一種可逆循環(huán)綠色能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和固體氧化物電解池制氨系統(tǒng)，特別設(shè) 及一種對稱結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和對稱結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解池制氨系 統(tǒng)及轉(zhuǎn)換方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 固體氧化物燃料電池（SOFC)是一種具有高效率、低污染、全固態(tài)等優(yōu)點(diǎn)的新型發(fā) 電裝置。由于其對多種燃料氣體(氨氣、碳氨化合物等)的廣泛適應(yīng)性，所W具有廣泛的應(yīng)用 基礎(chǔ)。
[0003] SOFC的性能很大程度上受電極材料（陰極和陽極)的催化性能決定。最近的研究表 明，傳統(tǒng)SOFC的構(gòu)型能被一種新的構(gòu)型取代，電極材料可W同時(shí)用于陰極和陽極，即對稱固 體氧化物燃料電池(SS0FC)。因其具有簡單的制備工藝，通過改變氣流方向就可W有效解決 電極表面硫中毒和碳沉積等優(yōu)點(diǎn)，近期受到了人們的廣泛重視。
[0004] 發(fā)展SSOFC技術(shù)最直接的目的就是簡化SOFC的制備工藝，降低生產(chǎn)成本。與傳統(tǒng)的 SOFC制備工藝需要多次燒結(jié)不同，SSOFC只需要一次燒結(jié)過程就可W將電極材料和電解質(zhì) 燒結(jié)成形。此外，陽極和陰極都使用同一種材料，有效地改善了電極材料與電解質(zhì)之間的熱 匹配問題。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的SOFC構(gòu)型中，不僅存在陽極-電解質(zhì)界面，還存在陰極-電解質(zhì)界 面。而在SSOFC中，只存在電極-電解質(zhì)一個(gè)界面。另外一個(gè)采用SSOFC構(gòu)型的主要優(yōu)點(diǎn)是:通 過簡單地改變空氣和燃料氣的方向，可W解決電極表面硫中毒和碳沉積的問題。更重要的 是如果采用的電極材料能夠在多次循環(huán)的工作條件下保持性能穩(wěn)定，那么運(yùn)種材料也可W 被用來做固體氧化物電解池(SOEC)的電極材料。
[0005] 固體氧化物電解池(SOEC)則是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的電化學(xué)裝置，它的運(yùn)行過程 可W看作是SOFC的逆過程。近期，因?yàn)镾OEC比傳統(tǒng)的低溫制氨方法更高效、更有實(shí)際意義， 所W吸引了眾多研究者的興趣。利用固體氧化物電解池的高溫水蒸氣電解技術(shù)能夠克服低 溫電解水制氨技術(shù)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效制氨。由于SOEC是SOFC的逆過程，且SOEC與SOFC結(jié)構(gòu)類 似，均為S明治夾層結(jié)構(gòu)，所W如果選擇合適的電極材料，那么SSOFC也可W用于SSOEC來制 氨。
[0006] 如何將上述SS0FC-SS0EC集成為一個(gè)可逆循環(huán)能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，即對稱可逆能源轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)，并且如何使該系統(tǒng)能夠更適合、更優(yōu)異地使用和工作，成為目前研究的重點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種由對稱固體氧化物燃料電池發(fā)電裝置和對稱固體氧化 物電解池制氨裝置的可逆能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)W及利用該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方法。本發(fā)明集成了電化學(xué) 發(fā)電和儲能技術(shù);通過SSOFC發(fā)電系統(tǒng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，通過電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)并入交 流電網(wǎng)。本發(fā)明的可逆能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有容量大、壽命長、成本低、能源轉(zhuǎn)換效率高及環(huán)境 友好等優(yōu)勢。
[0008] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0009] -種可逆循環(huán)綠色能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括:結(jié)構(gòu)對稱的固體氧化物燃料電池 SSOFC和 固體氧化物電解池 SS0EC，所述結(jié)構(gòu)對稱的固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池 SSOEC 陽極和陰極材料一致，電解質(zhì)采用陽離子導(dǎo)體和質(zhì)子導(dǎo)體的致密陶瓷薄膜;其中：
