CN101311318B - 高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置及其密封方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置及其密封方法，该密封装置包括一个固体氧化物电解池、阴极气室陶瓷管和高温合金卡套，其密封件为金环和玻璃材料。卡套分为上、下两部分，通过螺钉紧固并与阴极气室陶瓷管连接。金环放置在电解池两面的边缘，用于直接密封；玻璃材料置于电解池的侧面，用于辅助密封。通过高温合金卡套对金环施加压力和玻璃材料高温下辅助成形，实现电解池和阴极气室陶瓷管的封接。本发明中，固体氧化物电解池的电解质将阴极的侧面完全包覆和外侧表面部分包覆以及使用金环密封，避免了玻璃材料中硅对电极的催化性能钝化。本密封方法操作简单，装置密封性能好，体系承压能力高。本密封方法可用于燃料电池的密封。
Description
技术领域：
本发明属于高温水蒸汽电解制氢领域，特别涉及一种高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置及其密封方法。
背景技术：
能源是现代社会发展的根本保证，是人类文明的基石。然而，现有的以化石燃料为基础的能源系统不仅给我们带来了严重的环境污染问题，而且化石燃料大量开采，面临枯竭。寻找可替代化石燃料的新型能源载体，已成为当今各国能源发展的重要目标。氢能具有无污染、高效、可大规模运用等优点，被认为是后石油时代重要的替代能源。
氢能经济的实现需要大规模制氢技术作为基础。利用固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolytic Cells，SOEC)在高温下电解水蒸汽制氢的效率可以高达45～59％(制氢效率定义为所制得氢的能量含量与制氢所用的能量之比)，是目前已知的效率最高的制氢方法。高温水蒸汽电解制氢技术可以和核能、太阳能等高效热源耦合，被认为是未来氢能经济时代大规模制氢方法之一，已成为当前国际能源领域的热点课题。
SOEC有平板式和管式两种构造形式。平板式构型由于具备功率密度高、制作成本低等优点，是目前国际上研究的主流。然而，平板式SOEC存在一个缺点，即需要在电解池组件的边缘进行气密密封。通常的方法是采用一种转相温度和电解池工作温度相近的玻璃材料，使其高温软化将SOEC密封。但是，SOEC工作温度较高(700～1000℃)，高温时玻璃材料中游离出的硅原子易附着在阴极上，并使阴极催化性能钝化，从而降低电解池的工作性能。此外，单纯的玻璃材料还存在和电极材料热膨胀系数较难匹配的问题，限制了电解池的热循环。考虑到系统的可靠性和实用性，开发新型的、高气密性的制氢电极密封装置及其封接方法对于高温水蒸汽电解制氢技术的发展具有重要的意义。
发明内容：
本发明目的是提出了一种可在高温、高湿环境下长期稳定运行，阴极气室气密性良好，并且能循环使用的固体氧化物电解池密封装置，特别涉及一种高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置及其密封方法，其特征在于，该密封装置包括阴极气室陶瓷管11、上卡套2、下卡套3、上金环4、下金环10、玻璃材料7、螺栓1、螺钉8以及固体氧化物电解池。下卡套3套在阴极气室陶瓷管11上由三个螺钉8固接，下金环10置于阴极气室陶瓷管11的上端面，固体氧化物电解池置于下金环10上，上金环4置于固体氧化物电解池上，上卡套2置于下卡套3和上金环4上由三个螺栓1与下卡套3紧固，玻璃材料7置于上卡套2与电解池之间的空隙内封接住固体氧化物电解池以及上金环4和下金环10，上金环4、下金环10和电解质6将玻璃材料7与电解池的阳极5和阴极9隔离。
所述固体氧化物电解池包括阳极5、电解质6和阴极9，电解质6将阴极9侧面完全包覆和外侧表面部分包覆，阳极5置于电解质6的另一面上，固体氧化物电解池的阴极9面向阴极气室陶瓷管11内。
所述上卡套2、下卡套3、螺栓1和螺钉8的材料为能耐受1250℃的KF62高温合金材料。
所述阴极气室陶瓷管11的材料为氧化铝或氧化锆陶瓷材料。
所述玻璃材料7是转相温度为900～950℃的玻璃材料。
本发明的有益效果为：用电解质将阴极侧面完全包覆和外侧表面部分包覆，上金环、下金环和电解质将阳极和阴极与玻璃材料阻隔，避免高温时玻璃材料中游离出的硅原子将电极催化性能钝化。使固体氧化物电解池能在高温、高湿的环境下循环运行。
附图说明：
图1为本发明高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置示意图。
图2A为上卡套2主视图。
图2B为上卡套2俯视图。
图3A为下卡套3主视图。
图3B为下卡套3俯视图。
具体实施方式：
下面结合附图具体说明本发明密封装置的具体结构及密封方法。图1为本发明高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置示意图，该密封装置包括阴极气室陶瓷管11、上卡套2、下卡套3、上金环4、下金环10、玻璃材料7、螺栓1和螺钉8，以及固体氧化物电解池。下卡套3套在阴极气室陶瓷管11上由三个螺钉8固接，下金环10置于阴极气室陶瓷管11的上端面，固体氧化物电解池置于下金环10上，上金环4置于固体氧化物电解池上，上卡套2置于下卡套3和上金环4上由三个螺栓1与下卡套3紧固，玻璃材料7置于上卡套2与电解池之间的空隙内封接住固体氧化物电解池以及上金环4和下金环10，上金环4、下金环10和电解质6将玻璃材料7与阳极5、阴极9隔离。
