【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电解水制氢方法及装置，具体为用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆及系统。
技术介绍
1、目前，氢气主要通过煤、天然气等燃料重整而获得，生产过程排放大量二氧化碳。电解水制氢是主要的绿氢生产方法，利用太阳能、风能等清洁能源产生的电力来电解水制氢，不仅可以实现氢气的可持续制备，而且可以促进间歇性可再生能源的大规模消纳。碱性电解(alk)和质子交换膜电解(pem)是较为成熟的电解水技术，工作温度均不超过90℃，每公斤氢气的电解电耗分别为54kwh和52kwh。
2、固体氧化物电解池(soec)是新兴的高温电解水制氢技术，大多采用氧离子传导氧化物(如氧化钇稳定氧化锆等)作为电解质隔膜。首先，水蒸气在外加电场和阴极的催化作用下分解为氢气和氧离子，即：
3、4 h2o (c) + 8 e- → 4 h2 (c) + 4 o2- (c) (1)
4、在外加电场的驱动下，氧离子从电解质膈膜的阴极侧传输到阳极侧，即：
5、4 o2- (c) → 4 o2- (a) (2)
6、氧离子在阳极的催化作用下相互耦合，生成氧气，即：
7、4 o2- (a) → 2 o2 (a) + 8 e- (3)
8、soec电解水的总反应为：
9、4 h2o (c) → 4 h2 (c) + 2 o2 (a) (4)
10、soec的工作温度一般在500-850℃，高温运行使得每公斤氢气的电解电耗降低到37.5-4
11、cn107180985a在soec的阳极侧通入包含ch4的低浓度煤层气，cn107868962a在soec的阳极侧引入由碳粉、催化剂和熔盐组成的混合物，使得电解产生并传输到阳极侧的氧离子与碳氢燃料或者固体碳等反应，生成合成气或一氧化碳，从而降低电解过程的电能消耗。不过，阳极入口输入的碳氢燃料(如ch4)在高温下易于裂解、积炭，即：
12、ch4 → 2 h2 + c (5)
13、阳极反应产物中的一氧化碳也会发生boudouard歧化反应而生成固体炭，即：
14、2 co → co2 + c (6)
15、这些固体炭会沉积在多孔阳极内，破坏阳极得微结构，导致电解池性能衰减，甚至电解池完全失效。
技术实现思路
1、专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术目的是提供一种稳定性好、可靠性高的用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，本专利技术的另一目的是提供一种降低能耗、避免碳氢燃料的高温裂解与积炭的电解水耦合可燃气体制合成燃料的系统。
2、技术方案：本专利技术所述的一种用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，包括依次连接的阳极端板、中间板组件和阴极端板，中间板组件包括若干个重复单元，重复单元之间通过连接板连接；重复单元包括电解池，电解池包括阳极、电解质和阴极，阴极通入水蒸气或者水蒸气氢气混合气，发生电解水还原反应，得到氢气，阳极通入可燃气体、水蒸气和/或二氧化碳的混合气，可燃气体与阴极电解水产生并传输到阳极的氧离子发生深度氧化反应，得到二氧化碳。
3、进一步地，重复单元还包括阳极密封件、阳极集流体、中框、阴极集流体和阴极密封件，阳极密封件与电解池、中框、连接板或阳极端板围成阳极腔室，阳极集流体设置在阳极腔室内，阴极密封件与电解池、中框、连接板或阴极端板围成阴极腔室，阴极腔室内设置阴极集流体，阳极腔室与阴极腔室相互隔绝。
4、进一步地，阳极密封件、中框和阴极密封件均为中空框架。
5、进一步地，阴极端板、中间板组件的一侧设置阳极原料气体入口，另一侧设置阴极原料气体入口；阳极端板、中间板组件的一侧设置阳极产物气体出口，另一侧设置阴极产物气体出口；阳极原料气体入口通过阳极腔室与阳极产物气体出口相连通，阴极原料气体入口通过阴极腔室与阴极产物气体出口相连通。
6、进一步地，阳极集流体和阴极集流体均由泡沫镍、镍毡、镍网、泡沫铜、铜毡、铜网、不锈钢网、多孔(la1-xsrx)tio3–δ或多孔la2-xsrxfe2-y-zniymozo6-δ制成，具有较高的孔隙率和良好电子电导率。
7、进一步地，阳极端板、中框、连接板和阴极端板均由430l、441、446、crofer、(la1-xsrx)tio3–δ或la2-xsrxfe2-y-zniymozo6-δ制成，热膨胀系数与电解池相接近。
8、进一步地，连接板的表面覆盖导电防护涂层，导电防护涂层由ni、fe、co、feni3、(la1-xsrx)(cr1-yfey)o3–δ、(la1-xsrx)(cr1-ymny)o3–δ、(la1-xsrx)tio3–δ或la2-xsrxfe2-y-zniymozo6-δ制成。
