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CN105576273A - 一种可逆循环绿色能源转换系统及转换方法 - Google Patents

一种可逆循环绿色能源转换系统及转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可逆循环绿色能源转换系统及转换方法，系统集成了电化学发电和储能技术；包括对称固体氧化物燃料电池(SSOFC)发电系统、对称固体氧化物电解池(SSOEC)产氢系统、余热回收系统、气体分离系统、储氢系统、储氧系统、储水系统、高温水蒸气产生系统、辅助燃料系统、电力转换系统及相应控制系统。通过SSOFC发电系统将化学能直接转化为电能，通过电力转换系统并入交流电网。由于SSOFC和SSOEC均采用了对称结构，整个系统可以改变气流方向使得SSOFC-SSOEC系统变为SSOEC-SSOFC系统，实现发电和储能的可逆转换。本发明可逆能源转换系统具有容量大、寿命长、成本低、能源转换效率高及环境友好等优势，且其各主要组成部分的技术较成熟，在新能源领域具有极其广阔的应用前景。

Description

一种可逆循环绿色能源转换系统及转换方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池发电系统和固体氧化物电解池制氢系统，特别涉及一种对称结构的固体氧化物燃料电池发电系统和对称结构的固体氧化物电解池制氢系统及转换方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种具有高效率、低污染、全固态等优点的新型发电装置。由于其对多种燃料气体(氢气、碳氢化合物等)的广泛适应性，所以具有广泛的应用基础。
SOFC的性能很大程度上受电极材料(阴极和阳极)的催化性能决定。最近的研究表明，传统SOFC的构型能被一种新的构型取代，电极材料可以同时用于阴极和阳极，即对称固体氧化物燃料电池(SSOFC)。因其具有简单的制备工艺，通过改变气流方向就可以有效解决电极表面硫中毒和碳沉积等优点，近期受到了人们的广泛重视。
发展SSOFC技术最直接的目的就是简化SOFC的制备工艺，降低生产成本。与传统的SOFC制备工艺需要多次烧结不同，SSOFC只需要一次烧结过程就可以将电极材料和电解质烧结成形。此外，阳极和阴极都使用同一种材料，有效地改善了电极材料与电解质之间的热匹配问题。因为在传统的SOFC构型中，不仅存在阳极-电解质界面，还存在阴极-电解质界面。而在SSOFC中，只存在电极-电解质一个界面。另外一个采用SSOFC构型的主要优点是：通过简单地改变空气和燃料气的方向，可以解决电极表面硫中毒和碳沉积的问题。更重要的是如果采用的电极材料能够在多次循环的工作条件下保持性能稳定，那么这种材料也可以被用来做固体氧化物电解池(SOEC)的电极材料。
固体氧化物电解池(SOEC)则是将电能转化为化学能的电化学装置，它的运行过程可以看作是SOFC的逆过程。近期，因为SOEC比传统的低温制氢方法更高效、更有实际意义，所以吸引了众多研究者的兴趣。利用固体氧化物电解池的高温水蒸气电解技术能够克服低温电解水制氢技术的缺点，实现高效制氢。由于SOEC是SOFC的逆过程，且SOEC与SOFC结构类似，均为三明治夹层结构，所以如果选择合适的电极材料，那么SSOFC也可以用于SSOEC来制氢。
如何将上述SSOFC-SSOEC集成为一个可逆循环能源转换系统，即对称可逆能源转换系统，并且如何使该系统能够更适合、更优异地使用和工作，成为目前研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种由对称固体氧化物燃料电池发电装置和对称固体氧化物电解池制氢装置的可逆能源转换系统以及利用该系统的转换方法。本发明集成了电化学发电和储能技术；通过SSOFC发电系统将化学能直接转化为电能，通过电力转换系统并入交流电网。本发明的可逆能源转换系统具有容量大、寿命长、成本低、能源转换效率高及环境友好等优势。
本发明采用的技术方案为：
一种可逆循环绿色能源转换系统，包括：结构对称的固体氧化物燃料电池SSOFC和固体氧化物电解池SSOEC，所述结构对称的固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池SSOEC阳极和阴极材料一致，电解质采用阳离子导体和质子导体的致密陶瓷薄膜；其中：
固体氧化物燃料电池SSOFC，用于将发电产生电能为用户和固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统提供电能；
