CZ27521U1

CZ27521U1 - Cell to characterize electrodes and ceramic membranes for high-temperature electrolysis of water

Info

Publication number: CZ27521U1
Application number: CZ2014-29888U
Authority: CZ
Inventors: Filip Karas; Karel Bouzek; Martin Paidar; Jakub Mališ
Original assignee: Vysoká škola chemicko- technologická v Praze
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2014-11-20

Description

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká cely pro charakterizaci elektrod a keramických membrán pro vysokoteplotní elektrolýzu vody, jenž mohou být charakterizovány jak zátěžovými testy, tak pomocí elektrochemické impedanční spektroskopie. Elektrody s membránou jsou uchyceny mezi příchytnými deskami, umožňující jak snadnou výměnu vzorků, tak dobrý kontakt jednotlivých komponent v průběhu experimentu.The technical solution relates to a cell for characterizing electrodes and ceramic membranes for high temperature water electrolysis, which can be characterized by both load tests and electrochemical impedance spectroscopy. Membrane electrodes are attached between the retaining plates, allowing both easy sample exchange and good contact of the individual components during the experiment.

Dosavadní stav technikyBackground Art

Elektrolýza vody představuje proces, při kterém dochází k přímé přeměně vody na vodík za pomoci elektrické energie. I když elektrolýza vody není příliš rozšířený proces, disponuje řadou výhod: celý proces probíhá v jediném kroku, vyrobený vodík má velmi vysokou kvalitu, proces produkuje nulové emise, zařízení může být velkoobjemové i vysoce kompaktní a nedělá mu problém nárazový provoz a zásobní surovinou je zde již zmíněná voda, které jsou na Zemi ohromné zásoby, a navíc se při procesu nespotřebovává, nýbrž dochází k její dočasné přeměně na vodík a kyslík. Nevýhodou elektrolýzy vody je cena vyrobeného vodíku, která je ve srovnání s procesy založenými na zpracování fosilních paliv vyšší. I z tohoto důvodu jsou v oblasti elektrolýzy vody vyvíjeny stále větší snahy za účelem snížení energetické náročnosti tohoto procesu nebo ceny produkovaného vodíku.Water electrolysis is the process of converting water directly into hydrogen with the help of electricity. Although water electrolysis is not a widespread process, it has a number of advantages: the whole process takes place in one step, the produced hydrogen is of very high quality, the process produces zero emissions, the equipment can be both large-scale and highly compact and does not have a crash operation problem and the stock is here the aforementioned water, which is a huge supply on Earth, and is not consumed in the process, but is temporarily converted to hydrogen and oxygen. The disadvantage of water electrolysis is the price of hydrogen produced, which is higher compared to processes based on fossil fuel processing. For this reason, more and more efforts are being made in the field of water electrolysis to reduce the energy intensity of the process or the price of hydrogen produced.

Vhledem k faktu, že veškeré elektrochemické procesy se vyznačují průchodem velkých nábojů i při relativně malém množství reaktantů, jsme omezeni při jejich optimalizaci na velmi málo proměnných. Nutnost průchodu velikých nábojů systémem pramení z relativně vysoké hodnoty faradayovi konstanty, jenž udává elektrický náboj, který je nutný pro zreagování jednoho molu reaktantů. Protože spotřeba elektrické energie je měřena ve výkonu, je jedním přímým parametrem, který můžeme měnit elektrický potenciál potažmo napětí probíhajících elektrochemických reakcí. Dalšími nepřímými parametry, které lze měnit je teplota a tlak.Due to the fact that all electrochemical processes are characterized by the passage of large charges even with relatively small amounts of reactants, we are limited in their optimization to very few variables. The need to pass large charges through the system stems from the relatively high value of the faraday constant, which indicates the electrical charge that is required to react one mole of reactants. Since power consumption is measured in power, it is one direct parameter that can change the electrical potential or the voltage of ongoing electrochemical reactions. Other indirect parameters that can be changed are temperature and pressure.

