【技术实现步骤摘要】
本技术涉及电解池，特别涉及一种能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统。
技术介绍
1、电解水制氢是可再生能源产业的重要一环。低温碱性电解水和质子交换膜电解水制氢技术存在能效低(～70％)、贵金属资源受限等问题，固体氧化物电解池(soec)被认为是最高效的电解水制氢技术，电效率可达100％，但系统效率往往只有80％～90％，甚至更低，效率损失很重要的原因是工作温度高，系统的热效率损失造成的。传统氧离子传导型固体氧化物电解池存在工作温度高、可靠性差等问题。近年研究发现，某些钙钛矿型复合氧化物具有良好的质子电导率。其中，钇掺杂的锆酸钡(bazrxy1-xo3)和钇掺杂的铈酸钡(bacexy1-xo3)，在600℃时质子电导率可达到2×10-2scm-1，与800℃下8mol％氧化钇掺杂的氧化锆(8ysz)的氧离子电导率相当。也有研究表明，与质子电解质复合的氧电极体系在600℃下具有极高的电催化性能，由其制备出的h+传导型电解池(p-soec)峰值功率达到2.5wcm-2以上。同时，p-soec可直接制备出高纯氢气，具有系统简化、能量转换效率和时空产率高等优点。
2、虽然质子导体型固体氧化物电解池的操作温度可降低到700℃以下，但热损失仍然是电解系统效率损失的主要原因，因此如何降低电解池系统的热损失是提高电解系统效率的关键因素之一，并且进入电解池系统内的气体如果与电解池内温差较大，则极易导致电解池上出现温度分布不均，使电解池破裂，大大降低电解池的可靠性。因此在固体氧化物燃料电解池系统中，系统的整体设计需要解决以下问题：(1
3、因此，亟需研究一种高效能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本技术公开了一种能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，包括三级热交换器和质子导体型固体氧化物电解池模块，该电解池系统可大大提高固体氧化物电解池的能量利用效率，实现固体氧化物燃料电解池的高效、稳定运行及安全可靠重复启动。
2、为实现上述目的，本技术采用下述技术方案：
3、根据本技术的第一方面，提出了一种能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统。
4、在一个实施例中，能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，包括三级热交换器和电解池模块，三级热交换器包括第一级热交换器、第二级热交换器和第三级热交换器，第三级热交换器与电解池模块耦合，其中，第一级热交换器为低温换热器，用于水蒸气的气化和初级预热，第二级热交换器为中温热交换器，用于阳极气体、阴极气体与经第三级热交换器排出的高温气体进行热交换，并且将热交换后的阴极气体和阳极气体均匀分配到第三级热交换器；第三级热交换器为高温热交换器，用于将电解池模块产生的高温气体与进入电解池模块气体进行热交换。
5、可选地，所述第一级热交换器的换热温度区间为室温～200℃；第一级热交换器顶端设有第一阳极尾气进气口和第一阴极尾气进气口，底端设有与第一阳极尾气进气口和第一阴极尾气进气口对应的第一阳极尾气出气口和第一阴极尾气出气口，第一级热交换器上还设有空气-水进口和空气-水出口。
6、可选地，所述第二级热交换器的换热温度区间为200～400℃；第二级热交换器内部包括第二阳极反应腔和第二阴极反应腔，第二阳极反应腔包括第二阳极气体腔、第二阳极尾气腔、第二阳极气体分配腔，第二阳极尾气腔内部设有若干第二阳极气体换热管，第二阳极气体腔设有第二阳极气体进气口，第二阳极尾气腔设有第二阳极尾气进气口和第二阳极尾气出气口，第二阳极气体分配腔设有第二阳极气体出气口，第二阳极气体腔中的阳极气体经第二阳极气体换热管进入第二阳极气体分配腔；第二阴极反应腔包括第二阴极气体腔、第二阴极尾气腔和第二阴极气体分配腔，第二阴极尾气腔内部设有若干第二阴极气体换热管，第二阴极气体腔设有第二阴极气体进气口，第二阴极尾气腔设有第二阴极尾气进气口和第二阴极尾气出气口，第二阴极气体分配腔设有第二阴极气体出气口，第二阴极气体腔中的阴极气体经第二阴极气体换热管进入第二阴极气体分配腔。
