JP5203458B2 - 外熱式の高温・高圧電解槽 - Google Patents

Description

本発明は、液相または蒸気相中で試薬を解離するための数百度セ氏程度の高温における吸熱反応の電気分解の分野に関する。

さらに具体的には、本発明は、安定かつ一定の稼動状態を提供する外熱式の高温電解槽に関する。

以下では、議論の明確さのために、水の電気分解の場合を扱うことにする。

電解槽の電極において電流を生じさせると、直流電源によって供給されたエネルギーの一部が異なる導体や電気接点の間だけでなく、電解質を通してのイオン輸送の間でも熱に変換される。

これらの全ての散逸現象は、電気エネルギーの無駄な損失の一因となっているので、最近の技術開発では、これらの現象の抑制と電解槽を安定に稼動させる持続時間との両方に焦点を当てている。

また、水分子の分解反応に必要となる供給エネルギーを電気エネルギー要素と熱エネルギー要素とに分けることができる。

水の分解反応において吸収される最大熱量は温度に伴って増大する。

最近の実験結果により、７５０℃程度の温度閾値を下回ると、電解槽が発熱稼動だけになり得ること、すなわち、電流の生成に関連した散逸現象によって生じた熱量が、水の電気分解反応により消費し得る熱量以上になることが示されている。

その結果、余分な熱を低温源に輸送しなければならない。

この電解槽の吸熱反応の閾値として設定された７５０℃程度の閾値温度に加えて、電解槽は自己熱反応（ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｇ）を有していてもよい。
すなわち、水分子を分解するために必要とされる全エネルギー、つまり、仕事と熱とが電解槽に供給する電流によって供給される。

理論および実験結果によれば、この温度閾値を超えると、電解槽が効率的な吸熱反応（ｅｎｄｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｇ）、すなわち、外熱式反応（ａｌｌｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｇ）を有すること、つまり、水分子を分解するために必要となるエネルギーの一部が、直接外部の熱源から電解槽へ熱として伝達されることを示している。

吸熱処理、すなわち、外熱式処理は、電解槽によって電気分解が可能となるのに供給が必要となる電気エネルギーの量を削減できるので、望ましい。

水電解槽は、電気分解反応がアルカリ溶液中で起こる、いわゆる、アルカリ電解槽として知られている。

その陽極および陰極は、ＯＨ⁻イオンが透過するイオン膜、あるいは、隔膜によって分離されている。

電極における化学反応は、
・ 陰極では、２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → Ｈ_２＋２ＯＨ⁻
・ 陽極では、２ＯＨ⁻ → １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻
と記述される。

この電解槽は、アルカリ溶液の飽和値（１バールの下で８０℃から９０℃、３０バールの下で１３０℃から１６０℃）より低い温度で作動する。

電極間に供給される電位差は、電極の電気抵抗および膜の電気抵抗（ＯＨ⁻イオンが通過する際の抵抗）によって、１．７５Ｖと２．０５Ｖとの間で変化する。

これらの値は、液体の水の分解反応に必要とされる厳密な理論上の電位差（この温度範囲では、１．４９Ｖ程度）より大きい。

化学反応を活性化する過電圧、および、電極、アルカリ溶液、イオン膜の伝導率の低さに関係する散逸的な熱現象が原因で、装置に供給される全電気エネルギーの１５％から２５％は、低温源に放出される熱として失われる。

このように、この電解槽の反応は、もっぱら発熱反応である。

また、プロトン膜を有しており、電気分解が気相中で起こり、その反応が発熱反応である電解槽も存在している。

その陽極と陰極とは、Ｈ^＋イオンが透過するプロトン膜によって分離されている。

電極における化学反応は、
・ 陽極では、Ｈ_２Ｏ → １／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
・ 陰極では、２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２
と記述される。

このタイプの電解槽の、［３００−４００℃］の範囲の処理温度は、高分子膜の力学的抵抗によって制限される。

非常に高い温度で作動し、自己熱モードで作動する、固体酸化物燃料電池の用語に由来して電解質高温電解槽と呼ばれる電解槽も存在する。

これらの電解槽は、今のところ実験段階にあるか、あるいは、実証用の試作品であり、非常に高い温度で、水蒸気や水蒸気／水素混合物が供給されるが、それらは、高圧、すなわち、数十バール下では、水蒸気やフードグレードの混合物も処理できない。

電極における酸化−還元反応は、化学反応全体では、
Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２ ＋ １／２ Ｏ_２
となるため、
・ 陽極では、酸素イオンの酸化：
Ｏ_２ ⁻ → １／２ Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ （Ｉ）
・ 陰極では、水蒸気の還元：
Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２ ＋ Ｏ_２ ⁻ （ＩＩ）
と記述される。

過熱状態の水蒸気は陰極に達する。

その反応部位では、過熱状態の水蒸気は、水素とＯ_２ ⁻イオンとを生成するように還元される。

Ｏ_２ ⁻イオンが、電場の作用下で膜を通って移動する間、その水蒸気は、水素で豊富になる。

陽極では、酸素分子を形成するように、イオンが、それらの電子を解放する。

共通に使用される電極は、金属製の両極板に堆積された金属・セラミック状のものであり、電解質の材料は、イオン伝導性セラミック状のものである。

これらのセラミック材料は、電流の通過による生成熱を減少させ、処理温度の上昇を抑制するような、温度に伴って減少する電子とイオンによる抵抗率を有している。

セラミック材料内の電極によって形成され、大気圧の空気に取り囲まれた空洞内に、圧縮下で水蒸気／水素混合物の流出が生じるような、これまで開発された電解槽の設計では、今のところ、このタイプの電解槽は、高圧、すなわち、数十バールの気体混合物では稼動できない。

他方で、散逸現象によって生成された熱量の減少と、温度による水分解反応の熱力学的特性の変化とによって、このタイプの電解槽は吸熱的な処理が可能であることが分かる。

しかしながら、このことから、この場合には、電解槽全体の至る所で吸熱反応の閾値より高い温度に水蒸気を維持することが必要とされる。

現在では、吸熱モードにおける電解槽の反応に必要とされる熱を供給するための２つの解決策がある。

第一の解決策は、このエネルギーを、電解槽の上流側に配置した熱交換体によって分離された水蒸気による直接の加熱によって供給することを基礎とする。

しかしながら、吸熱的電解槽反応の熱力学的計算シミュレーションによって、
・ 吸熱反応のための好条件、すなわち、電解槽全体において吸熱反応閾値より高い温度を維持するために必要とされる温度（この場合には、１１００℃以上）を考慮した、電解槽に入っている水蒸気は、極度の過熱および高流量を有することが必要である。

この電解槽では、ボイラーのコストおよび全本発明の装置のコストがかなり増大する。
・ この解決策では、フードグレードの水蒸気が高い質量流束量で供給される場合を除いては、電解槽の処理のための、安定で一定の温度条件を提供するための最良の方向性が示されていないと分かる。

このことは、その本発明の装置、特に電解槽により許容される水蒸気圧が、数バールを超えることができない場合には、非常に大きな容量の輸送容器および再循環本発明の装置に結びつく。

また、このことは高流量にも結びつき、したがって、圧縮装置のエネルギーコストに影響を与えるような、交換体、電解槽、および、配管内のヘッド損失にも結びつく。

第二の解決策は、電解槽に入っている水蒸気、または、水蒸気／水素混合物と混合された高温の熱輸送気体によって、必要な熱量を供給することを基礎としている。

この解決策では、電解槽の下流側に、熱輸送気体を収集するために、化学物質を解離するための付加的な装置が必要になるので、熱輸送気体の損失が生じる。

また、それは性能を制限する。
すなわち、電解槽を通過することにより気体のヘッド損失を生じ、電解槽のパワーを制限する、低圧力下での熱輸送気体の高い質量流束を必要とする。

文献ＷＯ２００４／１１３５９０には、処理温度は水の臨界温度３７４℃以下に制限され、液相中だけで起こるアルカリ電気分解を実行する装置が記載されている。

したがって、吸熱モードを達成する可逆電圧が可能になる温度範囲内では、この装置を使用して処理するのは不可能である。

吸熱モードで処理するための温度で、十分に低い可逆電圧を達成するためには、大規模あるいは中規模の本発明の装置への如何なる適用をも阻む、概して１バールより低い非常に低い圧力を達成しなければならない。

そのような低い圧力レベルで、ヘッド損失が大きくなり過ぎるのを避けられるような、配管および圧縮段階の有効な設計はできない。

したがって、今まで知られていた解決策では、かなりの過熱が必要となるので、電解槽に供給されるエネルギー消費量の有効な低減ができない。

さらに、これらの電解槽を使って、電解槽内で一定の温度を保証するのは不可能である。

現在、構成部品の耐用年数を決める条件および電解槽の性能を決める条件の一つである、電解槽での一定の処理を得るために、実際に電解槽内での温度変化を抑制する試みがなされている。