Z elektrolytických metod produkce vodíku má dnes dominantní postavení alkalická elektrolýza vody. Tato technologie je sice robustní, ale vyznačuje se vyšším provozním napětím, jenž má za následek zvýšené provozní náklady. Díky nutnosti použití diafragmy, coby separátoru elektrodových prostorů, a nízkých proudových hustot dosahuje tato technologie malých časoprostorových výtěžků.Of the electrolytic methods of hydrogen production, alkaline electrolysis of water today has a dominant position. While this technology is robust, it has a higher operating voltage, resulting in increased operating costs. Due to the need to use the diaphragm as an electrode space separator and low current densities, this technology achieves small space-time yields.

V posledních letech jsme svědky razantního nárůstu instalovaného výkonu větrných a solárních elektráren, jejichž produkce elektrické energie je obtížně předpověditelná. Jednou z množností efektivního využití těchto zdrojů je takzvaná vodíková ekonomika, kdy je nadbytečná elektrická energie použita k výrobě vodíku z vody pomocí elektrolýzy. Takto produkovaný vodík je skladován a v případě potřeby je použit pro produkci elektrické energie a tepla v palivových článcích. Pro vodíkovou ekonomiku jsou však mnohem vhodnější kyselé membránové (PEM) elektrolyzéry, jež dosahují vyšších časoprostorových výtěžků s příznivějšími provozními náklady (nižší provozní napětí).In recent years, we have seen a sharp increase in the installed capacity of wind and solar power plants, whose electricity generation is difficult to predict. One of the many ways to use these resources effectively is the so-called hydrogen economy, where excess electricity is used to produce hydrogen from water by electrolysis. The hydrogen thus produced is stored and, if necessary, is used to produce electricity and heat in fuel cells. However, acidic membrane (PEM) electrolytes are more suitable for the hydrogen economy, achieving higher space-time yields with more favorable operating costs (lower operating voltage).

Nejnovější technologií, jež je zatím ve fázi vývoje, zůstává vysokoteplotní elektrolýza vody. Tato technologie využívá faktu, že s rostoucí teplotou sice roste enthalpie nutná pro rozložení molekuly vody, ale současně klesá rovnovážné rozkladné napětí vody. Vzniklý entropický rozdíl může být dodán v podobě tepelné energie. Výhodou této technologie je rozdíl v ceně jednotky tepelné energie a elektrické energie, kdy jednotka tepelné energie je mnohem lacinější a tím se provoz celého systému stává konkurenceschopnějším. Do budoucna se předpokládá se stavbou těchto zařízení v areálech jaderných elektráren s reaktory čtvrté generace, jenž budou chlazeny taveninami kovů, nebo solí. V nočních hodinách, kdy je snížená poptávka po elektrické energii, by tak tato energie a odpadní teplo mohly být použity pro produkci vodíku, který by následněThe latest technology still under development is the high-temperature electrolysis of water. This technology takes advantage of the fact that while the temperature increases, the enthalpy necessary for the water molecule distribution increases, but the equilibrium water decomposition voltage decreases. The resulting entropy difference can be supplied in the form of thermal energy. The advantage of this technology is the difference in the price of a unit of thermal energy and electricity, where the unit of thermal energy is much cheaper and thus the operation of the whole system becomes more competitive. In the future, it is envisaged to build these facilities in nuclear power plants with fourth-generation reactors cooled by metal melts or salts. At night, when electricity demand is reduced, this energy and waste heat could be used to produce hydrogen, which would then

-1 CZ 27521 Ul našel uplatnění buď v chemickém či metalurgickém průmyslu, nebo by v období energetických špiček sloužil k vykrývání zvýšené poptávky po elektrické energii.-1 CZ 27521 UL has found its use either in the chemical or metallurgical industry, or would serve to cover increased electricity demand during peak periods.

