CN109881209A - 固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构，具体为：阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区依次连接形成阴极流场，并且该流场置于阴极双极板和阴极气体扩散层之间。阳极入口空腔分配、阳极金属泡沫和阳极出口集聚区水平连接形成阳极流场，并且该流场置于阳极双极板和阳极催化层之间。阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区连接的顺序与阳极对应区域的连接顺序互逆，两种气体流道的方向交叉。金属泡沫具有良好的导电和导热特性，同时又具有较大的孔隙率，能促使气体从流场向扩散层和催化层传输，从而提高阴极催化层中反应物浓度、降低阳极产物浓度，并提高物质分布均匀性。

Description

固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构
技术领域
本发明属于电化学与电解池领域，具体涉及一种固体氧化物电解池新型流场的结构。
背景技术
由于能源需求的增加和二氧化碳的大量排放，可再生能源技术和节能减排技术成为国内外研究的焦点。环境中CO2含量的增加使得CO2储存与利用成为降低CO2含量的有效方式。固体氧化物共电解池能将可再生能源发电产生的电能以化学能形式储存，同时将CO2转化为有用的燃料(合成气)，实现CO2有效储存和利用。因此，固体氧化物电解池被认为是CO2中性循环和利用是一种非常有前景的方法。
目前，固体氧化物电解池流场结构一般采用传统沟与脊的结构。该结构中反应气体从流道向脊下多孔介质中的传输阻力过大，使得反应气体在多孔介质中的分布不均匀。同时电子从多孔层向脊传输的横截面积小，从而导致较大的活化过电势和欧姆过电势。研发良好的流场结构可以改善固体氧化物电解池传热传质特性，从而提升电解池电解效率、降低电解电压，是优化固体氧化物电解池性能的重要途径。
发明内容
本发明的目的是提出一种固体氧化物电解池的组合泡沫流场结构。将传统结构替换为组合泡沫流场结构，以达到提高电池导热、导电和传质的性能。
固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构包括：阴极双极板、阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫、阴极出口集聚区、阴极气体扩散层、阴极催化层、固体氧化物电解质层、阳极催化层、阳极入口空腔分配区、阳极金属泡沫、阳极出口集聚区和阳极双极板等。其技术连接方案为：阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区依次水平连接形成阴极流场，并且该流场置于阴极双极板和阴极气体扩散层之间。阳极入口空腔分配区、阳极金属泡沫和阳极出口集聚区依次水平连接形成阳极流场，并且该流场置于阳极双极板和阳极催化层之间。阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区连接的顺序与阳极入口空腔分配区、阳极金属泡沫和阳极出口集聚区的连接顺序互逆。气体分别通过阴极入口空腔分配区和阳极入口空腔分配区进入电解池，两种气体流道的方向交叉，并且阴极入口空腔分配区入口位置、阴极出口集聚区出口位置的设置与阳极相应的位置错开。
技术方案：采用组合泡沫流场的固体氧化物电解池结构，阴极金属泡沫、阴极入口空腔分配区和阴极出口集聚区并列连接，其中阴极金属泡沫位于中间。阳极金属泡沫、阳极入口空腔分配区和阳极出口集聚区并列连接，阳极金属泡沫位于中间。
固体氧化物电解池采用阴极支撑，即阴极扩散层较厚，而催化层和电解质层较薄(约为10μm)。阴极金属泡沫和阳极金属泡沫采用金属或合金材料，且具有较大孔隙率，一般孔隙率大于0.9。阴极与阳极进气流动方向采用逆向或交叉流向。阴极入口空腔分配区入口位置、阴极出口集聚区出口位置设置与阳极相应位置错开，以便于电堆装配。
固体氧化物电解池操作温度为400—1000℃。固体氧化物电解池工作时，阳极入口通入空气或氧气。阴极入口通入一定比例的水蒸气、二氧化碳、氢气、一氧化碳的混合气体。阴极反应气体从入口流入，在阴极入口空腔分配区进行分配后，通过扩散作用进入阴极金属泡沫和阴极扩散层，然后扩散至催化层中反应活性位点，水蒸气和二氧化碳在催化剂和外加电流的作用下得到电子，电解生成氢气和一氧化碳，并释放出氧离子。氧离子经固体氧化物电解质层传导至阳极催化层，氧离子失去电子生成氧气。如果阴极扩散层材料中含镍，阴极混合气在镍的催化作用下会发生可逆水汽变换反应和可逆蒸汽重整反应。
附图说明
图1是本发明电解池结构示意图。
图2是本发明中组合泡沫流场结构的示意图。
图3是现有技术的蛇形流场结构的示意图。
图4是本发明两个入口的组合泡沫流场与现有技术的“蛇形流场”的固体氧化物电解池极化曲线对比。