したがって、本発明の目的は、最適化されたエネルギー消費量、および、一定かつ一様な温度での処理による吸熱反応の方法によって処理可能な電解槽を提供することにある。

また、本発明の目的は、電気エネルギー消費量を低減するための高温・高圧電解槽を提供することにある。

最初に述べられた目的は、一体化した加熱装置を有する電解槽によって達成される。

したがって、本電解質浴槽は、熱損失を制限可能とする電解槽内で直接熱せられ、おおよそ一定かつ一様な温度が浴槽全体において供給可能となる。

言い換えれば、装置が単純化され、エネルギーの供給が一層有効になされる電解槽の筐体内で、加熱は直接実行される。

吸熱反応モードで処理する場合には、減少した不可逆項によって、もはや、その処理のために必要となる熱量をジュール効果では供給できないので、加熱を一体的に行うことに
よって、その熱量を確保する電解槽の提供を可能とする。

電解槽に一体化された加熱装置を適用することにより、電解槽の入口と出口との間での３０℃より小さい温度差と、電解槽の処理温度に比べて５０℃だけ温度が低い高温熱源の過熱とによって、全ての電気分解セルの温度が維持可能となる。

有効な実施例において、本発明に係る電解槽には、高温熱源からの熱輸送流体を利用した、熱交換による加熱装置が一体化されている。

加熱装置は、例えば、ボイラーや熱交換タイプの外部の熱源から有効に高温を運ぶ、熱輸送流体を有している。

さらに、本発明に係る電解槽は、電解質浴槽が数十バールの高圧または超高圧下でも維持可能となる金属製に限定する。

このとき、電解質浴槽の圧力は、電解槽の金属製筐体の寸法によって規定される圧力レベルに依存する。

このとき、その他の機械部材、特に電解プレートに含まれる生成気体は、それが曝されている気体よりも低圧なので、機械部材は、ずっと小さい力学的応力と圧縮の仕事とを受ける。

特に有効で典型的な実施例において、加熱装置は、電極間に挿入されたプレート、あるいは、プレート状のものを有している。

したがって、本発明の実施例によれば、電解槽の異なる構成要素を通して流れる電流を制限可能とし、それゆえ、熱として浪費される電力を制限可能とする、直列に取り付けられた小さな寸法の多数の基本セルを使用した電解槽の製造方法が提供される。

実際、直列に取り付けることによって、さらにプレートは大きさが縮小され、電流が小さくなるので、１つのプレートに必要とされる電流に等しい電流だけが必要となる。

熱輸送流体は、液相、すなわち、溶融金属または溶融塩であっても、気相であってもよい。

好適な実施例では、熱輸送気体は高圧とされ、このため、加熱板の寸法が規定される。

セルの設計によっては、そして、加圧されたエンクロージャー内での、それらの配置によっては、陰極−電解質−陽極の組立部品は、流れている気体の間の圧力差による力に耐えることができない。

水蒸気と生成気体との圧力差による力、水蒸気と熱輸送流体との圧力差による力、あるいは、水蒸気と外界との圧力差による力は、タンクの金属製枠体の縦壁のような内側部材、熱輸送液体用熱交換体の外郭部材、あるいは、電解槽のエンクロージャーによって支持されている。

したがって、陰極−電解質−陽極の組立部品の厚さを減少させることによって、電解槽のエンクロージャー内での高い圧力レベルでの処理が可能になると同時に、それらの電気抵抗、イオン抵抗、および、それらの空隙率を増大させることによって低減された電極内の気体の拡散抵抗を減少させるように最適化することができる。

このとき、本発明の主題は、主に、高温電気分解に耐えるように構成された少なくとも１組の陽極と陰極とのセットと、電解槽に一体化された機能流体の加熱手段と、を有し、吸熱反応モードでの処理を可能とする高温電気分解用の電解槽である。

このようにして、加熱がより効果的になり、電解槽内でより一様となる。

加熱手段として、例えば、化石燃料やバイオマスを使用した従来のボイラー、あるいは、原子力による超高温の蒸気発生装置、あるいは、太陽光エネルギーによって熱せられた熱輸送流体を利用するのが好ましい。

そして、このような方法によって、電気エネルギーへの依存性を低減させる。

このとき、本発明の主題は、主にエンクロージャーと、陽極と陰極とをセットで有し、高温電気分解に耐えるように構成された少なくとも一つの電解プレートと、機能流体の加熱手段と、を有し、エンクロージャーは、数十バールの高圧あるいは超高圧に電解質浴槽を維持可能とし、加熱手段は、エンクロージャー内に配置されて、熱輸送流体を利用することを特徴とする外熱式モードでの処理を可能とする高温電気分解用の電解槽である。

機能流体を気体にすると効率的となる。

熱輸送流体は、高圧下の、例えば、ヘリウムのような気体であってもよい。

また、熱輸送流体は、圧力損失を低減可能とする、例えば、亜鉛などの溶融金属や溶融塩であってもよい。

例えば、エンクロージャーは、下部筐体、中央筐体、上部筐体を有している。

例えば、電解プレートは、平坦状の導電性の芯部からなる主要部を有している。
芯部の２つの面は陽極によって覆われ、陽極自体は電解質によって覆われ、電解質自体は導電性の枠体と陰極とによって覆われている。枠体は、主要部を取り囲み、主要部を形成している層に圧縮力を働かせている。

枠体を使用して、電解プレートを強化すると共に、層間の接続を改善することができる。

陽極を電流源に接続するために陽極ピンが芯部に接続され、陰極はそれ自体陰極ピンを支持している枠体に電気的に接続されている。

ただし、陽極ピンおよび陰極ピンは、電解プレートのそれぞれの反対側の端部に位置している。

陽極ピンおよび陰極ピンの、このような配置によって、直列での接続を容易にすることができる。

電解槽は、陽極に形成された少なくとも一つの流路と、陽極で生成された気体を電解槽の外部に運ぶために、この流路に接続された収集用の端末部とを効果的に有している。

ただし、陽極で生成された気体の圧力が、陰極、陽極、電解質での電解質槽の気体の圧力より低いので、陰極は互いに反対に押圧されている。

このとき、電解槽は、芯部および貯留部内に形成された溝部からなる流路を有してもよい。

ただし、貯留部の一つは気体を収集するための端末部に接続され、主連結管に接続される。

加熱板は、おおよそ電解プレートと同一の大きさを有しており、熱交換体が配置されているところに、高温の熱輸送流体が供給される端末部と低温の熱輸送流体の連結管に接続された端末部との間に延びる複数の流路を有する金属製の筐体を効果的に有していてもよい。

本発明に係る電解槽は複数の電解プレートと加熱板とを有しており、電解プレートは２つの加熱板の間に位置している。

実施例では、電解プレートは電気的に直列に接続されている。
ただし、近接した電解プレートがエンクロージャーに取り付けられているので、電解プレートの陽極ピンは下部筐体に挿通され、近接したプレートの陽極ピンは、必要とする供給電流に抑制可能とする上部の陽極筐体に挿通される。

別の実施例では、電解プレートは全て並列に接続される。

変形例としては、電解プレートは、電気的に並列に接続されたグループに区分される。

ただし、これらのプレートの全ての陽極ピンが同じ下部筐体あるいは上部筐体を挿通するように、そのグループは直列に一緒に接続され、同じグループの電解プレートは、電解槽の筐体に取り付けられ、２つの近接したグループは、電解槽の電源への適応を可能とする同じ筐体を挿通しないように、それらの陽極ピンを有している。

電解プレートは、例えば、中央筐体に形成された摺接部によって、エンクロージャー内に取り付けられている。
ただし、電気的絶縁手段がプレートと中央筐体に設けられた摺接部との間に設けられ、さらに加熱板が摺接部に取り付けられる。

上部筐体および下部筐体は、熱輸送流体用の端末部を挿通させると共に、陽極で生成された気体を収集するための開口部と、陽極ピンおよび陰極ピンと、電解槽の外部との流体的接続および電気的接続を可能とする機能流体用の主通路と、を有している。

陽極ピンおよび陰極ピンを挿通させるための開口部は、電気接点の接続による電気伝導度を改善可能とする冷却のための流路によって効果的に覆われている。

陽極ピンおよび陰極ピンを挿通させるための開口部は、陽極ピンおよび陰極ピンの導電体の長さを短くするために、上部筐体および下部筐体の凹部内に効果的に形成されている。

接続プレートを、上部筐体の外側の陽極ピンおよび／または陰極ピンの周囲と、下部筐体の外側の陽極ピンおよび／または陰極ピンの周囲とに配置するように本発明の装置を構成してもよい。

