CN114520342A - 一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，属于电解池技术领域，能量双向转化装置包括能量转化模块、控制模块(2)和气源模块(3)，能量转化模块包括多个固态燃料电池单元(1)，固态燃料电池单元(1)的阴阳极催化层均为铁酸锶基氧化物，控制模块(2)用于切换固态燃料电池单元(1)的阴阳极，使得能量转化模块工作为供电模式或储能模式，该能量双向转化装置可以在供电模式和储能模式下反复切换，同时气源模块(3)提供含碳的燃料气体，采用的铁酸锶基电极催化层对碳不敏感，可以充分利用廉价的灰氢做为初始原料，将灰氢中的碳成分禁锢在装置中通过能量双向转换反复循环利用，达到碳中和的效果，并降低燃料成本。
Description
技术领域
本发明涉及电解池技术领域，尤其涉及一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置。
背景技术
在目前全球能源系统中，化石燃料的大量使用约占二氧化碳排放的70％，对全球变暖、气候变化有重大影响，一个潜在的解决方案是使用氢能源。目前工业制氢的方法主要分为四种，分别为化石燃料制氢、工业副产物制氢、甲醇制氢以及电解水制氢，前三者制氢方法制备的氢气浓度均低于电解水制备氢气，然而由于析氧反应(OER)和析氢反应(HER)需要一个大的过电位驱动所需的电流密度，这将不可避免地导致相当大的能量损失，并且通常所利用的催化剂为贵金属等，增加了电解水的成本。
固体氧化物燃料电池(SOFC)是已发明的由化学燃料直接转化为电能的有效装置，它由陶瓷制成的固体氧化物构成，具有高效、模块化、易选址和低排放等优势。固体氧化物电解池(SOEC)是固体氧化物燃料电池的逆运行，是一种将电能热能转化为化学能的高效率、低污染的能量转化装置。由于具有能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供及储能等民用领域，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动储能电源领域，都有广阔的应用前景。
它利用可再生电力，通过电解将H2O转化为H2，将CO2转化为CO，也可以将燃料气体的化学能转化为电能，在现有大多数系统中中固体氧化物燃料电池SOFC及固体氧化物电解池SOEC系统分离，各自需要通入维持其运行的气体，增加气体制备储存成本，并难以做到真正的、完全的系统耦合。而在现有的能量双向转化系统中，需要共用电极，原材料以及工作气体较为昂贵，装置实现困难、成本较高、操作不便。此外，现有的燃料电池的电极对燃料气体中的碳元素较为敏感，会导致燃料电池的碳沉积和碳中毒。
发明内容
本发明的目的在于利用固体氧化物电解池实现能量双向转化的低成本并解决燃料电池的碳沉积和碳中毒问题，提供了一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
提供一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，所述能量双向转化装置包括：
能量转化模块，所述能量转化模块包括多个固态燃料电池单元，所述固态燃料电池单元包括电解质支撑体以及分别设于所述电解质支撑体两侧的阴极催化层和阳极催化层，所述阴极催化层和阳极催化层上均设有集流层；所述阴极催化层和阳极催化层均为铁酸锶基氧化物；
控制模块，所述控制模块用于切换所述固态燃料电池单元的阴极催化层和阳极催化层，使得所述能量转化模块工作为供电模式或储能模式；
气源模块，所述气源模块用于在供电模式下为所述固态燃料电池单元提供含碳的燃料气体，在储能模式下为所述固态燃料电池单元提供电解气体。
作为一优选项，所述固态燃料电池单元的外围设有加热模块，所述加热模块包括电热丝和保温层。
作为一优选项，所述固态燃料电池单元下设有陶瓷单管，所述陶瓷单管的一端与所述固态燃料电池单元连接，所述陶瓷单管的另一端通过气路与所述气源模块连接。
作为一优选项，所述燃料气体为含有碳、氢、氧成分的混合气体。
作为一优选项，所述阴极催化层、阳极催化层均由SrFexMyO3-δ构成，其中M＝Ti，Mo，Ni，Co，x+y＝1；所述电解质支撑体由La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ构成。
作为一优选项，所述集流层为银网。
作为一优选项，所述电热丝为铁铬铝电热丝；所述保温层为石棉保温层。
