差，所以在进入气体的温度和流出气体的温度之间存在至少50℃的差异。因此这迫使流出气体的温度高于进入气体所需要的温度。
然而，进入和流出气体之间的这种温差不利于在电解槽中均匀温度分布的目的。
此外，这种更高的温度有害于电池的机械强度并降低转换效率。
因此这意味着要选择特殊材料；在700℃的温度以上，适宜的材料并不太多并且它们的成本价格较高。此外，它们更难以操作和组装。例如，特别适应于高温的高温合金如Haynes 230比不锈钢贵10倍，不锈钢可以在直至高达500℃温度下使用。
此外，因为从来自于阳极和阴极的气体回收热量(卡路里)，所以需要两个具有高温阶段的交换器。
高温下在电解槽和交换器之间连接的存在还提高了干预和维护交换器的成本和困难，最后，整个装置地体积和重量增加。
因此，本发明的一个目的是提供一种电化学反应器，其具有改善的性能和更长的寿命。
本发明的另一个目的是提供具有更低成本价格的电化学反应器以及体积减小的与电化学反应器整合的装置。
【发明内容】
上述目的是通过电化学反应器来实现，其中电化学反应器包括通过(若干)互连板连接的多个堆叠的基本电池，互连板结合有(integrating)通道，其中通道用于在进入气体注入到阴极和/或阳极以前对电化学反应器中的进入气体进行循环。
换句话说，电化学反应器结合有直接形成在基本电池之间的内部热交换器。
在电解水的情况下，进入的水蒸汽在阴极中循环以前在互连板中循环；在此循环期间，它通过与在阴极中循环的气体和与接触互连板的阳极进行热交换而被加热。
外部交换器可以被简化并变得更紧凑。
还不再需要使流出气体的温度高于进入气体所需要的温度。因此更容易获得电化学反应器内的温度均匀性，从而可以改善电化学反应器的性能(或工作)。
在放热电解槽的情况下，直接在基本电池中形成的流体回路因而使得可以：
-对于电化学电池的给定操作温度通过在互连板中循环进入(的)气体来降低互连板的温度，增益的温度可以实现大于50℃，
-降低气体的进入温度，降低至小于600℃的温度，
-相对于氢气生产系统来说，将称作“热”区域的区域，换句话说高于600℃的区域，限制于电解槽内，
-降低外部交换器的成本，它们的价格可以降低5倍、或甚至10倍，
-改善电解槽内的温度均匀性，基本的电化学电池的两处之间的温差可以被降低到小于10℃。
因此，这种结合在电池中的回路使得可以基于电解槽的内部损失对一种(或多种)进入气体进行有效和直接地加热，并使它们的温度均匀化。
在借助于异热操作的吸热电解槽的情况下，直接在互连板中形成的流体回路使得可以通过进入气体来加热电解槽并避免安装传热体和特定回路来加热电解槽内部的气体。
因此本发明的主要主题是一种电化学反应器，该电化学反应器包括堆叠的多个基本的电解电池，每个电池由阴极、阳极以及提供在阴极和阳极之间的电解质形成，互连板被置于两个基本电池之间，所述互连板与基本电池的电极和接着的基本电池的电极电接触，所述电化学反应器还包括这样的装置，其能够确保至少一种用来与电化学反应器中的阴极和/或阳极接触的气动流体的循环，以在接触阴极和/或阳极以前对它进行加热。
所述循环装置包括例如至少一个用于循环气动流体的导管，以致发生在气动流体与阴极和/或阳极之间的热交换。
导管可以形成在互连板中，所述导管的第一端连接于气动流体的供给(源)以及第二端使经加热的气动流体接触与互连板接触的电极中的一个或另一个。
在一种可替换方式中，导管被置于互连板和电极中的一个和/或另一个之间。
在另一种实施例中，循环装置包括第一导管，用于循环用来接触两个电极之一的气动流体，以及第二导管，用于循环用来接触其它电极的气动流体。
第一和第二导管可以形成在互连板中，或第一导管可以被置于互连板和电极之一之间以及第二导管可以被置于互连板和其它电极之间。
在至少两个电极之一是阴极的情况下，用来接触于阴极的气动流体是水蒸汽，于是反应器进行水的电解以产生氢气。
上述反应器，例如，用来在高温下进行工作(或运作)，有利地高于900℃。
