本发明涉及一种电解池，特别涉及一种管式双离子型电解池。
背景技术：
Power-to-Gas是分布式能源技术发展趋势之一，通过电解水将电能转换成可以稳定存储的氢气。氢气通过天然气管道运输，也可以压缩氢气到高压气罐，通过交通工具运输到电力使用区域，解决离网电力需求。氢气的作用还可以体现在电力低谷时，将低价电转换成稳定的化学物质储存，在电力紧张时期进行电力供应，起到用电削峰填谷的作用。
常见电解水技术分为碱式电解水技术和高温电解水技术，从热力学和动力学的角度上讲，高温电解制氢可以将电能以较高效率转化为化学能。例如高温电解水槽可以达到接近100％的转化效率，一部分能量产生热量，一部分转化为化学能：氢气。聚合物膜电解效率一般在50％左右，而碱性电解技术效率更低。
高温电解槽通常有三层结构：阳极、阴极、电解质。以纯水为电解质，反应式为：阳极是水蒸气反应场所，也是氢气生成的场所，阴极是氧气产生的场所，电解质是氧离子传递的介质。通常阳极、阴极是多孔电极，既要满足气体在电极内扩散，也要满足电子、电离后的质子(或氧离子)传递。而电解质是致密层，除了满足氧离子传输，还要起到分离阴、阳两极气体的作用。单个电解槽的工作面积有限，为了达到规模化电解水制氢，通常将若干电解槽串并联起来，而反应气体水蒸气和产物氢气混合在一起在电解槽内流动，一方面混合气体会降低水蒸气的反应速率，另一方面混合气体也阻碍了氢气及时排出，这也就是所谓的气体浓差极化电势。
传统的电解槽三层结构设计不能解决气体浓差极化电势，只有通过新的结构设计，让反应物、产物分离才能彻底解决。高温电解槽的材料通常采用耐高温的金属陶瓷，结构方面使用较多的有平板式和管式结构。相比较平板式，管式结构连接简单，不需要密封。由于高温条件下电解槽材料的成本较高，寿命也相对较短，因此，进一步地提高电解效率是高温电解水技术发展的趋势。
名称为包括高温蒸汽电解池电池的产氢电池(专利号为CN201180061466.7)的专利文献公开了具有管状几何形状的电池包括金属管，和依次放置在所述金属管的外侧面周围的高温蒸汽电解池电池的多孔阳极、高温蒸汽电解池的致密电解质、高温蒸汽电解池的多孔阴极、具有开孔孔隙率的多孔厚层、电化学泵的多孔阳极、电化学泵的致密电解质、电化学泵的多孔阴极和外部金属管。水蒸气从具有开孔孔隙率的多孔厚层进入后在高温蒸汽电解池的多孔阴极上分解成氢气和氧离子，氢气经电化学泵的多孔阳极转化成氢离子后依次通过电化学泵的致密电解质后进入外面一层电化学泵的多孔阴极并在多孔阴极还原成氢气后流出，氧离子通过高温蒸汽电解池的致密电解质后向高温蒸汽电解池电池的多孔阳极扩散并在多孔阳极被氧化成氧气，氧气从金属管的孔隙流入金属管内并从金属管流出。该专利文献中的电池结构较复杂，水电解反应的活性层为电化学泵的多孔阴极和高温蒸汽电解池电池的多孔阳极，中间夹杂的多孔厚层并不参与反应，这种结构增加了气体扩散极化电势，影响了氢气的转化效率。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种结构简单、可提高水解制氢的效率、提高氢气转化率的管式双离子型电解池。本发明通过以下方案实现：
一种管式双离子型电解池，包括金属管，从所述金属管的内壳往金属管中心方向以管式结构依次设置氧气通道、阴极、阴极电解质层、水蒸气通道、阳极电解质层、阳极和氢气通道。
进一步地，所述氧气通道、水蒸气通道和氢气通道中的气体流动采用惰性气体为载体，所述氧气通道、水蒸气通道和氢气通道的压力一般控制为0.5～1.0bar，通过监测出口压力实现通道压力控制。氧气通道用于产物氧气的流出，氢气通道用于产物氢气的流出，水蒸气通道用于电解水蒸气的流入。氧气通道、水蒸气通道和氢气通道通过易分离的惰性气体作为载体，能获得更高浓度的产物，通过控制载气流速可以实现通道压力，也可以降低极化电势。惰性气体一般为氮气、氩气或其混合物，考虑到成本问题，一般优选氮气。
进一步地，所述氧气通道和氢气通道内的气体流向均与所述水蒸气通道内的气体流向相向，这样的设计可以使电解池内反应气体浓差分布最小。
进一步地，所述阴极电解质层为薄膜化致密的钇稳定的氧化锆(YDC)陶瓷材料，所述阳极电解质层为薄膜化致密的铈酸钡(BCY)陶瓷材料，所述阴极电解质层和阳极电解质层的厚度均为10～50μm。阳极电解质层只传递氢离子H+，阴极电解质层只传递氧离子O2-，且两层电解质层为致密结构，这样不会出现串气现象。
进一步地，所述阴极采用泡沫镍负载钇稳定的二氧化锆(简写为Ni/YSZ)制成，其厚度为100～200μm，孔隙率为40～60％；所述阳极采用泡沫镍负载铈酸钡(简写为Ni/BCY)制成，其厚度为50～100μm，孔隙率为40～60％；所述水蒸气通道采用泡沫钛负载铈酸钡和钇稳定的氧化锆组成的混合物(简写为Ti/(BCY+YDC))制成，其厚度为100～500μm。Ni/YSZ、Ni/BCY和Ti/(BCY+YDC)均为多孔金属陶瓷复合材料。
