CN115449832A - 一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统和工艺，该系统包括泡沫金属电解池堆和供电器，泡沫金属电解池堆的阴极与供电器负极相连接，泡沫金属电解池堆的阳极与供电器正极相连接，泡沫金属电解池堆包括多个泡沫金属电解池单元，本发明可以促进气体从通道向多孔电极层扩散，有助于降低扩散阻力，增强气体输运，提高蒸汽转化率，增大蒸汽扩散通量，有效地改善固体氧化物电解池性能，电池欧姆损失小，提高电解池转化效率，有望进一步降低制氢成本。

Description

一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统和工艺
技术领域
本发明属于电解池制氢技术领域，具体涉及一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统和工艺。
背景技术
对剧烈气候变化、人口增长、工业污染和能源独立的关注刺激了可再生能源的发展。然而，可再生能源具有间歇性和波动性的特点。将可再生能源电能转化为氢气，具有储能容量大、功率密度高、持续时间长、发展前景好等优点。利用可再生能源电解水制氢，可实现二氧化碳零排放，是理想的制氢技术。目前，水电解制氢的主要技术有四种：碱性电解池(AEC)、质子交换膜电解池(PEMEC)、碱性阴离子交换膜电解池(AEMEC)和固体氧化物电解池(SOEC)。虽然AEC技术最为成熟，但其效率低，腐蚀性强，存在安全隐患。在整体制氢效率较低的情况下，PEMEC能够适应电源的波动，但需要贵金属催化剂，设备成本较高。相比之下，SOEC可在600 ~ 1000℃的高温下制氢，功率需求更低，化学反应速率更高，可有效降低功率消耗，提高转化效率。
由于SOEC的结构特点和材料特性，其SOEC性能受到气体扩散的限制。大量研究表明，泡沫金属材料可以作为流场的替代材料，因为泡沫金属材料具有高导电性、高导热性、高孔隙率、低成本、低渗透率等优点。同时，大量的实验和模拟也验证了金属泡沫的明显作用，即降低扩散阻力，增强气体输运。然而，目前关于泡沫金属SOEC的数值模拟研究还很少，这表明泡沫金属SOEC在提高气体扩散和电化学反应速度方面有很大的潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统和工艺。
为达到上述目的，提出以下技术方案：
一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统，包括泡沫金属电解池堆和供电器，泡沫金属电解池堆的阴极与供电器负极相连接，泡沫金属电解池堆的阳极与供电器正极相连接，泡沫金属电解池堆包括多个泡沫金属电解池单元。
进一步地，泡沫金属电解池单元包括阴极连接体、阴极金属泡沫通道、阴极扩散层、阴极催化层、电解质层、阳极催化层、阳极扩散层、阳极金属泡沫通道和阳极连接体，阴极连接体、阴极扩散层、阴极催化层、电解质层、阳极催化层、阳极扩散层和阳极连接体依次连接结合成一体，阴极金属泡沫通道设于阴极连接体和阴极扩散层之间，阳极金属泡沫通道设于阳极连接体和阳极扩散层之间。
进一步地，阴极扩散层、阴极催化层、阳极催化层、阳极扩散层采用多孔金属陶瓷复合材料，孔隙率为0.48，迂曲度为5.4；所述阴极金属泡沫通道和阳极金属泡沫通道是具有0.9以上的高孔隙率的多孔纯金属或合金。
进一步地，阴极催化层由镍基合金钇稳定氧化锆组成，电解质层由氧化钇稳定的氧化锆组成，阳极催化层由掺锶锰酸镧复合材料组成。
进一步地，阴极扩散层厚度为0.5-1mm、阴极催化层厚度为0.05-0.1mm；电解质层厚度为0.05-0.1mm；阳极催化层厚度为0.05-0.1mm、阳极扩散层厚度为0.5-1mm。
一种采用上述系统进行制氢的工艺，其特征在于包括如下步骤：太阳光照射到供电器上，产生电能供泡沫金属电解池堆，水蒸汽由阴极金属泡沫通道进入，然后通过阴极扩散层，并在阴极催化层发生电解反应，产生氢气和氧离子，产生的氢气经过阴极扩散层进入阴极金属泡沫通道排出，产生的氧离子通过电解质层进入阳极催化层产生氧气分子，氧气分子经过阳极扩散层进入阳极金属泡沫通道排出。
进一步地，泡沫金属电解池堆中的工作温度为800-1000℃。
进一步地，阴极金属泡沫通道和阳极金属泡沫通道中金属泡沫材料渗透率为1×10−7m2-1×10−9m2。
进一步地，阴极金属泡沫通道进口水蒸汽的体积摩尔分数为50-70%。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1）金属泡沫流场具有细小的毛细结构，增加了电化学反应的速率，提高蒸汽转化率，增大蒸汽扩散通量，有效地改善固体氧化物电解池性能，将其作为固体氧化物电解池阴极流道易于水蒸汽和氧气在阴极催化层和阴极扩散层内的传输，使氧气浓度分布更为均匀；