图5是现有技术的蛇形流场的固体氧化物电解池水蒸气浓度分布。
图6是本发明两个入口的组合泡沫流场的固体氧化物电解池水蒸气浓度分布。
本发明的特点以及产生的有益效果：
(1)将金属泡沫应用于固体氧化物电解池，并使其充当物质分配的角色。一方面，金属泡沫结构通过强化传质促进了反应气体从流场结构向催化层方向的传输，提高了催化层中反应物浓度，降低了固体氧化物电解池的活化极化。另一方面，金属泡沫结构良好的导电性和传热特性，降低了固体氧化物电解池的欧姆损耗，并使得其温度分布更均匀。此外，金属泡沫的密度低，可减小固体氧化物电解池的重量和体积。
(2)将空腔结构与金属泡沫组合形成组合泡沫流场，使反应气体在空腔结构中进行分配后再进入金属泡沫流场中，避免了只采用泡沫流场结构所导致的流场下游气体不足现象，提高了阴极和阳极催化层中的反应气体分布均匀度。
(3)在传统双极板上加工流道成本较高，相比之下，组合流场结构简单，易于加工，能降低固体氧化物电解池制造加工成本。
具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施例详细说明本发明的原理与结构，需要说明的本实施方式是叙述性的，而不是限定性的，不是以此限定本发明的保护范围。
固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构(如图1)，其特征是阴极入口空腔分配区2、阴极金属泡沫3和阴极出口集聚区4依次水平连接形成阴极流场(如图2)，并且该流场置于阴极双极板1和阴极气体扩散层5之间。阳极入口空腔分配区9、阳极金属泡沫10和阳极出口集聚区11依次水平连接形成阳极流场，并且该流场置于阳极双极板12和阳极催化层8之间。
阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区连接的顺序与阳极入口空腔分配区、阳极金属泡沫和阳极出口集聚区的连接顺序互逆。气体分别通过阴极入口空腔分配区和阳极入口空腔分配区进入电解池，两种气体流道的方向交叉，并且阴极入口空腔分配区入口位置、阴极出口集聚区出口位置的设置与阳极相应的位置错开。阴极流场和阳极流场均有两个入口和一个出口。
阴极双极板和阳极双极板均为金属平板结构，两种极板分别与所述阴极金属泡沫和阳极金属泡沫直接接触。金属泡沫是孔隙率为0.7-0.98的金属或合金。
阴极入口空腔分配区的区域面积小于阴极金属泡沫的区域面积；所述阳极入口空腔分配区的区域面积小于阳极金属泡沫的区域面积。
作为实施例，这种带有组合泡沫流场结构的固体氧化物电池或电解池的组成结构为自上而下。阴极金属泡沫和阳极泡沫的厚度都较小，一般为0.2-0.8mm。
固体氧化物电解池采用阴极支撑，阴极扩散层厚度为0.3mm。阴极催化层、阴极扩散层材料相同，均为Ni-YSZ。阳极催化层采用LSM。固体氧化物电解质层采用最常用的YSZ。电解质层隔绝气体和电子，仅能传导离子。阴极金属泡沫和阳极金属泡沫分别采用镍金属泡沫和Cu-Mn金属泡沫，孔隙率均为0.9。阴极催化层、电解质层、阳极催化层厚度分别为10μm、10μm和15μm。阴极和阳极双极板厚度为0.5mm，阳极和阴极金属泡沫厚度分别为0.35mm和0.4mm。阴极和阳极流场的入口和出口宽度均为10mm。
固体氧化物电解池工作温度为800℃。固体氧化物电解池工作时，阳极入口通入温度为800℃的空气。阴极入口通入45vol.％H2O、45vol.％CO2和10vol.％H2的混合气体。阴极气体利用率为0.5，阳极气体化学计量比为1.866。
阴极反应气体从入口流入，在阴极入口空腔分配区进行分配后，通过扩散作用进入阴极金属泡沫和阴极扩散层，然后扩散至催化层中反应活性位点，水蒸气和二氧化碳在催化剂和外加电流的作用下得到电子，电解生成氢气和一氧化碳，并释放出氧离子。氧离子经固体氧化物电解质层传导至阳极催化层，氧离子失去电子生成氧气。同时，由于阴极扩散层材料中含镍，阴极混合气在镍的催化作用下发生可逆水汽变换反应和可逆蒸汽重整反应。
气体在阴极和阳极的入口空腔分配区、金属泡沫、出口集聚区、催化层和扩散层中传输。电子在除了电解质层、空腔分配区和出口集聚区之外的固体中传导。离子仅在阴极催化层、阳极催化层和电解质层中传导。在固体中热传输方式主要为热传导，固体和气体之间为对流换热。
作为对比例，现有技术蛇形流场的结构如图3所示。对比例与实施例的基本结构相同，主要区别在于流场区域。蛇形流场中不含泡沫，由双极板与扩散层形成的空腔构成流场区域。对比例中入口数量为5个，入口宽度和高度均为1mm。由于普通流场中含有脊，对比例的入口面积变小，且脊下气体传输受阻。
为了科学对比，两种电池的操作条件保持一致，得到对比例与实施例的极化曲线，如图4所示。从图中可以看出，本发明结构能显著降低固体氧化物电解池的电解电压。同时，对比了两者阴极催化层和扩散层交界面的水蒸气摩尔浓度分布(如图5和图6)，相比于蛇形流场，泡沫流场结构的物质浓度分布更均匀，且反应物浓度更高。