固体氧化物电解池SSOEC，用于在电极材料的催化作用下将高温水蒸气生成氢气和氧气；
燃料供给控制系统，通过控制燃料气的流速将燃料气提供给固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆；
热管理系统，用于将固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆所产生的热量回收，为高温水蒸气产生系统提供热源；
氧化气供给控制系统，用于收集固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统阳极侧所产生的氧气，为固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆供氧；
气体分离系统，用于将固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统产生氢气和水蒸汽混合气进行干燥、分离，为固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆提供纯氢气；
所述固体氧化物燃料电池SSOFC通过燃料供给控制系统与燃料存储罐相连通，固体氧化物燃料电池SSOFC一路连通热管理系统，另一路连通负载/用户；热管理系统经高温水蒸气产生系统连通水蒸气供给控制系统至固体氧化物电解池SSOEC，固体氧化物电解池SSOEC一路依次经氧化气供给控制系统、氧气循环系统连通至固体氧化物燃料电池SSOFC，另一路经气体分离系统连通至燃料供给控制系统；
所述固体氧化物燃料电池SSOFC和固体氧化物电解池SSOEC可互换使用。
进一步，所述固体氧化物燃料电池SSOFC分别通过燃料供给控制系统供给燃料气，通过空气进口供给空气，通过固体氧化物燃料电池SSOFC产生的氧气经氧化气供给控制系统和氧气循环系统供给氧气。
进一步，所述固体氧化物燃料电池SSOFC通过DC/AC转化器分别连接至用户和固体氧化物电解池SSOEC。
进一步，所述气体分离系统与燃料供给控制系统之间设有储放氢系统。
相应地，本发明给出了一种可逆循环绿色能源转换方法，包括两种模式：
A模式：SSOFC发电-SSOEC产氢
1)开启燃料存储罐，将燃料气氢气通过燃料供给控制系统调节控制通入固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆阳极侧的燃料气的流速；
2)同时，在固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆阴极侧通入氧气，控制进氧量；或转变通入气流的方向，在阴极通入燃料气，阳极通入氧化气，并开启空气进口阀，调节进入固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆的空气流量；
3)加热固体氧化物燃料电池SSOFC至一定温度，发电产生的电能通过DC/AC转化器将发出的直流电转换为交流电，实现发电功能，分别为用户和SSOEC产氢系统供电；
4)固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统在阴极侧通入高温水蒸气，加热一定温度后，则在阴极产生氢气和水蒸气，阳极产生氧气；或转变气流方向，在阳极通入高温水蒸气，则在阳极产生氢气和水蒸气，阴极产生氧气；实现产氢功能，为固体氧化物燃料电池SSOFC发电电池堆提供氢气和氧气；
5)阳极产生氧气经氧化气供给控制系统和氧气循环系统至固体氧化物燃料电池SSOFC发电电池堆；
6)在阴极产生氢气和水蒸气的混合气经气体分离系统连通至燃料供给控制系统至固体氧化物燃料电池SSOFC发电电池堆；
B模式：SSOFC产氢-SSOEC发电
7)固体氧化物燃料电池SSOFC两端阳极和阴极分别停止通入氧化气和燃料气，并同时通入氮气惰性气体作为保护气氛；然后在任意一端通入高温水蒸气，随后停止通入保护气体，则转换为SSOEC制氢模式。
进一步，所述固体氧化物燃料电池SSOFC3产生的余热经热管理系统、高温水蒸气产生系统、水蒸气供给系统至固体氧化物电解池SSOEC产氢系统。在此过程中利用余热回收系统和高温水蒸气产生系统产生高温水蒸气，将水蒸气通入SSOEC产氢系统，产生的氢气和氧气分别储存于储氢和储氧系统中，可进一步将氢气和氧气分别通入SSOFC的阴极和阳极进行发电。SSOFC发电过程生成的水可以作为SSOEC的水蒸气进行循环利用。