作为一优选项，所述气路上设有加湿模块。
作为一优选项，所述控制模块包括电路控制单元、供电端、负载端以及模式切换信号源，所述电路控制单元通过导线与所述固态燃料电池单元连接；
供电模式下，所述模式切换信号源向所述电路控制单元发出用电波峰信号指令，所述电路控制单元断开与所述供电端的连接，并接通所述负载端；
储能模式下，所述模式切换信号源向所述电路控制单元发出用电波谷信号指令，所述电路控制单元接通所述供电端，并断开所述负载端。
作为一优选项，供电模式下，所述固态燃料电池单元将所述燃料气体的化学能转化为电能，并将电能依次输出给所述电路控制单元和负载端；
储能模式下，所述固态燃料电池单元接收所述电路控制单元的电能，并将所述电解气体电解还原。
需要进一步说明的是，上述各选项对应的技术特征在不冲突的情况下可以相互组合或替换构成新的技术方案。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
(1)本发明的固态燃料电池单元使用了对称结构，阴极催化层与阳极催化层均为铁酸锶基氧化物，阴极催化层与阳极催化层可进行互换，同时铁酸锶基氧化物具有良好的析氧和析氢等性能，既可以做阳极又可以做阴极，使得氧离子可在阴极催化层与阳极催化层之间进行可逆迁移，电池在供电模式与储能模式之间灵活切换，实现能量双向转化。此外，采用的铁酸锶基电极催化层对碳不敏感，可以充分利用廉价的灰氢做为初始原料，降低了燃料气体的成本，将灰氢中的碳成分禁锢在系统中通过能量双向转换反复循环利用，达到碳中和的效果，规避了燃料电池的碳沉积和碳中毒问题。
(2)本发明的铁酸锶基电极催化层工作温度一般较高，这使得其可以使用一些相较于常温更廉价的催化剂，并且有潜力使得成本较于其他方式更低；铁酸锶基电极的成本远低于铂，降低了燃料电池的制备成本。
(3)本发明装置可以高效地将化学能转化为电能，也可以高效地将电能转化为化学能，同时利用本发明装置让供电模式与储能模式双向转化简单方便，提供了更多的燃料电池应用场景。
(4)本发明在固态燃料电池单元的外围设有加热模块，通过加热模块中的电热丝和/或电热带能够保证为固态燃料电池单元的工作提供对应的工作温度，利于电解反应高效进行。
(5)本发明在气路上设有加湿模块，保证了含有碳成分杂质气体的氢气在供电模式下保持一定的湿度进入固态燃料电池单元，并在储能模式下提供电解还原所需的水。
(6)本发明通过集流层将电极活性物质产生的电子电流汇集并输出，利于降低电解池的内阻，提高电解效率与循环稳定性。
(7)本发明可以利用外部的供电端在储能模式下电解制备氢气，提高制备氢气的效率和质量。
附图说明
图1为本发明示出的能量双向转化装置的结构图；
图2为本发明示出的固态燃料电池单元的结构图；
图3为本发明示出的带有加热模块和陶瓷单管的能量双向转化装置的结构图；
图4为本发明示出的能量转化模块的结构图；
图5为本发明示出的带有加湿模块的能量双向转化装置的结构图；
图6为本发明示出的控制模块的结构图；
图7为本发明示出的能量双向转化装置不同工作温度储能模式下共电解还原CO2/H2O的IV曲线图；
图8为本发明示出的能量双向转化装置不同温度供电模式下使用氢气作为燃料气体的工作性能图；
图中：固态燃料电池单元1、电解质支撑体11、阴极催化层12、阳极催化层13、控制模块2、气源模块3、加热模块4、电热丝41、保温层42、陶瓷单管5、气路6、加湿模块7、电路控制单元21、供电端22、负载端23、模式切换信号源24、导线8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明主要通过使用对称结构的固态燃料电池单元，且固态燃料电池单元阴极催化层与阳极催化层均为铁酸锶基氧化物，阴极催化层与阳极催化层可进行互换，既可以做阳极又可以做阴极，使得氧离子可在阴极催化层与阳极催化层之间进行可逆迁移，电池在供电模式与储能模式之间灵活切换，实现能量双向转化。此外，采用的铁酸锶基电极催化层对碳不敏感，可以充分利用廉价的灰氢做为初始原料，降低了燃料气体的成本，将灰氢中的碳成分禁锢在系统中通过能量双向转换反复循环利用。
实施例1
在一示例性实施例中，提供一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，如图1所示，所述能量双向转化装置包括：
能量转化模块，所述能量转化模块包括多个固态燃料电池单元1，所述固态燃料电池单元1包括电解质支撑体11以及分别设于所述电解质支撑体11两侧的阴极催化层12和阳极催化层13，所述阴极催化层12和阳极催化层13上均设有集流层；所述阴极催化层12和阳极催化层13均为铁酸锶基氧化物；