また、本発明の主題は、
・ 本発明に係る少なくとも一つの電解槽と、
・ 所定電圧の電源と、
を有し、
電解プレートがいくつかのグループにグループ化された、電気分解により気体を生成するための本発明の装置である。

そこでは、電解プレートは、同一のグループ内では直列に接続され、そのグループは並列に接続されて、電解プレートの各グループの電圧が電源の所定電圧に近づくように、各グループの電解プレートの数が選択されている。

このような配置によって、電力供給の端末に変圧器を使用しないようにできる。

また、本発明の主題は、本発明に係る電解槽を適用した電気分解による、少なくとも一種類の気体の製造方法である。

そこでは、おおよそ、電気分解槽の圧力が、それの通常の貯留および／または配分時の前記気体の、例えば、３０バールと１３０バールとの間の圧力に等しくなっている。

電解プレートに十分な量の水の層を確保すると同時に、電解槽の出口で高い水素分子の蒸気圧を得ることが可能なように、水蒸気のモル流量と生成された水素分子のモル流量との比を効果的な２から５の値としている。

本発明は、以下の記載および添付の図面によって一層よく理解される。

生成された水素を収集し、高温の熱輸送流体を本発明に係る電解槽に供給するための筐体の概略図である。 本発明に係る電解槽に熱輸送流体を供給し、低温の熱輸送流体を収集するための筐体の概略図である。 本発明に係る組立途中の電解プレートの主要部の斜視図を示している。 本発明に係る組立途中の電解プレートの主要部の斜視図を示している。 完成した主要部の斜視図である。 主要部の縦断面図である。 電解プレートを形成するために主要部を取り囲む枠体の斜視図である。 電解プレートの斜視図である。 本発明に係る電解槽の電解プレート位置での横断面図である。 本発明に係る電解槽の電解プレート位置での横断面図である。 本発明に係る電解槽用の加熱板の正面図を示している。 本発明に係る電解槽用の加熱板の横断面図を示している。 本発明に係る電解槽用の加熱板の縦断面図を示している。 本発明に係る電解槽の加熱板位置での横断面図である。 電解プレートおよび加熱板の側端部を受け入れるための摺接部を支持する電解槽の側壁の内側面の正面図である。 電解プレートを直列に接続した場合の電解槽の上面図である。 上部筐体に接続するための接続プレートの底面図である。 上部筐体に接続するための接続プレートの縦断面図である。 上部筐体に接続するための接続プレートの上面図である。 下部筐体に取り付けられた接続プレートの下面図である。 サブグループを平行に接続した場合の電解プレートの電気接点の概略図である。 サブグループを平行に接続した場合の電解プレートの電気接点の概略図である。 並流処理モードにおける、本発明に係る電解槽の電解プレートに沿った、水／水素混合物および熱輸送流体の温度分布を示している。 逆流処理モードにおける、本発明に係る電解槽の電解プレートに沿った、水／水素混合物および熱輸送流体の２つの場合の温度分布を示している。 逆流処理モードにおける、本発明に係る電解槽の電解プレートに沿った、水／水素混合物および熱輸送流体の２つの場合の温度分布を示している。 水解離反応の熱力学的関数を示している。 本電解槽についての温度に対する熱／電気分布を棒グラフで示している。 電流密度に対する電位の変化に見られる典型的な電解槽の特性を示している。 従来の外熱式処理による電解槽の場合に、一体化した加熱装置を使用しない電解槽内での混合物の温度分布曲線を示している。

実例として、電流Ｉが供給される、陽極、陰極および電解質からなる、構成要素としての水の電気分解セルの、高温での異なる処理過程が記述される。

これらの異なる部品がセラミック材料によって形成されている。

水分解反応は吸熱過程であり、ギブス−ヘルムホルツ方程式は、吸熱反応中の試薬・生成物混合物の自由エンタルピーの変化量が、反応温度にしたがって減少することを示し、
さらに概略的には、水蒸気・水素混合物および生成された酸素の温度が高くなればなる程、水分子の分解のために必要とされる電気エネルギーの要素が少なくなり、混合物を一定温度に保つために必要とされる熱エネルギーの要素が大きくなることを意味する、

１バール（標準状態）の圧力下での、１モルの水の分解に対して、温度の関数としての
ΔＧ°，ΔＨ°およびＴ・ΔＳ°の値（ただし、ΔＨ°は、ΔＨ°＝Ｔ・ΔＳ°＋ΔＧ°
を満たす全エネルギー）は、それぞれ、図 ２１に示されたグラフにおいて、飽和温度において、１モルの水に対する気化熱に等しいＴ・ΔＳ°にしたがって減少する曲線ΔＧ°，ΔＨ°，Ｔ・ΔＳ°によって与えられる。

本発明に関連する領域、すなわち、気相において、ΔＨ°およびΔＳ°の値は、おおよそ一定であり、温度 Ｔ・ΔＳ°によるエントロピーの生成によって表現された、１モルの水蒸気の分解に対して供給可能な熱エネルギーは、温度に比例している。

このとき、電気エネルギーを表す項ΔＧ°（Ｔ）は、温度Ｔでの純物質の変化に対して、温度に関して線形に減少する必要がある。

これらの条件下で、温度Ｔおよび全圧Ｐにおける気相中の１モルの水に対する全体の電気分解反応は、
Ｈ_２Ｏ（ｇ） → Ｈ_２（ｇ） ＋ １／２Ｏ_２（ｇ） （１）
であると分かる。

この化学反応には、自由エンタルピーΔＧの変化が伴う。

単純化のために、完全気体の混合物に対して、ラウールの法則を仮定するならば、水蒸気状態における１モルの水の分解に対して、必要な電気エネルギーを示す自由エンタルピーΔＧの変化量は、
ΔＧ（Ｔ，Ｐ）＝ΔＧ°（Ｔ，Ｐ_Ｏ） ＋ ＲＴ・Ｌｎ（Ｐ_Ｈ２・Ｐ_Ｏ２ ^１／２／Ｐ_Ｈ２Ｏ）
と記述される。

ただし、ΔＧ°（Ｔ）は、温度Ｔ，Ｐ_Ｏ＝１バールでの自由エンタルピーについてのギブスの標準偏差であり、
Ｐ_Ｈ２， Ｐ_Ｏ２ は、バール単位の気体の分圧、
Ｐ_Ｈ２Ｏは、バール単位の水の水蒸気の分圧、
Ｔは、Ｋ単位の温度、
Ｒは、気体定数（８．３１４Ｊ・ｍｏｌ^−１Ｋ^−１）である。

ΔＧは、温度Ｔ、全圧Ｐでの１モルの水蒸気を分解するために供給されるエネルギーを表している。

２Ｆ・Ｅは、２Ｆの電荷（ただし、Ｆはファラデー定数、すなわち、１モルの電子の電荷の絶対値、すなわち、９６４８５Ｃ）が、０の基準電位から電位Ｅに移るときに供給される電気エネルギーである。

したがって、（電流０での）平衡電位の絶対値は、Ｅ_ｉ＝０＝ΔＧ／２Ｆと記述される。

よって、ネルンストの法則により、
Ｅ_ｉ＝０＝Ｅ°＋（ＲＴ／２Ｆ）・Ｌｎ（Ｐ_Ｈ２・Ｐ_Ｏ２ ^１／２／Ｐ_Ｈ２Ｏ）となる。

ただし、Ｅ°はΔＧ°／２Ｆに等しい。

閉回路において、電気分解の電極に加えられる電圧は、ネルンストの法則によって与えられる可逆電圧 Ｅ_ｉ＝０より大きい。

セルの異なる構成部品における電流Ｉの設定によって、非常に多くの不可逆現象が生じる。

最も重要な現象は、
・ 電解プレートおよび配線に形成される物質による、抵抗による電圧降下の原因となる
電流の通過に対する抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ）と、（損失要因の１つは、固体の電解質と関係している。）
・ 電極−気体の境界層での素反応の活性化と、電極間での気体の拡散とに関係する電極の過電圧（η）と、
である。

したがって、電気分解セルの電極に加えられる電圧は、
Ｅ＝Ｅ_ｉ＝０＋Ｒｏｈｍｉｃ・Ｉ＋Ση
あるいは、

Ｅ＝Ｅ°＋（ＲＴ／２Ｆ）・Ｌｎ（Ｐ_Ｈ２・Ｐ_Ｏ２ ^１／２／Ｐ_Ｈ２Ｏ）＋Ｒｏｈｍｉｃ・Ｉ＋Ση
と記述される。

オーム抵抗および過電圧の値は電解槽の物理的特性に依存し、それらは処理温度にしたがって減少する。

もうすでに前に示したように、（図１８に示されるような）７５０℃程度の温度閾値を下回る今までの装置に対して、電気分解セルへの電気的供給によるジュール効果によって
生成された熱量は、電気分解反応によって消費される熱量より大きく、したがって、組立部品の反応は発熱反応となる。

