固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，包括固體氧化物燃料電池電堆單元、固體氧化物電解池電堆單元、太陽(yáng)能供電裝置、功率變換器、燃料存儲(chǔ)罐及相應(yīng)的出入口通道及流量控制閥門、CO2捕捉存儲(chǔ)罐及相應(yīng)的出入口通道及流量控制閥門、換熱器單元、空氣尾氣分流控制閥門、空氣入口控制閥門及空氣壓縮機(jī)。本發(fā)明的固體氧化物電解池電堆單元能夠利用外部的提供電能(如太陽(yáng)能等)，在高壓的環(huán)境下，將CO2和H2O轉(zhuǎn)化成燃料氣體CH4和H2等，因此將由固體氧化物燃料電池出來(lái)的燃料尾氣和空氣尾氣通入電解池中，并且利用太陽(yáng)能供電裝置，進(jìn)行反應(yīng)，生成新的燃料氣體，再次通入到燃料電池電堆中進(jìn)行發(fā)電。
【專利說(shuō)明】
固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種固體氧化物燃料電池(SOFC)和固體氧化物電解池(SOEC)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，它是一種能夠利用太陽(yáng)能將尾氣重新轉(zhuǎn)化為燃料氣體，從而提高系統(tǒng)效率并且實(shí)現(xiàn)碳元素的循環(huán)利用的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]固體氧化物燃料電池(SolidOxide Fuel Cell，S0FC)是一種能將碳?xì)浠衔镏械幕瘜W(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的裝置，通常工作在600-800°C。它具有高效率，無(wú)污染，安靜等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具前景的綠色發(fā)電技術(shù)之一。其中，平板式SOFC因具有高能比、易組裝等優(yōu)點(diǎn)而成為SOFC技術(shù)應(yīng)用的主流。
[0003]SOFC主要以碳?xì)浠衔镒鳛槠浒l(fā)電的燃料，例如甲烷，氫氣等。其中，當(dāng)前研究的絕大部分SOFC發(fā)電系統(tǒng)，均是采用甲烷作為其燃料氣體。然而，對(duì)于使用這種碳?xì)浠衔锏娜剂蟻?lái)說(shuō)，系統(tǒng)發(fā)電后所排出的尾氣中，總會(huì)含有C02這一氣體。C02是導(dǎo)致全球變暖，引發(fā)溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w，目前，大規(guī)?？刂艭02排放技術(shù)，C02捕集、利用和封存技術(shù)已受到世界各國(guó)政府的高度重視。現(xiàn)階段主要的C02電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)主要包括:以堿性溶液或質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)的低溫電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)(-20-200°C)和以固體氧化物為電解質(zhì)的高溫電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)(600-1000°C)。固體氧化物電解池便是采用第二種轉(zhuǎn)化技術(shù)的典型代表，它是一種全固態(tài)結(jié)構(gòu)，氣體產(chǎn)物易分離，避免了使用液態(tài)電解質(zhì)所帶來(lái)的蒸發(fā)、腐蝕和電解液流失問(wèn)題，同時(shí)也不需要采用貴金屬電極，因此，SOEC的C02/H20共電解技術(shù)被認(rèn)為是目前將C02轉(zhuǎn)化為燃料的最可行、最具有前景的技術(shù)路徑之一。它的主要是通過(guò)外部提供的電能和熱能，在內(nèi)部進(jìn)行C02/H20共電解反應(yīng)，生成CO，H2和02等。
