太阳能高温固体氧化物电解水制氢电解池单元、系统和方法

本发明属于电解水，具体涉及一种太阳能高温固体氧化物电解水制氢电解池单元、系统和方法。

背景技术：

1、能源短缺带来的社会问题日益凸显，传统化石能源所带来的环境问题成为人类社会可持续发展的巨大挑战。清洁可再生能源的开发和利用成为了优化能源结构和能源转型发展的必经之路。由太阳能驱动的电解水为大规模和长期太阳能转换和储存提供了一条有前途的途径，具有高效潜力。

2、在多种电解水技术中，碱性电解水已广泛使用，但能耗较高。质子交换膜电解（pem）接近于商业化，但是pem电解需要稀有且昂贵的贵金属催化剂（如pt、ir或ru），同时也面临着高功耗的问题。使用固体氧化物电解槽的高温电解有望克服上述限制。从热力学和动力学的角度来看，高温电解更具有优势，不仅能够使用较为便宜的金属催化剂，还可以实现更低的电池电压和更高的电流密度。从能量需求的角度看，高温电解过程除电能外，还有以下两方面热能需求：（1）高温电解池工作温度较高(600℃-1000℃)，电解过程所需气体，包括反应气体（水蒸气）和吹扫气体（如空气），进入电解池前需要进行加热；（2）高温下的电解反应本身由热能和电能两方面联合驱动，即反应本身需要消耗一部分热能，当电解池电压高于或等于热中性电压时，这部分热量可由电解过程极化损失产生的热量来提供（即由电转化而来的热），而当电解电压低于热中性电压时，电解池需要从周围吸热。因此，对于太阳能高温电解系统，气体预热和电解过程均需接受太阳能加热；同时，气体加热过程与电解过程的分离会导致气体传输过程的热损失。因此，气体加热部分和电解部分的集成以及它们与太阳能辐射的高效耦合对于实现太阳能的高效转化十分重要。另一方面，当电解池受太阳能辐射加热时，受辐射一侧和无辐射一侧容易产生较大温差。固体氧化物电解池为陶瓷结构，较大的温度梯度会引起巨大热应力，进而导致电解池关键材料皲裂，系统失效。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种太阳能高温固体氧化物电解水制氢电解池单元，采用如下技术方案：

2、设计一种太阳能高温固体氧化物电解水制氢电解池单元，包括管式固体氧化物电解池，其设有燃料极、电解质和空气极；还包括燃料极流道、空气极流道、外壳和导流管；所述燃料极流道和空气极流道呈双螺旋结构盘旋在所述管式固体氧化物电解池外围，所述燃料极流道和所述燃料极通过导流管连通，所述管式固体氧化物电解池上方设有外壳，所述空气极流道内流体由所述外壳强制导流至所述空气极。

3、优选的，所述燃料极流道和空气极流道双螺旋结构内围有多个管式固体氧化物电解池。

4、优选的，所述燃料极流道和空气极流道之间设有肋板或者所述外壳向下延伸至包围所述燃料极流道和空气极流道，用于隔离光线。

5、优选的，所述肋板、外壳和导流管的材质均为金属。

6、优选的，所述燃料极材料为铂、ni/ysz、钛酸盐、lscm((la0.75sr0.25)0.95mn0.5cr0.5o3)中的至少一种；阳极材料为锶掺杂锰酸镧(lsm)、双钙钛矿材料sr2comoo6中的至少一种；电解质材料为氧化钇稳定氧化锆(yttria-stabilized zirconia, ysz)、lgsm(la0.8sr0.2ga0.8mg0.2o3-δ)，或者包含上述至少一种氧化物的混合物。

7、本发明进一步提供了一种太阳能高温固体氧化物电解水制氢系统，包括太阳能聚光器和腔式太阳能集热器，腔式太阳能集热器内设有腔体，还包括上任一项所述的电解池单元；所述腔式太阳能集热器内设有腔体入口窗，光线被所述太阳能聚光器聚焦反射后透过腔体入口窗进入所述腔体。

8、优选的，电解池单元有多个，呈圆周阵列分布在所述腔体内。

9、优选的，所述腔体入口窗为石英材质，位于太阳能聚光器的焦点位置。

10、本发明进一步提供了一种太阳能高温固体氧化物电解水制氢方法，利用上述的电解水制氢系统，流体从腔式太阳能集热器的底部分别进入燃料极流道、空气极流道，燃料极流道内流体在上升到顶部后通过导流管导流至所述燃料极，空气极流道内流体在上升到顶部后由外壳进行强制导流至所述空气极，流体受到太阳能聚光器聚焦光线的加热，加热到电解温度进行电解。

11、优选的，燃料极流道通入h2o和h2混合物，h2o通过扩散进入所述燃料极得到电子生成氢气，氧离子通过致密的电解质扩散至所述空气极，失去电子生成氧气，进入空气极流道中。

12、与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

13、1. 本发明通过在管式固体氧化物电解池四周布置双螺旋气体流道，吸收经聚光器聚焦进入腔体内部的光线，能够很好地均匀电极和电解质的温度梯度，减少热应力带来的寿命衰减问题。