力学的抵抗による制約を考慮した、特に物質の選択と電極および電解質の厚さの削減とにおける最新の技術的発展においては、電解槽が吸熱モードで機能して以降、温度閾値を下げる傾向にある。

電気分解の間、エントロピー要素Ｔ・ΔＳに対応するエネルギー量を、熱として反応に供給しなければならない。

この熱の要素は、電解槽内で電気分解セルを通過する電流Ｉに依存して、ジュール効果によって生成される。すなわち、

（抵抗）・Ｉ^２＋Ση・Ｉ＞Ｔ・ΔＳ・Ｉ／２Ｆである場合には、電解槽は過剰に熱を生成し、その場合は、試薬と生成物とを一定温度に維持するために低温源への熱の排出が必要となる発熱モードとなる。

（抵抗）・Ｉ^２＋Ση・Ｉ＝Ｔ・ΔＳ・Ｉ／２Ｆである場合には、電解槽は十分な熱を生成し、その場合は、試薬と生成物との温度を維持するために外部の熱源を必要としない熱平衡状態となり、したがって、電解槽は外部の熱源を使用しない自己熱モードとなる。

（抵抗）・Ｉ^２＋Ση・Ｉ＜Ｔ・ΔＳ・Ｉ／２Ｆである場合には、電解槽によって生成された熱は、熱平衡での水分解反応を維持するのに十分ではなく、電解槽は外部の熱源からの熱の供給が一定温度を維持するのに必要となる吸熱モードとなる。

このとき、その処理モードは外熱式となる。

例として、図１９は、３０バールの全圧、９００℃の温度、０．５に固定された平均の比Ｈ_２／Ｈ_２Ｏおよび３０μｍの電解質の厚さに対して、電解プレートでの電流密度Ｄ_Ｃ（ただし、Ｉをプレートに供給されるＡ単位の電流、Ｓを陽極／電解質／陰極のｃｍ^２単位の表面積としたＡ／ｃｍ^２単位の比Ｉ／Ｓ）の関数として、Ｖと表された電位Ｅ（Ｅ＝Ｅ_ｉ＝０＋（抵抗）・Ｉ＋Ση）の計算された傾向を示している。

ΔＨ／２Ｆの値である電位Ｖ１を超えると、反応モードは発熱となる。

ΔＧ／２Ｆの値である電位Ｖ２は、電気分解に必要とされる最小の電位である。

電位Ｖ１とＶ２との間では、反応モードは吸熱となる。

ある電解プレートの例では、その特性が図１９に示されており、その電流密度は、熱平衡の特定の値に対応する０．９９Ａ・ｃｍ^−２となる。

この値を超えると、水素は発熱モードで生成される。

この場合の電解プレートの吸熱反応は、電流密度が０Ａ・ｃｍ^−２から０．９８Ａ・ｃｍ^−２の範囲内にあり、過電圧および抵抗損Δｅｌｅｃによっては、十分な熱が生成されず、したがって、分解された水の１モル当りに対して、外部の熱源から熱量Ｑ_ａｌｌｏを供給する必要がある。

本発明に係る電解槽では、安定かつ一定の温度条件の下で、吸熱作用を利用した電気分解が可能となる。

図１〜１３では、直列の電解プレートに電源が供給される本発明に係る交換体−電解槽の変形例が示される。

記載を継続するに当り、簡単のために、電解槽によって交換体−電解槽を限定する。

図７Ａおよび７Ｂ図に示されるように、電解槽は、生成された水素分子Ｈ_２を収集するための筐体を形成している上部筐体２、中部筐体４、および、水蒸気を供給するための筐体を形成している下部筐体６を有している。

これらの３つの構成要素は、高圧、すなわち、数十バールの圧力の水蒸気によって大部分が満たされる直角な平行６面体に近い形状を有する密閉された金属製のエンクロージャーを形成するために、一体に溶接するか、あるいは、ブラケット７と共に組み立ててもよい。

これらの圧力は、その後に続く圧縮過程を有効に制限するために、生成気体の貯留および輸送の圧力と一致している。

これらの圧力は、例えば、３０バールと１３０バールとの間か、それ以上となる。

エンクロージャーは、例えば、数センチメートル程度の所定の厚さを有する、例えば、８００Ｈのステンレススチールまたはハステロイによって形成してもよい。

“Ｒｅｇｌｅｓ ｄｅ Ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ ｅｔ ｄｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｅｓｍａｔｅｒｉｅｌｓ”（装置を設計および製造する際の基準）にしたがって、圧力レベルに対応してエンクロージャーの壁の厚さを設定してもよい。

電気分解容器の単純な形状を配慮して、内壁を１センチメートル以上の炭化ケイ素（ＳｉＣ）により内張りして、腐食現象から機械筐体を保護し、機械壁の温度を僅かに下げるように本発明の装置を構成してもよい。

また、機械的筐体の内壁を保護するために、耐熱ガラスコーティング技術を利用してもよい。

炭化ケイ素の内張り材料は、装置の熱損失を抑制するのにも貢献する。

また、本発明では、熱輸送流体を利用する電解槽の内部に加熱手段を有している。

図示された例においては、密閉されたエンクロージャー内で、加熱手段が電解プレート８と交互に配置された加熱板１０によって形成されている。

熱交換によってエンクロージャー内に導入された流体を熱するように、熱輸送流体が加熱板８内で循環するように構成されている。

熱輸送流体には、例えば、ボイラーや熱交換タイプの外部の熱源によって、高温が与えられる。

熱輸送流体は、液相、すなわち、溶融金属または溶融塩であっても、気相であってもよい。

また、熱輸送流体は、高圧下の、例えば、ヘリウムのような気体であってもよい。

熱輸送流体は、電気分解を受ける流体、および／または、電気分解の生成物とは異なる性質であってもよい。

電解プレートの電源供給は、上部筐体２と下部筐体６とによって可能となる。

以下の記載において、電解槽の各部品のについて詳細に記載する。

上部筐体２は開いた箱の形状であり、その上面部９は、加熱板の端末部が挿通されるように調整された複数の開口部１３が設けられた第１の凹部１１を有し、高温の輸送流体を分配するための管路１４によって覆われており、管路１４は上面部９に密閉可能に接続されるか、あるいは、溶接されている。

上面部９は、電解槽プレート８から酸素を収集するための端末部を挿通させる複数の開口部１５が設けられた第２凹部１２を有し、酸素を収集するための上部の管路１６によって覆われており、管路１６は上面部９に密閉可能に接続されるか、あるいは、溶接されている。

また、上部の電気接点のための冷却流路１８は、供給プレートの陽極ピンまたは陰極ピンを挿通させるための複数の開口部１９を効果的に覆っており、密閉可能に第２凹部１２に接続されるか、あるいは、溶接されている。

また、上部筐体２は、電解槽−交換体内で形成された水蒸気／水素の混合物を放出するための主管路２０を有している。

図１０に示したように、中部筐体４は、加熱板８を有する電解プレート１２をそれぞれ交互に挿入するために、２つの対向面に摺接部２２，２４を有する開いた平行６面体形状の金属製筐体を有している。

下部筐体６は、上部筐体２の形状に非常に近い形状を呈している。

下部筐体６は、開いた箱の形状を有しており、それの下面部２６も凹部２８を有している。

凹部２８には、低温の流体を収集するための端末部を挿通させる一組の開口部２９が形成されている。

これらの開口部２９は、低温の熱輸送流体を収集するための管路３０によって覆われており、凹部２８上に溶接されている。

別の凹部３２は、酸素を収集するための端末部を挿通させるための開口部３３を有し、酸素を収集するための下部の管路３４によって覆われており、凹部３２に密閉可能に接続されるか、あるいは、溶接されている。

また、下部の電気接点を冷却するための流路３６が、陽極ピンおよび／または陰極ピンを挿通させるための開口部３５上に効果的に設けられ、凹部３２に溶接されている。

また、下部筐体６は、圧縮水蒸気の主供給管路３８も有している。

図示された例において、電解プレートへの電源からの電力供給は、冷却流路１８， ３６内に設置された金属製のブレイドによって達成される。

金属製のブレイドによって、金属製導体の非常に優れた電気伝導度を得ることが可能である。

さらに、電気接点は電解槽の外部に配置されるので、電解槽内で高温に曝されることがない。

この後、本発明に係る電解プレート８について説明する。

電解プレート８は、主要部８．１と枠体８．２とを有している。

本発明に係る主要部８．１は、一般に、薄片を重ねて作られている。

すなわち、主要部８．１は、層の重ね合わせによって形成されている。

これらの層は、特に、図４の電解プレートの縦断面図に示されている。

本発明に係る主要部８．１は、硬い芯部４０を有し、その主表面の両側が陽極４２によって覆われ、陽極は電解質４４によって覆われ、そして、電解質４４は陰極４６によって覆われている。

