[發明專利]碳輔助固體氧化物電解池

有效

• 申請號: 202111453775.0
• 申請日: 2021-12-01
• 公開（公告）號: CN114032570B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 徐浩然;韓雨;肖剛;孫安葦;帥威
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C25B9/60
• 分類號: C25B9/60;C25B1/04;C25B11/042
• 代理公司: 上海立群專利代理事務所(普通合伙) 31291
• 代理人: 楊楷;毛立群

本發明提供一種碳輔助固體氧化物電解池，包括陰極、電解質、陽極及陽極腔，在陰極通入水蒸氣作為氧化劑發生還原反應，陽極腔內包含碳燃料和CO₂吸收劑，向陽極腔內通入水蒸氣作為原位氣化工質，水蒸氣與碳燃料發生碳氣化反應生成CO和H₂，陰極產生的氧離子通過電解質傳遞至陽極，并與陽極腔內產生的CO和H₂發生氧化反應，碳氣化反應產生的部分CO在陽極腔內與水蒸氣發生水氣置換反應生成CO₂與H₂；CO₂吸收劑通過吸收水氣置換反應產生的CO₂促進產生H₂。本發明能夠實現CA?SOEC陽極內部氣體組分的有效調控，實現碳輔助電解池性能的提升以及能耗的降低，并且實現陰極、陽極同時生成燃料氣，顯著提升電解池的工作效率。

技術領域

本發明涉及電解池技術領域，具體為一種碳輔助固體氧化物電解池。

背景技術

為實現“碳中和”、“碳達峰”的目標，在經濟發展的同時實現環境保護與資源的有效利用，目前迫切需要能源供給和消費側的技術更新與升級。電解池作為一種先進的能源轉換設備，能夠將過剩的可再生能源通過電解反應將不穩定的電能轉化為燃料氣進行儲存，有著無污染、反應物成本低、效率高等優點，有望同時在發電站和交通運輸等多種電力供應/消費場景中發揮巨大作用。

相比于低溫電解池，固體氧化物電解池(solid oxide electrolysis cell,SOEC)具有電力需求較低、反應動力學優異、無需貴金屬催化劑等不可替代的優點。

基于SOEC技術利用固態碳燃料進行輔助電解的碳輔助固體氧化物電解池(Carbon-Assisted Solid Oxide Electrolysis Cell,CA-SOEC)，可通過替換陽極析氧反應顯著降低工作電位、減少電力消耗，是一種極具發展潛力和市場前景的先進能源裝置。當前CA-SOEC存在碳氧化速率慢、低電位下電流密度低、析氧速率慢等問題，難以實現大規模生產。

發明內容

針對以上問題，本發明提供了一種碳輔助固體氧化物電解池，通過陽極腔中引入水蒸氣作為原位氣化工質，提高碳氣化反應速率，并通過在陽極腔中加入CO₂吸收劑，迅速消納CO電化學氧化產生的CO₂，避免Boudouard反應發生，實現CA-SOEC內部碳氣化-電化學氧化過程的動力學匹配，并實現陽極內部氣體組分的有效調控，保證水蒸氣氣化反應在碳氣化過程中的主導地位，進而提升陽極氣體燃料組分中H₂的比例，提高氣化反應速率與傳質速率以及電化學活性，實現碳輔助固體氧化物電解池性能的提升以及能耗的降低，并且實現陰極、陽極同時生成燃料氣，顯著提升電解池的工作效率。

本發明提供一種碳輔助固體氧化物電解池，包括陰極、電解質、陽極及陽極腔，在陰極通入水蒸氣作為氧化劑發生還原反應生成H₂，陽極腔內包含碳燃料和CO₂吸收劑，向陽極腔內通入水蒸氣作為原位氣化工質，水蒸氣與碳燃料發生碳氣化反應生成CO和H₂，陰極產生的O^2-通過電解質傳遞至陽極，并與陽極腔內產生的CO和H₂發生氧化反應，生成CO₂與H₂O，碳氣化反應產生的部分CO在陽極腔內與水蒸氣發生水氣置換反應生成CO₂與H₂，CO₂吸收劑通過吸收水氣置換反應產生的CO₂促進產生H₂。

本發明水蒸氣作為氣化工質可以提升碳氣化反應速率、傳質速率以及電化學活性，可以顯著降低濃差極化和活化極化導致的電解池性能下降，從而大幅降低工作電位，減小能耗。采用CO₂吸收劑吸收CO₂可以進一步促進水蒸汽的碳氣化反應，產生更多的H₂，進一步提升CA-SOEC的工作性能。