一种高效电解槽

1.本发明属于绿色制氢技术领域，具体涉及一种高效电解槽。


背景技术：

2.世界能源结构正面临由化石能源向可再生能源转型。实现碳达峰、碳中和目标，成为我国能源结构发展和转型的指导方针，在“双碳”目标的驱使下，发展绿色清洁能源成为必然选择。氢能是一种清洁、无污染、可长期存储的能源载体，在未来的能源结构中必将占据重要地位。发展基于可再生能源电力的电解水制氢技术，可实现完全脱碳，具有重要的社会意义。
3.目前电解水制氢技术有碱性电解水技术、质子交换膜电解水技术和固体氧化物电解池电解水技术。固体氧化物电解池具有全固态结构，可以避免了使用液态电解质所带来的蒸发、腐蚀和电解液流失问题。固体氧化物电解池不需要使用贵金属电极，制备成本更低。固体氧化物电解池在高温(700℃以上)下运行，可以耦合工业余热，电效率可达到100％，被看作是做最高效的电解水制氢技术。固体氧化物电解池制氢技术研究要解决关键材料、部件的性能和可靠性，要解决整体系统的集成和可靠控制。由于固体氧化物电解池在高温运行，各部件热膨胀行为存在差异如何做好系统的热管理以避免电堆内部较大的温差，是实现系统稳定可靠运行的关键。研究者采用套管式换热方式单独对进、出电堆的阴极气和进、出电堆的阳极气体换热处理，但存在换热效果差、气体温度分布不够均匀的问题。