Z tohoto důvodu je věnováno zvýšené úsilí vývoji keramické membrány, elektrod a těsnění jednotlivých komponent. Jedná se nejen o vývoj vhodných materiálů pro dané komponenty, ale také o jejich zpracování a úpravy, jež mají za cíl maximální efektivitu výsledného zařízení. Jednotlivé komponenty jako elektrody, katalyzátory a membrána mohou samostatně vykazovat vysoké hodnoty ve sledovaných parametrech, ale ve vzájemné kombinaci mohou být negativně ovlivňovány ostatními komponentami. Z tohoto důvodu je nutné testování jednotlivých komponentů v laboratorním elektrolyzéru za simulovaných provozních podmínek.For this reason, increased efforts are being made to develop ceramic membranes, electrodes, and seal components. It is not only the development of suitable materials for the components, but also their processing and modification, which aim to maximize the efficiency of the resulting equipment. Individual components such as electrodes, catalysts, and membranes may exhibit high values in the parameters of interest, but may be adversely affected by other components in combination. For this reason, it is necessary to test the individual components in the laboratory electrolyzer under simulated operating conditions.

Vzhledem k vysokým teplotám a tvorbě kyslíku a vodíku je zde nebezpečí výbuchu, které vyžaduje dokonalé oddělení katodového a anodového prostoru. Často používaným řešením je použití těsnění na bázi vodního skla, nebo aluminosilikátů, které je však pevné a nelze rozebrat bez poškození přívodních a odvodních keramických potrubí. Dalším řešením je použití draselných a sodných skel s nízkou teplotou tání, která se však potýkají se stejným problémem jako předchozí řešení. Možným řešením je taktéž použití zlatého těsnění, kdy zlato je chemicky vysoce odolný měkký kov, jenž taje při teplotě 1065 °C. Použití zlatého těsnění však vyžaduje zvýšené nároky na přichycení samotného systému anoda-membrána-katoda, které je značně problematické.Due to the high temperatures and the formation of oxygen and hydrogen, there is a risk of explosion which requires perfect separation of the cathode and anode compartments. A frequently used solution is to use water-based gaskets or aluminosilicates, which are solid and cannot be dismantled without damaging the inlet and outlet ceramic pipes. Another solution is to use low-melting potassium and sodium glasses, but they face the same problem as the previous solution. A possible solution is also to use a gold seal, where gold is a chemically highly resistant soft metal that melts at 1065 ° C. However, the use of a gold seal requires increased demands on the attachment of the anode-membrane-cathode system itself, which is highly problematic.

Nezanedbatelným problémem je rozdílná tepelná dilatace jednotlivých materiálů, kdy může snadno dojít ke ztrátě kontaktu, jenž se v průběhu měření nemusí projevit. Měření, která byla ovlivněna špatným kontaktem, jsou bezcenná pro další práci, protože dokonalá charakterizace jednotlivých komponent je podmínkou úspěšného vývoje dané technologie.A significant problem is the different thermal dilatation of individual materials, which can easily result in loss of contact, which may not occur during the measurement. Measurements that have been affected by poor contact are worthless for further work, because perfect characterization of the individual components is a prerequisite for the successful development of the technology.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené problémy s těsněním a zabránění ztráty kontaktu se podařilo vyřešit pomocí cely pro charakterizaci elektrod a keramických membrán pro vysokoteplotní elektrolýzu vody. Tato cela je tvořena přední a zadní pří chytnou deskou, jenž jsou zhotoveny z korundu CAS 90669-62- 8. Obě příchytné desky jsou na přilehlých stranách opatřeny vybráním pro vzorek, kdy do každého vybrání ústí otvor pro přívodní kapiláru a otvor pro odvodní kapiláru, jež jsou osazeny příslušnými kapilárami, přičemž obě kapiláry jsou ve výhodném provedení přibližně stejné délky. Obě desky jsou po obvodu opatřeny otvory pro aretační spojky, jež jsou opatřeny aretačními spojkami, které jsou zhotoveny z korundu CAS 90669-62-8. Odvodní kapilára je opatřena pouze jedním otvorem, kdy těleso kapiláry je zhotoveno z korundu CAS 90669-62-8. Přívodní kapilára je opatřena třemi otvory a to otvorem pro přívod reakční směsi, otvorem pro měřící elektrodu, jenž je opatřen měřící elektrodou a otvorem pro referenční elektrodu, jenž je opatřen referenční elektrodou. Do vybrání pro vzorek v příchytných deskách jsou umístěny kontaktní síťky, jež zajišťují kontakt mezi elektrodami a vzorkem a zároveň slouží k distribuci plynů. Kontaktní síťky, měřící a referenční elektrody jsou zhotoveny ze zlata CAS 7440-57-5. Příchytné desky a přívodní a odvodní kapiláry jsou umístěny ve vnější trubici, jež je zhotovena z korundu CAS 90669-62-8, kdy na vnější straně vnější trubice je navinut topný drát, přičemž délka vnější trubice má ve výhodném provedení přibližně dvojnásobnou délkou přívodní respektive odvodní kapiláry.The above sealing problems and the avoidance of contact loss have been solved by a cell for characterization of electrodes and ceramic membranes for high-temperature water electrolysis. This cell is made up of a front and a back retaining plate made of corundum CAS 90669-62-8. which are provided with respective capillaries, the two capillaries being preferably of approximately the same length. Both plates have circumferential holes for locking couplings, which are provided with locking couplings made of corundum CAS 90669-62-8. The discharge capillary is provided with only one opening, where the capillary body is made of corundum CAS 90669-62-8. The feed capillary is provided with three openings for the reaction mixture inlet, a measuring electrode opening with a measuring electrode and a reference electrode hole provided with a reference electrode. Contact nets are provided in the sample recess in the retaining plates to provide contact between the electrodes and the sample and at the same time to distribute the gases. Contact nets, measuring and reference electrodes are made of gold CAS 7440-57-5. The retaining plates and inlet and outlet capillaries are housed in an outer tube made of corundum CAS 90669-62-8, wherein a heating wire is wound on the outside of the outer tube, wherein the length of the outer tube is preferably about double the length of the inlet and outlet tubes. capillaries.

