本發明屬于固體氧化物電解池,具體涉及一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體及基于其的電解池堆棧。
背景技術:
1、隨著全球能源需求的持續增長以及傳統化石能源儲量的日益枯竭,以煤炭、石油和天然氣為代表的化石能源不僅難以滿足長期可持續發展的需求,其燃燒過程還排放大量二氧化碳等溫室氣體,加劇了全球氣候變化問題。風能、太陽能等可再生能源雖具有清潔環保的優勢,但其輸出功率具有間歇性和波動性特點,難以直接匹配用戶的用能需求,必須配合高效的儲能技術以提高其消納水平和利用率。氫能作為一種清潔高效的二次能源載體,具有單位質量最高的能量密度,且在使用端可實現零碳排放,被視為理想的儲能介質和未來能源體系的關鍵組成部分。氫能發展與大規模應用的核心瓶頸在于高效、廉價的制氫技術。固體氧化物電解池(solid?oxide?electrolysis?cell,?soec)能夠在高溫條件下將電能和熱能轉化為化學能,具有制氫速率高、理論制氫效率高、無需使用貴金屬催化劑等優點,是一種極具發展潛力的制氫設備,近年來受到學術界和工業界的廣泛研究與開發。
2、連接體是構成soec電解池堆棧的主要部件之一。連接體位于兩片電解池片之間主要起到隔離燃料流道和空氣流道、引導燃料流道和空氣流道氣體流動和形成電流通路的作用。連接體影響soec內部的流場、溫度場和電場等物理場分布,對soec的電解性能和其內部反應分布有重要作用?,F有的使用金屬泡沫作為soec的流道結構時能夠使電極同時具有良好的擴散條件和導電條件,但在流動阻力和氣流導向方面表現較差,并且內部曲折的導電路徑本身具有較大電阻;矩形直肋結構是目前最常用soec連接體結構形式,其寬且直的流動使其具有低流動阻力和良好的氣流導向能力,其肋下區域導電條件良好但氣體擴散困難,流道區域則相反,這限制了此結構下電解池功率的進一步提高。針對現有矩形直肋結構下肋區域水蒸氣擴散困難的缺陷,通過在其肋兩側進行開槽以改善其肋區域的擴散條件以提高soec的電解性能。
技術實現思路
1、本發明的目的在于提供一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體及基于其的電解池堆棧,解決了現有的連接體具有肋下區域氣體擴散困難的缺點。
2、為了達到上述目的,本發明采用以下技術方案予以實現:
3、本發明公開了一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,包括連接體基體;所述連接體基體的上下表面分別設置有若干間隔設置的矩形直肋,相鄰矩形直肋之間形成氣體流道;
4、在至少一條矩形直肋的兩個側面上,沿長度方向間隔開設有若干個開槽;所述開槽從矩形直肋的側面沿肋寬方向向內延伸;開槽的深度小于矩形直肋的肋寬,使得開槽不貫穿所述矩形直肋;同一矩形直肋的兩側側面上的開槽,沿肋的長度方向呈交替錯位排列;
5、所述連接體基體的上下邊緣與左右邊緣分別設有用于燃料氣流通的第二組通孔和用于吹掃氣流通的第一組通孔。
6、進一步地,所述開槽的高度與矩形直肋的高度相同,并與所述氣體流道的高度一致。
7、進一步地,所述第一組通孔和第二組通孔分別與同側的氣體流道相連通。
8、進一步地,所述矩形直肋的肋寬大于所述氣體流道的寬度。
9、進一步地,所述開槽在矩形直肋的單側側面上的布置間距相等。
10、進一步地,所述連接體基體的上表面和下表面的矩形直肋呈交錯流布置方式,即上表面與下表面的矩形直肋的延伸方向相互垂直。
11、進一步地,所述開槽為矩形槽,其寬度方向沿肋的長度方向延伸。
12、進一步地,所述開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體的中央區域為設置所述矩形直肋的流場區域,所述開槽僅設置在非邊緣位置的矩形直肋上。
13、進一步地,所述連接體的上表面和下表面分別設有氣體緩沖區,所述氣體緩沖區位于所述流道與對應的第二組通孔之間。
14、本發明還公來了一種固體氧化物電解池堆棧,包括至少兩個電解池片,以及至少一個如上所述的開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體;
