高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置及其密封方法

2023-08-10 11:20:06

專利名稱：高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置及其密封方法
技術領域：
本發明屬於高溫水蒸汽電解制氫領域，特別涉及一種高溫電解制 氫固體氧化物電解池密封裝置及其密封方法。
背景技術：
能源是現代社會發展的根本保證，是人類文明的基石。然而，現 有的以化石燃料為基礎的能源系統不僅給我們帶來了嚴重的環境汙 染問題，而且化石燃料大量開採，面臨枯竭。尋找可替代化石燃料的 新型能源載體，已成為當今各國能源發展的重要目標。氫能具有無汙 染、高效、可大規模運用等優點，被認為是後石油時代重要的替代能 源。
氫能經濟的實現需要大規模製氫技術作為基礎。利用固體氧化物 電解池(Solid Oxide Electrolytic Cells, SOEC)在高溫下電解水蒸汽制 氫的效率可以高達45 59% (制氫效率定義為所製得氫的能量含量 與制氫所用的能量之比)，是目前己知的效率最高的制氫方法。高溫 水蒸汽電解制氫技術可以和核能、太陽能等高效熱源耦合，被認為是 未來氫能經濟時代大規模製氫方法之一，已成為當前國際能源領域的 熱點課題。
SOEC有平板式和管式兩種構造形式。平板式構型由於具備功率 密度高、製作成本低等優點，是目前國際上研究的主流。然而，平板 式SOEC存在一個缺點，即需要在電解池組件的邊緣進行氣密密封。通常的方法是採用一種轉相溫度和電解池工作溫度相近的玻璃材料，
使其高溫軟化將SOEC密封。但是，SOEC工作溫度較高(700 IOOO'C)，高溫時玻璃材料中游離出的矽原子易附著在陰極上，並使 陰極催化性能鈍化，從而降低電解池的工作性能。此外，單純的玻璃 材料還存在和電極材料熱膨脹係數較難匹配的問題，限制了電解池的 熱循環。考慮到系統的可靠性和實用性，開發新型的、高氣密性的制 氫電極密封裝置及其封接方法對於高溫水蒸汽電解制氫技術的發展 具有重要的意義。

發明內容
本發明目的是提出了一種可在高溫、高溼環境下長期穩定運行， 陰極氣室氣密性良好，並且能循環使用的固體氧化物電解池密封裝 置，特別涉及一種高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置及其密封 方法，其特徵在於，該密封裝置包括陰極氣室陶瓷管ll、上卡套2、 下卡套3、上金環4、下金環10、玻璃材料7、螺栓1、螺釘8以及 固體氧化物電解池。下卡套3套在陰極氣室陶瓷管11上由三個螺釘 8固接，下金環IO置於陰極氣室陶瓷管11的上端面，固體氧化物電 解池置於下金環10上，上金環4置於固體氧化物電解池上，上卡套 2置於下卡套3和上金環4上由三個螺栓1與下卡套3緊固，玻璃材 料7置於上卡套2與電解池之間的空隙內封接住固體氧化物電解池以 及上金環4和下金環10，上金環4、下金環10和電解質6將玻璃材 料7與電解池的陽極5和陰極9隔離。
所述固體氧化物電解池包括陽極5、電解質6和陰極9，電解質6將陰極9側面完全包覆和外側表面部分包覆，陽極5置於電解質6的 另一面上，固體氧化物電解池的陰極9面向陰極氣室陶瓷管11內。
所述上卡套2、下卡套3、螺栓1和螺釘8的材料為能耐受1250°C 的KF62高溫合金材料。
所述陰極氣室陶瓷管11的材料為氧化鋁或氧化鋯陶瓷材料。 所述玻璃材料7是轉相溫度為900 950"C的玻璃材料。 本發明的有益效果為用電解質將陰極側面完全包覆和外側表面 部分包覆，上金環、下金環和電解質將陽極和陰極與玻璃材料阻隔， 避免高溫時玻璃材料中游離出的矽原子將電極催化性能鈍化。使固體 氧化物電解池能在高溫、高溼的環境下循環運行。