技术实现要素：

4.为了克服固体氧化物电解池电解槽的热管理技术难，电解池堆内温差过大，不同组件间高温下热膨胀不匹配导致系统失效等难点，本发明提供一种高效电解槽，其特征在于，所述电解槽包括气体供给单元、固体氧化物电解池堆单元、尾气分离回收单元及测控单元；还包括热管理单元。
5.所述热管理单元包括对进出电解池堆的阴极气和阳极气进行预热处理的换热气腔，对电解池堆多点位进行测温的热电偶，和对固体氧化物电解池堆单元和换热气腔加热的加热炉；
6.所述换热气腔位于固体氧化物电解池堆的阴极集流板下面，所述换热气腔与阴极集流板通过绝缘板相连；
7.所述换热气腔为内部设有管道的腔体；所述换热气腔与绝缘板连接一侧至少设有4个气孔；所述气孔分别通过管道连接阴极气进口、阳极气进口、阴极气出气口和阳极气出气口；所述阴极气和阳极气通过所述气孔分别通入电解池堆的膜电极的阴极和阳极内部；
8.所述测控单元包含提供高于电解池堆开路电位电压的电源，电磁阀、气体浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、可燃气体传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器及数据采集模块，所述电源的正负极分别与电解池堆的阳极集流板和阴极集流板通过导线连接。
9.进一步地，在上述技术方案中，用于向电解池堆单元供给氢气、氮气、空气、氧气及水蒸气的气体供给单元，包括气体流量计、水泵和水蒸气发生器。
10.进一步地，在上述技术方案中，所述电解池堆单元由一个或多个固体氧化物电解池堆通过串联或并联而成，电解池堆由阴极集流板、阳极集流板及若干个单池重复单元通过密封件连接而重复堆叠装配而成。
11.进一步地，在上述技术方案中，用于对从电解池堆排出的高温水蒸气/氢气混合气进行冷却、干燥处理，分离出高纯氢气的尾气分离回收单元，包括冷却器、干燥器和储气装置。
12.进一步地，在上述技术方案中，所述固体氧化物电解池堆的单池重复单元包括膜电极、集电材料、双极板、密封件及电压检测线，其中所用密封件从室温到电解池堆运行温度范围内不存在相态变化，避免了膜电极两侧气体及其与环境气氛间相互串气。
13.进一步地，在上述技术方案中，密封件材质为玻璃粉或玻璃粉与氧化物的混合粉体，其中，氧化物为zro2、y2o3、tio2、al2o3中一种或几种。
14.进一步地，在上述技术方案中，所述换热气腔采用耐热合金材质。
15.进一步地，在上述技术方案中，所述换热气腔采用310s不锈钢材质。
16.进一步地，在上述技术方案中，所述尾气分离回收单元中，储气装置中气体能通过单向阀通入所述气体供应模块循环使用。
17.进一步地，在上述技术方案中，所述测控单元用于监测和调节氢气、氮气、空气、氧气和水蒸气流量；用于监测和控制电解池堆多点位温度；用于控制电解池堆在不同工况条件下自动启、停。
18.所述热管理单元工作过程当中，加热炉对固体氧化物电解池堆加热，使其维持在系统要求的运行温度；换热气腔同时对进出电解池堆的阴极气和阳极气进行预热处理；热电偶对电解池堆多点位进行测温；所述换热气腔位于电解池堆的阴极集流板下面，两者间通过绝缘板相连，避免了换热气腔与集电板间短路；电解槽运行时，阴极气体通过换热气腔的阴极气进口进入换热气腔后，由换热气腔的1个或多个气孔排出后进入电解池堆，阴极气体在电解池堆发生反应后，经过换热气腔上1个或多个气孔再次进入换热气腔，最后由换热气腔上的阴极气出气口排出，阳极气体通过换热气腔的阳极气进口进入换热气腔后，由换热气腔的1个或多个气孔排出后进入电解池堆，阳极气体在电解池堆发生反应后，经过换热气腔上1个或多个气孔再次进入换热气腔，最后由换热气腔上的阳极气出气口排出。
19.本发明具有以下有益效果及优点：
20.1.本发明系统的热管理可靠，本发明在电解池堆下面增加换热气腔，电解槽运行时，同时对进出电解池堆的阴极气和阳极气进行预热处理，阴极气体通过换热气腔的阴极气进口进入换热气腔后，由换热气腔的1个或多个气孔排出后进入电解池堆，阴极气体在电解池堆发生反应后，经过换热气腔上1个或多个气孔再次进入换热气腔，最后由换热气腔上的阴极气出气口排出；阳极气体通过换热气腔的阳极气进口进入换热气腔后，由换热气腔的1个或多个气孔排出后进入电解池堆，阳极气体在电解池堆发生反应后，经过换热气腔上1个或多个气孔再次进入换热气腔，最后由换热气腔上的阳极气出气口排出。本发明使得进入电堆内每片单池两侧电极内的气体温度分布均匀，温差小，使得这个电堆的温度分布更加均匀，运行更可靠。
21.2.本发明系统模块化强，特别适用1～10kw系统，已可扩展到更大功率系统，提供较高的灵活性和多样性
附图说明
22.图1为本发明电解槽结构示意图；
23.图2为换热气腔结构示意图。
24.图中，1、阴极气进气口，2、气孔a，3、气孔b，4、气孔c，5、气孔d，6、阴极气出气口，7、阳极气进气口，8、气孔e，9、气孔f，10、阳极气出气口。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加明白，下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
26.下述电解槽中用到的密封件为商用市售产品。
27.实施例1