控制模块2，所述控制模块用于切换所述固态燃料电池单元1的阴极催化层12和阳极催化层13，使得所述能量转化模块工作为供电模式或储能模式；
气源模块3，所述气源模块3用于在供电模式下为所述固态燃料电池单元1提供含碳的燃料气体，在储能模式下为所述固态燃料电池单元1提供电解气体。
具体地，供电模式指的是固态燃料电池单元1将燃料气体的化学能转化为电能，该电能通过控制模块2可以供给外部负载。储能模式指的是固态燃料电池单元1利用控制模块2提供的电能对电解气体进行电解，将电能转化为化学能。
进一步地，如图2、4所示，其能量转化模块可以由多个固态燃料电池单元1组成，每个固态燃料电池单元1包括阴阳极集流层和催化层以及LSGM电解质支撑体11，其结构为LSGM电解质为支撑体的多层复合结构。
进一步地，供电模式和储能模式的转换主要是基于氧离子在阴阳两个电极之间的可逆迁移，固态燃料电池单元1使用了对称结构，阴极催化层12与阳极催化层13均为铁酸锶基氧化物，阴极催化层12与阳极催化层13可进行互换，同时铁酸锶基氧化物具有良好的HER、OER、HOR和ORR性能，既可以做阳极又可以做阴极，使得氧离子可在阴极催化层与阳极催化层之间进行可逆迁移，供电模式下，氧离子运动方向为阴极侧往阳极侧移动，储能模式则相反。
电池在供电模式与储能模式之间灵活切换，实现能量双向转化。具体地，HER指的是氢析出反应，OER指的是氧析出反应，这两者代表着储能模式(电解模式)下的电极催化性能；HOR指的是氢氧化反应，OER指的是氧还原反应，这两者代表着供电模式(电池模式)下的电极催化性能；
进一步地，采用的铁酸锶基电极催化层对碳不敏感，可以充分利用廉价的灰氢做为初始原料，降低了燃料气体的成本，将灰氢中的碳成分禁锢在系统中通过能量双向转换反复循环利用，达到碳中和的效果，规避了燃料电池的碳沉积和碳中毒问题。
实施例2
基于实施例1，提供一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，如图3所示，所述固态燃料电池单元1的外围设有加热模块4，所述加热模块4包括电热丝41和保温层42。所述电热丝41为铁铬铝电热丝；所述保温层42为石棉保温层。
具体地，加热模块4确保装置的保温性，通过电热丝41能够保证为固态燃料电池单元1的工作提供对应的工作温度，利于电解反应高效进行，提高氢气制备的效率和浓度，其中电热丝41可替换为电热带。
进一步地，所述固态燃料电池单元1下设有陶瓷单管5，所述陶瓷单管5的一端与所述固态燃料电池单元1连接，所述陶瓷单管5的另一端通过气路6与所述气源模块3连接。陶瓷单管5在高温环境下可以稳定的作为固态燃料电池单元1的支撑体，并且配合气密装置保证了整体装置的气密性。
进一步地，固态燃料电池单元1的电极通过导线与控制模块2连接，电极是在电解质的两侧，密封陶瓷单管5的外径是小于固态燃料电池单元1膜片上的电极(含催化层)的直径的，电极会露出密封陶瓷单管5，可以从密封陶瓷单管5外把导线和电极连接。陶瓷单管5和固态燃料电池单元1电解池片间用耐高温的导电胶粘接密封。
实施例3
基于实施例1，提供一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，所述燃料气体为含有碳、氢、氧成分的混合气体。通过电催化，将燃料气体的化学能转化为电能；通过电解将H2O或CO2转化为H2/CO，达到储能的作用。
具体地，燃料气体可包含H2、CH4、CO、CO2和水蒸气等，在供电模式下，由固态燃料电池单元1将燃料气体气体(如H2、CO、CH4等)的化学能转化为电能；储能模式下，由固态燃料电池单元1将燃料气体中的H2O与CO2电解还原成H2和CO，把电能转化为化学能。
实施例4
在该实施例中，提供一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，如图5所示，所述气路6上设有加湿模块7。具体地，气路6可分为进气气路61和出气气路62，在供电模式下，进气气路61将燃料气体输送至固态燃料电池单元1中进行反应，在储能模式下，出气气路62将电解生产的氢气进行回收。气路6为不锈钢管，不易被腐蚀，以保证整个电解池装置的寿命。
进一步地，在进气气路61上设有加湿模块7，加湿模块7保证了含有碳成分杂质气体的氢气在供电模式下保持一定的湿度进入固态燃料电池单元，并在储能模式下提供电解还原所需的水，潮湿的氢气等通入装置，供电模式工作温度为650℃至800℃；储能模式工作温度为650℃至800℃，使用电压为1.6V。
