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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫水蒸汽電解制氫領(lǐng)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(shù)：
能源是現(xiàn)代社會發(fā)展的根本保證，是人類文明的基石。然而，現(xiàn) 有的以化石燃料為基礎(chǔ)的能源系統(tǒng)不僅給我們帶來了嚴重的環(huán)境污 染問題，而且化石燃料大量開采，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(fā)展的重要目標。氫能具有無污 染、高效、可大規(guī)模運用等優(yōu)點，被認為是后石油時代重要的替代能 源。
氫能經(jīng)濟的實現(xiàn)需要大規(guī)模制氫技術(shù)作為基礎(chǔ)。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% (制氫效率定義為所制得氫的能量含量 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(shù)可以和核能、太陽能等高效熱源耦合，被認為是 未來氫能經(jīng)濟時代大規(guī)模制氫方法之一，已成為當前國際能源領(lǐng)域的 熱點課題。
SOEC有平板式和管式兩種構(gòu)造形式。平板式構(gòu)型由于具備功率 密度高、制作成本低等優(yōu)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。通常的方法是采用一種轉(zhuǎn)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硅原子易附著在陰極上，并使 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系數(shù)較難匹配的問題，限制了電解池的 熱循環(huán)。考慮到系統(tǒng)的可靠性和實用性，開發(fā)新型的、高氣密性的制 氫電極密封裝置及其封接方法對于高溫水蒸汽電解制氫技術(shù)的發(fā)展 具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出了一種可在高溫、高濕環(huán)境下長期穩(wěn)定運行， 陰極氣室氣密性良好，并且能循環(huán)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，其特征在于，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(huán)4、下金環(huán)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(huán)IO置于陰極氣室陶瓷管11的上端面，固體氧化物電 解池置于下金環(huán)10上，上金環(huán)4置于固體氧化物電解池上，上卡套 2置于下卡套3和上金環(huán)4上由三個螺栓1與下卡套3緊固，玻璃材 料7置于上卡套2與電解池之間的空隙內(nèi)封接住固體氧化物電解池以 及上金環(huán)4和下金環(huán)10，上金環(huán)4、下金環(huán)10和電解質(zhì)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(zhì)6和陰極9，電解質(zhì)6將陰極9側(cè)面完全包覆和外側(cè)表面部分包覆，陽極5置于電解質(zhì)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(nèi)。
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(zhuǎn)相溫度為900 950"C的玻璃材料。 本發(fā)明的有益效果為用電解質(zhì)將陰極側(cè)面完全包覆和外側(cè)表面 部分包覆，上金環(huán)、下金環(huán)和電解質(zhì)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硅原子將電極催化性能鈍化。使固體 氧化物電解池能在高溫、高濕的環(huán)境下循環(huán)運行。


圖1為本發(fā)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(jié)合附圖具體說明本發(fā)明密封裝置的具體結(jié)構(gòu)及密封方法。 圖1為本發(fā)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(huán)4、下 金環(huán)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(huán)10置于陰極氣室陶瓷管11的上端面，固體氧化物電解池置于下金環(huán)10上，
上金環(huán)4置于固體氧化物電解池上，上卡套2置于下卡套3和上金環(huán) 4上由三個螺栓1與下卡套3緊固，玻璃材料7置于上卡套2與電解 池之間的空隙內(nèi)封接住固體氧化物電解池以及上金環(huán)4和下金環(huán)10， 上金環(huán)4、下金環(huán)10和電解質(zhì)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(zhuǎn)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(nèi)依次放入上金環(huán)4、固 體氧化物電解池、下金環(huán)IO和陰極氣室陶瓷管11，電解池的陰極9 面向上，然后將玻璃材料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(huán)4和下金環(huán)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于高 溫爐內(nèi)，以5°C/min的升溫速率升至90(TC，并在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(fā)明的工作原理為(1)通過高溫合金卡套對金環(huán)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(huán)4和下金環(huán)IO施加壓力，形成第一步封接。再在高溫下使置于上 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(zhì)6將陰極9側(cè)面完全包覆和外側(cè)表面部分包覆，上 金環(huán)4、下金環(huán)10和電解質(zhì)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硅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都采用能耐受125(TC的KF62高 溫合金材料，密封材料采用金環(huán)和轉(zhuǎn)相溫度為900 95(TC的玻璃材 料，陰極氣室采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、高濕環(huán)境下的運行。本密封方法可用于燃料電池的密封。
權(quán)利要求
1. 一種高溫電解制氫固體氧化物電解池密封裝置，其特征在于，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(huán)(4)、下金環(huán)(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(huán)(10)置于陰極氣室陶瓷管(11)的上端面， 固體氧化物電解池置于下金環(huán)(10)上，上金環(huán)(4)置于固體氧化物 電解池上，上卡套(2)置于下卡套(3)和上金環(huán)(4)上由三個螺栓 (1)與下卡套(3)緊固，玻璃材料(7)置于上卡套(2)與電解池 之間的空隙內(nèi)封接住固體氧化物電解池以及上金環(huán)(4)、下金環(huán)(10)， 上金環(huán)(4)、下金環(huán)(10)和電解質(zhì)(6)將玻璃材料(7)與陽極(5)、 陰極(9)隔離。
2. 根據(jù)權(quán)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，其特征在于，所述固體氧化物電解池包括陽極(5)、電解質(zhì)(6) 和陰極(9)，電解質(zhì)(6)將陰極(9)的側(cè)面完全包覆和外側(cè)表面部 分包覆，陽極(5)置于電解質(zhì)(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(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)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，其特征在于，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(jù)權(quán)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，其特征在于，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(jù)權(quán)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，其特征在于，所述玻璃材料(7)是轉(zhuǎn)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 特征在于，該密封方法的步驟為1) 將上卡套(2)倒置，在上卡套(2)內(nèi)依次放入上金環(huán)(4)、 固體氧化物電解池、下金環(huán)(10)和陰極氣室陶瓷管(11)，電解池的 陰極(9)面向上，然后將玻璃材料(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(huán)(4) 和下金環(huán)(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于高溫爐 內(nèi)，以5。C/min的升溫速率升至卯0。C，并在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(huán)和玻璃材料?？ㄌ追譃樯?、下兩部分，通過螺釘緊固并與陰極氣室陶瓷管連接。金環(huán)放置在電解池兩面的邊緣，用于直接密封；玻璃材料置于電解池的側(cè)面，用于輔助密封。通過高溫合金卡套對金環(huán)施加壓力和玻璃材料高溫下輔助成形，實現(xiàn)電解池和陰極氣室陶瓷管的封接。本發(fā)明中，固體氧化物電解池的電解質(zhì)將陰極的側(cè)面完全包覆和外側(cè)表面部分包覆以及使用金環(huán)密封，避免了玻璃材料中硅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。本密封方法可用于燃料電池的密封。
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(yōu)先權(quán)日2008年2月27日
發(fā)明者波 于, 徐景明, 文明芬, 梁明德, 翟玉春 申請人:清華大學