本发明的有益效果在于，该对称结构的固体氧化物燃料电池(SSOFC)，既可以作为燃料电池发电装置，也可以作为固体氧化物电解池(SSOEC)制氢装置。SSOFC阳极侧通入氢气为辅助燃料，通入空气或氧气为氧化气进行发电，外电路可连接负载。SSOFC产生的热量通过热管理系统回收。利用热管理系统收集的热量通入高温水蒸气产生系统产生水蒸气。通过高温水蒸气控制系统将高温水蒸气通入SSOEC阴极，那么在SSOEC阳极则通过电化学反应产生氢气。再将氢气提纯后通入SSOFC的阳极作为燃料继续发电。当然，只需通过更换SSOFC-SSOEC的气流方向，则能源转换方式可变为SSOEC-SSOFC。最终，形成了一个从化学能(氢能)←→电能之间可逆的能源转换系统。
目前，怎样能将SOFC与SOEC完美地结合，实现储能与放电的双重应用，怎样提高其循环稳定性，在两种模式下自由切换，且保持各部件性能的稳定，并且如何降低成本，优化制备工艺，制备出可商业化的SOFC/SOEC装置，最终能实现发电和储能的联合设备是当前的一大难点和热点。首先，SSOFC的对称结构可以大大简化制备流程，降低成本。另外，可以在SSOFC的结构和材料基础上研究各部分材料在高温高湿环境下的性能。同时该过程也可以视为将电能以氢能的形式进行储存，制成的H2也可以用来燃料电池发电，起到了对大型供电系统“移峰填谷”的作用，将为“氢电联用”模式和未来氢能经济提供必要的技术支撑。SSOFC/SSOEC的模块化也为未来灵活调节制氢规模的大型和氢燃料电池发电提供了很大的便利。进一步，如果SSOEC能采用可再生能源或者先进核反应堆作为能量来源，将有希望实现氢气的高效和大规模制备。此外，SSOEC技术也可以用于CO2的减排和转化，在能源和环境问题日益严峻的今天具有极为广阔的发展前景。
对称结构的SSOFC/SSOEC系统仅通过改变气流方向，就可以实现从SSOFC-SSOEC到SSOEC-SSOFC能源转换方向的转变，使得电能-化学能和化学能-电能之间的可逆循环成为可能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明SSOFC-SSOEC可逆能源转换系统结构示意图。
图中：1、燃料存储罐；2、燃料供给控制系统；3、固体氧化物燃料电池SSOFC(发电电池堆)；4、DC/AC转化器；5、负载/用户；6、热管理系统；7、高温水蒸气产生系统；8、水蒸气供给控制系统；9、固体氧化物电解池SSOEC(产氢系统)；10、氧化气供给控制系统；11、氧气循环系统；12、气体分离系统；13、储放氢系统。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
图1所示，该可逆循环绿色能源转换系统，包括对称固体氧化物燃料电池(SSOFC)3(可作为发电电池堆)和对称固体氧化物电解池(SSOEC)9(可作为产氢系统)，所述固体氧化物燃料电池SSOFC3通过燃料供给控制系统2与燃料存储罐1相连通，固体氧化物燃料电池SSOFC3一路连通热管理系统6，另一路连通负载/用户5；热管理系统6经高温水蒸气产生系统7连通水蒸气供给控制系统8至固体氧化物电解池SSOEC9，固体氧化物电解池SSOEC9一路依次经氧化气供给控制系统10、氧气循环系统11连通至固体氧化物燃料电池SSOFC3，另一路经气体分离系统12连通燃料供给控制系统2至固体氧化物燃料电池SSOFC3的发电电池堆。
其中，固体氧化物燃料电池(SSOFC)3分别通过燃料供给控制系统2供给燃料气，通过空气进口供给空气，通过固体氧化物电解池SSOEC9产生的氧气经氧化气供给控制系统10和氧气循环系统11供给氧气；产生的电能通过DC/AC转化器4分别给负载/用户5和固体氧化物电解池SSOEC9供电。
其中，在气体分离系统12与燃料供给控制系统2之间设有储放氢系统13。
本实施例中，固体氧化物燃料电池(SSOFC)3发电电池堆和对称固体氧化物电解池(SSOEC)9产氢系统是同样的结构和材料完全一致的电池堆，在使用过程中也可以只有一台电池堆，在不同时段、通入不同的气体则可以分别实现发电和储能功能。对电池堆中单电池的要求是对称结构的单电池，且主要部件在不同气氛中要有足够好的稳定性。系统中所使用的气体(氧气、氢气和水蒸气)控制系统由气体管路、气体压力表和相应的控制阀等组成，实现对所通气体种类和流速的控制调节。燃料存储罐主要由氢气气瓶或金属氢化物储氢罐等储氢设备构成。热管理系统主要包括换热器和相应管路组成。储放氢系统则包括氢气存储装置、相应控制阀和管路。
下面分别对系统各个机构作出详细说明：