芯部４０は電流の伝導性のために金属製とすると有効であるが、それは高密度かつ導電性を有するセラミック材料、例えば、非常に高密度で陽極を作るのに使用された材料を使って作られている。

芯部４０は、おおよそ、数ミリメートル厚の方形形状を呈しており、長手方向の端部に、陽極４２を電源に接続するための、例えば、厚さ１から２センチメートル程度の陽極ピン５０と一体化した、さらに厚いヘッド４８を有している。

芯部４０は、陽極４２で生成された酸素を有効に排出するための手段５２を有している。

これらの排出手段５２は、図２Ａ中に示されるように、図示された例において、芯部の各面に形成された溝部５４によって、貯留部５６を有するように形成されている。

貯留部５６ は、陽極の異なる位置で酸素を収集する途中の貯留部５６．１と、溝部５４を通して全ての途中の貯留部５６．１に接続され、直接、酸素収集器に接続される主貯留部５６．２とに分類されている。

溝部５４および貯留部５６．１，５６．２には、金属製芯部の表面に陽極形成層が堆積可能となるように、例えば、優れた導電体である金属発泡体などの多孔質材料が満たされている。

溝部５４は、酸素の一様かつ効果的な収集を確保するために芯部の表面に形成されている。

芯部は、板上の溝部の長さと、それらの配置とによって異なる寸法を有している。

主貯留部５６．２は、図４に示される金属発泡体で満たされた通過凹部に形成されている。

通過凹部は、金属製の芯部に、長手方向に形成された穴６０を通して酸素を収集するための端末部５８のノズルに接続されている。

陽極４２は、多孔質セラミックタイプの陽極であり、例えば、ストロンチウムや同様の物質をドーピングした亜マンガン酸ランタンなどの、非常に優れた電気伝導体である。

亜マンガン酸ランタンは、約１０分の１ミリメートルの薄層として堆積される。

図２Ｂでは、金属製の芯部４０が陽極４２によって覆われていることが分かる。

電解質４４は、密閉されており、電気的絶縁体であると共に優れたイオン導体であり、例えば、それは、陽極４２に、例えば、約４０μｍの非常に薄い層として堆積された安定化ジルコニア内に形成される。

一様な平面を形成するために、電解質は、金属製の芯部４０の陽極には覆われていない部分には一層厚い層で堆積される。

陰極４６は、例えば、金属セラミック、ニッケル、安定化ジルコニア内に形成される。

安定化ジルコニアは、電解質４４に約１０分の１ミリメートルの薄層として堆積される。

前に示したように、電解プレート８には、主貯留部５６．２に接続される金属製の端末部５８が設けられている。

この端末部５８は、例えば、電気的に絶縁されたネジによって金属製の芯部４０のヘッドに対して取り付けられた金属製の支持体６２に溶接できる。

ただし、芯部４０と支持体６２のヘッドとの間には、電気的絶縁体の密閉ガスケット６４が設けられている。

また、ガスケット６４を不使用とするために、この端末部５８を、芯部４０のヘッドに直接溶接してもよい。

この場合には、電気的な絶縁は電解槽の出口でなされる。

完成した電解プレートを使用して完成した主要部８．１が、図３に示されている。

図５には、主要部８．１のどちらか一方の側になるように構成された２つの金属製の半殻部６６と、両方の半殻部６６の間で主要部８．１を締め付けるための封鎖・締付手段６８とによって形成された枠体８．２が示されている。

それによって生じた圧縮力によって、電解プレートの剛性および密閉性が加えられる。

さらに、枠体８．２は、例えば金属などの導電体であり、枠体８．２によって支持される陰極４６と陰極ピン７０との間の継続的な電気的接続を保証している。

陰極ピン７０は、陽極ピン５０の軸方向の反対側に設けられている。

電気的絶縁ガスケット７２は、金属製の芯部４０のヘッドと枠体８．２との間と、主要
部８．１の側面と金属製の枠体８．２との間とに設けられている。

枠体８．２を使用することによって、陰極ピン７０に陰極を接続するための接続ケーブ
ルの使用を避けることができる。

例えば、締付手段は、半殻部６６のブラケット７４の内部に取り付けられたネジ−ナッ
トタイプのものであり、また、これらのブラケットは、電解槽の中部筐体４の摺接部２２
に受け入れられるように構成されたガイド部を形成している。

また、摺接部２２には、筐体から陰極を絶縁して短絡を避ける電気的絶縁手段７５が設
けられている。

高い水蒸気圧を有する反応による電解プレート８での反応の実行を保証するために、電
解プレートの主要部８．１を形成している互いに反対の異なる層が非常に強く一様に平坦
化されることに注意すべきである。

水蒸気／水素混合物の圧力は、排出手段によって収集される酸素の圧力より、ずっと高
いので、電気分解のエンクロージャーに含まれる水蒸気／水素混合物の圧力が高い程、陰
極４６は電解質４４上で、電解質４４は陽極４２上で、そして、陽極４２は金属製の芯部
４０上で一層強く一様に平坦化され、これにより、これらの異なる部材間の電気的接続性
は一層よくなる。

したがって、このことにより、このタイプの電解槽に対して、時間に対して一定の高い
性能の獲得が促進される。

したがって、電気分解に適用される電圧の式を再び利用するならば、不可逆性の項は、
抵抗損の項と活性化過電圧の項Σηとからなる。

ところで、本発明に係る電解槽が機能する８００℃以上の温度では、水の解離反応は温
度によって活性化する。

したがって、反応には非常に低い活性化過電圧Σηだけが必要となる。

このとき、電気分解セルの電極の全電圧は、おおよそ、電流密度に対して線形に変化す
る電流０での電圧と抵抗による電圧降下との和にまとめられる。

したがって、金属製の芯部上の陽極と、陽極上の電解質とを平坦化することによって、
抵抗による電圧降下の項は小さくなり、それゆえ、高い吸熱性を有する反応を可能とする
不可逆性の項が小さくなる。

また、抵抗損の低減により、強い電流の電気ダクトがエンクロージャーの外部で維持さ
れることによって、それらを低い温度に維持することが可能になる。

また、本発明は、酸素用の管路と水素を有した管路との間の密閉を容易にし、それを一
層効果的になせる利点を有している。

実際、生成された水素流に対して十分な水蒸気流を維持することによって、そして、一
定の水蒸気／水素混合物を維持することによって、密閉ガスケットは電解プレートで一定
の水素含有の水蒸気混合物の外部の過圧に曝されるが、内部の過圧には曝されないので、
密閉材を容易に製造することができる。

よって、電解槽の耐用年数は増加する。

この後、図８Ａ〜図８Ｃに図示された本発明に係る加熱板１０について説明する。

加熱板は、例えば、８００Ｈの鋼、あるいは、ハステロイに貼り付けられ、それらの全
周で溶接された２枚の金属製シート７６を有している。

２枚の金属製のシート７６の間には、上端部１０．１と下端部１０．２との間に沿って
延び、熱輸送流体が循環される数百の流路を有する熱交換体７８が配置されている。

高温の熱輸送流体を通す連結管８０は上端部８．１に設けられ、低温の熱輸送流体を排
出するための連結管８２は下端部８．２に設けられている。
端末部８４，８６は、吸気用の連結管８０と排出用の連結管８２とに設けられており、こ
れらの端末部８４，８６は、連結管８０，８２に有効に溶接された金属製である。
さらに、２つのガイド８６が、中部筐体４の摺接部２４の間を挿通するように、加熱板１
０の側面側に設けられている。

この後、電解プレート８を直列に組み立てる場合の、本発明に係る電解槽を構成してい
る異なる部材の組み立てについて説明する。

まず、はじめに、図７Ａを参照する。

下部筐体６は、中部筐体４に取り付けられている。

このとき、電解プレート８は、摺接部２２内に、それの側部のガイド７４を摺接するこ
とによって中部筐体４の中に挿入されている。

陰極ピン７０は、冷却流路３６内の下部筐体６の、このために形成された開口部３５に
挿通されている。

それから、図９に示されるように、加熱板１０は近接した摺接部２４内に挿入され、低
温の熱輸送流体の排出用の端末部８６が、下部筐体６内に設けられた開口部２９に挿通さ
れている。