Objasnění výkresůClarifying drawings

Obr. 1 zobrazuje prostorový plastický pohled na celu pro charakterizaci elektrod a keramických membrán pro vysokoteplotní elektrolýzu vody. Obr. 2 zobrazuje pohled na prostorový drátěný model cely pro charakterizaci elektrod a keramických membrán pro vysokoteplotní elektrolýzu vody. Obr. 3 představuje čelní pohled (nárys) na zadní pří chytnou desku. Obr. 4 zobrazuje boční pohled (bokorys) na zadní příchytnou desku. Obr. 5 zobrazuje nárys přední příchytné desky. Obr. 6 zobrazuje nárys kontaktní síťky. Obr. 7 představuje nárys a bokorys aretační spojky.FIG. 1 illustrates a spatial plastic cell view for characterizing electrodes and ceramic membranes for high temperature water electrolysis. FIG. 2 is a perspective view of a cellular wire model of a cell for characterizing electrodes and ceramic membranes for high temperature water electrolysis. FIG. 3 is a front view (rear view) of the rear catch plate. FIG. 4 shows a side view (side view) of the back retaining plate. FIG. 5 shows a front view of the front retaining plate. FIG. 6 shows a front view of the contact net. FIG. 7 is a side elevational view and a side view of the locking connector.

-2CZ 27521 Ul-2CZ 27521 Ul

Obr. 8 zobrazuje nárys a bokorys přívodní kapiláry s elektrodami. Obr. 9 představuje nárys a bokorys odvodní kapiláry. Obr. 10 představuje nárys vnější trubice.FIG. 8 shows a front and side view of the lead capillary with the electrodes. FIG. 9 is a front view and a side view of the discharge capillary. FIG. 10 is an elevational view of the outer tube.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of a technical solution