燃料存储罐1，作为备用燃料通入SSOFC，燃料气主要是氢气；
燃料供给控制系统2，主要功能是控制燃料气的流速；
固体氧化物燃料电池SSOFC3，具体是对称固体氧化物燃料电池(SSOFC)发电电池堆，是本系统的核心部件之一。SSOFC的基本结构为夹层结构，中间为致密的电解质薄膜，将合适的对称电极材料丝网印刷或喷涂到电解质片两面，经高温煅烧后制成单电池片，最后将单电池片和其它部件组装成电池堆。
DC/AC转化器4，其主要功能是将SSOFC发出的直流电转换为交流电；
负载/用户5，SSOFC所产生的直流电经DC/AC转化器后可以为负载/用户提供源源不断的电能；
热管理系统6，其主要功能是将SSOFC发电过程中所产生的热量进行回收，然后为高温水蒸气产生系统提供热源；
高温水蒸气产生系统7，该系统主要利用热管理系统的热量加热液态水，使只变为高温水蒸气。产生的高温水蒸气可以通入SSOEC电池堆反应生成氢气和氧气；
水蒸气供给控制系统8，其功能主要是调节高温水蒸气的流速和流量；
对称固体氧化物电解池(SSOEC)9，其结构与固体氧化物燃料电池SSOFC3发电电池堆的结构一致，也是对称结构，是本系统的核心部件之一。其主要功能是将高温水蒸气在电极材料的催化作用下生成氢气和氧气；
氧化气供给控制系统10，其主要功能是收集SSOEC阳极侧所产生的氧气，并对氧气的流速进行调节；
氧气循环系统11，其功能主要是将氧化气供给系统中的氧化气通入SSOFC中的阴极侧；
气体分离系统12，其主要功能是将SSOEC产生氢气和水蒸汽混合气进行干燥、分离，得到纯的氢气；
储放氢系统13，其主要功能是储存SSOEC中产生的氢气，另外，可以释放储存的氢气给SSOFC提供燃料气。
本系统主要的工作原理如下：
SSOFC：是一种对称结构的固体氧化物燃料电池，该类电池采用的阳极和阴极材料一致，电解质采用的是阳离子导体和质子导体的致密陶瓷薄膜。将电极材料制成浆料，丝网印刷或喷涂在电解质膜表面，高温煅烧后形成多孔结构，利于气体的扩散和传输。煅烧后的片状电池称为单电池，将单电池组装成电池堆就形成对称结构的固体氧化物燃料电池堆。重要的是，该电池堆也可以用于对称固体氧化物电解池(SSOEC)。如作为SSOFC，则在阴极一端通入氧化气(空气)，另外阳极一端通入燃料气，加热一定温度后，连接外电路就可以实现发电。转变通入气流的方向，在阴极通入燃料气，阳极通入氧化气，也可以继续发电(可以有效地除去沉积在阳极的碳和解决硫中毒现象)。如作为SSOEC，在阴极侧通入高温水蒸气，加热一定温度后，则在阴极产生氢气，阳极产生氧气，实现产氢功能。如将气流方向转变，如在阳极通入高温水蒸气，则相应的原来的阳极变为SSOEC的阴极，产生氢气，原来的阴极则变为SSOEC的阳极，产生氧气。如运行状态为SSOFC，通入阴极一端的为氧化气，通入另外一端的为燃料气，这时为发电模式。此时，两端分别停止通入氧化气和燃料气，并同时通入氮气等惰性气体作为保护气氛；然后在任意一端通入高温水蒸气，随后停止通入保护气体，则可转换为SSOEC制氢模式。
本系统通过SSOFC和SSOEC连用，该过程也可以看作将电能以氢能的形式进行储存，所制成的氢气又可以用来燃料电池发电，可以起到对大型供电系统“移峰填谷”的作用，将为未来氢能经济和“氢电联用”模式提供非常有力的技术支撑。具有设备简单、制造流程简化、低成本、能量转换效率高(实际>50％)且无污染等优点。由于是对称结构，只需通过更换SSOFC-SSOEC的气流方向，则能源转换方式可变为SSOEC-SSOFC，一套设备则可实现发电和制氢储能自由切换实现能源的可逆循环转换。
表1几种系统的功能和效率比较：
从上可以看出，本发明可逆循环绿色能源转换系统相对于传统的SOFC或SOEC，其功能能够相互转换，且发电效率和电解效率得到了大大的提高，本系统适于推广使用。

Claims (6)

1.一种可逆循环绿色能源转换系统，其特征在于，包括：结构对称的固体氧化物燃料电池SSOFC和固体氧化物电解池SSOEC，所述结构对称的固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池SSOEC阳极和阴极材料一致，电解质采用阳离子导体和质子导体的致密陶瓷薄膜；其中：
固体氧化物燃料电池SSOFC，用于将发电产生电能为负载或用户和固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统提供电能；
固体氧化物电解池SSOEC，用于在电极材料的催化作用下将高温水蒸气生成氢气和氧气；