[0004]當(dāng)前對(duì)于SOFC發(fā)電系統(tǒng)的研究，主要集中在如何更好的控制系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的效率，實(shí)現(xiàn)更快更安全的功率跟蹤等，而對(duì)于系統(tǒng)所排出的尾氣中的C02并未做更多的處理，只是簡(jiǎn)單的排入大氣中，這樣一來(lái)，當(dāng)大規(guī)模使用SOFC發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，排出的尾氣將會(huì)加劇全球變暖，引發(fā)溫室效應(yīng)。因此，為了解決這一問(wèn)題，需要在發(fā)電的前提下，構(gòu)建一種能夠回收利用尾氣中C02的系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有研究技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)ξ矚庵械腃02進(jìn)行回收，同時(shí)，利用外部可用的風(fēng)能或是太陽(yáng)能，對(duì)C02/H20進(jìn)行共電解反應(yīng)，生成新的燃料，再次進(jìn)行發(fā)電的固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，增加SOEC電堆部分，SOEC主要負(fù)責(zé)C02的回收利用，產(chǎn)生新的燃料；同時(shí)，它在發(fā)生反應(yīng)時(shí)需要的電能可以利用光伏、風(fēng)電所發(fā)的電，從而提高系統(tǒng)的效率。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明技術(shù)方案為:
[0007]—種固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，包括固體氧化物燃料電池電堆單元、固體氧化物電解池電堆單元、太陽(yáng)能供電裝置、功率變換器、燃料存儲(chǔ)罐及相應(yīng)的出入口通道及流量控制閥門、C02捕捉存儲(chǔ)罐及相應(yīng)的出入口通道及流量控制閥門、換熱器單元、空氣尾氣分流控制閥門、空氣入口控制閥門及空氣壓縮機(jī);其中:
[0008]固體氧化物燃料電池電堆單元，其空氣輸入端、燃料輸入端分別接換熱器單元的空氣輸出端和燃料輸出端，固體氧化物電解池電堆單元的燃料輸入端接固體氧化物燃料電池電堆單元的燃料輸出端，并且在靠近電解池電堆單元燃料輸入口的管道處安置了一個(gè)C02捕捉存儲(chǔ)罐，設(shè)置有輸入和輸出口與管道連接，由流量控制閥門控制；固體氧化物燃料電池的空氣尾氣輸出端，經(jīng)過(guò)一個(gè)分流控制閥門，部分空氣尾氣直接進(jìn)入換熱器換熱后排入大氣中，另一部分空氣尾氣經(jīng)過(guò)一個(gè)三通管道，可允許外部空氣進(jìn)入，然后一起壓縮進(jìn)入固體氧化物電解池的空氣輸入端；固體氧化物電解池的空氣輸出端和燃料輸出端分別接換熱器的空氣輸入和燃料輸入，在靠近換熱器燃料輸入口的管道處安置了一個(gè)燃料存儲(chǔ)罐，設(shè)置有輸入和輸出口與管道連接，由流量控制閥門控制。
[0009]所述固體氧化物電解池電堆單元用于回收固體氧化物燃料電池燃料尾氣(主要為C02)，通過(guò)由太陽(yáng)能供電裝置提供的電能，進(jìn)行反應(yīng)，然后生成新的燃料氣體(主要為CH4和H2)，再經(jīng)過(guò)換熱器送入到固體氧化物燃料電池進(jìn)行發(fā)電；空氣輸入口處輸入的空氣由固體氧化物燃料電池空氣輸出端輸出的空氣和從大氣中的空氣混合而成，同時(shí)經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的加壓，使得固體氧化物電解池工作在高壓(20bar)情況下，保證內(nèi)部反應(yīng)的正常進(jìn)行。整個(gè)過(guò)程提高了系統(tǒng)的效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 C02的循環(huán)利用。