次に、図７Ｂに図示されているように、別の電解プレート７８が、陽極ピン５０を開口
部３５に挿通させるといった方法で、このとき、中部筐体４の中に導入される。

また、このとき、酸素５８を収集するための端末部は、酸素３４を収集するための流路
内に開けられたオリフィス３３に挿通される。

次に、新しい加熱板１０を、前の加熱板などと同様の方法で、筐体が満たされるまで近
接して導入する。

電解プレート８には、交互に上向き下向きに陽極ピン５０が導入されるので、このこと
は後から分かるように、電気接点の長さを短くすることができ、同一の電解プレートだけ
が使用できることに注意すべきである。

このとき、上部筐体２は、中部筐体４に配置されているので、陽極ピン５０が開口部１
９を挿通し、酸素を収集するための端末部５８が開口部１５を挿通し、そして、高温の熱
輸送流体を供給するための端末８４が開口部１３を挿通する。

高温の熱輸送流体の管路１４は高温の熱輸送流体の供給源に接続され、酸素を収集する
ための管路１６は酸素を貯留するための貯留部に接続され、主管路２０は、水／水素混合
物を再生するための貯留部に接続される。

吸気用の端末部８４は上部筐体の凹部１１の上面部に溶接され、その結果、それらは高
温の熱輸送流体の流路に接続される。

溶接することによって、追加の密閉手段の使用を避けることができ、これにより、電解
槽の耐用年数が増大する。

上部筐体２から広がる陽極ピン５０および陰極ピン７０は、図１１に図示されたように
接続されている。

ただし、冷却流路１８は省かれている。

この電気接点は、プレートに沿って走るケーブルを使用することなく、電解プレート８
の直列の組み立てを可能にする。

上部筐体２および下部筐体６の凹部によって、陽極ピンおよび陰極ピンが必要とする長
さが短くなり、これにより、ジュール効果による損失を減少させる利点を有している。

本発明の装置は、陽極ピン５０および陰極ピン７０を横切る図１２Ａ〜図１２Ｃに図示
された接続プレート８８が効果的に配置されるように構成されている。

直列に組み立てる場合には、短絡を避けるため、この接続プレート８８を陽極ピンおよ
び／または陰極ピンが絶縁されるようにセラミック内に形成する。

例えば、接続プレート８８は、電解槽内の圧力レベルによって、１から数センチメート
ルの厚さを有しており、その密閉ガスケットは電気分解の容器に関する接続の気密性およ
び電気的絶縁性を保証している。

接続プレート８８は、陽極ピン５０および陰極ピン７０を挿通させるために一列に並べ
られた穴９０を有している。

さらに、プレート８８は、それが設けられる筐体２への取り付けための、および、密閉
ガスケット（不図示）を圧縮するための締付ボルト９４を挿通させるために、それの外周
に穴９２を有している。

図１２Ｂでは、プレート８８の縦断面図を図示しており、各穴９０が密閉ガスケット９
６を有しているのが示されている。

図１２Ｃでは、電解プレートが直列接続になっている接続プレート８８が示されている
。

密閉ガスケット（不図示）は、接続プレート８８の下面部と上部筐体の外側面とに設け
られている。

第１の電解プレート８の陽極ピン５０．１は電源（不図示）に接続され、第２の電解プ
レート８の陰極ピン７０．１は陽極ピン５０．１に接続され、等となっている。

図１３には、下部筐体６の外側面に電気的接続のためのプレート８８と似た密閉プレー
ト９８が示されている。

並列に取り付ける場合には、これらの接続プレート８８，９８は、金属製であってもよ
いし、さらに一般には、導電性材料であってもよい。

このとき、ピンを接続プレート８８，９８に直接溶接してもよい。

さらに、記載された例において、陽極ピンおよび陰極ピンは矩形断面を呈しているが、
ケーブルクリップによって、陽極ピンおよび陰極ピンにケーブルが接続可能となるように
、それらが円形断面となるように本発明の装置を構成してもよい。

記載された例において、接続プレートは単一部品であるが、それを数個の部分からなる
ように構成してもよい。

それらの密閉ガスケット８９が設けられた接続プレート８８，９８を、電解プレートの
ピン５０，７０に摺接させ、それから上部筐体および下部筐体にネジ締めする。

ピン５０，７０は、それらのハウジング内に溶接され、熱輸送流体流用の管路１４、３
０は、分配用および収集用の流路を形成するだけではなく酸素用の管路１６，３４を形成
するように、丸められ、あるいは、溶接される。

高温の熱輸送流体と低温の熱輸送流体とを循環させるための流路が、酸素を放出し、電
気接点を冷却するために、それらの各管路に取り付けられている。

電解槽は、高圧あるいは超高圧下で反応するように構成されている。

このため、電解槽は、電解質の気体を数十バールの高圧あるいは超高圧に維持可能とす
るエンクロージャーを有している。

力学的な応力は、金属製に限定されたエンクロージャーによって大部分が吸収されるの
で、このような高圧処理あるいは超高圧処理であっても、本発明により可能となる。

他の機械部材、特に電解プレートは、それらに比べて、ずっと小さい力学的な応力に曝
されている。

したがって、寸法の制限は、主にエンクロージャーと関係し、電解槽の他の部材には関
係しない。

さらに、すでに記載してきたように、電解プレートが含む生成気体は、それが曝されて
いる気体より低い圧力となっているので、電解プレートは圧縮状態で機能する。

また、熱輸送流体の圧力が、例えば、液体金属タイプまたは溶融塩タイプの熱輸送流体
の場合など、電解質ガスの圧力より小さい場合や、熱輸送流体の圧力が、電解質気体の圧
力と同一のレベルか、または僅かに大きい場合には、小さい引張応力によって加熱板も圧
縮状態で機能する。

したがって、本発明の電気分解装置よって、生成された気体の貯留および輸送のために
必要とされる圧縮レベルの低減が可能となり、数十バールの超高圧下での電気分解により
生成された気体の生成物を直接得ることが可能となり、貯留および輸送圧力は、今のとこ
ろ、水素に対して３０から１３０バールの範囲内となっている。

気体の圧縮には、電解槽より下流に、多くのエネルギーを消費する電気圧縮機が必要と
なる。

また、これによって、異なるプレート間の電気分解気体の流速を低減することが可能と
なり、したがって、電解槽内での圧力損失を低減することも可能である。

また、これによって、回路内の圧力を上昇させるように、電気圧縮機の電気消費量を低
減させるように、気体流の圧力損失の値を維持すると同時に、本発明の装置の大きい製造
能力に対する製造ユニットの許容可能な寸法を得ることができる。

さらに、本発明に係る電解槽では、電気分解される流体の供給が、工場の供給過程のポ
ンプの一部だけを利用した圧縮装置、製造工場の異なる工程の高圧あるいは超高圧での処
理でも可能になる。

これによって、工場の本発明の異なる装置が、一層コンパクトに構成でき、工場での電
気消費量が必要とされる圧縮機の削減あるいは削除、または、圧力損失の低減によって、
回路中の圧力の上昇のための電気圧縮機の能力の低減によってさえも低減することができ
る。

例として、本発明に係る電解槽は、５８個の電解プレートと５９個の加熱板とを有して
いてもよい。

例えば、電解プレートは、幅０．１６ｍ、高さ０．３８ｍ、および、厚さ０．０１３３
ｍを有していてもよい。

このとき、陰極の機能部分を、高さ０．３５ｍおよび幅０．１１９ｍの矩形状に形成し
てもよい。

加熱板１０は、高さと幅とについて、電解プレート８と同様の寸法を有している。

流路は、内側が０．００４ｍの水力直径を有していてもよい。

ただし、金属製のシートの厚さは０．００１ｍであり、プレートの外厚を０．００６ｍ
とするシートの厚さは、熱輸送気体と水蒸気との圧力差が無いので、薄くてもよい。

加熱板と電解プレートとの間の間隙を０．００３ ｍとする。

このとき、中部筐体の内側の寸法は、以下の
・ 高さ：０．３８ｍ、
・ 幅 ：０．１６ｍ、
・ 長さ：１．４８ｍ
である。

この電解槽では０．０５ｍｏｌ／ｓ、すなわち、４．３２０Ｎｍ^３／ｈの水素が生成可
能である。

図７Ａおよび図７Ｂおよび図９に図示された場合のように、
熱輸送流体および水蒸気／水素混合物を、高温の輸送流体の流入が同一側の底部を通して
生じる並流として、あるいは、高温の輸送流体の流入が、このとき、水蒸気／水素の混合
物の流入とは反対側に頂部を通して生じる逆流として流すことが可能である。

電解プレートを直列に取り付けることによって、電力供給の電流が低減され、これによ
り、供給ブレイドのサイズが低減され、結果として、ジュール効果による損失を低減する
ことができる。

