一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆及制氢方法

1.本发明涉及燃料电池/电解池电堆技术领域，特别是涉及一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆及制氢方法。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池是一种将燃料的化学能通过电化学反应转化为电能的发电装置，与其他电池最大的差别在于其较高的工作温度。此外，固体氧化物燃料电池还具有燃料灵活性大、能源利用效率高、低污染、应用范围广、安静无噪声等优势，其全固态的结构也使得模块化的组装成为可能。为了提高电池的功率输出，往往将多个单电池片串联，以获得实际需要的电压。
3.对于固体氧化物燃料电池来说，阴、阳极供给物质都是气体，在高温环境下若发生气体混杂将出现爆炸等危险情况，因此电池堆内部的气流组织及气密性保证是十分重要的，合理的气流组织对于提高燃料的利用率同样也十分关键。现有的固体氧化物燃料电池/电解池，其内部的气体流通结构相对复杂，无法满足分层式拆装方便的需求，同时，气密性相对较差，气体利用率也相对较低。
4.目前常见的制氢技术有电解水制氢，利用甲醇、天然气等原料气制氢以及煤气化制氢等等。电解水制氢技术成熟、设备简单、运行可靠、管理方便、无污染并且制得氢气纯度高，唯一缺点就是能耗巨大导致成本较高；利用甲醇、天然气等原料气制氢工艺较为复杂且对设备有一定要求，前期投资不菲，但是原料气易得且廉价；煤制氢工艺流程更为复杂，碳排放问题突出。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆，一方面，使其具有内部气体流通结构能够满足分层式拆装方便的需求，另一方面，确保气密性，避免阴、阳极气体相互混杂；此外，提高气体的利用率。本发明的目的之二是提供一种固体氧化物燃料电池耦合固体氧化物燃料电解池制氢的方法，以便利用工业生产中的低品位驰放气，制备具有较高品质的氢气，实现了低品位驰放气的清洁转化和co
x
捕集。
6.本发明通过以下技术手段解决上述问题：
7.本发明第一方面提供一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆，包括底部端板、顶部端板和至少一个连接体，所述底部端板与相邻的连接体之间、相邻的两个连接体之间、顶部端板与相邻的连接体之间均设置有密封件，所述密封件上开设有电池片安装孔，所述电池片安装孔处安装有电池片，所述底部端板、顶部端板、连接体和密封件叠置且通过螺栓紧固连接在一起；所述底部端板上设置有阴极气总入口、阴极气总出口、阳极气总入口和阳极气总出口，底部端板、连接体和顶部端板均开设有分别用于输送阴极气和阳极气且对应对接连通的竖向通道；所述底部端板的一侧面设置有i型蛇形流道凹槽，所述顶部端板的一侧面设置有ii型蛇形流道凹槽，所述连接体的两个侧面分别设置有i型蛇形流道凹槽和ii型蛇
形流道凹槽，所述i型蛇形流道凹槽通过水平通道与输送阴极气的竖向通道连通，所述ii型蛇形流道凹槽通过水平通道与输送阳极气的竖向通道连通。
8.进一步，所述电极片的阴极侧和阳极侧分别覆盖有集流银网和集流镍网。
9.进一步，所述底部端板、连接体和顶部端板的侧面均设置有热电偶探测孔。
10.进一步，所述电极片电连接有电极棒。
11.进一步，所述阴极气总入口、阴极气总出口、阳极气总入口和阳极气总出口均配套有接头。
12.进一步，所述底部端板上开设有螺纹孔，所述密封件、连接体和顶部端板上开设有螺栓通孔，底部端板、密封件、连接体和顶部端板之间通过与对应螺纹孔和螺栓通孔装配的螺栓紧固连接在一起。
13.进一步，所述连接体的螺栓通孔内铺设云母层，所述顶部端板的螺栓通孔配有密封隔断件。
14.采用本技术的电堆，具有如下优点：
