JP5165759B2 - アロサーマル機能及び高生産性を備えた高温高圧電解槽 - Google Patents
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Description
・ カソード側: 2H2O + 2e− → H2 + 2OH−
・ アノード側: 2OH− → 1/2O2 + 2e−
・ アノード側: H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e−
・ カソード側: 2H+ + 2e− → H2
・ アノード側、酸素イオンの酸化:
O2− → 1/2O2 + 2e− (I)
・ カソード側、水蒸気の還元:
H2O + 2e−→ H2 + O2− (II)
であり、全体の反応として
H2O → H2 + 1/2O2
‐ 吸熱機能に対する優れた条件、つまり、電解槽全体における吸熱閾値よりも高い温度を維持するためには、電解槽に入る際の水蒸気の高流量及び強力な過熱が必要であり、必要な温度(この場合、1100℃超)を考慮すると、ボイラー及び設備全体のコストが大幅に増加すること、
‐ この解決策は、食品等級の水蒸気が高質量流量で供給されない限り、電解槽の動作に対する安定で一様な温度条件を提供する最良のものではないこと。
‐ 本発明による電解槽を少なくとも一つと、
‐ 所定の電圧の電源とを備え、
同一のプレートのセルは直列に接続され、電解プレートは並列に接続され、電解プレート毎の電解セルの数は、その電源の所定の電圧に応じて選択される。
‐ 本発明による電解槽を少なくとも一つと、
‐ 所定の電圧の電源とを備え、
電解セルは行列に分布し、各列のセルは直列に接続され、列は並列に接続され、各列のセル数は、その電源の所定の電圧に応じて選択される。
H2O(g) → H2(g) + 1/2O2(g) (1)
ΔG(T,P)=ΔG°(T,P0)+RT×ln(PH2×PO2 1/2/PH2O)
ここで、ΔG°(T)は、温度T、P0=1bar下でのギブスの自由エンタルピーの標準変化であり;
PH2、PO2は、bar単位での気体の分圧であり;
PH2Oは、bar単位での水蒸気の分圧であり;
TはK単位での温度であり;
Rは完全気体の定数(8.314J・mol−1・K−1)である。
Ei=0=ΔG/2F
Ei=0=E°+(RT/2F)×ln(PH2×PO2 1/2/PH2O)
E°はΔG°/2Fに等しい。
・ 電解プレート及び配線を形成する物質中の電流の流れに対する抵抗(Rオーム)であり、抵抗低下を生じさせ、損失因子の一つは固体電解質に関連する、
・ 電極・気体界面での素反応の活性化及び電極中の気体の拡散に関連する電極の過電圧(η)である。
E=Ei=0+Rオーム×I+Ση、
又は、
E=E°+(RT/2F)×ln(PH2×PO2 1/2/PH2O)+Rオーム×I+Ση
Rオーム×I2+Ση×I > T×ΔS×I/2F
であると、電解槽が生成する熱は多過ぎて、発熱モードであり、試薬及び生成物を一定温度に維持するのに、冷熱源に向かう熱の排出が必要になる:
Rオーム×I2+Ση×I = T×ΔS×I/2F
であると、電解槽は十分な熱を生じさせ、熱平衡にあり、試薬及び生成物の温度を維持するのに、外部熱源を必要としないので、電解槽は自熱モードである(つまり、外部熱源を備えない):
Rオーム×I2+Ση×I < T×ΔS×I/2F
であると、電解槽が生成する熱は、水の分解反応を熱平衡に維持するのに十分でなく、電解槽は吸熱モードであり、外部熱源からの熱の供給が、一定温度を維持するのに必要である。よって、動作モードはアロサーマルである。
I=s×j
ここでjは電流密度の値である。
Q1=(n/k)×r×(j×k×s)2=k×Q
‐ 高さ 2.61m
‐ 幅 1.83m
‐ 長さ 2.70m。
4 中間ベッセル
6 下部チャンバ
8 電解セル
10 加熱プレート
20 排出ダクト
38 メインダクト
42 アノード
44 電解質
46 カソード
50 アノードピン
70 カソードピン
100 電解プレート
102 支持フレーム
Claims (31)