上卡套2、下卡套3、螺栓1和螺钉8的材料为能耐受1250℃的KF62高温合金材料。阴极气室陶瓷管11的材料为氧化铝或氧化锆陶瓷材料。玻璃材料7是转相温度为900～950℃的玻璃材料。
本装置的密封操作方法为：
第一步，将上卡套2倒置，在上卡套2内依次放入上金环4、固体氧化物电解池、下金环10和阴极气室陶瓷管11，电解池的阴极9面向上，然后将玻璃材料7置入上卡套2与电解池之间的空隙，再放置下卡套3，完成了电解池的安装。
第二步，用螺钉8将下卡套3固定在阴极气室陶瓷管11上，再用螺栓1将上卡套2和下卡套3紧固，完成上金环4和下金环10对电解池的第一步密封。
第三步，将整个高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置置于高温炉内，以5℃/min的升温速率升至900℃，并在900℃保温1.5h，使玻璃材料7软化，对电解池和阴极气室陶瓷管11进一步封接，整个电解池的封接完毕。
本发明的工作原理为：(1)通过高温合金卡套对金环施加压力和玻璃材料高温下辅助成形，将固体氧化物电解池和阴极气室陶瓷管双重封接。具体的施加压力方式是，首先通过螺钉8将下卡套3与阴极气室陶瓷管11固接，上卡套2和下卡套3通过螺栓1紧固，对上金环4和下金环10施加压力，形成第一步封接。再在高温下使置于上卡套2和电解池之间的间隙中的玻璃材料7辅助成形，形成第二步封接。(2)用电解质6将阴极9侧面完全包覆和外侧表面部分包覆，上金环4、下金环10和电解质6将阳极5和阴极9与玻璃材料7阻隔，避免高温时玻璃材料中游离出的硅原子将电极催化性能钝化。(3)上卡套2、下卡套3、螺栓1和螺钉8都采用能耐受1250℃的KF62高温合金材料，密封材料采用金环和转相温度为900～950℃的玻璃材料，阴极气室采用氧化铝或氧化锆陶瓷材料，能够满足固体氧化物电解池在高温、高湿环境下的运行。本密封方法可用于燃料电池的密封。
Claims (6)
1.一种高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置，其特征在于，该密封装置包括阴极气室陶瓷管(11)、上卡套(2)、下卡套(3)、上金环(4)、下金环(10)、玻璃材料(7)、螺栓(1)、螺钉(8)以及固体氧化物电解池，下卡套(3)套在阴极气室陶瓷管(11)上由三个螺钉(8)固接，下金环(10)置于阴极气室陶瓷管(11)的上端面，固体氧化物电解池置于下金环(10)上，上金环(4)置于固体氧化物电解池上，上卡套(2)置于下卡套(3)和上金环(4)上由三个螺栓(1)与下卡套(3)紧固，玻璃材料(7)置于上卡套(2)与电解池之间的空隙内封接住固体氧化物电解池以及上金环(4)、下金环(10)，上金环(4)、下金环(10)和电解质(6)将玻璃材料(7)与阳极(5)、阴极(9)隔离。
2.根据权利要求1所述的高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置，其特征在于，所述固体氧化物电解池包括阳极(5)、电解质(6)和阴极(9)，电解质(6)将阴极(9)的侧面完全包覆和外侧表面部分包覆，上金环(4)、下金环(10)和电解质(6)将阳极(5)和阴极(9)与玻璃材料(7)阻隔，阳极(5)置于电解质(6)的另一面上，避免高温时玻璃材料中游离出的硅原子将电极催化性能钝化，固体氧化物电解池的阴极(9)面向阴极气室陶瓷管(11)内。
3.根据权利要求1所述的高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置，其特征在于，所述上卡套(2)、下卡套(3)、螺栓(1)和螺钉(8)的材料为能耐受1250℃的KF62高温合金材料。
4.根据权利要求1所述的高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置，其特征在于，所述阴极气室陶瓷管(11)的材料为氧化铝或氧化锆陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置，其特征在于，所述玻璃材料(7)是转相温度为900～950℃的玻璃材料。
6.一种高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置的密封方法，其特征在于，该密封方法的步骤为：
1)将上卡套(2)倒置，在上卡套(2)内依次放入上金环(4)、固体氧化物电解池、下金环(10)和阴极气室陶瓷管(11)，电解池的阴极(9)面向上，然后将玻璃材料(7)置入上卡套(2)与电解池之间的空隙，再放置下卡套(3)，完成电解池的安装；
2)用螺钉(8)将下卡套(3)固定在阴极气室陶瓷管(11)上，再用螺栓(1)将上卡套(2)和下卡套(3)紧固，完成上金环(4)和下金环(10)对电解池的第一步密封；
3)将整个高温电解制氢固体氧化物电解池密封装置置于高温炉内，以5℃/min的升温速率升至900℃，并在900℃保温1.5h，使玻璃材料(7)软化，对电解池和阴极气室陶瓷管(11)进一步封接，整个电解池的封接完毕。
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