15、所述連接體設置于相鄰的兩個電解池片之間,所述連接體上表面的矩形直肋與一側電解池片的陰極接觸,所述連接體下表面的矩形直肋與另一側電解池片的陽極接觸。
16、與現有技術相比,本發明具有以下有益效果:
17、本發明公開了一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,通過在連接體基體表面設置矩形直肋,且在矩形直肋兩側開設交替錯位、不貫穿肋體的開槽,為肋下方氣體提供了額外的快速擴散通道,顯著縮短了氣體在電極內部曲折孔隙中的擴散距離,從而有效降低濃差極化;同時,該結構消除了肋下區域的氣體低濃度區,大幅提升了電解池內部電化學反應的均勻性;此外,由于開槽不貫穿肋體,保留了肋與電極的主要接觸面積,避免了歐姆極化顯著增加。在保留原矩形直肋結構優勢的前提下,改善了其肋下區域的氣體擴散條件,從而進一步提高soec的電解性能。
18、進一步地,通過設置肋寬大于流道寬度,增大了肋與電極的接觸面積,提供更多電流傳導通路,有效降低了歐姆極化,與開槽的設置協同作用,既保留了肋降低歐姆極化的優勢,又通過開槽彌補了寬肋帶來的擴散瓶頸,從而突破了傳統設計中歐姆極化與濃差極化此消彼長的矛盾。
19、進一步地,通過上下表面肋呈交錯流布置(延伸方向相互垂直)的設置,使燃料氣與空氣在電解池兩側形成交叉流動,可顯著改善整個電解池大面積上的氣體分布均勻性,避免局部反應物耗盡或溫度過熱,提升整體電解性能和熱管理能力。
20、進一步地,開槽僅設置在非邊緣位置的肋上,邊緣肋靠近氣體緩沖區,氣體擴散條件本就較好,無需開槽;僅在擴散條件較差的中部區域肋上開槽,可在最小化加工成本和結構削弱的前提下,精準解決氣體擴散的問題。
1.一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,其特征在于,包括連接體基體(1);所述連接體基體(1)的上下表面分別設置有若干間隔設置的矩形直肋(4),相鄰矩形直肋(4)之間形成氣體流道(3);
2.根據權利要求1所述的一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,其特征在于,所述開槽(7)的高度與矩形直肋(4)的高度相同,并與所述氣體流道(3)的高度一致。
3.根據權利要求1所述的一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,其特征在于,所述第一組通孔(5)和第二組通孔(6)分別與同側的氣體流道(3)相連通。
4.根據權利要求1所述的一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,其特征在于,所述矩形直肋(4)的肋寬大于所述氣體流道(3)的寬度。
5.根據權利要求1所述的一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,其特征在于,所述開槽(7)在矩形直肋(4)的單側側面上的布置間距相等。
6.根據權利要求1所述的一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,其特征在于,所述連接體基體(1)的上表面和下表面的矩形直肋(4)呈交錯流布置方式,即上表面與下表面的矩形直肋(4)的延伸方向相互垂直。
7.根據權利要求1所述的一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,其特征在于,所述開槽(7)為矩形槽,其寬度方向沿肋(4)的長度方向延伸。
8.根據權利要求1所述的一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,其特征在于,所述開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體的中央區域為設置所述矩形直肋(4)的流場區域,所述開槽(7)僅設置在非邊緣位置的矩形直肋(4)上。
9.?據權利要求1所述的一種開槽肋結構的固體氧化物電解池連接體,其特征在于,所述連接體(1)的上表面和下表面分別設有氣體緩沖區(2),所述氣體緩沖區(2)位于所述流道(3)與對應的第二組通孔(6)之間。
10.一種固體氧化物電解池堆棧,其特征在于,包括