[0010]上述方案的技術(shù)效果體現(xiàn)在:
[0011]本發(fā)明具有一個(gè)固體氧化物電解池電堆單元，主要用于回收燃料電池燃料輸出端的尾氣，同時(shí)利用太陽(yáng)能裝置提供的電能，在高壓的環(huán)境下，進(jìn)行反應(yīng)生成新的燃料。具體過(guò)程是燃料電池燃料輸出端的尾氣直接通入固體氧化物電解池的燃料輸入口，其空氣輸入口通入加壓過(guò)后的空氣(由固體氧化物燃料電池空氣輸出端輸出的部分空氣和從大氣中的空氣混合而成)，在外部提供的電能下，主要發(fā)生以下反應(yīng)(I)和反應(yīng)(2)，其中反應(yīng)(I)是吸熱反應(yīng)，而反應(yīng)(2)是放熱反應(yīng)，為了能維持整個(gè)系統(tǒng)正常工作時(shí)所需的熱量，所希望的是盡可能促進(jìn)反應(yīng)(2)的發(fā)生，所以需要在空氣輸入口對(duì)空氣進(jìn)行加壓，保證能工作在高壓環(huán)境下，以促進(jìn)反應(yīng)(2)的進(jìn)行。
[0012]CO2+H2O4CO+H2+O2 (I)
[0013]3H2+C0^CH4+H20 (2)
[0014]作為進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案如下:
[0015]所述的燃料存儲(chǔ)罐和C02捕捉存儲(chǔ)罐分別具有相應(yīng)的出入口通道及流量控制閥門，便于在不同的情況下，進(jìn)行燃料以及尾氣的存儲(chǔ)和釋放。
[0016]該進(jìn)一步的優(yōu)選方案的技術(shù)效果體現(xiàn)在:
[0017]所述的C02捕捉存儲(chǔ)罐安裝在固體氧化物燃料電池燃料輸出端到固體氧化物電解池燃料輸入端的管道上，并靠近電解池燃料輸入端。存儲(chǔ)罐與管道通過(guò)兩個(gè)通道連接，一個(gè)是尾氣進(jìn)入存儲(chǔ)罐的通道，一個(gè)是尾氣離開存儲(chǔ)罐的通道，兩個(gè)通道均有對(duì)應(yīng)的流量控制閥門控制。當(dāng)外界太陽(yáng)光照不強(qiáng)時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)能供電裝置所能提供的電能降低，對(duì)應(yīng)的供給固體氧化物電解池的尾氣需要相應(yīng)的減少，否則多余的尾氣將不能完全反應(yīng)，所以應(yīng)控制尾氣進(jìn)入存儲(chǔ)罐通道上的閥門打開，使得一部分尾氣存入存儲(chǔ)罐內(nèi)；當(dāng)外界太陽(yáng)光照較強(qiáng)時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)能供電裝置所能提供的電能升高，對(duì)應(yīng)的供給固體氧化物電解池的尾氣需要相應(yīng)的增加，否則會(huì)浪費(fèi)一部分的電能，所以應(yīng)控制尾氣離開存儲(chǔ)罐通道上的閥門打開，使得一部分尾氣從存儲(chǔ)罐通入管道，然后進(jìn)入固體氧化物電解池進(jìn)行反應(yīng)。
[0018]所述的燃料存儲(chǔ)罐安裝在固體氧化物電解池燃料輸出端到換熱器燃料輸入端的管道上，并靠近換熱器燃料輸入端。存儲(chǔ)罐與管道通過(guò)兩個(gè)通道連接，一個(gè)是燃料進(jìn)入存儲(chǔ)罐的通道，一個(gè)是燃料離開存儲(chǔ)罐的通道，兩個(gè)通道均有對(duì)應(yīng)的流量控制閥門控制。