Claims (6)

1.固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构，包括阴极双极板、阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫、阴极出口集聚区、阴极气体扩散层、阴极催化层、固体氧化物电解质层、阳极催化层、阳极入口空腔分配区、阳极金属泡沫、阳极出口集聚区和阳极双极板，其特征在于：阴极入口空腔分配区(2)、阴极金属泡沫(3)和阴极出口集聚区(4)依次水平连接形成阴极流场，并且该流场置于阴极双极板(1)和阴极气体扩散层(5)之间；阳极入口空腔分配区(9)、阳极金属泡沫(10)和阳极出口集聚区(11)依次水平连接形成阳极流场，并且该流场置于阳极双极板(12)和阳极催化层(8)之间，阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区连接的顺序与阳极入口空腔分配区、阳极金属泡沫和阳极出口集聚区的连接顺序互逆，气体分别通过阴极入口空腔分配区和阳极入口空腔分配区进入电解池，两种气体流道的方向交叉，并且阴极入口空腔分配区入口位置、阴极出口集聚区出口位置的设置与阳极相应的位置错开。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构，其特征在于：所述阴极流场和阳极流场均有两个入口和一个出口。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构，其特征在于：所述金属泡沫是孔隙率为0.7～0.98的金属或合金。
4.根据权利要求1所述的固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构，其特征在于：所述阴极双极板和阳极双极板均为金属平板结构，两种极板分别与所述阴极金属泡沫和阳极金属泡沫直接接触。
5.根据权利要求1所述的固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构，其特征在于：所述阴极入口空腔分配区的区域面积小于阴极金属泡沫的区域面积；所述阳极入口空腔分配区的区域面积小于阳极金属泡沫的区域面积。
6.根据权利要求1所述的固体氧化物电解池的组合泡沫流场结构，其特征在于：所述阴极金属泡沫和阳极泡沫厚度为0.2～0.8mm。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6146780A (en) * 1997-01-24 2000-11-14 Lynntech, Inc. Bipolar separator plates for electrochemical cell stacks
US20030068544A1 (en) * 2001-10-10 2003-04-10 Alan Cisar Bifunctional catalytic electrode
CN1763250A (zh) * 2004-10-01 2006-04-26 通用电气公司 互连支撑的电解槽组件，预成品和制造方法
CN102134726A (zh) * 2011-01-10 2011-07-27 清华大学 一种新型密封结构的平板式固体氧化物电解池堆
CN103262321A (zh) * 2010-09-28 2013-08-21 托普索燃料电池股份有限公司 同向流动/逆向流动燃料电池或电解池
CN103618091A (zh) * 2013-12-02 2014-03-05 新源动力股份有限公司 一种优化反应气体分配的高集成度燃料电池双极板
CN105762396A (zh) * 2016-03-03 2016-07-13 重庆大学 一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池
CN106575776A (zh) * 2014-06-27 2017-04-19 努威拉燃料电池有限责任公司 与电化学电池一起使用的流场
CN106663823A (zh) * 2014-05-15 2017-05-10 努威拉燃料电池有限责任公司 与电化学电池一起使用的流场
CN109193005A (zh) * 2018-08-10 2019-01-11 清华大学 泡沫金属流场板和包括该泡沫金属流场板的燃料电池

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6146780A (en) * 1997-01-24 2000-11-14 Lynntech, Inc. Bipolar separator plates for electrochemical cell stacks
US20030068544A1 (en) * 2001-10-10 2003-04-10 Alan Cisar Bifunctional catalytic electrode
CN1763250A (zh) * 2004-10-01 2006-04-26 通用电气公司 互连支撑的电解槽组件，预成品和制造方法
CN103262321A (zh) * 2010-09-28 2013-08-21 托普索燃料电池股份有限公司 同向流动/逆向流动燃料电池或电解池
CN102134726A (zh) * 2011-01-10 2011-07-27 清华大学 一种新型密封结构的平板式固体氧化物电解池堆
CN103618091A (zh) * 2013-12-02 2014-03-05 新源动力股份有限公司 一种优化反应气体分配的高集成度燃料电池双极板
CN106663823A (zh) * 2014-05-15 2017-05-10 努威拉燃料电池有限责任公司 与电化学电池一起使用的流场
CN106575776A (zh) * 2014-06-27 2017-04-19 努威拉燃料电池有限责任公司 与电化学电池一起使用的流场
CN105762396A (zh) * 2016-03-03 2016-07-13 重庆大学 一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池
CN109193005A (zh) * 2018-08-10 2019-01-11 清华大学 泡沫金属流场板和包括该泡沫金属流场板的燃料电池

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