燃料供给控制系统，通过控制燃料气的流速将燃料气提供给固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆；
热管理系统，用于将固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆所产生的热量回收，为高温水蒸气产生系统提供热源；
氧化气供给控制系统，用于收集固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统阳极侧所产生的氧气，为固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆供氧；
气体分离系统，用于将固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统产生氢气和水蒸汽混合气进行干燥、分离，为固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆提供纯氢气；
所述固体氧化物燃料电池SSOFC通过燃料供给控制系统与燃料存储罐相连通，固体氧化物燃料电池SSOFC一路连通热管理系统，另一路连通负载或用户；热管理系统经高温水蒸气产生系统连通水蒸气供给控制系统至固体氧化物电解池SSOEC，固体氧化物电解池SSOEC一路依次经氧化气供给控制系统、氧气循环系统连通至固体氧化物燃料电池SSOFC，另一路经气体分离系统连通燃料供给控制系统至固体氧化物燃料电池SSOFC；
所述固体氧化物燃料电池SSOFC和固体氧化物电解池SSOEC可互换使用。
2.根据权利要求1所述的一种可逆循环绿色能源转换系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池SSOFC分别通过燃料供给控制系统供给燃料气，通过空气进口供给空气，通过固体氧化物燃料电池SSOFC产生的氧气经氧化气供给控制系统和氧气循环系统供给氧气。
3.根据权利要求1所述的一种可逆循环绿色能源转换系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池SSOFC通过DC/AC转化器分别连接至负载或用户和固体氧化物电解池SSOEC。
4.根据权利要求1所述的一种可逆循环绿色能源转换系统，其特征在于，所述气体分离系统与燃料供给控制系统之间设有储放氢系统。
5.一种可逆循环绿色能源转换方法，其特征在于，包括两种模式：
A模式：SSOFC发电-SSOEC产氢
1)开启燃料存储罐，将燃料气氢气通过燃料供给控制系统调节控制通入固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆阳极侧的燃料气的流速；
2)同时，在固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆阴极侧通入氧气，控制进氧量；或转变通入气流的方向，在阴极通入燃料气，阳极通入氧化气，并开启空气进口阀，调节进入SSOFC发电电池堆的空气流量；
3)加热固体氧化物燃料电池SSOFC至一定温度，发电产生的电能通过DC/AC转化器将发出的直流电转换为交流电，实现发电功能，分别为负载或用户和SSOEC产氢系统供电；
4)固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统在阴极侧通入高温水蒸气，加热一定温度后，则在阴极产生氢气和水蒸气，阳极产生氧气；或转变气流方向，在阳极通入高温水蒸气，则在阳极产生氢气和水蒸气，阴极产生氧气；实现产氢功能，为固体氧化物燃料电池SSOFC发电电池堆提供氢气和氧气；
5)阳极产生氧气经氧化气供给控制系统和氧气循环系统至固体氧化物燃料电池SSOFC发电电池堆；
6)在阴极产生氢气和水蒸气的混合气经气体分离系统连通至燃料供给控制系统2至固体氧化物燃料电池SSOFC发电电池堆；
B模式：SSOFC产氢-SSOEC发电
7)固体氧化物燃料电池SSOFC两端阳极和阴极分别停止通入氧化气和燃料气，并同时通入氮气惰性气体作为保护气氛；然后在任意一端通入高温水蒸气，随后停止通入保护气体，则转换为SSOEC制氢模式。
6.根据权利要求5所述的一种可逆循环绿色能源转换方法，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池SSOFC3产生的余热经热管理系统、高温水蒸气产生系统、水蒸气供给系统至固体氧化物电解池SSOEC产氢系统。
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