2）泡沫金属可以提高SOEC的导电性，促进气体从通道向多孔电极层扩散，有助于降低扩散阻力，增强气体输运，相较于传统流道设置其电子传输路径短，电池欧姆损失小，故能提高电解池转化效率，有望进一步降低制氢成本；
3）可以改善气体分布特性；具有良好的热量散发性能，使金属泡沫中的对流换热不同于传统的多孔介质如堆积颗粒中的渗透流传热特性，防止局部高温。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2泡沫金属电解池单元图；
图中：1、泡沫金属电解池堆；2、泡沫金属电解池单元；3、供电器；201、阴极连接体；202、阴极金属泡沫通道；203、阴极扩散层；204、阴极催化层；205、电解质层；206、阳极催化层；207、阳极扩散层；208、阳极金属泡沫通道；209、阳极连接体。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步详细描述，以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统，包括泡沫金属电解池堆1和供电器3，泡沫金属电解池堆1的阴极与供电器3负极相连接，泡沫金属电解池堆1的阳极与供电器3正极相连接，泡沫金属电解池堆1包括多个泡沫金属电解池单元2，泡沫金属电解池单元2包括阴极连接体201、阴极金属泡沫通道202、阴极扩散层203、阴极催化层204、电解质层205、阳极催化层206、阳极扩散层207、阳极金属泡沫通道208和阳极连接体209，阴极连接体201、阴极扩散层203、阴极催化层204、电解质层205、阳极催化层206、阳极扩散层207和阳极连接体209依次连接结合成一体，阴极金属泡沫通道202设于阴极连接体201和阴极扩散层203之间，阳极金属泡沫通道208设于阳极连接体209和阳极扩散层207之间。
以下实施例中，阴极扩散层203、阴极催化层204、阳极催化层206、阳极扩散层207采用多孔金属陶瓷复合材料，阴极催化层204采用Ni-YSZ（镍基合金钇稳定氧化锆）材料，电解质层205由致密的YSZ（氧化钇稳定的氧化锆）材料组成；阳极催化层206、由LSM-YSZ（掺锶锰酸镧）复合材料组成，阴极扩散层203、阴极催化层204、阳极催化层206和阳极扩散层207的孔隙率为0.48，迂曲度为5.4；阴极扩散层203厚度为0.5mm、阴极催化层204厚度为0.05mm；电解质层205厚度为0.05mm；阳极催化层206厚度为0.05mm、阳极扩散层207厚度为0.5mm，阴极金属泡沫通道202和阳极金属泡沫通道208的孔隙率为0.91。
实施例1
太阳光照射到供电器3上，产生电能供泡沫金属电解池堆1，水蒸汽体积摩尔分数为50%，温度为800℃，扩散通量为7.57×10−4 kg/(m2·s)，由阴极金属泡沫通道202进口进入泡沫金属电解池堆1，金属泡沫材料渗透率为1×10−7m2，而后水蒸汽分子通过阴极扩散层203在阴极催化层204发生电解反应（H2O+2e-→O2-+H2），水蒸汽电解池产生氢气（2.24×10−4kg/(m2·s)）和氧离子，产生的氢气经过阴极扩散层203进入阴极金属泡沫通道202从出口排出泡沫金属电解池堆1；产生的氧离子通过致密的电解质层205进入阳极催化层206失去电子发生氧化反应产生氧气，氧气（1.12×10−4kg/(m2·s)）经过阳极扩散层207进入阳极金属泡沫通道208从出口排出泡沫金属电解池堆1，电子沿着外电路回到泡沫金属电解池堆1的阴极催化层204，反应以此循环。水蒸汽的转化率为76%。
实施例2
太阳光照射到供电器3上，产生电能供泡沫金属电解池堆1，水蒸汽体积摩尔分数为60%，温度为900℃，扩散通量为8.13×10−4 kg/(m2·s)，由阴极金属泡沫通道202进口进入泡沫金属电解池堆1，金属泡沫渗透率为1×10−8m2，而后水蒸汽分子通过阴极扩散层203在阴极催化层204发生电解反应（H2O+2e-→O2-+H2），水蒸汽电解池产生氢气（4.36×10−4kg/(m2·s)）和氧离子，产生的氢气经过阴极扩散层203进入阴极金属泡沫通道202从出口排出泡沫金属电解池堆1；产生的氧离子通过致密的电解质层205进入阳极催化层206失去电子发生氧化反应产生氧气，氧气（2.18×10−4kg/(m2·s)）经过阳极扩散层207进入阳极金属泡沫通道208从出口排出泡沫金属电解池堆1。电子沿着外电路回到泡沫金属电解池堆1的阴极催化层204，反应以此循环。水蒸汽的转化率为78%。
实施例3
太阳光照射到供电器3上，产生电能供泡沫金属电解池堆1，水蒸汽体积摩尔分数为70%，温度为1000℃，扩散通量为9.83×10−4 kg/(m2·s)，由阴极金属泡沫通道202进口进入泡沫金属电解池堆1，金属泡沫渗透率为1×10−9m2，而后水蒸汽分子通过阴极扩散层203在阴极催化层204发生电解反应（H2O+2e-→O2-+H2），水蒸汽电解池产生氢气（5.88×10−4kg/(m2·s)）和氧离子，产生的氢气经过阴极扩散层203进入阴极金属泡沫通道202从出口排出泡沫金属电解池堆1；产生的氧离子通过致密的电解质层205进入阳极催化层206失去电子发生氧化反应产生氧气，氧气（2.94×10−4kg/(m2·s)）经过阳极扩散层207进入阳极金属泡沫通道208从出口排出泡沫金属电解池堆1。电子沿着外电路回到泡沫金属电解池堆1的阴极催化层204，反应以此循环。水蒸汽的转化率为80%。
