[发明专利]固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构

说明书

本发明公开了一种固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构，具体为：阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区依次连接形成阴极流场，并且该流场置于阴极双极板和阴极气体扩散层之间。阳极入口空腔分配、阳极金属泡沫和阳极出口集聚区水平连接形成阳极流场，并且该流场置于阳极双极板和阳极催化层之间。阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区连接的顺序与阳极对应区域的连接顺序互逆，两种气体流道的方向交叉。金属泡沫具有良好的导电和导热特性，同时又具有较大的孔隙率，能促使气体从流场向扩散层和催化层传输，从而提高阴极催化层中反应物浓度、降低阳极产物浓度，并提高物质分布均匀性。

技术领域

本发明属于电化学与电解池领域，具体涉及一种固体氧化物电解池新型流场的结构。

背景技术

由于能源需求的增加和二氧化碳的大量排放，可再生能源技术和节能减排技术成为国内外研究的焦点。环境中CO₂含量的增加使得CO₂储存与利用成为降低CO₂含量的有效方式。固体氧化物共电解池能将可再生能源发电产生的电能以化学能形式储存，同时将CO₂转化为有用的燃料(合成气)，实现CO₂有效储存和利用。因此，固体氧化物电解池被认为是CO₂中性循环和利用是一种非常有前景的方法。

目前，固体氧化物电解池流场结构一般采用传统沟与脊的结构。该结构中反应气体从流道向脊下多孔介质中的传输阻力过大，使得反应气体在多孔介质中的分布不均匀。同时电子从多孔层向脊传输的横截面积小，从而导致较大的活化过电势和欧姆过电势。研发良好的流场结构可以改善固体氧化物电解池传热传质特性，从而提升电解池电解效率、降低电解电压，是优化固体氧化物电解池性能的重要途径。

发明内容

本发明的目的是提出一种固体氧化物电解池的组合泡沫流场结构。将传统结构替换为组合泡沫流场结构，以达到提高电池导热、导电和传质的性能。

固体氧化物电解池组合泡沫流场的优化结构包括：阴极双极板、阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫、阴极出口集聚区、阴极气体扩散层、阴极催化层、固体氧化物电解质层、阳极催化层、阳极入口空腔分配区、阳极金属泡沫、阳极出口集聚区和阳极双极板等。其技术连接方案为：阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区依次水平连接形成阴极流场，并且该流场置于阴极双极板和阴极气体扩散层之间。阳极入口空腔分配区、阳极金属泡沫和阳极出口集聚区依次水平连接形成阳极流场，并且该流场置于阳极双极板和阳极催化层之间。阴极入口空腔分配区、阴极金属泡沫和阴极出口集聚区连接的顺序与阳极入口空腔分配区、阳极金属泡沫和阳极出口集聚区的连接顺序互逆。气体分别通过阴极入口空腔分配区和阳极入口空腔分配区进入电解池，两种气体流道的方向交叉，并且阴极入口空腔分配区入口位置、阴极出口集聚区出口位置的设置与阳极相应的位置错开。

技术方案：采用组合泡沫流场的固体氧化物电解池结构，阴极金属泡沫、阴极入口空腔分配区和阴极出口集聚区并列连接，其中阴极金属泡沫位于中间。阳极金属泡沫、阳极入口空腔分配区和阳极出口集聚区并列连接，阳极金属泡沫位于中间。

固体氧化物电解池采用阴极支撑，即阴极扩散层较厚，而催化层和电解质层较薄(约为10μm)。阴极金属泡沫和阳极金属泡沫采用金属或合金材料，且具有较大孔隙率，一般孔隙率大于0.9。阴极与阳极进气流动方向采用逆向或交叉流向。阴极入口空腔分配区入口位置、阴极出口集聚区出口位置设置与阳极相应位置错开，以便于电堆装配。