实施例5
在该实施例中，提供一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，所述阴极催化层12、阳极催化层13均由SrFexMyO3-δ构成，其中M＝Ti，Mo，Ni，Co，x+y＝1；所述电解质支撑体11由La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ构成。需要说明的是，δ表示该类氧化物中存在一定氧空位，无取值范围。铁酸锶基电极的成本远低于铂，降低了燃料电池的制备成本。
进一步地，所述集流层为银网，集流层保证不影响捕获气体的条件下完成对于电极部分的集流。通过集流层将电极活性物质产生的电子电流汇集并输出，利于降低电解池的内阻，提高电解效率与循环稳定性。
实施例6
基于以上实施例，提供一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，如图6所示，所述控制模块2包括电路控制单元21、供电端22、负载端23以及模式切换信号源24，所述电路控制单元21通过导线8与所述固态燃料电池单元1的电极连接；
供电模式下，所述模式切换信号源24向所述电路控制单元21发出用电波峰信号指令，所述电路控制单元21断开与所述供电端22的连接，并接通所述负载端23；
储能模式下，所述模式切换信号源24向所述电路控制单元21发出用电波谷信号指令，所述电路控制单元21接通所述供电端22，并断开所述负载端23。
具体地，电路控制单元21包括外部电源接口、负载接口和控制信号接口，所述控制信号接口与模式切换信号源24连接，通过负载接口与负载端23连接，通过外部电源接口与供电端22连接。
在供电模式下，控制信号接口输入供电指令，并接通所述负载接口；所述控制信号接口在储能模式下输入蓄电指令，接通外部电源接口并断开所述负载接口。具体地，采用PWM控制控制信号指令，由控制信号接口给出峰波谷的信号指令，在控制信号接口给出用电波峰信号指令时，电控模块断开外部电源接口，接通负载接口，进入供电模式；在控制信号接口给出用电波谷信号指令时，电控模块断开负载接口，接通外部电源接口，进入储能模式。
进一步地，供电模式下，所述固态燃料电池单元1将所述燃料气体的化学能转化为电能，并将电能依次输出给所述电路控制单元21和负载端23；
储能模式下，所述固态燃料电池单元1接收所述电路控制单元21的电能，并将所述电解气体电解还原。
实施例7
目前，工业中产生的氢气主要还是碳基灰氢。本发明采用的铁酸锶基电极催化层对碳不敏感，该装置可以充分利用廉价的灰氢做为初始原料，将灰氢中的碳成分禁锢在系统中通过能量双向转换反复循环利用，达到碳中和的效果。
进一步地，利用外部的供电端22在储能模式下电解制备氢气，提高制备氢气的效率和质量。在该实施例中，对本发明能量双向转化装置的效果进行了分析，本装置能够高效地将电能转化为化学能，如图7所示，给出了能量双向转化装置不同工作温度储能模式下共电解还原CO2/H2O的IV曲线，在储能模式下，在工作温度为800℃，外部电压为1.6V时，CO2/H2O电解还原的电流密度可达1.18A/cm2。
进一步地，本装置能够高效地将化学能转化为电能，如图8所示，给出了基于铁酸锶基电极的能量双向转化装置不同温度供电模式下使用氢气作为燃料气体的工作性能图，其中，在供电模式下，在工作温度800℃时，固态电池单元最大功率密度可以达到562mW/cm2。在工作温度850℃时，固态电池单元最大功率密度可以达到650mW/cm2左右。
实施例8
在该实施例中提供了一种能量双向转化的电解池的制备方法，用于制备铁酸锶基氧化物，与上述基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置具备相同的发明构思，所述方法具体包括以下步骤：
S1：将Sr(NO3)2、Fe(NO3)·9H2O以及(NH4)6Mo7O24·4H2O根据样品的化学计量比，溶于去离子水中，加入硝酸作为助燃剂，柠檬酸作为络合剂，用氨水调节pH为7-8，得到澄清溶液；
S2：将澄清溶液置于烘箱中，90℃烘干，将所得干凝胶置于电炉450℃加热至燃烧得到粉体；
S3：将粉体在1000℃煅烧3h后压制成圆片，并在1100℃下煅烧10h，研磨成粉得到铁酸锶基氧化物的纯相粉体。其中，铁酸锶基氧化物为SrFexMyO3-δ，M＝Ti，Mo，Ni，Co；x+y＝1。
