[发明专利]一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统和工艺

说明书

本发明公开了一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统和工艺，该系统包括泡沫金属电解池堆和供电器，泡沫金属电解池堆的阴极与供电器负极相连接，泡沫金属电解池堆的阳极与供电器正极相连接，泡沫金属电解池堆包括多个泡沫金属电解池单元，本发明可以促进气体从通道向多孔电极层扩散，有助于降低扩散阻力，增强气体输运，提高蒸汽转化率，增大蒸汽扩散通量，有效地改善固体氧化物电解池性能，电池欧姆损失小，提高电解池转化效率，有望进一步降低制氢成本。

技术领域

本发明属于电解池制氢技术领域，具体涉及一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统和工艺。

背景技术

对剧烈气候变化、人口增长、工业污染和能源独立的关注刺激了可再生能源的发展。然而，可再生能源具有间歇性和波动性的特点。将可再生能源电能转化为氢气，具有储能容量大、功率密度高、持续时间长、发展前景好等优点。利用可再生能源电解水制氢，可实现二氧化碳零排放，是理想的制氢技术。目前，水电解制氢的主要技术有四种：碱性电解池(AEC)、质子交换膜电解池(PEMEC)、碱性阴离子交换膜电解池(AEMEC)和固体氧化物电解池(SOEC)。虽然AEC技术最为成熟，但其效率低，腐蚀性强，存在安全隐患。在整体制氢效率较低的情况下，PEMEC能够适应电源的波动，但需要贵金属催化剂，设备成本较高。相比之下，SOEC可在600 ~ 1000℃的高温下制氢，功率需求更低，化学反应速率更高，可有效降低功率消耗，提高转化效率。

由于SOEC的结构特点和材料特性，其SOEC性能受到气体扩散的限制。大量研究表明，泡沫金属材料可以作为流场的替代材料，因为泡沫金属材料具有高导电性、高导热性、高孔隙率、低成本、低渗透率等优点。同时，大量的实验和模拟也验证了金属泡沫的明显作用，即降低扩散阻力，增强气体输运。然而，目前关于泡沫金属SOEC的数值模拟研究还很少，这表明泡沫金属SOEC在提高气体扩散和电化学反应速度方面有很大的潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统和工艺。

为达到上述目的，提出以下技术方案：

一种基于金属泡沫材料的高温电解池制氢系统，包括泡沫金属电解池堆和供电器，泡沫金属电解池堆的阴极与供电器负极相连接，泡沫金属电解池堆的阳极与供电器正极相连接，泡沫金属电解池堆包括多个泡沫金属电解池单元。

进一步地，泡沫金属电解池单元包括阴极连接体、阴极金属泡沫通道、阴极扩散层、阴极催化层、电解质层、阳极催化层、阳极扩散层、阳极金属泡沫通道和阳极连接体，阴极连接体、阴极扩散层、阴极催化层、电解质层、阳极催化层、阳极扩散层和阳极连接体依次连接结合成一体，阴极金属泡沫通道设于阴极连接体和阴极扩散层之间，阳极金属泡沫通道设于阳极连接体和阳极扩散层之间。

进一步地，阴极扩散层、阴极催化层、阳极催化层、阳极扩散层采用多孔金属陶瓷复合材料，孔隙率为0.48，迂曲度为5.4；所述阴极金属泡沫通道和阳极金属泡沫通道是具有0.9以上的高孔隙率的多孔纯金属或合金。

进一步地，阴极催化层由镍基合金钇稳定氧化锆组成，电解质层由氧化钇稳定的氧化锆组成，阳极催化层由掺锶锰酸镧复合材料组成。

进一步地，阴极扩散层厚度为0.5-1mm、阴极催化层厚度为0.05-0.1mm；电解质层厚度为0.05-0.1mm；阳极催化层厚度为0.05-0.1mm、阳极扩散层厚度为0.5-1mm。

一种采用上述系统进行制氢的工艺，其特征在于包括如下步骤：太阳光照射到供电器上，产生电能供泡沫金属电解池堆，水蒸汽由阴极金属泡沫通道进入，然后通过阴极扩散层，并在阴极催化层发生电解反应，产生氢气和氧离子，产生的氢气经过阴极扩散层进入阴极金属泡沫通道排出，产生的氧离子通过电解质层进入阳极催化层产生氧气分子，氧气分子经过阳极扩散层进入阳极金属泡沫通道排出。

进一步地，泡沫金属电解池堆中的工作温度为800-1000℃。