15.1)该固体氧化物燃料电池/电解池电堆由多个燃料电池/电解池串联而成，可根据应用场景自主设计串联电池片数量，具有拆卸组装方便、应用范围广，适应性强的优势。
16.2)该固体氧化物燃料电池/电解池电堆采用分层立体结构设计，构造了阴、阳极气体的独立气道，密封性能好。反应区气体流道采用蛇形布置，与传统直肋流道相比，新型流道显著延长了单位质量气体在反应区域的停留时间，提高了气体利用率。且采用新型流道可使气体均匀分配，使工作区温度分布更加均匀，减少了热集中的现象，大大延长了装置的寿命。
17.本发明的第二方面提供一种固体氧化物燃料电池耦合固体氧化物燃料电解池制氢的方法，包括如下步骤：
18.1)将高温阳极气体通入固体氧化物燃料电池的阳极气总入口，将高温富氧空气通入固体氧化物燃料电池的阴极气总入口，在600-1000℃温度下，发生电化学反应产生电能，阳极气体转化为co2和h2o，产生的co2与未完全反应的co通过收集装置收集，从而实现co
x
捕集，减少碳排放；
19.2)将高温水蒸气通入固体氧化物电解池的阴、阳极气总入口，在600-1000℃温度下，电解高温水蒸气从而制得高品质氢气，同时产生副产物高纯度氧气；
20.3)将固体氧化物电解池产生的纯氧与空气混合形成富氧空气，并和固体氧化物燃料电池的阴极气总出口的低氧空气一起通入固体氧化物燃料电池的阴极气总入口，实现循环氧气的充分利用。
21.采用本技术的制氢方法，具有如下优点：
22.1)通过sofc的电化学反应将低品位弛放气中的co经sofc转化为co2，然后进入收集装置，实现了co
x
的捕集，减少了碳排放；
23.2)捕集的co
x
可以作为制备多种高品质化学品的原料；
24.3)通过sofc-soec耦合系统将低品位阳极气转化为了高效的清洁能源——氢气，实现了低品位能源—电能—高品位化学能的高效转化，提高了系统综合制氢能效；
25.4)soec电解水产生的氧气可以通入sofc的阴极气道中，与空气形成富氧空气，从而提高sofc氧离子传输能力，从而提高发电效率；
26.5)若采用高炉煤气作为sofc的燃料，soec电解水产生的氧气可通过配套装置通入高炉中，能同时提高高炉炼铁的产量与高炉煤气的品质，从而提高sofc的转化效率。
27.6)通过调控sofc系统与soec系统的耦合匹配性能，实现耦合系统的最佳匹配，从而提高耦合系统制氢效率。
28.7)该新型耦合制氢方法及系统，实现了工业废气的无毒化再利用并生产清洁能源氢气，同时利用氧气再循环提高耦合系统效率，实现节能减排和绿色增产，应用前景广阔。
附图说明
29.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
30.图1为本发明的固体氧化物燃料电池/电解池电堆结构拆分示意图；
31.图2为本发明的固体氧化物燃料电池/电解池电堆的整体示意图；
32.图3为底部端板的俯视图；
33.图4为连接体的结构示意图；
34.图5为顶部端板的仰视图。
具体实施方式
35.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
36.在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“正中”、“对侧”、“垂直”、“上”、“下”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