- 少なくとも20barの圧力に電解バスを維持することのできるエンクロージャを備えた、アロサーマルモードで動作可能な高温電解用の電解槽であって、前記エンクロージャ内に、複数の互いに平行な電解プレート(100)と、高温電解に晒される活性流体を加熱する加熱手段(10)とが配置され、前記加熱手段が熱伝導流体を利用し、前記電解プレート(100)が同一平面上に実質的に隣り合わせで存在する複数の電解セル(8、208)を備え、各電解セルが、他のセルのアノード及びカソードから分離されるアノード及びカソードを備え、前記電解プレートの電解セルの少なくとも一部が直列に電気接続されていて、前記加熱手段(10)が、前記電解プレート(100)の両側に配置された複数の加熱プレートから形成されていて、該加熱プレート中を前記熱伝導流体が循環する、電解槽。
- 前記電解バスが気体状である、請求項1に記載の電解槽。
- 前記熱伝導流体が高圧下の気体である、請求項1又は2に記載の電解槽。
- 前記高圧下の気体はヘリウムである、請求項3に記載の電解槽。
- 前記熱伝導流体が溶融金属である、請求項1又は2に記載の電解槽。
- 前記溶融金属は亜鉛である、請求項5に記載の電解槽。
- 前記熱伝導流体が溶融塩から形成される、請求項1又は2に記載の電解槽。
- 前記電解プレートが、両面に行と列に分布する開口部が設けられた支持プレート(202)を備え、前記支持プレート(200)が前記アノードで生じる気体を収集するために中空であり、該プレートが前記気体用のマニフォールドを備え、前記電解セル(208)の少なくとも一部が、該プレート間の電気接続抵抗の減少を提供するように、セルのカソード上に提供されたフレームと隣接するセルのアノード上に提供された穿孔プレートとを備えたコネクタによって、二つずつ電気的に接続されていて、各開口部が一つの電解セルによって閉じられていて、各アノードが内側に向けて前記支持プレート(202)と向かい合う、請求項1から7のいずれか一項に記載の電解槽。
- 前記アノード及び前記カソードが、一つのコネクタの前記フレームと、他のコネクタの前記穿孔プレートとによって、電解質と共に圧迫されている、請求項8に記載の電解槽。
- 細長のアレイを形成するセルのアセンブリを備え、各アレイが行毎又は列毎の開口部の数に等しい数のアノードを備え、前記アレイが直列に接続されている、請求項9に記載の電解槽。
- 各穿孔プレートと対応する外形の開口部との間の密封部を備え、前記密封部が、前記支持プレート上に前記セルを固定する手段と、高圧又は超高圧の前記電解バスの圧力とによって圧迫される、請求項8から10のいずれか一項に記載の電解槽。
- 前記両面のセルが、前記支持プレートを貫通する又はサイドエッジの一つに重畳するコネクタによって、直列に接続されている、請求項8から11のいずれか一項に記載の電解槽。
- 前記電解プレートが、行と列に配置された矩形のウィンドウを画定するアップライト(106、108)を備えた支持フレーム(102)を備え、該ウィンドウ内に対応する形状の前記電解セル(8)が配置されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の電解槽。
- 各電解セルがプレート状の導電コア(40)によって形成された中心ボディ(8.1)を備え、該導電コアの両面がアノード(42)で被覆されていて、該アノードが電解質(44)で被覆されていて、該電解質(44)がカソード(46)で被覆されていて、更に、前記中心ボディ(8.1)を取り囲み前記カソード(46)と電気的に接触し前記中心ボディ(8.1)を形成する複数の層に圧迫力を加える導電ケーシング(8.2)と、アノードピン(50、50’)と、前記ケーシング(8.2)に備わったカソード電気接続手段(70、70’)とを備え、前記セル(8)が前記ケーシング(8.2)によって前記支持フレーム(102)上に固定されている、請求項13に記載の電解槽。
- 前記ケーシング(8.2)が、前記複数の層が互いに適用されるように前記中心ボディ(8.1)の両側に延在する二つのセミフレーム(66)を備え、前記アノード(42)を前記ケーシング(8.2)から電気絶縁する手段(72)が、前記コア(40)、前記アノード(42)及び前記ケーシング(8.2)の間に提供されている、請求項14に記載の電解槽。