7、可选地，所述第二阳极气体分配腔内部安装有第二阳极气体分配器，第二阴极气体分配腔内部安装有第二阴极气体分配器，分别用于将阳极气体和阴极气体均匀分配到各电解池模块耦合的第三级热交换器。
8、所述第二阳极气体换热管，用于阳极气体与阳极尾气进行热交换；第二阴极气体换热管，用于阴极气体与阴极尾气进行热交换。
9、可选地，所述第三级热交换器的换热温度区间为400～700℃；第三级热交换器内部包括第三阳极反应腔和第三阴极反应腔，第三阳极反应腔包括第三阳极气体腔、第三阳极尾气腔、第三阳极气体分配腔，第三阳极尾气腔内部设有若干第三阳极气体换热管，第三阳极气体腔一侧设有第三阳极气体进气口，第三阳极尾气腔设有第三阳极尾气进气口，第三阳极气体分配腔设有第三阳极尾气出气口、第三阳极气体出气口，第三阳极气体腔中的阳极气体经第三阳极气体换热管进入第三阳极气体分配腔；第三阴极反应腔包括第三阴极气体腔、第三阴极尾气腔、第三阴极气体分配腔，第三阴极尾气腔内部设有若干第三阴极气体换热管，第三阴极气体腔一侧设有第三阴极气体进气口，第三阴极尾气腔设有第三阴极尾气进气口，第三阴极气体分配腔设有第三阴极尾气出气口、第三阴极气体出气口，第三阴极气体腔中的阴极气体经第三阴极气体换热管进入第三阴极气体分配腔。
10、可选地，所述第三级热交换器的上面和下面均为电解池模块，第三级热交换器和上下的电解池模块集成一体形成第三级热交换器-电解池堆耦合结构。
11、可选地，所述形成第三级热交换器-电解池堆耦合结构数量为n组，其中，n≥1。
12、本技术实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本技术通过三级热交换器换热，并将第三级高温热交换器与电解池模块直接耦合在一起的三级换热电解池系统结构可大大降低系统的热损失，提高质子导体型固体氧化物电解系统的能量利用效率，并且会显著改善电解池系统内的温度分布，既可以在质子导体型固体氧化物电解池系统高温运行时保证其可靠稳定运行，还可以实现电解池系统启动及停机时，电解池模块内电解池上温度差较小，实现质子导体型固体氧化物电解池系统高效、稳定运行及安全可靠重复启动。
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1.能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，包括三级热交换器和电解池模块，三级热交换器包括第一级热交换器、第二级热交换器和第三级热交换器，第三级热交换器与电解池模块耦合，其中，第一级热交换器为低温换热器，用于水蒸气的气化和初级预热，第二级热交换器为中温热交换器，用于阳极气体、阴极气体与经第三级热交换器排出的高温气体进行热交换，并且将热交换后的阴极气体和阳极气体均匀分配到第三级热交换器；第三级热交换器为高温热交换器，用于将电解池模块产生的高温气体与进入电解池模块气体进行热交换。
2.如权利要求1所述的能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，所述第一级热交换器的换热温度区间为室温～200℃；第一级热交换器顶端设有第一阳极尾气进气口和第一阴极尾气进气口，底端设有与第一阳极尾气进气口和第一阴极尾气进气口对应的第一阳极尾气出气口和第一阴极尾气出气口，第一级热交换器上还设有空气-水进口和空气-水出口。
3.如权利要求1所述的能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，所述第二级热交换器的换热温度区间为200～400℃；第二级热交换
4.如权利要求3所述的能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，所述第二阳极气体分配腔内部安装有第二阳极气体分配器，第二阴极气体分配腔内部安装有第二阴极气体分配器，分别用于将阳极气体和阴极气体均匀分配到各电解池模块耦合的第三级热交换器。
