CN114232014A - 一种双极板和固体氧化物电解池堆及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极板和固体氧化物电解池堆及其应用，包括上固定板、下固定板、绝缘板、上集电板、下集电板及位于上下集电板间的多个单池重复单元；所述单池重复单元包括双极板、阴极集电网、阳极集电网、膜电极及密封材料；上集电板与最上面的单池重复单元的阳极集电网相连，下集电板与最下面的单池重复单元的阴极集电网相连；上集电板与上固定板间通过绝缘板隔开，下集电板与下固定板间通过绝缘板隔开。本发明电解池堆密封结构简单，不容易出现失效问题，可靠性更高。
Description
技术领域
本发明设计固体氧化物电解池领域，具体涉及一种双极板和固体氧化物电解池堆及其应用。
背景技术
固体氧化物电解池是固体氧化物燃料电池的逆过程，它具有全固态结构，可以避免使用液态电解质所带来的蒸发、腐蚀和电解液流失问题，它不需要使用贵金属电极，制备成本更低，它在高温(700℃以上)下运行，可以耦合工业余热，电效率可达到100％。固体氧化物电解池可以电解水蒸气制取氢气、电解二氧化碳制取一氧化碳、供电解水蒸气/二氧化碳制取合成气等，具有广阔的应用前景。
固体氧化物电解池堆是系统的核心部件。与管式电解池堆相比，平板型电解池堆具有更高的电解电流密度，是目前研究的热点。但是平板型电解池堆对密封、集电要求更高，很容易出现密封失效问题，导致其可靠性差。在现有技术中，固体氧化物电解池堆的组装包括了膜电极与电池框间密封、电池框与双极板间密封、双极板和双极板间密封，涉及的密封面较多，容易出现密封失效的问题，导致整个电解池堆无法运行。
发明内容
为了克服固体氧化物电解池堆密封难的问题，本发明提出一种双极板及容易于密封的电解池堆结构。
一种双极板，所述双极板设有阳极面和阴极面，双极板的阴极面上设有阴极气体分布槽、阴极密封料填充槽，双极板的阳极面上设有阳极气体分布槽、阳极密封料填充槽，所述双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽为在双极板两面且向内凹陷的凹槽，底部分别设有气体流道；
双极板上的阴极密封料填充槽、阳极密封料填充槽分布在气体进出口周围；
双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽的内部四周设有密封料填充槽。用于密封膜电极。
一种固体氧化物电解池堆，所述电解池堆依次包括上固定板、第一绝缘板、上集电板、多个单池重复单元、下集电板、第二绝缘板、下固定板；
所述单池重复单元依次包括双极板、阴极集电网、膜电极、阳极集电网，其中，所述双极板设有阳极面和阴极面，双极板的阴极面上设有阴极气体分布槽、阴极密封料填充槽，双极板的阳极面上设有阳极气体分布槽、阳极密封料填充槽。
所述双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽为在双极板两面且向内凹陷的凹槽，用于容纳集电板和膜电极，底部分别设有气体流道。
所述阴极集电网和阳极集电网分别放置于阴极气体分布槽内和阳极气体分布槽内，膜电极阴极与阴极集电网连接，膜电极阳极与阳极集电网连接，阴极集电网与双极板阴极面连接，阳极集电网与下一个双极板的阳极面连接；阴极密封料填充槽、阳极密封料填充槽内填充密封材料；膜电极直接封装到相邻两个双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽内。
进一步地，在上述技术方案中，所述上集电板一侧设有阳极气体分布槽；所述上集电板的阳极气体分布槽与最上面的单池重复单元的阳极集电网相连，下集电板一侧设有阴极气体分布槽阴，所述下集电板的阴极气体分布槽与最下面的单池重复单元的阴极集电网相连；膜电极被封装到上集电板的阳极气体分布槽与相邻双极板的阴极气体分布槽内；膜电极被封装到下集电板的阴极气体分布槽与相邻双极板的阳极气体分布槽内。
