一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆及制氢方法技术

本发明专利技术公开了一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆及制氢方法，该电堆包括通过螺栓紧固连接的底部端板、顶部端板、连接体和密封件，所述密封件上安装有电极片；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；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。本申请的电堆，确保了气密性，避免了阴、阳极气体相互混杂；提高了气体的利用率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆及制氢方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池/电解池电堆
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术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。本专利技术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。
[0006]本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：
[0007]本专利技术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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]进一步，所述电极片电连接有电极棒。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]采用本申请的电堆，具有如下优点：
[0015]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。
[0016]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。
[0017]本专利技术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：
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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。
[0021]采用本申请的制氢方法，具有如下优点：
[0022]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；
[0023]2)捕集的CO
x
可以作为制备多种高品质化学品的原料；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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
[0029]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述。
[0030]图1为本专利技术的固体氧化物燃料电池/电解池电堆结构拆分示意图；
[0031]图2为本专利技术的固体氧化物燃料电池/电解池电堆的整体示意图；
[0032]图3为底部端板的俯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池/电解池电堆，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池/电解池电堆，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池/电解池电堆，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池/电解池电堆，其特征在于：所述电极片电连接有电极棒。5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池/电解池电堆，其特征在于：所述阴极气总入口、阴极气总出...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙朝，文志涛，陈飞辉，孔睿，林欣敏，丁宗耀，刘世杰，孙志强，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：