[0010] 固體氧化物燃料電池 SS0FC，用于將發(fā)電產(chǎn)生電能為用戶和固體氧化物電解池 SSOEC的產(chǎn)氨系統(tǒng)提供電能；
[0011] 固體氧化物電解池 SS0EC，用于在電極材料的催化作用下將高溫水蒸氣生成氨氣 和氧氣；
[0012] 燃料供給控制系統(tǒng)，通過控制燃料氣的流速將燃料氣提供給固體氧化物燃料電池 SSOFC的發(fā)電電池堆；
[0013] 熱管理系統(tǒng)，用于將固體氧化物燃料電池 SSOFC的發(fā)電電池堆所產(chǎn)生的熱量回收， 為高溫水蒸氣產(chǎn)生系統(tǒng)提供熱源；
[0014] 氧化氣供給控制系統(tǒng)，用于收集固體氧化物電解池 SSOEC的產(chǎn)氨系統(tǒng)陽極側(cè)所產(chǎn) 生的氧氣，為固體氧化物燃料電池 SSOFC的發(fā)電電池堆供氧；
[0015] 氣體分離系統(tǒng)，用于將固體氧化物電解池 SSOEC的產(chǎn)氨系統(tǒng)產(chǎn)生氨氣和水蒸汽混 合氣進(jìn)行干燥、分離，為固體氧化物燃料電池 SSOFC的發(fā)電電池堆提供純氨氣；
[0016] 所述固體氧化物燃料電池 SSOFC通過燃料供給控制系統(tǒng)與燃料存儲罐相連通，固 體氧化物燃料電池 SSOFC-路連通熱管理系統(tǒng)，另一路連通負(fù)載/用戶；熱管理系統(tǒng)經(jīng)高溫 水蒸氣產(chǎn)生系統(tǒng)連通水蒸氣供給控制系統(tǒng)至固體氧化物電解池 SS0EC，固體氧化物電解池 SSOEC-路依次經(jīng)氧化氣供給控制系統(tǒng)、氧氣循環(huán)系統(tǒng)連通至固體氧化物燃料電池 SS0FC， 另一路經(jīng)氣體分離系統(tǒng)連通至燃料供給控制系統(tǒng)；
[0017] 所述固體氧化物燃料電池 SSOFC和固體氧化物電解池 SSOEC可互換使用。
[0018] 進(jìn)一步，所述固體氧化物燃料電池 SSOFC分別通過燃料供給控制系統(tǒng)供給燃料氣， 通過空氣進(jìn)口供給空氣，通過固體氧化物燃料電池 SSOFC產(chǎn)生的氧氣經(jīng)氧化氣供給控制系 統(tǒng)和氧氣循環(huán)系統(tǒng)供給氧氣。
[0019] 進(jìn)一步，所述固體氧化物燃料電池 SSOFC通過DC/AC轉(zhuǎn)化器分別連接至用戶和固體 氧化物電解池 SSOEC。
[0020] 進(jìn)一步，所述氣體分離系統(tǒng)與燃料供給控制系統(tǒng)之間設(shè)有儲放氨系統(tǒng)。
[0021] 相應(yīng)地，本發(fā)明給出了一種可逆循環(huán)綠色能源轉(zhuǎn)換方法，包括兩種模式：
[0022] A 模式:SSOFC 發(fā)電-SSOEC 產(chǎn)氨
[0023] 1)開啟燃料存儲罐，將燃料氣氨氣通過燃料供給控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制通入固體氧化 物燃料電池 SSOFC的發(fā)電電池堆陽極側(cè)的燃料氣的流速；
[0024] 2)同時(shí)，在固體氧化物燃料電池 SSOFC的發(fā)電電池堆陰極側(cè)通入氧氣，控制進(jìn)氧 量;或轉(zhuǎn)變通入氣流的方向，在陰極通入燃料氣，陽極通入氧化氣，并開啟空氣進(jìn)口閥，調(diào)節(jié) 進(jìn)入固體氧化物燃料電池 SSOFC的發(fā)電電池堆的空氣流量；
[0025] 3)加熱固體氧化物燃料電池 SSOFC至一定溫度，發(fā)電產(chǎn)生的電能通過DC/AC轉(zhuǎn)化器 將發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能，分別為用戶和SSOEC產(chǎn)氨系統(tǒng)供電；
[0026] 4)固體氧化物電解池 SSOEC的產(chǎn)氨系統(tǒng)在陰極側(cè)通入高溫水蒸氣，加熱一定溫度 后，則在陰極產(chǎn)生氨氣和水蒸氣，陽極產(chǎn)生氧氣;或轉(zhuǎn)變氣流方向，在陽極通入高溫水蒸氣， 則在陽極產(chǎn)生氨氣和水蒸氣，陰極產(chǎn)生氧氣;實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氨功能，為固體氧化物燃料電池 SSOFC 發(fā)電電池堆提供氨氣和氧氣；
[0027] 5)陽極產(chǎn)生氧氣經(jīng)氧化氣供給控制系統(tǒng)和氧氣循環(huán)系統(tǒng)至固體氧化物燃料電池 SSOFC發(fā)電電池堆；
[0028] 6)在陰極產(chǎn)生氨氣和水蒸氣的混合氣經(jīng)氣體分離系統(tǒng)連通至燃料供給控制系統(tǒng) 至固體氧化物燃料電池 SSOFC發(fā)電電池堆；
[00巧]B模式：SSOFC產(chǎn)氨-SSOEC發(fā)電
[0030] 7)固體氧化物燃料電池 SSOFC兩端陽極和陰極分別停止通入氧化氣和燃料氣，并 同時(shí)通入氮?dú)舛栊詺怏w作為保護(hù)氣氛;然后在任意一端通入高溫水蒸氣，隨后停止通入保 護(hù)氣體，則轉(zhuǎn)換為SSOEC制氨模式。
[0031] 進(jìn)一步，所述固體氧化物燃料電池 SS0FC3產(chǎn)生的余熱經(jīng)熱管理系統(tǒng)、高溫水蒸氣 產(chǎn)生系統(tǒng)、水蒸氣供給系統(tǒng)至固體氧化物電解池 SSOEC產(chǎn)氨系統(tǒng)。在此過程中利用余熱回收 系統(tǒng)和高溫水蒸氣產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生