37.如图1至图5所示，本实施例一方面提供了一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆，包括底部端板1、顶部端板7和至少一个连接体3，所述底部端板与相邻的连接体之间、相邻的两个连接体之间、顶部端板与相邻的连接体之间均设置有密封件，所述密封件上开设有电池片安装孔20，所述电池片安装孔处安装有电池片5，所述电极片的阴极侧和阳极侧分别覆盖有集流银网6和集流镍网4，所述集流银网和集流镍网用于收集并传导电流，其大小与电池片5的大小相同；密封件2厚度略大于电池片5的厚度，电池片5的阴极和阳极侧接触的流场通道工作区域被隔开，不会造成电堆的短路；连接体3起到传导电流、串联各层电池片的作用。所述密封件2、连接体3、集流镍网4、单电池片5和集流银网6构成一个重复单元体，可以通过在底部端板1和顶部端板7之间增加任意数量的该重复单元体，使之构成任意层数的燃料电池/电解池电堆，相当于把每个单电池片5串联起来，从而提高功率输出或输入。所述底部端板、顶部端板、连接体和密封件叠置且通过螺栓83紧固连接在一起，以保证各构件紧密接触并实现压力密封；具体来说，所述底部端板上开设有螺纹孔11，所述密封件、连接体和顶部端板上开设有螺栓通孔34，底部端板、密封件、连接体和顶部端板之间通过与对应螺纹孔和螺栓通孔装配的螺栓紧固连接在一起。优选地，所述连接体的螺栓通孔内铺设云母层，所述顶部端板的螺栓通孔配有密封隔断件71，以便防止阴极与阳极互联导致短路。
38.所述底部端板上设置有阴极气总入口、阴极气总出口、阳极气总入口和阳极气总出口，在本实施例中，所述底部端板的一侧正中设有阴极气总入口，对侧正中设有阴极气总出口；另一侧正中设有阳极气总入口，对侧正中设有阳极气总出口；优选地，所述阴极气总入口、阴极气总出口、阳极气总入口和阳极气总出口均配套有接头10，以便通过接头与外界的管路连接。
39.所述底部端板、连接体和顶部端板均开设有分别用于输送阴极气和阳极气且对应对接连通的竖向通道30，所述密封件上设置有与对应竖向通道对接的密封件气体通道21；更加具体来说，输送阴极气的竖向通道与输送阳极气的竖向通道相互独立，输送阴极气的竖向通道包括用于阴极气输入的竖向通道和用于阴极气反应后回流的竖向通道，输送阳极气的竖向通道也包括用于阳极气输入的竖向通道和用于阳极气反应后回流的竖向通道；通过竖向通道将阴极气和阳极气输送至底部端板、连接体和顶部端板的对应层。
40.所述底部端板的一侧面设置有i型蛇形流道凹槽32，所述顶部端板的一侧面设置有ii型蛇形流道凹槽33，所述连接体的两个侧面分别设置有i型蛇形流道凹槽和ii型蛇形流道凹槽；所述底部端板的i型蛇形流道凹槽与相邻连接体的ii型蛇形流道凹槽配套，所述相邻两个连接体的i型蛇形流道凹槽与i型蛇形流道凹槽配套，所述顶部端板的ii型蛇形流道凹槽与相邻连接体的i型蛇形流道凹槽配套；所述i型蛇形流道凹槽形成阴极气体流场，所述ii型蛇形流道凹槽形成阳极气体流场。所述i型蛇形流道凹槽通过水平通道31与对应层的输送阴极气的竖向通道连通，所述ii型蛇形流道凹槽通过水平通道与对应层的输送阳极气的竖向通道连通。
41.补充来说：在具体实施例中：多个电池片5串联设置；阴极气体和阳极气体由底部端板1相临侧开设的阴极总入口和阳极气总入口进入装置中；也就是说：阴极气体和阳极气体的整体流向是交叉流向。通过内部竖直通道30和内部横向通道31均匀分配至各层，反应后的气体又通过内部竖向通道30汇流到底部端板的内部横向通道31处，通过相对应的气体总出口排出装置外。
42.具体地，本实施例中电堆第一层电池片(底部端板1提供阴极流场，连接体3提供阳极流场)介质的具体流动路线为：阴极气(空气)由底部端板1阴极气总入口进入后，通过横向或竖向内部通道进入阴极气体流道中，阴极气(空气)在流场中以“蛇”形流动，流道末端开设与底部端板1另一阴极气总出口相连的横向或竖向内部通道，反应后的阴极气(空气)通过通道进入阴极气总出口排出装置外。
43.相应的，阳极气(氢气)经底部端板1阳极气总入口进入底部端板的内部通道，底板开设阴极流场，也就是说：阳极气体通道不开设与阴极流场相连接的横向连接通道，所以氢气由底部端板1的气体通道只是纵向运输，通过密封件2的竖向通道进入连接体3的竖向通道。