圖1為本發明高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置示意圖。
圖2A為上卡套2主視圖。 圖2B為上卡套2俯視圖。 圖3A為下卡套3主視圖。 圖3B為下卡套3俯視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖具體說明本發明密封裝置的具體結構及密封方法。 圖1為本發明高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置示意圖，該密 封裝置包括陰極氣室陶瓷管11、上卡套2、下卡套3、上金環4、下 金環IO、玻璃材料7、螺栓1和螺釘8，以及固體氧化物電解池。下 卡套3套在陰極氣室陶瓷管11上由三個螺釘8固接，下金環10置於陰極氣室陶瓷管11的上端面，固體氧化物電解池置於下金環10上，
上金環4置於固體氧化物電解池上，上卡套2置於下卡套3和上金環 4上由三個螺栓1與下卡套3緊固，玻璃材料7置於上卡套2與電解 池之間的空隙內封接住固體氧化物電解池以及上金環4和下金環10， 上金環4、下金環10和電解質6將玻璃材料7與陽極5、陰極9隔離。
上卡套2、下卡套3、螺栓1和螺釘8的材料為能耐受1250'C的 KF62高溫合金材料。陰極氣室陶瓷管11的材料為氧化鋁或氧化鋯陶 瓷材料。玻璃材料7是轉相溫度為900 950°C的玻璃材料。
本裝置的密封操作方法為
第一步，將上卡套2倒置，在上卡套2內依次放入上金環4、固 體氧化物電解池、下金環IO和陰極氣室陶瓷管11，電解池的陰極9 面向上，然後將玻璃材料7置入上卡套2與電解池之間的空隙，再放 置下卡套3，完成了電解池的安裝。
第二步，用螺釘8將下卡套3固定在陰極氣室陶瓷管11上，再 用螺栓1將上卡套2和下卡套3緊固，完成上金環4和下金環10對 電解池的第一步密封。
第三步，將整個高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置置於高 溫爐內，以5°C/min的升溫速率升至90(TC，並在900"C保溫1.5h， 使玻璃材料7軟化，對電解池和陰極氣室陶瓷管11進一步封接，整 個電解池的封接完畢。
本發明的工作原理為(1)通過高溫合金卡套對金環施加壓力和 玻璃材料高溫下輔助成形，將固體氧化物電解池和陰極氣室陶瓷管雙重封接。具體的施加壓力方式是，首先通過螺釘8將下卡套3與陰極 氣室陶瓷管ll固接，上卡套2和下卡套3通過螺栓1緊固，對上金 環4和下金環IO施加壓力，形成第一步封接。再在高溫下使置於上 卡套2和電解池之間的間隙中的玻璃材料7輔助成形，形成第二步封 接。(2)用電解質6將陰極9側面完全包覆和外側表面部分包覆，上 金環4、下金環10和電解質6將陽極5和陰極9與玻璃材料7阻隔， 避免高溫時玻璃材料中游離出的矽原子將電極催化性能鈍化。(3)上 卡套2、下卡套3、螺栓1和螺釘8都採用能耐受125(TC的KF62高 溫合金材料，密封材料採用金環和轉相溫度為900 95(TC的玻璃材 料，陰極氣室採用氧化鋁或氧化鋯陶瓷材料，能夠滿足固體氧化物電 解池在高溫、高溼環境下的運行。本密封方法可用於燃料電池的密封。
權利要求
1. 一種高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置，其特徵在於，該密封裝置包括陰極氣室陶瓷管(11)、上卡套(2)、下卡套(3)、上 金環(4)、下金環(10)、玻璃材料(7)、螺栓(1)、螺釘(8)以及 固體氧化物電解池，下卡套(3)套在陰極氣室陶瓷管(11)上由三個 螺釘(8)固接，下金環(10)置於陰極氣室陶瓷管(11)的上端面， 固體氧化物電解池置於下金環(10)上，上金環(4)置於固體氧化物 電解池上，上卡套(2)置於下卡套(3)和上金環(4)上由三個螺栓 (1)與下卡套(3)緊固，玻璃材料(7)置於上卡套(2)與電解池 之間的空隙內封接住固體氧化物電解池以及上金環(4)、下金環(10)， 上金環(4)、下金環(10)和電解質(6)將玻璃材料(7)與陽極(5)、 陰極(9)隔離。
2. 根據權利要求1所述的高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝 置，其特徵在於，所述固體氧化物電解池包括陽極(5)、電解質(6) 和陰極(9)，電解質(6)將陰極(9)的側面完全包覆和外側表面部 分包覆，陽極(5)置於電解質(6)的另一面上，固體氧化物電解池 的陰極(9)面向陰極氣室陶瓷管(11)內。
3. 根據權利要求1所述的高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝 置，其特徵在於，所述上卡套(f)、下卡套(3)、螺栓(1)和螺釘(8) 的材料為能耐受125(TC的KF62高溫合金材料。
4. 根據權利要求1所述的高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置，其特徵在於，所述陰極氣室陶瓷管(11)的材料為氧化鋁或氧化 鋯陶瓷材料。
5. 根據權利要求1所述的高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置，其特徵在於，所述玻璃材料(7)是轉相溫度為900 95(TC的玻 璃材料。
6. —種高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置的密封方法，其 特徵在於，該密封方法的步驟為1) 將上卡套(2)倒置，在上卡套(2)內依次放入上金環(4)、 固體氧化物電解池、下金環(10)和陰極氣室陶瓷管(11)，電解池的 陰極(9)面向上，然後將玻璃材料(7)置入上卡套(2)與電解池之 間的空隙，再放置下卡套(3)，完成電解池的安裝；2) 用螺釘(8)將下卡套(3)固定在陰極氣室陶瓷管(11)上， 再用螺栓(1)將上卡套(2)和下卡套(3)緊固，完成上金環(4) 和下金環(10)對電解池的第一步密封；3) 將整個高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置置於高溫爐 內，以5。C/min的升溫速率升至卯0。C，並在90(TC保溫1.5h，使玻璃 材料(7)軟化，對電解池和陰極氣室陶瓷管(11)進一步封接，整個 電解池的封接完畢。
全文摘要
一種高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置及其密封方法，該密封裝置包括一個固體氧化物電解池、陰極氣室陶瓷管和高溫合金卡套，其密封件為金環和玻璃材料。卡套分為上、下兩部分，通過螺釘緊固並與陰極氣室陶瓷管連接。金環放置在電解池兩面的邊緣，用於直接密封；玻璃材料置於電解池的側面，用於輔助密封。通過高溫合金卡套對金環施加壓力和玻璃材料高溫下輔助成形，實現電解池和陰極氣室陶瓷管的封接。本發明中，固體氧化物電解池的電解質將陰極的側面完全包覆和外側表面部分包覆以及使用金環密封，避免了玻璃材料中矽對電極的催化性能鈍化。本密封方法操作簡單，裝置密封性能好，體系承壓能力高。本密封方法可用於燃料電池的密封。
文檔編號C25B9/00GK101311318SQ20081010096
公開日2008年11月26日 申請日期2008年2月27日 優先權日2008年2月27日
發明者波 於, 徐景明, 文明芬, 梁明德, 翟玉春 申請人:清華大學