- 前記アノードで生じる気体を前記電解槽の外側に向けて収集する収集手段を備える、請求項14又は15に記載の電解槽。
- 前記収集手段が、前記アノードに設けられ収集端部に接続された少なくとも一つのチャネルと、前記支持フレーム(102)とを備え、該支持フレーム(102)が中空で、前記気体のマニフォールドを形成し、前記収集端部が前記支持フレーム(102)に密封して接続されていて、前記フレームが前記電解槽の外に生成する気体を運び、前記アノードで生じる気体の圧力が前記電解バスのカソードでの圧力よりも低いことによって、前記アノード、前記電解質及び前記カソードが互いに圧迫される、請求項16に記載の電解槽。
- 溝(54)及びリザーバ(56.1、56.2)が前記電解セル(8)のコア(40)に設けられていて、該リザーバの一つ(56.2)が前記気体の収集端部(58)に接続されていて、前記端部(58)が、前記支持フレーム(102)に固定されたコネクタ(114)上にろう付けされていて、前記アノードを前記支持フレームから電気絶縁する手段が、前記コネクタ(114)と前記支持フレーム(102)との間に提供されている、請求項17に記載の電解槽。
- 前記加熱プレート(10)が、前記電解プレート(100)と実質的に同じサイズのものであり、熱交換体(78)が配置される金属ケーシングを備え、該熱交換体が、熱い熱伝導流体が供給される一つの端部(10.1)と冷たい熱伝導流体のマニフォールドに接続された一つの端部(10.2)との間に伸びる複数のチャネルを備える、請求項1から18のいずれか一項に記載の電解槽。
- 前記エンクロージャが、前記加熱プレート(10)及び前記電解プレート(100)のサイドエッジを受け入れるサイドスライド(24、22)を備え、前記支持フレーム(102)を前記エンクロージャから電気絶縁する手段(75)が前記スライド(22)内に提供されている、請求項19に記載の電解槽。
- 前記電解セル(8)が行と列に分布し、同一の列の前記セル(8)が直列に電気接続され、前記列が直列に接続され、前記電解プレートが互いに直列に接続されている、請求項1から20のいずれか一項に記載の電解槽。
- 前記電解セル(8)が行と列に分布し、同一の列の前記セル(8)が直列に電気接続され、前記列が直列に接続され、前記電解プレートが並列に接続されている、請求項1から20のいずれか一項に記載の電解槽。
- 異なるプレート間の電気接続部及び電源との電気接続部が前記エンクロージャの外側に提供されている、請求項21又は22に記載の電解槽。
- 前記電気接続部が冷却される、請求項23に記載の電解槽。
- 前記エンクロージャが、前記電解プレート(100)に直交する側壁に設けられた、活性流体用の流入開口部を備える、請求項1から24のいずれか一項に記載の電解槽。
- 前記エンクロージャが、該エンクロージャの上壁の上に、前記カソードで生じる気体を収集するための開口部を少なくとも一つ備える、請求項1から25のいずれか一項に記載の電解槽。
- 請求項1から26のいずれか一項に記載の電解槽を少なくとも一つと、
所定の電圧の電源とを備えた、電解による気体生成設備であって、
同一のプレートの前記セルが直列に接続され、前記電解プレートが並列に接続され、電解プレート毎の電解セルの数が、前記電源の所定の電圧に応じて選択されている、設備。 - 請求項1から26のいずれか一項に記載の電解槽を少なくとも一つと、
所定の電圧の電源とを備えた、電解による気体生成設備であって、
各プレートの前記電解セル(8)が行と列に分布し、各列の前記セルが直列に接続され、前記列が並列に接続され、各列のセルの数が、前記電源の所定の電圧に応じて選択されている、設備。 - 請求項1から26のいずれか一項に記載の電解槽を用いた、電解により水から二水素及び酸素を生成する方法であって、前記電解バスの圧力が実質的に、二水素又は酸素の貯蔵及び/又は分配圧力以上である、方法。
- 前記電解バスの圧力は、30barから130barの間である、請求項29に記載の方法。
- 投入される水蒸気のモル流量と生成される二水素のモル流量との比が2から5である、請求項29に記載の二水素及び酸素を生成する方法。
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