本发明的主题还是一种电解装置，其包括根据本发明的电解槽和电化学反应器上游的热交换器，其中以分开的方式循环进入的气动流体和流出的气动流体，以便基于流出的气动流体加热进入的气动流体。
本发明的另一个主题是用于电解气动流体的方法，其中使用根据本发明的电化学反应器，上述方法包括以下步骤：
a)在基本电池的电极和相邻的基本电池的电极之间循环气动流体用于加热所述气动流体而没有接触那些电极，
b)将经加热的气动流体注入到所述电极的一个和/或另一个上。
在步骤a)中，可以提供用来与所述电极中的一个接触的气动流体和用来与另一个电极接触的气动流体沿分开的流的循环，以及在步骤b)中，这些气动流体分别注入到所述电极中的一个和另一个上。
【附图说明】
通过阅读以下描述并参照附图，将可以更好地理解本发明，其中：
图1是侧视图，其示出根据本发明的电化学反应器的实施方式的实施例，
图2是图1所示电化学反应器的沿平面A-A的剖面图，
图3是侧视图，其示出根据本发明的电化学反应器的实施方式的另一个实施例，
图4是图3所示电化学反应器的沿平面B-B的剖面图，
图5是透视示意图，其示出可以用于根据本发明的电化学反应器的热交换器的一个实施例。
【具体实施方式】
在以下描述中，将通过举例的方式来描述用于产生氢气的水的电解槽。然而，本发明适用于任何其它电化学反应器如燃料电池。
在图1中可以看到根据本发明的电解槽的实施方式的实施例，其包括多个堆叠的基本电池C1、C2等。
每个基本电池包括提供在阴极和阳极之间的电解质。
在描述的其余部分，我们将详细描述电池C1和C2以及它们的界面。
电池C1包括阴极2.1和阳极4.1，其间提供有电解质6.1，例如固体，通常具有100μm的厚度。
电池C2包括阴极2.2和阳极4.2，其间提供有电解质6.2。
阴极2.1、2.2和阳极4.1、4.2由多孔材料制备并且具有例如40μm的厚度。
通过互连板8，电池C1的阳极4.1电连接于电池C2的阴极2.2，其中互连板接触阳极4.1和阴极2.2。此外，它使得能够向阳极4.1和阴极2.2供电。
互连板8被置于两个基本电池之间。在所示实施例中，它被置于基本电池的阳极和相邻电池的阴极之间。但可以将它们置于两个阳极或两个阴极之间。
借助于相邻阳极和阴极，互连板8限定用于循环流体的通道。它们限定阳极室9以及阴极室11，阳极室用于在阳极循环气体，阴极室用于在阴极循环气体，在图2中这是特别明显的。
根据本发明，互连板8进一步包括至少一个导管10，该导管通过第一端10.1连接于气动流体的供给(源)，其中气动流体用来经受还原。在所考虑的实施例中，涉及的是水蒸汽，并且在阴极室的第二端10.2。
这种导管有利地具有蛇形管(或称“带有弯曲部的管”)的形状以增加热交换表面。
在所示实施例中，互连板包括多个导管10、多个阳极室和阴极室。有利地，导管10和上述室具有蜂窝状六角形截面，其使得可以增加室9、11以及导管10的密度。
箭头12表示进入电解槽的“冷”水蒸汽而箭头14则表示在阴极室11中循环的加热水蒸汽。
箭头16表示热量从阴极2.2和阳极4.1朝互连板传送，或更精确地说朝“冷”水蒸汽传送。
箭头17表示加热的水蒸汽从导管10向阴极室11流动。
我们现将说明如何实施本发明。
水蒸汽(如有必要，预先加热)进入到导管10中；当它在导管10内移动时，它与沿着互连板8边缘的阴极和阳极进行热交换而被加热。
温度被加热至接近电池C 1温度的蒸汽然后进入阴极室1中，在阴极室中在它接触阴极2.2时经受还原；按照以下反应产生氢气：2H2O→2H2+O2。
热交换器有利地设置在电解槽的上游，用于由(或基于)流出流体加热进入流体，然而和现有技术相比，这可以有利地更简单并且体积更小，因为它并不需要具有高温阶段。
导管10可以设置成在入口连接于排出气体(用来在阳极室9中循环)源，以及在出口连接于阳极室9。
在图3和4中可以看到根据本发明的电解槽的实施方式的另一个实施例，其中沿着导管10设置有另外的导管18并用来接收在阳极室9中循环的排出气体。
箭头20表示进入电解槽的“冷”排出气体以及箭头22表示在阳极室9中循环的经加热的排出气体。