28.如图1所示，以一套产氢量1m3/h的电解槽为例，包含中气体供给单元、电解池堆单元、热管理单元、尾气分离回收单元及测控单元，其中，热管理单元中的换热气腔如附图2所示，其中测控单元对气体供给单元、电解池堆单元、热管理单元和尾气分离回收单元进行监控、测量和控制；
29.气体供给单元包含1个氢气流量计、1个氮气流量计、1台平流泵用于供水、1套水蒸气发生器和1台空压机用于供给空气，其中，水流平将高纯水供给到水蒸气发生器后气化为水蒸气，水蒸气经过管路温度保持在110～120℃之间。
30.电解池堆单元由2个2.5kw的电解池堆串联而成，每个电解池堆由30个单池重复单元组成，第一个单池重复单元的膜电极的阴极与阴极集流板直接相连，最后一个单池重复单元的阳极与阳极集流板连接，单池重复单元中膜电极的阴极与相邻单池重复单元中膜电极的阳极通过双极板连接，单池重复单元中膜电极与双极板间通过密封件连接，避免了膜电极两侧气体串气，不同单池重复单元的双极板间通过密封件连接，避免了单池重复单元间串气及短路。电堆工作在600～850℃，电效率可达95％。
31.如图2所示，电解池堆和换热气腔放置于1套电加热炉内，电解池堆上、下、左、右面中心处放置热电偶测量温度，每套电解池堆中阴极集流板的底部与1套换热气腔通过云母板连接。换热器腔内分别设有不同的管道联通进气口、出气口与气孔之间，电解槽运行时，阴极气体水蒸气/氢气混合气通过换热气腔的阴极气进口1进入换热气腔内的其中两条管道后，由换热气腔的气孔a2，气孔b3，排出后进入电解池堆内膜电极的阴极内部，水蒸气在电解池堆发生反应后形成氢气，水蒸气/氢气经过换热气腔上气孔c4，气孔d5再次进入换热气腔中的另外两条管道，最后由换热气腔上的阴极气出气口6排出。同时，阳极气体空气通过换热气腔的阳极气进口7进入换热气腔中的相应管道后，由换热气腔的气孔e8排出后进入电解池堆内膜电极的氧极内部，从电解池堆排出的空气尾气经过气孔f9再次进入换热气腔中的相应管道，最后由换热气腔上的阳极气出气口10排出。电解池堆上、下、左、右面中心处温差≤30℃阴极。
32.尾气分离回收单元包含1台冷却器、1台干燥器和1套储气装置，对从电解池堆排出
的高温水蒸气和氢气混合气进行冷却、干燥处理，分离出高纯的氢气，储气装置中气体能通过1个单向阀通入所述气体供应模块循环使用。
33.测控单元包含1个直流电源、4个电磁阀、4个气体浓度传感器、12个温度传感器、2个湿度传感器、1个可燃气体传感器、1套电流传感器、1套电压传感器、4个压力传感器及1套数据采集模块，电源的正负极分别与电解池堆的阳极集流板和阴极集流板通过导线连接，可提供电压高于电解池堆开路电位的电压；可实时监测和调整氢气、氮气、空气、氧气和水蒸气流量，可监测电解池堆的上、下、左、右点，换热腔的燃料气的进、出气口和空气的出、气口的温度及预热模块的燃料气的进、出气口和空气的进、出气口的温度，当上述各点温度超出规定范围时，可通过调节燃料气和空气流量将监测点温度调节到规定范围内，系统可以自动启动。
34.实施例2
35.一种高效电解槽，所述电解槽包括气体供给单元、固体氧化物电解池堆单元、尾气分离回收单元及测控单元；还包括热管理单元。
36.所述热管理单元包括对进出电解池堆的阴极气和阳极气进行预热处理的换热气腔，对电解池堆多点位进行测温的热电偶，和对固体氧化物电解池堆单元和换热气腔加热的加热炉；
37.所述换热气腔位于固体氧化物电解池堆的阴极集流板下面，所述换热气腔与阴极集流板通过绝缘板相连；
38.所述换热气腔为内部设有管道的腔体；所述换热气腔与绝缘板连接一侧至少设有4个气孔；所述气孔分别通过管道连接阴极气进口、阳极气进口、阴极气出气口和阳极气出气口；所述阴极气和阳极气通过所述气孔分别通入电解池堆的膜电极的阴极和阳极内部；
39.所述测控单元包含提供高于电解池堆开路电位电压的电源，电磁阀、气体浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、可燃气体传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器及数据采集模块，所述电源的正负极分别与电解池堆的阳极集流板和阴极集流板通过导线连接。
40.用于向电解池堆单元供给氢气、氮气、空气、氧气及水蒸气的气体供给单元，包括气体流量计、水泵和水蒸气发生器。
41.所述电解池堆单元由一个或多个固体氧化物电解池堆通过串联或并联而成，电解池堆由阴极集流板、阳极集流板及若干个单池重复单元通过密封件连接而重复堆叠装配而成。
42.用于对从电解池堆排出的高温水蒸气/氢气混合气进行冷却、干燥处理，分离出高纯氢气的尾气分离回收单元，包括冷却器、干燥器和储气装置。
43.所述固体氧化物电解池堆的单池重复单元包括膜电极、集电材料、双极板、密封件及电压检测线，其中所用密封件从室温到电解池堆运行温度范围内不存在相态变化，避免了膜电极两侧气体及其与环境气氛间相互串气。
44.密封件材质为玻璃粉或玻璃粉与氧化物的混合粉体，其中，氧化物为zro2、y2o3、tio2、al2o3中一种或几种。
45.进一步地，在上述技术方案中，所述换热气腔采用耐热合金材质。
46.所述换热气腔采用310s不锈钢材质。
47.所述尾气分离回收单元中，储气装置中气体能通过单向阀通入所述气体供应模块循环使用。
48.所述测控单元用于监测和调节氢气、氮气、空气、氧气和水蒸气流量；用于监测和控制电解池堆多点位温度；用于控制电解池堆在不同工况条件下自动启、停。