此閥門的控制情況與C02捕捉存儲(chǔ)罐上相應(yīng)的閥門控制有關(guān):當(dāng)外界太陽(yáng)光照不強(qiáng)時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)能供電裝置所能提供的電能降低，對(duì)應(yīng)的供給固體氧化物電解池的尾氣需要相應(yīng)的減少，為了能維持不變的發(fā)電功率，則需要適當(dāng)增加燃料的流量，所以應(yīng)控制燃料離開存儲(chǔ)罐通道上的閥門打開，使得一部分燃料從存儲(chǔ)罐通入管道，然后一起進(jìn)行換熱，再進(jìn)入固體氧化物燃料電池進(jìn)行反應(yīng);當(dāng)外界太陽(yáng)光照較強(qiáng)時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)能供電裝置所能提供的電能升高，對(duì)應(yīng)的供給固體氧化物電解池的尾氣需要相應(yīng)的增加，那么電解池反應(yīng)生成的燃料氣體也相應(yīng)增加，所以應(yīng)控制燃料進(jìn)入存儲(chǔ)罐通道上的閥門打開，在保證正常的燃料供應(yīng)下，將多余的燃料存入存儲(chǔ)罐中。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0021]如圖1所示為發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，本發(fā)明的系統(tǒng)具有一個(gè)固體氧化物電解池電堆單元2，從固體氧化物燃料電池電堆單元I出來(lái)的燃料尾氣和空氣尾氣進(jìn)入電解池電堆，在高壓和外部提供的太陽(yáng)能下，進(jìn)行反應(yīng)，生成新的燃料氣體，再經(jīng)過(guò)換熱器3，再次通入到固體氧化物燃料電池電堆進(jìn)行發(fā)電，在這個(gè)過(guò)程中不僅提高了系統(tǒng)的效率，還實(shí)現(xiàn)了C02的循環(huán)利用。
[0022]固體氧化物燃料電池電堆單元I中，所排出的燃料尾氣(主要為C02)和空氣尾氣分別經(jīng)過(guò)通道13和通道14進(jìn)入固體氧化物電解池電堆單元2中，太陽(yáng)能供電裝置5可為電解池內(nèi)的反應(yīng)提供電能，通道14內(nèi)的空氣尾氣和經(jīng)過(guò)空氣入口閥門12進(jìn)入通道的空氣混合后，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)4進(jìn)行加壓，再通入電解池內(nèi)，保證內(nèi)部反應(yīng)是在高壓環(huán)境下進(jìn)行，從而促進(jìn)反應(yīng)(2)的進(jìn)行，為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的熱量。從電解池出來(lái)的新的燃料(主要為CH4和H2)和空氣，經(jīng)過(guò)換熱器3換熱后，再次進(jìn)入燃料電池電堆進(jìn)行發(fā)電，所發(fā)的電能經(jīng)過(guò)功率變換器19對(duì)外輸出。對(duì)于燃料存儲(chǔ)罐6來(lái)說(shuō)，通過(guò)與通道15連接的進(jìn)入/離開管道上的控制閥門8和9，來(lái)控制由電解池出來(lái)的燃料氣體的流量:當(dāng)需要增大燃料流量時(shí)，則控制閥門9的開度，使一部分燃料由存儲(chǔ)罐進(jìn)入通道中；當(dāng)需要減少燃料流量時(shí)，則控制閥門8的開度，使一部分燃料存入存儲(chǔ)罐中。對(duì)于C02捕捉存儲(chǔ)罐7來(lái)說(shuō)，通過(guò)與通道13連接的進(jìn)入/離開管道上的控制閥門10和11，來(lái)控制由燃料電池出來(lái)的燃料尾氣的流量:當(dāng)需要增大燃料尾氣流量時(shí)，則控制閥門11的開度，使一部分燃料尾氣由存儲(chǔ)罐進(jìn)入通道中；當(dāng)需要減少燃料尾氣流量時(shí)，則控制閥門10的開度，使一部分燃料尾氣存入存儲(chǔ)罐中。