9、进一步地，固体氧化物电解堆的运行温度为300～1000℃，重复单元的平均工作电压为0.1～2.0v。优选地，固体氧化物电解堆的运行温度为500～700℃，重复单元的平均工作电压为0.3～1.3v。
10、进一步地，可燃气体为甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、生物质气化气、氢气、一氧化碳中的一种或多种。
11、进一步地，阳极集流体填充在阳极腔室内，阳极集流体的顶面与阳极端板的底面或者连接板的底面紧密接触，阳极集流体的底面与电解池的阳极紧密接触；阴极集流体填充在阴极腔室内，阴极集流体的顶面与电解池的阴极紧密接触，阴极集流体的底面与阴极端板的顶面或者连接板的顶面紧密接触。
12、本专利技术所述的一种电解水耦合可燃气体制合成燃料的系统，包括原料供应控制模块、固体氧化物电解模块、过程气体存储与增压模块、燃料合成模块以及控制模块，固体氧化物电解模块包括一个或多个上述的固体氧化物电解堆、引射器、换热器、加热器、冷凝器；原料供应控制模块用于控制由氢气和水蒸气组成的阴极原料气体以及由可燃气体、二氧化碳、水蒸气组成的阳极原料气体的成分与流量，阴极原料气体和阳极原料气体进入固体氧化物电解模块，经充分预热后进入固体氧化物电解堆，同步并分别转化为以氢气为主要成分、以水蒸气为次要成分的阴极产物气体以及以一氧化碳、二氧化碳、水蒸气为主要成分、以氢气为次要成分的阳极产物气体，阴极产物气体和阳极产物气体冷却后，分别进入过程气体存储与增压模块中的氢气储罐和合成气储罐，再经过增压后，进入燃料合成模块，并在合成燃料反应器中转化为合成燃料，经冷却、气液分离和纯化后，得到合成燃料；合成燃料为甲醇、乙醇、甲烷、乙烷、丙烷、汽油、柴油中的一种或多种。
13、工作原理：如图1所示，电解池的阴极通入水蒸气或者以水蒸气为主的水蒸气和氢气混合气，并发生电解水还原反应，阴极产物气体冷凝后得到高纯氢气；所述电解池的阳极通入本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：包括依次连接的阳极端板(1)、中间板组件(2)和阴极端板(3)，所述中间板组件(2)包括若干个重复单元(21)，所述重复单元(21)之间通过连接板(22)连接；所述重复单元(21)包括电解池(211)，所述电解池(211)包括阳极(2111)、电解质(2112)和阴极(2113)，所述阴极(2113)通入水蒸气或者水蒸气氢气混合气，发生电解水还原反应，得到氢气，所述阳极(2111)通入可燃气体、水蒸气和/或二氧化碳的混合气，可燃气体与阴极(2113)电解水产生并传输到阳极(2111)的氧离子发生深度氧化反应，得到二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述重复单元(21)还包括阳极密封件(212)、阳极集流体(213)、中框(214)、阴极集流体(215)和阴极密封件(216)，所述阳极密封件(212)与电解池(211)、中框(214)、连接板(22)或阳极端板(1)围成阳极腔室(4)，所述阳极集流体(213)设置在阳极腔室(4)内，所述阴极密封
3.根据权利要求2所述的用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述阳极密封件(212)、中框(214)和阴极密封件(216)均为中空框架。
4.根据权利要求2所述的用于电解水耦合可燃气体深度氧化制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述阴极端板(3)、中间板组件(2)的一侧设置阳极原料气体入口(6)，另一侧设置阴极原料气体入口(7)；所述阳极端板(3)、中间板组件(2)的一侧设置阳极产物气体出口(8)，另一侧设置阴极产物气体出口(9)；所述阳极原料气体入口(6)通过阳极腔室(4)与阳极产物气体出口(8)相连通，所述阴极原料气体入口(7)通过阴极腔室(5)与阴极产物气体出口(9)相连通。
5.根据权利要求2所述的用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述阳极集流体(213)和阴极集流体(215)均由泡沫镍、镍毡、镍网、泡沫铜、铜毡、铜网、不锈钢网、多孔(La1-xSrx)TiO3–δ或多孔La2-xSrxFe2-y-zNiyMozO6-δ制成。
6.根据权利要求2所述的用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述阳极端板(3)、中框(214)、连接板(22)和阴极端板(3)均由430L、441、446、Crofer、(La1-xSrx)TiO3–δ或La2-xSrxFe2-y-zNiyMozO6-δ制成。