別の実施例では、本発明の装置を、電解プレートを並列に接続するように構成してもよ
い。

第１の変形例では、全ての電解プレートを並列に取り付けてもよい。

この取り付けによって、陽極ピンおよび陰極ピンを接続プレートに直接溶接できる。

別の変形例では、本発明の装置は、直列に接続された電解プレートのグループを作るよ
うに構成されている。

ただし、そのグループ自体は並列に接続される。
この並列の組み立てによって、電解槽の電極電位差を電気的幹線に使用できる電位差に調
整することができる。

実際、並列の組み立て構造に対応して、接続グループＧ１，Ｇ２を並列に形成し、それ
らを接続し、それから、直列の組み立て構造に対応して、これらのグループを一体に接続
するために、それを電解プレートの所定の数にグループ化することができる。

これによって、中部筐体４内で電解プレートを組み立てるのに、本発明の装置は適して
いる。

例えば、上方を向いた陽極ピン５０によって同一方向に平行な接続グループＧ１の全て
のプレートを置き、それから、次の、上記と反対方向を向いた接続グループＧ２の全ての
プレートと、下方に向いた陽極ピン５０とを置き、そして、最終的に、図１４Ａ（上部筐
体 ２への接続）および図１４Ｂ（下部筐体６への接続）に図示された接続図に係る電気
接点を構成する。

本発明に係る電解槽は、それ自体、このタイプの組み立て構造に有効に役立つ。

なぜなら、接続グループの全電流に耐えるの唯一の導電性の部材は、低い温度で機能す
る外部の金属製のブレイドだけである。

そして、この温度からブレイドの断面積が計算できる。

本発明に係る電解プレートは、本発明の修正を必要とせずに、直列または並列に組み立
て可能とする利点を有しており、電解プレートの挿入の方向は、直列または並列に接続を
可能とするのに適している。

この後、分解される試薬が３０バールの圧力下で８５０℃の温度に過熱された水蒸気の
場合に、本発明に係る電解槽の寸法の例を与える。

この温度では、１モルの水を解離するために（そして、１モルの水素を生成するために
）必要とされるエネルギーの総量は、電気エネルギーの総量１６７．２ ｋＪ／ｍｏｌと
熱量８０ｋＪ／ｍｏｌとを含めて２４７．２ｋＪ／ｍｏｌ程度である BR>B

２０００Ａ／ｍ^２の電流密度に対して、電極間の電位差は、約１．０６ボルトであり、
電極を通過する電流の通路および電解質を通過するＯ_２ ⁻ イオンの通路によって生成さ
れる熱は、３７．４ ｋＪ／ｍｏｌ程度である。

したがって、４２．６ ｋＪ／ｍｏｌのエネルギーを、加熱板を流れる熱輸送流体によ
って供給される熱として直接供給することが可能になる。

上述された例は、最適な動作点であって、水の供給流量を低減することによって、水素
の分圧を増大させることができる。

選択された熱輸送流体は、３０バールの圧力下で９００℃の温度のヘリウムである。

水蒸気による電解プレートの包囲を確実にするために選択された水の供給流量は、生成
された水素の流量より５倍大きい、すなわち、上記の単位に対して０．２５ｍｏｌ／ｓの
水蒸気の供給流量である。

特に、水蒸気／生成された水素のモル流量は、水蒸気による電解プレートの適切な包囲
を確実にすると同時に、水素の高蒸気分圧を得るために、２〜５の範囲で決定される。

実用的には、電解プレートの幅を０．１１９ｍに、その高さを０．３５ｍに設定すると
、このとき、プレート毎の陽極および陰極の表面積は０．０８３３ｍ２となり、２０００
Ａ／ｍ^２の電流密度では、１つのプレートに対して必要とされる電流が、１．０６Ｖの電
圧で０．１６６３ｋＡとなる。

電流が大きいと、電解プレートの電気抵抗および発生する熱を抑えるために、厚さの厚
い金属製の陽極の支持体（０．８ｃｍ）が必要となる。

このとき、電解プレートの数は５８個であり、このとき、加熱板の数は５９個である。

このような電解槽の生成物は０．０５ｍｏｌ／ｓ、すなわち、４．３２ Ｎｍ^３／ｈｏ
ｕｒとなる。

電解プレートは、全体的に０．０１３３ｍの厚さを有している。

加熱板と電解プレートとの間の空間（隙間）は、０．００３ｍに等しくなるように選択
されている。

加熱板は０．００６ｍの厚さを有している。

中央ブロックは、１．４８ｍの長さ、０．３８ｍの高さ、および、０．１６ｍの幅を有
している。

筐体２，６の内側の寸法は、水蒸気／水素混合物の水蒸気の適切な配分および収集が保
証される幅０．１６ｍ、および、長さ１．４８ｍであり、数十のセンチメートルの深さを
有している。

熱輸送流体との関係で、入口／出口の温度差が３５°程度になることが分かる。

そして、０．０５ｍｏｌ／ｓの水蒸気を解離するために必要とされる熱量を供給するた
めのヘリウムの全流量は３ｍｏｌ／ｓとなる。

この後、本発明の性能、特に僅かな温度変化と、特に電解プレートに沿った電解槽中で
の温度分布の一様性を示す、永続的な反応の熱力学の数値シミュレーションについて説明
する。

加熱板と電解プレートとの間の試薬の流れを計算するための熱化学的な記号は、一方で
陰極と接触する各水分子の解離に対して必要とされる化学反応のエンタルピーと、他方で
熱輸送流体による加熱板の壁体を通しての熱交換とを考慮している。

陰極に沿ったｃｍ単位での、それの流れの方向の、水蒸気／水素混合物の℃単位での温
度の実線のグラフと、熱輸送流体として使用されたヘリウムの温度の破線のグラフとが、
図１５に図示されている。

水蒸気の流量は、電気分解容器の入口では、８５０℃の温度、３０バールの圧力に対し
て、０．２５ ｍｏｌ／ｓとなる。

熱輸送流体として使用されるヘリウムに対して、入口の温度は９００℃となり、流量は
３ｍｏｌ／ｓとなる。

曲線を２つの領域に分けることができる。すなわち、
・ 水蒸気の過熱の、この（ヘリウムの熱輸送流体の流量に対して水蒸気の流量が小さい
）場合の比較的短い（長さ１２ｃｍの）領域
この部分では、加熱板によって供給される熱量が水分子を解離するのに必要とされる熱量
より大きい。
・ 平衡または冷却領域

ただし、ヘリウム、水蒸気および生成された水素の系の全熱慣性は高くなるので、加熱
板のヘリウムと水／水素混合物とが共に、ある勾配で、全てを一層低い温度に冷却する。

高温の輸送流体の温度と水蒸気の流入温度との間のほんの５０℃の違いによって、以下
のことが、図１５の曲線に表れる。すなわち、
・ 電解プレートの処理温度の変化の最大値は３３℃より小さい。
・ 混合物の流入および流出の温度は、流出の僅かな過熱によっておおよそ等しい。

ただし、流入温度は８５０℃であり、流出温度は８５４℃である。
・ さらに、電解槽の入口と出口との間の温度差を熱輸送流体の流量を増大あるいは減少
させることによって調節することができる。

試薬の低い流量により電解プレートでの一定の反応を得ることができるので、この曲線
は装置の利点を示している。

さらに一般には、液体の熱輸送流体を使用することにより、小さな質量熱容量を有する
気体、あるいは、大きな質量熱容量を有する気体の電気分解に対して、この装置が特に有
効になるように寸法付けることができる。

図１６Ａおよび図１６Ｂでは、陰極に沿った℃単位の温度分布、さらに一般には、ｃｍ
単位の電解プレートのグラフが、水蒸気／水素の混合物に関して、熱輸送流体流が逆流で
ある場合について見られる。

２つの処理の場合が可能となる。すなわち、
・ 過熱された水蒸気／水素混合物を電解槽の出口で要求する。
・ これは図１６Ａの場合である。

ただし、熱輸送流体の同一の流量および同一の流入温度が維持される。
・ このとき、目的として水蒸気の再利用が達成できる場合には、過熱が４０℃程度であ
ることに、特に興味がある。
・ 高温熱源と電解槽の安定化した反応温度の設定値との間の温度差の低減を目的として
おり、これは図１６Ｂの場合である。

ただし、同一の熱輸送流体の流量によって、ほんの８７９℃の高温の熱輸送流体を使っ
て、８５０℃の設定値の付近の２０℃の範囲で処理温度が得られる。
・ これらの性能は、熱輸送流体の流量を増大させることによって、さらに改善すること
ができる。

