一种基于固体氧化物电解质的电解水制氧系统与方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于制氧技术领域，特别涉及一种基于固体氧化物电解质的电解水制氧系统与方法。
【背景技术】
[0002]制取高纯氧气的方法主要有三种:(I)深冷法；(2)变压吸附法；(3)电解水制氧法。其中电解水制氧方法稳定性较高，耗能较低，容量适用范围较广。但是，目前电解水制氧系统中多采用质子交换膜电解质，此种电解质工作温度低(〈100°c )，便携性较好，但是系统效率和寿命都较低。为了克服以上缺点，本专利采用固体氧化物电解质的电解水制氧方法，在600°C -1000°C下工作，无需贵金属催化剂，能够降低成本，提高系统的效率和寿命，并且系统体积小、制氧规模易于放大，可以获得纯度高达99.995%的高纯氧。电力的输入可以利用风能、太阳能等不稳定电力，进一步能够降低制氧的成本。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于固体氧化物电解质的电解水制氧系统与方法，能够提高制氧效率，实现大规模制取高纯氧(02纯度彡 99.995% ) ο
[0004]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0005]—种基于固体氧化物电解质的电解水制氧系统，包括:
[0006]AC/DC转换器I，将交流电转化为直流电；
[0007]固体氧化物电解池2，与AC/DC转换器I连接接收其输出的电能，与预混器3连接接收其提供的贫Η2/Η20混合气，该贫Η2/Η20混合气在固体氧化物电解池2正极反应得到富Η2/Η20混合气，负极反应得到纯度大于等于99.995%的O2;
[0008]固体氧化物燃料电池4，与固体氧化物电解池2连接接收其得到的富Η2/Η20混合气，该富Η2/Η20混合气在固体氧化物燃料电池4的阳极反应得到贫Η2/Η20混合气；
[0009]换热器一 5，与固体氧化物燃料电池4连接接收其得到的贫Η2/Η20混合气，与空气源连接接收空气，对贫Η2/Η20混合气进行降温，降温后的贫Η2/Η20混合气通过栗6增压输入至预混器3，升温后的空气输入至换热器7 ;
[0010]换热器二 7，与换热器一 5连接接收其提供的空气，与固体氧化物燃料电池4连接接收其阴极输出的高温尾气，对空气进行进一步升温，进一步升温后的空气输入至固体氧化物燃料电池4阴极向其提供氧气。
[0011]所述固体氧化物燃料电池4与固体氧化物电解池2连接向其提供直流电能。
[0012]所述预混器3连接有补给水。
[0013]本发明还提供了一种基于固体氧化物电解质的电解水制氧方法，包括:
[0014]利用AC/DC转换器I将交流电转化为直流电并向固体氧化物电解池2提供；
[0015]利用预混器3向固体氧化物电解池2提供贫Η2/Η20混合气，在其正极，通过电解池正极反应将贫Η2/Η20混合气中的H2O转化为H2，输出富Η2/Η20混合气，同时在其负极产出纯度大于等于99.995%的O2;
[0016]将所得富Η2/Η20混合气送至固体氧化物燃料电池4的阳极，通过电化学反应将富Η2/Η20混合气中的H2转化为H 20，输出贫Η2/Η20混合气；
[0017]将固体氧化物燃料电池4输出的贫Η2/Η20混合气送至换热器一 5，同时向换热器一 5中送入空气，贫Η2/Η20混合气在换热器一 5中降温；
[0018]将在换热器一 5中降温后的贫Η2/Η20混合气送入栗6，在栗6中进行增压后，输入到预混器3中，与补给的水进行混合；
[0019]将固体氧化物燃料电池4阴极输出的尾气和换热器一 5中升温后的空气送入换热器二 7，对空气进行进一步升温，然后将尾气排空；进一步升温的空气送入固体氧化物燃料电池4的阴极，在固体氧化物燃料电池4的阴极消耗其中的02。
[0020]所述固体氧化物燃料电池4产生的直流电能通过DC/DC变压器8，将直流电输入到固体氧化物电解池2中。