44.连接体3具有一定厚度，分为开设阴极流场的工作面和阳极流场的工作面共两个工作面。也就是说：连接体3的气体通道沿纵向可分为均等两段。上一步骤中的氢气进入连接体3的竖向通道，通过下半段竖向通道与连接体3阳极气流场的内部横向通道，进入连接体3的阳极气流场。剩余阳极气沿上半段竖向通道继续纵向流动，连接体3的阳极气通道与连接体3另一工作面的阴极流场不开设连接通道，所以氢气只沿上半段气体纵向流动，进入下一层。也就是说后续的气体流动方式与底部端板1和第一层连接体3组成的第一层电池工
作层相同。
45.在上述流动方式中，因顶部端板四周侧不开设阴极气体出口和阳极气体出口，所有阴极和阳极气体由底部端板统一供入后沿纵向从下至上流动并分配至对应层和对应的流场区域，也就是说：在装置的整体介质流动过程中，上部气体压力要大于下部气体压力，所以反应后的气体最终由各层流场末端流入各层对应气体通道后，最终汇流至底部端板1的气体通道中，由周侧开设的总气体出口排出装置。
46.在具体实施例中：所述电极片电连接有电极棒81，当电堆为电解池时，外电源连接这两个电极棒81并为电解池供电，当电堆为燃料电池电堆时，电堆通过这两个电极棒对外电路输出电压和电流，电极棒81的长度可以根据实际情况调整。
47.在具体实施例中：底部端板1、连接体3和顶部端板7四周的左侧均有一个相同深度的热电偶探测孔80，用来插入热电偶以检测电堆实际温度。
48.在具体实施例中：集流镍网4和集流银网6的目数包括但不限于30、60、90、120、150。
49.在具体实施例中：底部端板1、连接体3和顶部端板7的材料包括但不限于430不锈钢、crofer22、fe-30cr、fe5cr95、hastelloy-x、inconel625、lacro3以及mn
1.5
co
1.5
o4。
50.在具体实施例中：密封件2和密封隔断件71的材料包括但不限于金属压缩密封材料、云母压缩密封材料、陶瓷纤维密封材料和al2o3基密封材料。
51.在具体实施例中：电池片5的阴极材料、电解质材料和阳极材料包括各种目前已经广泛使用并验证的材料和未来将被发展的材料，比如典型的采用nio/ysz-ysz-lsm/ysz三层材料结构的电池片。
52.本实施例另一方面提供了一种固体氧化物燃料电池耦合固体氧化物燃料电解池制氢的方法，包括如下步骤：
53.1)将高温阳极气体通入固体氧化物燃料电池的阳极气总入口，将高温富氧空气通入固体氧化物燃料电池的阴极气总入口，在600-1000℃温度下，发生电化学反应产生电能，阳极气体转化为co2和h2o，产生的co2与未完全反应的co通过收集装置收集，从而实现co
x
捕集，减少碳排放；
54.2)将高温水蒸气通入固体氧化物电解池的阴、阳极气总入口，在600-1000℃温度下，电解高温水蒸气从而制得高品质氢气，同时产生副产物高纯度氧气；
55.3)将固体氧化物电解池产生的纯氧与空气混合形成富氧空气，并和固体氧化物燃料电池的阴极气总出口的低氧空气一起通入固体氧化物燃料电池的阴极气总入口，实现循环氧气的充分利用。
56.在具体实施中，上述反应温度取600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃的具体值。
57.在具体实施中，所述固体氧化物燃料电池中使用的燃料气体包括但不限于高炉煤气、焦炉煤气、合成气、沼气、生物乙醇、低品位驰放气等。
58.在具体实施中，所述固体氧化物电解池电解反应所需电能来自固体氧化物燃料电池产生的电能。
59.在具体实施中，所述富氧空气是否与固体氧化物燃料电池阴极气道出口产生的低氧空气一起通入固体氧化物燃料电池的阴极气道进口取决于低氧空气中的氧含量是否大于某一固定值，低氧空气的氧含量由o2传感器检测。
60.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。