7.根据权利要求1所述的用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述连接板(22)的表面覆盖导电防护涂层，所述导电防护涂层由Ni、Fe、Co、FeNi3、(La1-xSrx)(Cr1-yFey)O3–δ、(La1-xSrx)(Cr1-yMny)O3–δ、(La1-xSrx)TiO3–δ或La2-xSrxFe2-y-zNiyMozO6-δ制成。
8.根据权利要求1所述的用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：其运行温度为300～1000℃，所述重复单元(21)的平均工作电压为0.1～2.0V。
9.根据权利要求1所述的用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述可燃气体为甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、生物质气化气、氢气、一氧化碳中的一种或多种。
10.一种电解水耦合可燃气体合成燃料的系统，其特征在于：包括原料供应控制模块、固体氧化物电解模块、过程气体存储与增压模块、燃料合成模块以及控制模块，所述固体氧化物电解模块包括一个或多个权利要求1～9任一项所述的固体氧化物电解堆、引射器、换热器、加热器、冷凝器；所述原料供应控制模块用于控制由氢气和水蒸气组成的阴极原料气体(10)以及由可燃气体、二氧化碳、水蒸气组成的阳极原料气体(11)的成分与流量，所述阴极原料气体(10)和阳极原料气体(11)进入固体氧化物电解模块，经充分预热后进入固体氧化物电解堆，同步并分别转化为以氢气为主要成分、以水蒸气为次要成分的阴极产物气体(12)以及以一氧化碳、二氧化碳、水蒸气为主要成分、以氢气为次要成分的阳极产物气体(13)，所述阴极产物气体(12)和阳极产物气体(13)冷却后，分别进入过程气体存储与增压模块中的氢气储罐和合成气储罐，再经过增压后，进入所述燃料合成模块，并在所述合成燃料反应器...
【技术特征摘要】
1.一种用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：包括依次连接的阳极端板(1)、中间板组件(2)和阴极端板(3)，所述中间板组件(2)包括若干个重复单元(21)，所述重复单元(21)之间通过连接板(22)连接；所述重复单元(21)包括电解池(211)，所述电解池(211)包括阳极(2111)、电解质(2112)和阴极(2113)，所述阴极(2113)通入水蒸气或者水蒸气氢气混合气，发生电解水还原反应，得到氢气，所述阳极(2111)通入可燃气体、水蒸气和/或二氧化碳的混合气，可燃气体与阴极(2113)电解水产生并传输到阳极(2111)的氧离子发生深度氧化反应，得到二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述重复单元(21)还包括阳极密封件(212)、阳极集流体(213)、中框(214)、阴极集流体(215)和阴极密封件(216)，所述阳极密封件(212)与电解池(211)、中框(214)、连接板(22)或阳极端板(1)围成阳极腔室(4)，所述阳极集流体(213)设置在阳极腔室(4)内，所述阴极密封件(216)与电解池(211)、中框(214)、连接板(22)或阴极端板(3)围成阴极腔室(5)，所述阴极腔室(5)内设置阴极集流体(215)，所述阳极腔室(4)与阴极腔室(5)相互隔绝。
3.根据权利要求2所述的用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述阳极密封件(212)、中框(214)和阴极密封件(216)均为中空框架。
4.根据权利要求2所述的用于电解水耦合可燃气体深度氧化制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述阴极端板(3)、中间板组件(2)的一侧设置阳极原料气体入口(6)，另一侧设置阴极原料气体入口(7)；所述阳极端板(3)、中间板组件(2)的一侧设置阳极产物气体出口(8)，另一侧设置阴极产物气体出口(9)；所述阳极原料气体入口(6)通过阳极腔室(4)与阳极产物气体出口(8)相连通，所述阴极原料气体入口(7)通过阴极腔室(5)与阴极产物气体出口(9)相连通。
5.根据权利要求2所述的用于电解水耦合可燃气体制氢的固体氧化物电解堆，其特征在于：所述阳极集流体(213)和阴极集流体(215)均由泡沫镍、镍毡、镍网、泡沫铜、铜毡、铜网、不锈钢网、多孔(la1-xsrx)tio3–δ或多孔la2...
【专利技术属性】
技术研发人员：占忠亮，仝永成，郑光普，
申请(专利权)人：电堆科技合肥有限公司，
类型：发明
国别省市：
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