5.如权利要求1所述的能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，所述第三级热交换器的换热温度区间为400～700℃；第三级热交换器内部包括第三阳极反应腔和第三阴极反应腔，第三阳极反应腔包括第三阳极气体腔、第三阳极尾气腔、第三阳极气体分配腔，第三阳极尾气腔内部设有若干第三阳极气体换热管，第三阳极气体腔一侧设有第三阳极气体进气口，第三阳极尾气腔设有第三阳极尾气进气口，第三阳极气体分配腔设有第三阳极尾气出气口、第三阳极气体出气口，第三阳极气体腔中的阳极气体经第三阳极气体换热管进入第三阳极气体分配腔；第三阴极反应腔包括第三阴极气体腔、第三阴极尾气腔、第三阴极气体分配腔，第三阴极尾气腔内部设有若干第三阴极气体换热管，第三阴极气体腔一侧设有第三阴极气体进气口，第三阴极尾气腔设有第三阴极尾气进气口，第三阴极气体分配腔设有第三阴极尾气出气口、第三阴极气体出气口，第三阴极气体腔中的阴极气体经第三阴极气体换热管进入第三阴极气体分配腔。
6.如权利要求1所述的能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，所述第三级热交换器的上面和下面均为电解池模块，第三级热交换器和上下的电解池模块集成一体形成第三级热交换器-电解池堆耦合结构。
7.如权利要求6所述的能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，第三级热交换器-电解池堆耦合结构数量为n组，其中，n≥1。
...【技术特征摘要】
1.能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，包括三级热交换器和电解池模块，三级热交换器包括第一级热交换器、第二级热交换器和第三级热交换器，第三级热交换器与电解池模块耦合，其中，第一级热交换器为低温换热器，用于水蒸气的气化和初级预热，第二级热交换器为中温热交换器，用于阳极气体、阴极气体与经第三级热交换器排出的高温气体进行热交换，并且将热交换后的阴极气体和阳极气体均匀分配到第三级热交换器；第三级热交换器为高温热交换器，用于将电解池模块产生的高温气体与进入电解池模块气体进行热交换。
2.如权利要求1所述的能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，所述第一级热交换器的换热温度区间为室温～200℃；第一级热交换器顶端设有第一阳极尾气进气口和第一阴极尾气进气口，底端设有与第一阳极尾气进气口和第一阴极尾气进气口对应的第一阳极尾气出气口和第一阴极尾气出气口，第一级热交换器上还设有空气-水进口和空气-水出口。
3.如权利要求1所述的能量耦合的质子导体型固体氧化物电解池系统，其特征在于，所述第二级热交换器的换热温度区间为200～400℃；第二级热交换器内部包括第二阳极反应腔和第二阴极反应腔，第二阳极反应腔包括第二阳极气体腔、第二阳极尾气腔、第二阳极气体分配腔，第二阳极尾气腔内部设有若干第二阳极气体换热管，第二阳极气体腔设有第二阳极气体进气口，第二阳极尾气腔设有第二阳极尾气进气口和第二阳极尾气出气口，第二阳极气体分配腔设有第二阳极气体出气口，第二阳极气体腔中的阳极气体经第二阳极气体换热管进入第二阳极气体分配腔；第二阴极反应腔包括第二阴极气体腔、第二阴极尾气腔和第二阴极气体分配腔，第二阴极尾气腔内部设有若干第二阴极气体换热管，第二阴极气体腔设有第二阴极气体进气口，第二阴极尾气腔设有第二阴极尾气进气口和第二阴极尾气出气口，第二阴极...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏新，涂宝峰，邱鹏，戚惠颖，张同环，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：新型
国别省市：
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