[0021]所述AC/DC转换器I所转化的交流电为风能或太阳能产生的电能。
[0022]所述固体氧化物电解池2，由正极、负极以及固体氧化物电解质组成单个电解池，然后由多个电解池通过串并联组合方式组成大规模固体氧化物电解池，工作温度范围为6000C -1000°C，工作压力范围为 0.lMPa-20MPa ；
[0023]所述固体氧化物燃料电池4，由阳极、阴极以及固体氧化物电解质组成单个燃料电池，然后由多个燃料电池通过串并联组合方式组成大规模固体氧化物燃料电池，工作温度范围为600°C -1000°C，工作压力范围为0.lMPa-20MPa。
[0024]所述固体氧化物电解质为氧化乾稳定的氧化错(Yttria Stabilized Zirconia,YSZ)、钪稳定的氧化错(Scandia Stabilized Zirconia, ScSZ)或氧化iIL掺杂的氧化铺(Gadolinia-Doped Ceria, GDC)；
[0025]所述电解池正极采用Ni基催化剂，并与固体氧化物电解质烧结在一起；
[0026]所述电解池负极采用锶掺杂的锰酸镧(LSM)，并与固体氧化物电解质烧结在一起；
[0027]所述燃料电池阳极采用Ni基催化剂，并与固体氧化物电解质烧结在一起；
[0028]所述燃料电池阴极采用锶掺杂的锰酸镧(LSM)，并与固体氧化物电解质烧结在一起。
[0029]电解池正极反应，为H20+2e — H 2+02，其中O2通过电解质输运至电解池负极，电子通过外电路从电解池负极输运至电解池正极。
[0030]电解池负极反应，为O2 — 02+2e，其中O2通过电解质从电池正极输运至电解池负极，电子通过外电路从电解池负极输运至电解池正极。
[0031]燃料电池阳极反应，为H2+02 -H20+2e，其中O2通过电解质从燃料电池阴极输运至燃料电池阳极，电子通过外电路从燃料电池阳极输运至燃料电池阴极。
[0032]燃料电池阴极反应，为02+2e —O2，其中O2通过电解质输运从燃料电池阴极输运至燃料电池阳极，电子通过外电路从燃料电池阳极输运至燃料电池阴极。
[0033]所述贫Η2/Η20混合气，为温度大于100°C的Η2/Η20混合气体，其中H2的摩尔分数小于 0.3o
[0034]所述富Η2/Η20混合气，为温度大于100°C的Η2/Η20混合气体，其中H2的摩尔分数大于 0.7 ο
[0035]与现有技术相比，本发明采用固体氧化物作为电解质，将电解池与燃料电池相结合，能够实现大规模制取高纯02，降低系统成本，提高电解水制氧系统的寿命，并且能够利用风能/太阳能等可再生能源产生的电能。
【附图说明】
[0036]附图1是本发明一种基于固体氧化物电解质的电解水制氧系统示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0038]实施例1
[0039]如图1所示，通过风力发电产生的电能输入到AC/DC转换器1，通过AC/DC转换器I将220V交流电转化为140V直流电，并输入到由100片电池组成的固体氧化物电解池2中；在固体氧化物电解池2的正极，通过电解池正极反应将来自预混器3的30mol% H2的700 0C Η2/Η20混合气中的H2O转化为H2，输出80mo I % H2的800 °C H 2/H20混合气，同时在固体氧化物电解池2的负极产出高纯02(02>99.995% ) ；80mol% H2的800 °C H 2/H20混合气进入固体氧化物燃料电池4的阳极，通过电化学反应将混合气中的H2转化为H 20，输出30mol %比的900°C Η2/Η20混合气，同时在固体氧化物燃料电池4的阴极消耗来自换热器二 7的高温空气中的O2，与此同时固体氧化物燃料电池4向外输出70V直流电能；固体氧化物燃料电池4阳极输出的30mol%比的900°C H 2/H20混合气进入换热器一 5，降温至