14、2. 本发明将管式固体氧化物电解池沿圆周排放在腔式太阳能集热器中，从而进一步有效降低电解池面对单侧辐射加热下的温度梯度。

15、3. 本发明电极侧（包含燃料和空气）流道的气体在电解后仍保持较高的温度，此时可以通过与外层螺旋管内的气体进行换热，从而实现电解后出口高温流体与入口低温流体的换热，该结构可以有效对出口气流的热量进行回收，进一步的提高系统效率。

16、4. 本发明实现了太阳能驱动管式固体氧化物电解池模块化，具有高内聚低耦合的性质，提高了系统的可维护性和鲁棒性。

技术特征：

1.一种太阳能高温固体氧化物电解水制氢电解池单元，包括管式固体氧化物电解池(4)，其设有燃料极、电解质和空气极；其特征在于，还包括燃料极流道(6)、空气极流道(7)、外壳(8)和导流管(9)；燃料极流道(6)和空气极流道(7)呈双螺旋结构盘旋在管式固体氧化物电解池(4)外围，燃料极流道(6)和所述燃料极通过导流管(9)连通，管式固体氧化物电解池(4)上方设有外壳(8)，空气极流道(7)内流体由外壳(8)强制导流至所述空气极。

2.根据权利要求1所述的电解池单元，其特征在于，燃料极流道(6)和空气极流道(7)双螺旋结构内围有多个管式固体氧化物电解池(4)。

3.根据权利要求1所述的电解池单元，其特征在于，燃料极流道(6)和空气极流道(7)之间设有肋板(5)或者外壳(8)向下延伸至包围燃料极流道(6)和空气极流道(7)，用于隔离光线。

4.根据权利要求3所述的电解池单元，其特征在于，肋板(5)、外壳(8)和导流管(9)的材质均为金属。

5.根据权利要求1所述的电解池单元，其特征在于，所述燃料极材料为铂、ni/ysz、钛酸盐、lscm((la0.75sr0.25)0.95mn0.5cr0.5o3)中的至少一种；阳极材料为锶掺杂锰酸镧(lsm)、双钙钛矿材料sr2comoo6中的至少一种；电解质材料为氧化钇稳定氧化锆(yttria-stabilizedzirconia, ysz)、lgsm(la0.8sr0.2ga0.8mg0.2o3-δ)，或者包含上述至少一种氧化物的混合物。

6.一种太阳能高温固体氧化物电解水制氢系统，包括太阳能聚光器(1)和腔式太阳能集热器(2)，腔式太阳能集热器(2)内设有腔体，其特征在于，还包括权利要求1-5任一项所述的电解池单元；腔式太阳能集热器(2)内设有腔体入口窗(3)，光线被太阳能聚光器(1)聚焦反射后透过腔体入口窗(3)进入所述腔体。

7.根据权利要求6所述的电解水制氢系统，其特征在于，电解池单元有多个，呈圆周阵列分布在所述腔体内。

8.根据权利要求6所述的电解水制氢系统，其特征在于，腔体入口窗(3)为石英材质，位于太阳能聚光器(1)的焦点位置。

9.一种太阳能高温固体氧化物电解水制氢方法，其特征在于，利用权利要求6所述的电解水制氢系统，流体从腔式太阳能集热器(2)的底部分别进入燃料极流道(6)、空气极流道(7)，燃料极流道(6)内流体在上升到顶部后通过导流管（9）导流至所述燃料极，空气极流道(6)内流体在上升到顶部后由外壳(8)进行强制导流至所述空气极，流体受到太阳能聚光器(1)聚焦光线的加热，加热到电解温度进行电解。

10.根据权利要求9所述的电解水制氢方法，其特征在于，燃料极流道(6)通入h2o和h2混合物，h2o通过扩散进入所述燃料极得到电子生成氢气，氧离子通过致密的电解质扩散至所述空气极，失去电子生成氧气，进入空气极流道(6)中。

技术总结本发明公开了一种太阳能高温固体氧化物电解水制氢电解池单元，旨在解决现有固体氧化物电解池中较大的温度梯度引起巨大热应力导致电解池关键材料皲裂的技术问题。其包括管式固体氧化物电解池、燃料极流道、空气极流道、外壳和导流管；燃料极流道和空气极流道呈双螺旋结构盘旋在管式固体氧化物电解池外围，燃料极流道和燃料极通过导流管连通，管式固体氧化物电解池上方设有外壳，空气极流道内流体由外壳强制导流至所述空气极。本发明进一步提供了一种电解水制氢系统和方法。本发明通过在管式固体氧化物电解池四周布置双螺旋气体流道，吸收经聚光器聚焦进入腔体内部的光线，能够很好地均匀电极和电解质的温度梯度，减少热应力带来的寿命衰减问题。技术研发人员：朱利亚,杨维旭,韩丰霜,党智敏受保护的技术使用者：郑州大学技术研发日：技术公布日：2024/5/6