所述金属管的外壳采用耐高温的金属或复合材料制成，其耐压压力为5～10bar；金属管的内壳采用复合材料制成，其耐压压力为10～20bar。氢气从氢气通道分离出来，考虑到水蒸气对电解池的金属管的外壳无腐蚀作用，因而金属管外壳可以采用金属或复合材料制成。
与名称为包括高温蒸汽电解池电池的产氢电池的专利文献对比，本发明的一种管式双离子型电解池，结构简单，设计了两层致密层即阳极电解质层和阴极电解质层，分别传导氢离子和氧离子，三层多孔层即水蒸气通道、阳极和阴极，分别用作水蒸气反应层，氢气生成层和氧气生成层，氢离子只需要通过阳极电解质层后在阳极上被还原成氢气，氢气从氢气通道流出即可，本发明与对比专利号CN201180061466.7的文献相比，因省略了电化学泵的多孔阳极，减少了水电解层的厚度，从而可提高氢气的生成效率。另外，对比专利文献(专利号为CN201180061466.7)中，氢气从最外层的电化学泵的多孔阴极流出，氧气从最内层的金属管流出；而本发明中，氧气通道设计在最外层，这样对金属管的材料选择要求就可以降低；水蒸气通道即水解层，设计在中间位置，高温下水解反应不需要使用贵金属催化剂，水蒸气通道使用泡沫金属材料制成即可；将氢气流道设计在最内层，一方面可以有效控制氢气泄露，另一方面可以有效增加阳极活性面积，两者的氢气和氧气的流出通道的设计完全相反。通过本发明设计，气体浓差极化电势可以大大降低，从而优化水解制氢的效率，氢气生成效率达70％以上。本发明的管式双离子型电解池，密封设计简单，无需串联，通过若干长管并联成电堆实现较大功率输出。
附图说明
图1为实施例1中管式双离子型电解池的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1
一种管式双离子型电解池，如图1所示，包括金属管1，从金属管1的内壳往金属管1中心方向以管式结构依次设置氧气通道2、阴极3、阴极电解质层4、水蒸气通道5、阳极电解质层6、阳极7和氢气通道8，金属管1的外壳采用耐高温的金属或复合材料制成，其耐压压力为5bar；金属管1的内壳采用复合材料制成，其耐压压力为10bar，金属管1的长度约为1m，金属管外壳的外径(即整个电解池的外径)约为1cm，氢气流道的内径(即整个电解池的内径)约为0.4cm；阴极电解质层4为薄膜化致密的YDC陶瓷材料，阳极电解质层6为薄膜化致密的BCY陶瓷材料，阴极电解质层4和阳极电解质层6的厚度均为10μm；阴极3采用多孔金属陶瓷复合材料Ni/YSZ制成，其厚度为100μm，孔隙率为40％；阳极7采用多孔金属陶瓷复合材料Ni/BCY制成，其厚度为50μm，孔隙率为40％；水蒸气通道5采用多孔金属陶瓷复合材料Ti/(BCY+YDC)制成，其厚度为100μm；氧气通道2、水蒸气通道5和氢气通道8中的气体流动均采用氮气为载体，氧气通道2、水蒸气通道5和氢气通道8的压力控制为0.5bar，氧气通道2和氢气通道8内的气体流向均与水蒸气通道5内的气体流向相向。
将50个本实施例1中的管式双离子型电解池相互并联在一起形成电解池组，其工作温度设计为750℃，电解工作电压设为1.5V，工作电流密度为1.5A/cm2，使用该电解池组，氢气产量可以达到7.8Nm3/h，水电解转化效率达到90％左右，氢气生成效率达75％左右。
实施例2
一种管式双离子型电解池，其结构与实施例1中的一种管式双离子型电解池相类似，其不同之处在于：
1、金属管的外壳的耐压压力为7.5bar，金属管的内壳的耐压压力为15bar；
2、阴极的厚度为150μm，孔隙率为50％；阳极的厚度为75μm，孔隙率为50％；水蒸气通道的厚度为300μm；
3、氧气通道、水蒸气通道和氢气通道的压力控制为0.75bar；
4、阴极电解质层和阳极电解质层的厚度均为30μm；
5、氧气通道、水蒸气通道和氢气通道中气体流动均采用氩气为载体。
实施例3
一种管式双离子型电解池，其结构与实施例1中的一种管式双离子型电解池相类似，其不同之处在于：
1、金属管的外壳的耐压压力为10bar，金属管的内壳的耐压压力为20bar；
2、阴极的厚度为200μm，孔隙率为60％；阳极的厚度为100μm，孔隙率为60％；水蒸气通道的厚度为500μm；
3、氧气通道、水蒸气通道和氢气通道的压力控制为1.0bar；
4、阴极电解质层和阳极电解质层的厚度均为50μm；
5、氧气通道、水蒸气通道和氢气通道中的气体流动采用氮气和氩气的混合气体为载体。