对比例
对于传统无金属泡沫材料的电解池，其它结构与本发明相同，太阳光照射到供电器3上，产生电能供电解池堆，水蒸汽体积摩尔分数为50%，温度为1000℃，扩散通量为7.23×10−4 kg/(m2·s)，由阴极通道202进口进入电解池堆，而后水蒸汽分子通过阴极扩散层203在阴极催化层204发生电解反应（H2O+2e-→O2-+H2），水蒸汽电解池产生氢气（1.97×10−4kg/(m2·s)）和氧离子，产生的氢气经过阴极扩散层203进入阴极通道202从出口电解池堆；产生的氧离子通过致密的电解质层205进入阳极催化层206失去电子发生氧化反应产生氧气，氧气（0.99×10−4kg/(m2·s)）经过阳极扩散层207进入阳极通道208从出口排出电解池堆，电子沿着外电路回到电解池堆的阴极催化层204，反应以此循环。水蒸汽的转化率只有74%。
从实施例和对比例的结果比较，可以得出金属泡沫流场能有效地改善固体氧化物电解池性能。

Claims (9)

1.一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统，其特征在于包括泡沫金属电解池堆（1）和供电器（3），泡沫金属电解池堆（1）的阴极与供电器（3）负极相连接，泡沫金属电解池堆（1）的阳极与供电器（3）正极相连接，泡沫金属电解池堆（1）包括多个泡沫金属电解池单元（2）。
2.如权利要求1所述的一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统，其特征在于泡沫金属电解池单元（2）包括阴极连接体（201）、阴极金属泡沫通道（202）、阴极扩散层（203）、阴极催化层（204）、电解质层（205）、阳极催化层（206）、阳极扩散层（207）、阳极金属泡沫通道（208）和阳极连接体（209），阴极连接体（201）、阴极扩散层（203）、阴极催化层（204）、电解质层（205）、阳极催化层（206）、阳极扩散层（207）和阳极连接体（209）依次连接结合成一体，阴极金属泡沫通道（202）设于阴极连接体（201）和阴极扩散层（203）之间，阳极金属泡沫通道（208）设于阳极连接体（209）和阳极扩散层（207）之间。
3.如权利要求2所述的一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统，其特征在于阴极扩散层（203）、阴极催化层（204）、阳极催化层（206）、阳极扩散层（207）采用多孔金属陶瓷复合材料，孔隙率为0.48，迂曲度为5.4；所述阴极金属泡沫通道（202）和阳极金属泡沫通道（208）是具有0.9以上的高孔隙率的多孔纯金属或合金。
4.如权利要求3所述的一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统，其特征在于阴极催化层（204）由镍基合金钇稳定氧化锆组成，电解质层（205）由氧化钇稳定的氧化锆组成，阳极催化层（206）由掺锶锰酸镧复合材料组成。
5.如权利要求4所述的一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统，其特征在于阴极扩散层（203）厚度为0.5-1mm、阴极催化层（204）厚度为0.05-0.1mm；电解质层（205）厚度为0.05-0.1mm；阳极催化层（206）厚度为0.05-0.1mm、阳极扩散层（207）厚度为0.5-1mm。
6.一种采用如权利要求5所述的系统进行制氢的工艺，其特征在于包括如下步骤：太阳光照射到供电器（3）上，产生电能供泡沫金属电解池堆（1），水蒸汽由阴极金属泡沫通道（202）进入，然后通过阴极扩散层（203），并在阴极催化层（204）发生电解反应，产生氢气和氧离子，产生的氢气经过阴极扩散层（203）进入阴极金属泡沫通道（202）排出，产生的氧离子通过电解质层（205）进入阳极催化层（206）产生氧气分子，氧气分子经过阳极扩散层（207）进入阳极金属泡沫通道（208）排出。
7.如权利要求6所述的工艺，其特征在于泡沫金属电解池堆（1）中的工作温度为800-1000℃。
8.如权利要求6所述的工艺，其特征在于阴极金属泡沫通道（202）和阳极金属泡沫通道（208）中金属泡沫材料渗透率为1×10−7m2-1×10−9m2。
9.如权利要求6所述的工艺，其特征在于阴极金属泡沫通道（202）进口水蒸汽的体积摩尔分数为50-70%。
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