[發明專利]固體氧化物電解池組合泡沫流場的優化結構

在審

• 申請號: 201910159308.3
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN109881209A
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 尹燕;杜迎夢;焦魁;杜青
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C25B1/00
• 分類號: C25B1/00;C25B1/06;C25B9/06;C25B11/03;C25B11/06
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 董一寧

本發明公開了一種固體氧化物電解池組合泡沫流場的優化結構，具體為：陰極入口空腔分配區、陰極金屬泡沫和陰極出口集聚區依次連接形成陰極流場，并且該流場置于陰極雙極板和陰極氣體擴散層之間。陽極入口空腔分配、陽極金屬泡沫和陽極出口集聚區水平連接形成陽極流場，并且該流場置于陽極雙極板和陽極催化層之間。陰極入口空腔分配區、陰極金屬泡沫和陰極出口集聚區連接的順序與陽極對應區域的連接順序互逆，兩種氣體流道的方向交叉。金屬泡沫具有良好的導電和導熱特性，同時又具有較大的孔隙率，能促使氣體從流場向擴散層和催化層傳輸，從而提高陰極催化層中反應物濃度、降低陽極產物濃度，并提高物質分布均勻性。

技術領域

本發明屬于電化學與電解池領域，具體涉及一種固體氧化物電解池新型流場的結構。

背景技術

由于能源需求的增加和二氧化碳的大量排放，可再生能源技術和節能減排技術成為國內外研究的焦點。環境中CO₂含量的增加使得CO₂儲存與利用成為降低CO₂含量的有效方式。固體氧化物共電解池能將可再生能源發電產生的電能以化學能形式儲存，同時將CO₂轉化為有用的燃料(合成氣)，實現CO₂有效儲存和利用。因此，固體氧化物電解池被認為是CO₂中性循環和利用是一種非常有前景的方法。

目前，固體氧化物電解池流場結構一般采用傳統溝與脊的結構。該結構中反應氣體從流道向脊下多孔介質中的傳輸阻力過大，使得反應氣體在多孔介質中的分布不均勻。同時電子從多孔層向脊傳輸的橫截面積小，從而導致較大的活化過電勢和歐姆過電勢。研發良好的流場結構可以改善固體氧化物電解池傳熱傳質特性，從而提升電解池電解效率、降低電解電壓，是優化固體氧化物電解池性能的重要途徑。

發明內容

本發明的目的是提出一種固體氧化物電解池的組合泡沫流場結構。將傳統結構替換為組合泡沫流場結構，以達到提高電池導熱、導電和傳質的性能。

固體氧化物電解池組合泡沫流場的優化結構包括：陰極雙極板、陰極入口空腔分配區、陰極金屬泡沫、陰極出口集聚區、陰極氣體擴散層、陰極催化層、固體氧化物電解質層、陽極催化層、陽極入口空腔分配區、陽極金屬泡沫、陽極出口集聚區和陽極雙極板等。其技術連接方案為：陰極入口空腔分配區、陰極金屬泡沫和陰極出口集聚區依次水平連接形成陰極流場，并且該流場置于陰極雙極板和陰極氣體擴散層之間。陽極入口空腔分配區、陽極金屬泡沫和陽極出口集聚區依次水平連接形成陽極流場，并且該流場置于陽極雙極板和陽極催化層之間。陰極入口空腔分配區、陰極金屬泡沫和陰極出口集聚區連接的順序與陽極入口空腔分配區、陽極金屬泡沫和陽極出口集聚區的連接順序互逆。氣體分別通過陰極入口空腔分配區和陽極入口空腔分配區進入電解池，兩種氣體流道的方向交叉，并且陰極入口空腔分配區入口位置、陰極出口集聚區出口位置的設置與陽極相應的位置錯開。

技術方案：采用組合泡沫流場的固體氧化物電解池結構，陰極金屬泡沫、陰極入口空腔分配區和陰極出口集聚區并列連接，其中陰極金屬泡沫位于中間。陽極金屬泡沫、陽極入口空腔分配區和陽極出口集聚區并列連接，陽極金屬泡沫位于中間。

固體氧化物電解池采用陰極支撐，即陰極擴散層較厚，而催化層和電解質層較薄(約為10μm)。陰極金屬泡沫和陽極金屬泡沫采用金屬或合金材料，且具有較大孔隙率，一般孔隙率大于0.9。陰極與陽極進氣流動方向采用逆向或交叉流向。陰極入口空腔分配區入口位置、陰極出口集聚區出口位置設置與陽極相應位置錯開，以便于電堆裝配。