箭头24表示热量从阴极2.2传送到互连板，或更精确地说传送到“冷”水蒸汽，以及箭头26表示热量从阳极4.1传送到互连板，更精确地说传送到排出气体。
箭头25表示排出气体(draining gas，排泄气体)从导管18向阳极室9流动。这种流动并不是在任何情况下都必要的，这种气体可以用于其它区域或甚至在反应器的外部。
现将说明根据本发明的电解槽的其它实施例的工作。
水蒸汽(如有必要，预先加热)进入导管10中；当它在导管10内移动时，它通过与沿着互连板边的阴极进行热交换而被加热。
然后温度被加热至接近电池C1的温度的蒸汽进入到阴极室11中，在其中它经受还原；然后产生氢气。
排出气体(如有必要，预先加热)进入到导管18中，当它在导管18内移动时，它通过与沿着互连板边的阳极的热交换而被加热。
该被加热至接近电池C1温度的气体然后进入到阳极室9中，并带走在阳极产生的氧气。
在图1至4中的实施例中，互连板是大量的并且通道直接形成在其中。
然而，如在图5(其示出根据本发明的集成的热交换器的另一个实施例)中可以看到的，交换器设置在互连板上。示出了电化学电池C1，由空心管形成的蛇形管28，所述蛇形管接触电池的电极以及互连板8。
气动流体通过一端28.1进入到蛇形管28中，在通过一端28.2流出以前，在蛇形管28中循环，并扩散在电极上。
如果此电极是阴极2.1，则流体是水蒸汽。
蛇形管有利地制备自导电材料以有助于电池C1的阴极和互连板之间的电连接。应当指出，互连板还用来隔开基本电池的阴极流体与相邻的基本电池的阳极流体。
以对称方式，在互连板的另一面上，将蛇形管(未示出)置于阳极和互连板之间。
因此本发明包括提供这样的装置，该装置能够确保对至少一部分进入电解槽的气体在接触阴极或阳极以前进行加热。
热交换器回路的尺寸与阴极回路和/或阳极回路尺寸具有相同数量级，因为是相同流体和相同流速在这些不同回路中循环。
电化学反应器的性能是基于表面的展开以使电极表面最大化，从而增加反应产率。热交换器还需要高交换面积，以变得有效率。因此，反应面积的增加使得可以增加热交换面积。
由于本发明，一部分热交换器直接结合在电解槽中，尤其是它的最热部分。因此接收高温流体的区域限于电解槽，从而减少了用于形成用来与高温流体接触的部分的材料的量。因而，和现有技术的装置相比，可以降低材料成本5倍，甚至10倍。
还降低在电解槽中的温差。此外，因为减小了从热源(反应器的电池)至交换器的热传输距离，所以可以获得小于50℃的温差。
对于放热反应器，互连板的温度低于电池的温度至少50℃。
因此减少了腐蚀，并因而减少了其氧化。因此互连板的电阻增加得较慢了，这可以减小随时间由焦耳效应引起的损失。
互连板例如由铁或镍制备，并且包含元素如铬。该铬倾向于进入气体并污染电极。然而，由于本发明，由于温度的降低，降低了合金元素的挥发作用，因而降低了将污染电池的电极的污染物的排放；应当指出，按照阿仑尼乌斯定律，这些排放以指数方式随温度而增加。
由于本发明，堆叠的电池(组)的寿命通常会增加，这是由于工作温度的下降。P.Batfalsky在Journal of Power Sources 155，2006，pp.128-13中事实上表明，通过将温度从800℃降低至700℃，现有技术的电解槽的寿命可以被延长10倍，甚至20倍。
此外，电池的最低温度和最高温度之间的差异可以被减小到小于10度左右，因而可以改善电解槽的性能。
气体的进入和出去温度可以更低，这使得可以将电解槽连接于具有小于600℃的更低温度的回路，仅电解槽内部处于高温，其使得可以使用标准的和成本较低的阀门和仪器。
此外，根据本发明的交换器和与电解槽的连接回路可以具有更简单和更便宜的设计。热损失也会更低。相对于热交换的材料和整体效率而言，这种交换器可以在较小限制性的温度范围内进行操作。
对于放热反应器：本发明使得可以在电解槽的内部加热电解槽，这是由于在电解槽内部存在热交换。在输入端的气体温度的升高受到限制，并且电解槽提供改善的效率。