[发明专利]碳辅助固体氧化物电解池

说明书

本发明提供一种碳辅助固体氧化物电解池，包括阴极、电解质、阳极及阳极腔，在阴极通入水蒸气作为氧化剂发生还原反应，阳极腔内包含碳燃料和CO₂吸收剂，向阳极腔内通入水蒸气作为原位气化工质，水蒸气与碳燃料发生碳气化反应生成CO和H₂，阴极产生的氧离子通过电解质传递至阳极，并与阳极腔内产生的CO和H₂发生氧化反应，碳气化反应产生的部分CO在阳极腔内与水蒸气发生水气置换反应生成CO₂与H₂；CO₂吸收剂通过吸收水气置换反应产生的CO₂促进产生H₂。本发明能够实现CA‑SOEC阳极内部气体组分的有效调控，实现碳辅助电解池性能的提升以及能耗的降低，并且实现阴极、阳极同时生成燃料气，显著提升电解池的工作效率。

技术领域

本发明涉及电解池技术领域，具体为一种碳辅助固体氧化物电解池。

背景技术

为实现“碳中和”、“碳达峰”的目标，在经济发展的同时实现环境保护与资源的有效利用，目前迫切需要能源供给和消费侧的技术更新与升级。电解池作为一种先进的能源转换设备，能够将过剩的可再生能源通过电解反应将不稳定的电能转化为燃料气进行储存，有着无污染、反应物成本低、效率高等优点，有望同时在发电站和交通运输等多种电力供应/消费场景中发挥巨大作用。

相比于低温电解池，固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell,SOEC)具有电力需求较低、反应动力学优异、无需贵金属催化剂等不可替代的优点。

基于SOEC技术利用固态碳燃料进行辅助电解的碳辅助固体氧化物电解池(Carbon-Assisted Solid Oxide Electrolysis Cell,CA-SOEC)，可通过替换阳极析氧反应显著降低工作电位、减少电力消耗，是一种极具发展潜力和市场前景的先进能源装置。当前CA-SOEC存在碳氧化速率慢、低电位下电流密度低、析氧速率慢等问题，难以实现大规模生产。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种碳辅助固体氧化物电解池，通过阳极腔中引入水蒸气作为原位气化工质，提高碳气化反应速率，并通过在阳极腔中加入CO₂吸收剂，迅速消纳CO电化学氧化产生的CO₂，避免Boudouard反应发生，实现CA-SOEC内部碳气化-电化学氧化过程的动力学匹配，并实现阳极内部气体组分的有效调控，保证水蒸气气化反应在碳气化过程中的主导地位，进而提升阳极气体燃料组分中H₂的比例，提高气化反应速率与传质速率以及电化学活性，实现碳辅助固体氧化物电解池性能的提升以及能耗的降低，并且实现阴极、阳极同时生成燃料气，显著提升电解池的工作效率。

本发明提供一种碳辅助固体氧化物电解池，包括阴极、电解质、阳极及阳极腔，在阴极通入水蒸气作为氧化剂发生还原反应生成H₂，阳极腔内包含碳燃料和CO₂吸收剂，向阳极腔内通入水蒸气作为原位气化工质，水蒸气与碳燃料发生碳气化反应生成CO和H₂，阴极产生的O^2-通过电解质传递至阳极，并与阳极腔内产生的CO和H₂发生氧化反应，生成CO₂与H₂O，碳气化反应产生的部分CO在阳极腔内与水蒸气发生水气置换反应生成CO₂与H₂，CO₂吸收剂通过吸收水气置换反应产生的CO₂促进产生H₂。

本发明水蒸气作为气化工质可以提升碳气化反应速率、传质速率以及电化学活性，可以显著降低浓差极化和活化极化导致的电解池性能下降，从而大幅降低工作电位，减小能耗。采用CO₂吸收剂吸收CO₂可以进一步促进水蒸汽的碳气化反应，产生更多的H₂，进一步提升CA-SOEC的工作性能。