S4：将铁酸锶基氧化物的纯相粉体与5％乙基纤维素/松油醇按质量比～1:1.95混合均匀制备电极浆料，将电极浆料涂敷于电解质片上，在1100℃下煅烧2h得到电解池模块。其中，具体采用丝网印刷法将电极浆料涂敷于电解质片上。电解池模块包括电解质支撑体、设于电解质支撑体两侧的阴极催化层和阳极催化层，形成三明治结构的对称电解池。更为具体地，阴极催化层与阳极催化层均为铁酸锶基氧化物，电解质支撑体由La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ构成。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，所述能量双向转化装置包括：
能量转化模块，所述能量转化模块包括多个固态燃料电池单元(1)，所述固态燃料电池单元(1)包括电解质支撑体(11)以及分别设于所述电解质支撑体(11)两侧的阴极催化层(12)和阳极催化层(13)，所述阴极催化层(12)和阳极催化层(13)上均设有集流层；所述阴极催化层(12)和阳极催化层(13)均为铁酸锶基氧化物；
控制模块(2)，所述控制模块用于切换所述固态燃料电池单元(1)的阴极催化层(12)和阳极催化层(13)，使得所述能量转化模块工作为供电模式或储能模式；
气源模块(3)，所述气源模块(3)用于在供电模式下为所述固态燃料电池单元(1)提供含碳的燃料气体，在储能模式下为所述固态燃料电池单元(1)提供电解气体。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，所述固态燃料电池单元(1)的外围设有加热模块(4)，所述加热模块(4)包括电热丝(41)和保温层(42)。
3.根据权利要求1所述的一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，所述固态燃料电池单元(1)下设有陶瓷单管(5)，所述陶瓷单管(5)的一端与所述固态燃料电池单元(1)连接，所述陶瓷单管(5)的另一端通过气路(6)与所述气源模块(3)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，所述燃料气体为含有碳、氢、氧成分的混合气体。
5.根据权利要求1所述的一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，所述阴极催化层(12)、阳极催化层(13)均由SrFexMyO3-δ构成，其中M＝Ti，Mo，Ni，Co，x+y＝1；所述电解质支撑体(11)由La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，所述集流层为银网。
7.根据权利要求2所述的一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，所述电热丝(41)为铁铬铝电热丝；所述保温层(42)为石棉保温层。
8.根据权利要求3所述的一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，所述气路(6)上设有加湿模块(7)。
9.根据权利要求1所述的一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，所述控制模块(2)包括电路控制单元(21)、供电端(22)、负载端(23)以及模式切换信号源(24)，所述电路控制单元(21)通过导线(8)与所述固态燃料电池单元(1)连接；
供电模式下，所述模式切换信号源(24)向所述电路控制单元(21)发出用电波峰信号指令，所述电路控制单元(21)断开与所述供电端(22)的连接，并接通所述负载端(23)；
储能模式下，所述模式切换信号源(24)向所述电路控制单元(21)发出用电波谷信号指令，所述电路控制单元(21)接通所述供电端(22)，并断开所述负载端(23)。
10.根据权利要求9所述的一种基于铁酸锶电极催化层的能量双向转化装置，其特征在于，供电模式下，所述固态燃料电池单元(1)将所述燃料气体的化学能转化为电能，并将电能依次输出给所述电路控制单元(21)和负载端(23)；
储能模式下，所述固态燃料电池单元(1)接收所述电路控制单元(21)的电能，并将所述电解气体电解还原。
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