[0023]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括固體氧化物燃料電池電堆單元(I)、固體氧化物電解池電堆單元(2)、太陽(yáng)能供電裝置(5)、功率變換器(19)，燃料存儲(chǔ)罐(6)及相應(yīng)的出入口通道及流量控制閥門(8，9)、C02捕捉存儲(chǔ)罐(7)及相應(yīng)的出入口通道及流量控制閥門(10，11)、換熱器單元(3)、空氣尾氣分流控制閥門(20)，空氣入口控制閥門(12)及空氣壓縮機(jī)(4);其中: 固體氧化物燃料電池電堆單元(I)，其空氣輸入端、燃料輸入端分別接換熱器單元(3)的空氣輸出端和燃料輸出端，固體氧化物電解池電堆單元(2)的燃料輸入端接固體氧化物燃料電池電堆單元(I)的燃料輸出端，并且在靠近電解池電堆單元(2)燃料輸入口的管道處安置了 一個(gè)C02捕捉存儲(chǔ)罐(7)，設(shè)置有輸入和輸出口與管道連接，由流量控制閥門(1，11)控制；固體氧化物燃料電池(I)的空氣尾氣輸出端，經(jīng)過(guò)一個(gè)分流控制閥門，部分空氣尾氣直接進(jìn)入換熱器換熱后排入大氣中，另一部分空氣尾氣經(jīng)過(guò)一個(gè)三通管道(19)，可允許外部空氣進(jìn)入，然后由壓縮機(jī)(4)一起壓縮進(jìn)入固體氧化物電解池(2)的空氣輸入端；固體氧化物電解池(2)的空氣輸出端和燃料輸出端分別接換熱器(3)的空氣輸入和燃料輸入，在靠近換熱器燃料輸入口的管道處安置了一個(gè)燃料存儲(chǔ)罐(6)，設(shè)置有輸入和輸出口與管道連接，由流量控制閥門控制(8，9)。固體氧化物燃料電池電堆發(fā)出的電經(jīng)過(guò)功率變換器(19)，對(duì)外輸出電能； 所述固體氧化物電解池電堆單元(2)用于回收固體氧化物燃料電池(I)燃料尾氣(主要為C02)，通過(guò)由太陽(yáng)能供電裝置(5)提供的電能，進(jìn)行反應(yīng)，然后生成新的燃料氣體(主要為CH4和H2)，再經(jīng)過(guò)換熱器(3)送入到固體氧化物燃料電池(I)進(jìn)行發(fā)電；空氣輸入口處輸入的空氣由固體氧化物燃料電池(I)空氣輸出端輸出的空氣和從大氣中的空氣混合而成，同時(shí)經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)(4)的加壓，使得固體氧化物電解池(2)工作在高壓(20bar)情況下，保證內(nèi)部反應(yīng)的正常進(jìn)行。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，將固體氧化物燃料電池(I)和固體氧化物電解池(2)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)太陽(yáng)能供電裝置(5)提供的太陽(yáng)能，對(duì)燃料尾氣進(jìn)行利用，提高系統(tǒng)的效率，實(shí)現(xiàn)C02的循環(huán)利用。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的燃料存儲(chǔ)罐(6)通過(guò)與通道(15)連接的進(jìn)入/離開管道上的控制閥門(8)和(9)，來(lái)控制由電解池出來(lái)的燃料氣體的流量:當(dāng)需要增大燃料流量時(shí)，則控制閥門(9)的開度，使一部分燃料由存儲(chǔ)罐進(jìn)入通道中；當(dāng)需要減少燃料流量時(shí)，則控制閥門(8)的開度，使一部分燃料存入存儲(chǔ)罐中。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的C02捕捉存儲(chǔ)罐(7)通過(guò)與通道(13)連接的進(jìn)入/離開管道上的控制閥門(10)和(11)，來(lái)控制由燃料電池出來(lái)的燃料尾氣的流量:當(dāng)需要增大燃料尾氣流量時(shí)，則控制閥門(11)的開度，使一部分燃料尾氣由存儲(chǔ)罐進(jìn)入通道中；當(dāng)需要減少燃料尾氣流量時(shí)，則控制閥門(10)的開度，使一部分燃料尾氣存入存儲(chǔ)罐中。
【文檔編號(hào)】H01M8/0668GK105845962SQ201610192030
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】蔣建華, 徐夢(mèng)雪, 李曦, 成天亮, 吳小東, 王杰, 李箭
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)