比較として、図２０は、生成された水素流量の５倍の水蒸気モル流量を有するが、一体
化した加熱装置を有さない高温電解槽内での、陰極に沿ったセンチメートル単位での距離
ｄの関数としての水蒸気／水素混合物の温度変化を示している。

電解槽の入口と出口との間の温度変化が２２０℃より大きいことと、８５０℃の流出温
度を確保するために、混合物の１０７５℃の流入温度が必要とされることが、この図２０
に示されている。

例として、９００℃で熱輸送流体を運ぶボイラーを有する本発明によって、電解槽全体
を、生成された水素のモル当たり４２ｋＪ、すなわち、消費される電気エネルギーの５分
の１（２０４ｋＪ／ｍｏｌ（Ｈ_２）は、水蒸発発生装置内で熱を供給することによって、
電解槽より上流の水蒸気により供給される。残りは４１ ｋＪ／ｍｏｌ（Ｈ_２））を熱と
して供給すると同時に、生成された水素の流量のたった５倍の水蒸気の流量によって、低
減された高温の範囲 ［８５０℃−８８０℃］内に維持できる。

本発明に係る電解槽を、水の電気分解および酸素の収集の例を使って説明してきた。

しかしながら、本発明に係る電解槽の構造が、他の気体の電気分解および任意の他の気
体の収集に適用できることがよく分かっている。

上述された電解槽は、機能流体の下方からの供給を有しているが、さらに一般に、エン
クロージャーの設計の単純化がなされる電解プレートに直交する供給の流れを有するよう
に、プレートの軸に対して側方からの供給が中央筐体内でなされてもよい。

Claims (23)

1. エンクロージャーと、
   陽極と陰極とをセットで有し、高温電気分解に耐えるように構成された少なくとも一つの電解プレートと、
   機能流体の加熱手段（１０）と、を有し、
   前記エンクロージャーは、少なくとも３０バールの圧力に電解質浴槽を維持可能とし、
   前記加熱手段（１０）は、エンクロージャー内に配置され、熱輸送流体を利用し、
   前記機能流体が気体であり、
   前記加熱手段は、
   前記電解プレート（８）に平行かつ近接して配置された少なくとも一つの板状であり、
   前記加熱板（１０）が前記電解プレート（８）と同一の大きさを有し、
   高温の熱輸送流体が供給される端部（８．１）と低温の熱輸送流体の連結管に接続される端部（８．２）との間に延びる複数の流路を有する熱交換体が配置された金属製の筐体を有していることを特徴とする外熱式モードでの処理を可能とする高温電気分解用の電解槽。
2. 前記熱輸送流体が、前記機能流体の圧力と同じ圧力の気体であることを特徴とする請求項１に記載の高温電解槽。
3. 前記熱輸送流体が、溶融金属であることを特徴とする請求項１に記載の電解槽。
4. 前記熱輸送流体が溶融塩によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電解槽。
5. 前記エンクロージャーが、下部筐体（６）、中部筐体（４）、および、上部筐体（２）を有していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか一項に記載の高温電解槽。
6. 前記電解プレート（８）が、
   板状の導電性の芯部（４０）によって形成された主要部（８．１）と、
   前記陽極（４２）によって、その両面を覆われ、それ自体、電解質（４４）によって覆われ、それ自体、前記陰極（４６）によって覆われ、そして、前記主要部（８．１）を取り囲み、前記主要部（８．１）を形成している層に圧縮力を働かせる導電性の枠体（８．２）と、を有していることを特徴とする請求項５に記載の高温電解槽。
7. 陽極ピン（５０）が、前記陽極（４２）を電流源に接続するための前記芯部（４０）に接続され、
   前記陰極（４６）が、それ自体、陰極ピン（７０）を支持する前記枠体（８．２）に電気的に接続され、
   前記陽極ピン（５０）および前記陰極ピン（７０）が前記電解プレート（８）の反対の端部にそれぞれに配置されていることを特徴とする請求項６に記載の高温電解槽。
8. 前記陽極に形成された少なくとも一つの流路と、
   前記陽極で生成された気体を前記電解槽の外部に運ぶために、該流路に接続された収集用の端末部（５８）と、を有し、
   前記陽極で生成された気体の圧力が、前記陰極、前記陽極、前記電解質での前記電解質槽の気体の圧力より低いことにより、前記陰極は互いに反対に押圧されていることを特徴とする請求項６または７に記載の高温電解槽。
9. 前記芯部（４０）に形成された溝部（５４）と貯留部（５６．１，５６．２）とによって形成された流路を有し、
   前記貯留部（５６．１，５６．２）の１つが、気体を収集するための前記端末部（５８）に接続され、主連結管に接続されていることを特徴とする請求項６ないし請求項８のうち何れか一項に記載の高温電解槽。
10. 複数の電解プレート（８）と、
    複数の加熱板（１０）と、を有し、
    前記加熱板（１０）が２つの電解プレート（８）の間に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の高温電解槽。
11. 前記電解プレート（８）が電気的に直列に接続され、
    電解プレート（８）の前記陽極ピン（５０）が前記下部筐体（６）を挿通し、
    前記近接したプレートの前記陽極ピン（５０）が前記上部筐体（２）を挿通するように、
    近接した前記電解プレート（８）が前記エンクロージャー内に取り付けられていることを特徴とする請求項１０に記載の高温電解槽。
12. 前記電解プレート（８）が電気的に並列に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の高温電解槽。
13. 前記電解プレート（８）が電気的に並列に接続されたグループ内で配分され、
    前記グループが一緒に直列に接続されて、
    これらのプレートの全ての前記陽極ピン（５０）が前記同一の下部筐体（６）または上部筐体（２）を挿通し、かつ、
    前記２つの近接したグループが、前記同一の筐体には挿通されない、それらの陽極ピン（５０）を有するように、
    同一のグループの前記電解プレート（８）が前記筐体内に取り付けられることを特徴とする請求項１０に記載の高温電解槽。
14. 前記電解プレート（８）が、前記中部筐体（４）に形成された摺接部（２２）によって前記エンクロージャー内に取り付けられ、
    電気的絶縁手段が、前記プレートと前記摺接部（２２）との間に設けられ、
    そこでは、前記加熱板（１０）も、前記中部筐体（４）に設けられた前記摺接部（２４）内に取り付けられていることを特徴とする請求項１０ないし請求項１３のうち何れか一項に記載の高温電解槽。
15. 前記上部筐体（２）と下部筐体（６）とが、
    熱輸送流体用の前記端末部と、陽極および陰極ピンと、前記機能流体のための主通路とを挿通させるための、前記陽極で生成された前記気体を収集するための、開口部を有して
    いることを特徴とする請求項１０ないし請求項１４のうち何れか一項に記載の高温電解槽。
16. 前記陽極ピン（５０）と陰極ピン（７０）とを挿通させるための開口部（１９，２９）が、前記電気接点を冷却するための流路（１８）によって覆われていることを特徴とする請求項１５に記載の高温電解槽。
17. 前記陽極ピン（５０）と陰極ピン（７０）とを挿通させるための前記開口部（１９，２９）が、前記上部筐体（２）および下部筐体（６）の凹部内に形成されていることを特徴とする請求項１５または１６に記載の高温電解槽。
18. 接続プレート（８８）が、前記上部筐体（２）に、その外部に前記陽極ピン（５０）および／または陰極ピン（７０）の周囲に配置され、
    接続プレート（９８）が、前記下部筐体（６）に、その外部に前記陽極ピン（５０）および／または陰極ピン（７０）の周囲に配置されていることを特徴とする請求項１５ないし請求項１７のうち何れか一項に記載の高温電解槽。
19. 請求項１０に記載の少なくとも一つの電解槽と、
    所定の電圧の電源と、を有し、
    前記電解プレートが、いくつかのグループにグループ化され、
    前記電解プレートが、同一のグループ内で直列に接続され、
    前記グループが、並列に接続されて、
    前記電解プレートの各グループの電圧が前記電源の所定の電圧と同じになるように、各グループの電解プレートの数が選択されていることを特徴とする電気分解により気体を生成するための装置。
20. 前記電気分解槽の圧力が、水素分子および酸素分子の貯留および／または分配時の３０バールと１３０バールとの間の圧力に等しいか、強いことを特徴とする請求項１ないし請求項１８のうち何れか一項に記載の電気分解槽を利用した水の電気分解による水素分子および酸素分子の生成方法。
21. 前記溜められた水蒸気のモル流量と前記生成された水素分子のモル流量との間の比が２から５の値を有していることを特徴とする請求項２０に記載の電気分解による水素分子および酸素分子の生成方法。
22. 前記気体は、ヘリウムであることを特徴とする請求項２に記載の高温電解槽。
23. 前記溶融金属は、亜鉛であることを特徴とする請求項３に記載の高温電界槽。

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