进一步地，在上述技术方案中，所述双极板厚度为0.5mm～3mm厚，优选厚度为1.5mm～2mm。
进一步地，在上述技术方案中，所述电解池堆的上集电板带有阳极气体分布槽的一面设有密封料填充槽，下集电板带有阴极气体分布槽的一面设有密封料填充槽；上集电板的密封料填充槽分布在气体进出口周围；下集电板的密封料填充槽分布在气体进出口周围；上集电板的阳极气体分布槽内部四周设有密封料填充槽；下集电板的阴极气体分布槽内部四周设有密封料填充槽；用于密封膜电极。
进一步地，在上述技术方案中，所述电解池堆的上集电板与上固定板间通过第一绝缘板隔开，下集电板与下固定板间通过第二绝缘板隔开，第一绝缘板和第二绝缘板可以为氧化铝陶瓷板、氧化锆陶瓷板、云母板、石棉板中的一种。
进一步地，在上述技术方案中，所述电解池堆的上固定板与下固定板通过螺栓连接。
进一步地，在上述技术方案中，所述电解池堆的阴极气体和阳极气体均可回收。
进一步地，在上述技术方案中，相邻两个双极板的阴极密封料填充槽和阳极密封料填充槽通过密封材料密封在一起；
进一步地，在上述技术方案中，上集电板的阳极密封料填充槽与最上面的双极板的阴极密封料填充槽和通过密封材料密封在一起；下集电板的阴极密封料填充槽与最下面的双极板的阳极密封料填充槽通过密封材料密封在一起。
进一步地，在上述技术方案中，所述电解池堆适用于电解水蒸气、电解二氧化碳、供电解水蒸气和二氧化碳及电解碳氢燃料。
本发明的有益效果为：在现有平板型电解池堆的组装过程包括膜电极与电池框间密封、电池框与双极板间密封、双极板和双极板间密封，涉及的密封面较多，容易出现密封失效的问题，导致整个电解池堆无法运行。本发明电解池堆含有可直接封装膜电极的双极板，电解池堆组装仅涉及膜电极与双极板间密封及双极板与双极板间密封，密封面积小，可靠性更高。
附图说明
图1为实施例1电解池堆示意图；
图2为双极板结构示意图；
图中，1上固定板、2第一绝缘板、3上集电板、4阳极集电网、5膜电极、6阴极集电网、7双极板、8下集电板、9第二绝缘板、10下固定板；
11阴极密封料填充槽、12阴极气体分布槽、13阳极气体分布槽、14阳极密封料填充槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加明白，下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
以一套电解池堆为例，结构如附图1所示，依次包括上固定板1、第一绝缘板2、上集电板3、5个单池重复单元、下集电板8、第二绝缘板9、下固定板10。
所述单池重复单元依次包括双极板、阴极集电网、膜电极、阳极集电网。
双极板7为430不锈钢材质，厚度为1.5mm厚，阴极集电网6为泡沫镍粘，阳极集电网4为Ag网，膜电极5为阳极支撑型膜电极，组成为NiO-YSZ//YSZ//LSCF，有效电极面积约80cm2，密封材料为改性的硅酸钠陶瓷氧化物。其中，双极板两侧设置了阳极面和阴极面，双极板的阳极面上布置阳极气体分布槽和阳极密封材料填充槽，双极板的阴极面上布置阴极气体分布槽和阴极密封材料填充槽，阳极密封材料填充槽和阴极密封材料填充槽的深度为0.2～0.3mm。双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽为在双极板两面且向内凹陷的凹槽，用于容纳集电板和膜电极，底部分别设有气体流道；上集电板3、下集电板8为430不锈钢材质，厚度为8mm，上集电板3一面设置阳极气体分布槽和密封料填充槽，下集电板8一面设置阴极气体分布槽和密封料填充槽，密封材料填充槽的深度为0.2～0.3mm。膜电极直接封装到相邻两个双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽内；上固定板1、下固定板10为310不锈钢材质，厚度为10mm。上固定板1和上集电板3间的第一绝缘板2为氧化铝陶瓷板，厚度为2mm，下固定板和下集电板间的第二绝缘板9为云母板，厚度为5mm。