Cela pro charakterizaci elektrod a keramických membrán pro vysokoteplotní elektrolýzu vody je tvořena zadní příchytnou deskou i a přední příchytnou deskou 6, jež jsou identické. Zadní příchytná deska I a přední příchytná deska 6 jsou opatřeny vybráním 2 pro vzorek, kdy do vybrání pro vzorek ústí otvor 4 pro přívodní kapiláru a otvor 5 pro odvodní kapiláru. Otvor 4 pro přívodní kapiláru je opatřen přívodní kapilárou 9, jenž obsahuje tři otvory, otvor 10 pro přívod reakční směsi, otvor Π. pro měřící elektrodu a otvor 12 pro referenční elektrodu. Otvor H pro měřící elektrodu je opatřen měřící elektrodou 16 a otvor 12 pro referenční elektrodu je opatřen referenční elektrodou 17. Otvor 5 pro odvodní kapiláru je opatřen odvodní kapilárou 13, jenž obsahuje pouze jeden otvor. Ve vybrání 2 pro vzorek jsou umístěny kontaktní síťky 7. Zadní příchytná deska I a přední příchytná deska 6 jsou po obvodu opatřeny otvory 3 pro aretační spojky, jež jsou opatřeny aretačními spojkami 8. Zadní příchytná deska i a přední příchytná deska 6 spolu s přívodními kapilárami 9 a odvodními kapilárami 13 jsou umístěny ve vnější trubici 14, která je na své vnější straně opatřena topným drátem 15.The electrode characterization cell and the high temperature electrolysis water membranes of water are constituted by the rear attachment plate 1 and the front attachment plate 6, which are identical. The rear retaining plate 1 and the front retaining plate 6 are provided with a sample recess 2, wherein the inlet opening 4 for the feed capillary and the outlet 5 for the discharge capillary open into the sample recess. The capillary inlet opening 4 is provided with an inlet capillary 9, which comprises three openings, an opening 10 for supplying the reaction mixture, an opening P1. for the measuring electrode and the opening 12 for the reference electrode. The opening H for the measuring electrode is provided with a measuring electrode 16 and the opening 12 for the reference electrode is provided with a reference electrode 17. The opening 5 for the discharge capillary is provided with an outlet capillary 13 which contains only one opening. Contact nets 7 are disposed in the sample recess 2. The rear retaining plate 1 and the front retaining plate 6 are provided circumferentially with apertures 3 for locking connectors provided with locking connectors 8. The rear retaining plate 6 and the front retaining plate 6 together with the supply capillaries 9 and the discharge capillaries 13 are located in the outer tube 14, which is provided with a heating wire 15 on its outer side.

Průmyslová využitelnostIndustrial usability

Celu pro charakterizaci elektrod a keramických membrán pro vysokoteplotní elektrolýzu vody lze s výhodou použít všude tam, kde je nutné měřit iontovou vodivost keramických membrán, katalytickou aktivitu testovaných katalyzátorů a vlastnosti elektrod.The electrode characterization cell and the ceramic membranes for high temperature electrolysis of water can be used wherever it is necessary to measure the ionic conductivity of the ceramic membranes, the catalytic activity of the tested catalysts and the properties of the electrodes.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

Cell for characterizing electrodes and ceramic membranes for high-temperature electrolysis of water, characterized in that it consists of a rear attachment plate (1) and a front attachment plate (6), which are provided on adjacent walls with a recess (2) for the sample into which an orifice (4) provided with an inlet capillary (9) and an orifice (5) provided with an outlet capillary (13), wherein contact nets (7) are located in the sample recess (2).

Cell according to claim 1, characterized in that the inlet capillary body (9) is provided with a reaction mixture inlet (10), a measuring electrode opening (11) and a reference electrode opening (12), the opening (11) is provided with a measuring electrode (16) and the aperture (12) is provided with a reference electrode (17).

Cell according to claims 1 and 2, characterized in that the body of the drain capillary (13) is provided with only one opening, the length of the drain capillary (13) being approximately equal to the length of the supply capillary (9).

Cell according to claims 1 to 3, characterized in that the bodies of the rear attachment plate (1) and the front attachment plate (6) are circumferentially provided with locking coupling holes (3) which are provided with locking coupling elements (8).

Cell according to claim 1 to 4, characterized in that the bodies of the rear attachment plate (1), the front attachment plate (6), the inlet capillaries (9) and the outlet capillaries (13) are located in an outer tube (14) which is approximately as long as twice the supply capillary (9), the outer tube (14) being provided with a heating wire (15) along its entire length on the outside.

-3 CZ 27521 Ul

Cell according to claim 5, characterized in that the bodies of the rear attachment plate (1), the front attachment plate (6), the inlet capillaries (9), the outlet capillaries (13), the locking couplings (8) and the outer tube (14) are made of corundum CAS No 90669-62-8.

Cell according to claims 2 to 6, characterized in that the contact net bodies (7), 5 of the measuring electrode (16) and the reference electrode (17) are made of CAS 7440-57-5 gold.

6 drawings