一种高效氧离子导体型固体氧化物电解池系统

本技术涉及电解池，尤其涉及一种高效氧离子导体型固体氧化物电解池系统。

背景技术：

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)是一种在中高温下以高效环保的方式将电能和热能转化成燃料化学能的电化学装置。固体氧化物电解池为全固态结构，气体产物容易分离，避免了使用液态电解质所带来的蒸发、腐蚀和电解液流失等问题，同时具有较快的电极反应速率，无需采用pt等贵金属电极，进而大大降低成本。固体氧化物电解池被认为是最高效的电解水制氢技术，其电效率可达100％，但系统效率往往只有80～90％，甚至更低，这些效率的损失相当大的原因是其工作温度高，系统的热效率损失大造成的。氧离子导体型固体氧化物电解池具有能量转换效率和时空产率高等优点，但存在工作温度高、可靠性差等问题。

2、氧离子导体型固体氧化物电解池的操作温度通常在700～900℃，因此热损失较为严重，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，并且因为工作温度高导致系统中容易存在较大温差，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，系统设计需要解决以下问题：(1)改善电解池模块内的温度分布，提高系统的可靠性；(2)提高系统的热利用效率，实现系统热量集成，减少热损失；(3)系统安全可靠的重复启动和稳定运行。

3、因此，亟需研究一种高效氧离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，本实用新型公开了一种高效氧离子导体型固体氧化物电解池系统，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，改善电解池系统内的温度分布，从而实现氧离子导体型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，本实用新型采用下述技术方案：

3、一种高效氧离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集成在一起，其中，第一级热交换器为低温换热器，用于水蒸气的气化以及水蒸气和氢气的初级预热，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。

4、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氢气-水进口和氢气-水出口。

5、可选地，所述第二级热交换器的换热温度区间为200～500℃；第二级热交换器内部包括第二阳极换热腔和第二阴极换热腔，第二阳极换热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；第二阴极换热腔包括第二阴极气体腔、第二阴极尾气腔、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。

6、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集成的第三级热交换器。

7、可选地，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。

8、可选地，所述第三级热交换器的换热温度区间为500～900℃；第三级热交换器内部包括第三阳极换热腔和第三阴极换热腔，第三阳极换热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；第三阴极换热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。

9、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-电解池堆集成结构。

10、可选地，第三级热交换器-电解池堆集成结构数量为n组，其中，n≥1。

11、本实用新型的有益效果是，本实用新型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集成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，提高氧离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，实现氧离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。

技术特征：

1.一种高效氧离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集成在一起，其中，第一级热交换器为低温换热器，用于水蒸气的气化以及水蒸气和氢气的初级预热，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所述的一种高效氧离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氢气-水进口和氢气-水出口。

3.如权利要求1所述的一种高效氧离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200～500℃；第二级热交换器内部包括第二阳极换热腔和第二阴极换热腔，第二阳极换热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；第二阴极换热腔包括第二阴极气体腔、第二阴极尾气腔、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。

4.如权利要求3所述的一种高效氧离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集成的第三级热交换器。

5.如权利要求1所述的一种高效氧离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500～900℃；第三级热交换器内部包括第三阳极换热腔和第三阴极换热腔，第三阳极换热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；第三阴极换热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所述的一种高效氧离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-电解池堆集成结构。

7.如权利要求6所述一种高效氧离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-电解池堆集成结构数量为n组，其中，n≥1。

技术总结本技术公开了一种高效氧离子导体型固体氧化物电解池系统，属于电解池技术领域，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集成在一起，第一级热交换器为低温换热器，第二级热交换器为中温热交换器，第三级热交换器为高温热交换器。本技术通过三级热交换器换热，并将第三级热交换器与电解池模块集成可大大降低热损失，提高能量利用效率，并且会显著改善电解池系统内的温度分布，既可以在系统高温运行时保证其可靠稳定运行，还可以实现系统启动及停机时，电解池模块内温差较小，实现氧离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。技术研发人员：苏新,涂宝峰,邱鹏,戚惠颖,张同环受保护的技术使用者：山东科技大学技术研发日：20230926技术公布日：2024/4/29