所述上集电板的阳极气体分布槽与最上面的单池重复单元的阳极集电网相连，所述下集电板的阴极气体分布槽与最下面的单池重复单元的阴极集电网相连；上集电板的阳极气体分布槽内部四周设有密封料填充槽；下集电板的阴极气体分布槽内部四周设有密封料填充槽；用于填密封料密封膜电极；膜电极被封装到上集电板的阳极气体分布槽与相邻双极板的阴极气体分布槽内；膜电极被封装到下集电板的阴极气体分布槽与相邻双极板的阳极气体分布槽内。
电堆组装过程为：将下固定板放置于安装台上，下固定板上放置第二绝缘板9，在第二绝缘板9上放置下集电板，下集电板上带有阴极气体分布槽的一面在上面并与第一个单池重复单元的阴极集电网相连接，然后依次放置单池重复单元，其中，阴极集电网和阳极集电网分别放置于阴极气体分布槽内和阳极气体分布槽内，膜电极阳极与阳极集电网连接，阳极集电网与下一个双极板的阳极面连接，直到最后一个重复单元的阳极集电网与上集电板的阳极气体分布槽相连；在上集电板上面加第一绝缘板和上固定板，上固定板、下固定板通过螺栓连接，加压后上固定板、下固定板间距缩小到规定距离，相邻两个双极板的阴极密封料填充槽和阳极密封料填充槽通过密封材料密封在一起；上集电板的密封料填充槽与最上面的双极板的阴极密封料填充槽和通过密封材料密封在一起；下集电板的密封料填充槽与最下面的双极板的阳极密封料填充槽通过密封材料密封在一起；形成完整的电解池堆。电解池堆气密性良好，阴、阳极气体间相互不串气。
电解池堆在电解水蒸气模式下测试：800℃、1.3V下电解电流密度为-43A，产氢率达到90L/h。
实施例2
一种固体氧化物电解池堆，所述电解池堆依次包括上固定板1、第一绝缘板2、上集电板3、单池重复单元、下集电板8、第二绝缘板9、下固定板10；；
所述单池重复单元依次包括双极板、阴极集电网、膜电极、阳极集电网、，其中，所述双极板设有阳极面和阴极面，双极板的阴极面上设有阴极气体分布槽、阴极密封料填充槽，双极板的阳极面上设有阳极气体分布槽、阳极密封料填充槽。
所述双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽为在双极板两面且向内凹陷的凹槽，底部分别设有气体流。
所述阴极集电网和阳极集电网分别放置于阴极气体分布槽内和阳极气体分布槽内，膜电极阴极与阴极集电网连接，膜电极阳极与阳极集电网连接，阴极集电网与双极板阴极面连接，阳极集电网与下一个双极板的阳极面连接；阴极密封料填充槽、阳极密封料填充槽内填充密封材料；膜电极直接封装到相邻两个双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽内。
进一步地，在上述技术方案中，所述上集电板一侧设有阳极气体分布槽；所述上集电板的阳极气体分布槽与最上面的单池重复单元的阳极集电网相连，下集电板一侧设有阴极气体分布槽，所述下集电板的阴极气体分布槽与最下面的单池重复单元的阴极集电网相连；上集电板的阳极气体分布槽内部四周设有密封料填充槽；下集电板的阴极气体分布槽内部四周设有密封料填充槽；用于填密封料密封膜电极；膜电极被封装到上集电板的阳极气体分布槽与相邻双极板的阴极气体分布槽内；膜电极被封装到下集电板的阴极气体分布槽与相邻双极板的阳极气体分布槽内。
所述双极板厚度为0.5mm～3mm厚，优选厚度为1.5mm～2mm，
所述电解池堆的上集电板带有阳极气体分布槽的一面设有密封料填充槽，下集电板带有阴极气体分布槽的一面设有密封料填充槽。
所述电解池堆的上集电板与上固定板间通过第一绝缘板隔开，下集电板与下固定板间通过第二绝缘板隔开，第一绝缘板和第二绝缘板可以为氧化铝陶瓷板、氧化锆陶瓷板、云母板、石棉板中的一种。
所述电解池堆的上固定板与下固定板通过螺栓连接。相邻两个双极板的阴极密封料填充槽和阳极密封料填充槽通过密封材料密封在一起；上集电板的密封料填充槽与最上面的双极板的阴极密封料填充槽和通过密封材料密封在一起；下集电板的密封料填充槽与最下面的双极板的阳极密封料填充槽通过密封材料密封在一起。
所述电解池堆的阴极气体和阳极气体均可回收。
所述电解池堆适用于电解水蒸气、电解二氧化碳、供电解水蒸气和二氧化碳及电解碳氢燃料。
Claims (10)
1.一种双极板，其特征在于：所述双极板设有阳极面和阴极面，双极板的阴极面上设有阴极气体分布槽、阴极密封料填充槽，双极板的阳极面上设有阳极气体分布槽、阳极密封料填充槽，所述双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽为在双极板两面且向内凹陷的凹槽，底部分别设有气体流道；
双极板上的阴极密封料填充槽、阳极密封料填充槽分布在气体进出口周围；
双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽的内部四周设有密封料填充槽。
2.一种固体氧化物电解池堆，其特征在于：所述电解池堆依次包括上固定板、第一绝缘板、上集电板、多个单池重复单元、下集电板、第二绝缘板、下固定板；
所述单池重复单元依次包括如权利要求1所述双极板、阴极集电网、膜电极、阳极集电网，
所述阴极集电网和阳极集电网分别放置于阴极气体分布槽内和阳极气体分布槽内，膜电极阴极与阴极集电网连接，膜电极阳极与阳极集电网连接，阴极集电网与双极板阴极面连接，阳极集电网与下一个双极板的阳极面连接；阴极密封料填充槽、阳极密封料填充槽内填充密封材料；膜电极直接封装到相邻两个双极板的阴极气体分布槽和阳极气体分布槽内。
3.根据权利要求2所述固体氧化物电解池堆，其特征在于：所述上集电板一侧设有阳极气体分布槽；所述上集电板的阳极气体分布槽与最上面的单池重复单元的阳极集电网相连，下集电板一侧设有阴极气体分布槽，所述下集电板的阴极气体分布槽与最下面的单池重复单元的阴极集电网相连；膜电极被封装到上集电板的阳极气体分布槽与相邻双极板的阴极气体分布槽内；膜电极被封装到下集电板的阴极气体分布槽与相邻双极板的阳极气体分布槽内。
4.根据权利要求2所述固体氧化物电解池堆，其特征在于：所述双极板厚度为0.5mm～3mm，优选厚度为1.5mm～2mm。
5.根据权利要求3所述固体氧化物电解池堆，其特征在于：所述电解池堆的上集电板带有阳极气体分布槽的一面设有密封料填充槽，下集电板带有阴极气体分布槽的一面设有密封料填充槽；上集电板的密封料填充槽分布在气体进出口周围；下集电板的密封料填充槽分布在气体进出口周围；上集电板的阳极气体分布槽内部四周设有密封料填充槽；下集电板的阴极气体分布槽内部四周设有密封料填充槽。
6.根据权利要求2所述固体氧化物电解池堆，其特征在于：所述电解池堆的上集电板与上固定板间通过第一绝缘板隔开，下集电板与下固定板间通过第二绝缘板隔开，第一绝缘板和第二绝缘板选自氧化铝陶瓷板、氧化锆陶瓷板、云母板、石棉板中的一种。
7.根据权利要求2所述固体氧化物电解池堆，其特征在于：所述电解池堆的上固定板与下固定板通过螺栓连接。
8.根据权利要求2所述固体氧化物电解池堆，其特征在于：所述电解池堆的阴极气体和阳极气体均可回收。
9.根据权利要求2所述固体氧化物电解池堆，其特征在于：相邻两个双极板的阴极密封料填充槽和阳极密封料填充槽通过密封材料密封在一起；
上集电板的密封料填充槽与最上面的双极板的阴极密封料填充槽和通过密封材料密封在一起；
下集电板的密封料填充槽与最下面的双极板的阳极密封料填充槽通过密封材料密封在一起。
10.如权利要求2～9任意一项固体氧化物电解池堆的应用，所述电解池堆适用于电解水蒸气、电解二氧化碳、供电解水蒸气和二氧化碳及电解碳氢燃料。
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