CN106876752A - 一种基于固体氧化物电池的能量储存与转化系统 - Google Patents

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Abstract

固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)组成的固体氧化物电池(SOC)系统，在SOFC工作模式发电的同时生成水，水与载体上的纳米金属反应生成氢气，氢气又供给SOFC工作；在SOEC工作模式时利用来自所述太阳能风能电池的电能将水电解制氢气，氢气与载体上的纳米金属氧化物反应生成水，水又供给SOEC电解。采用金属及金属氧化物作为中间转换物质使燃料进行循环再生，以达到毋须频繁通入燃料和持续可密封的目的，同时避免因多次载入燃料而导致诸多杂质以损坏电池的现象。

Description

一种基于固体氧化物电池的能量储存与转化系统
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，涉及一种基于固体氧化物电池的能量储存与转化系统，尤其是涉及一种通过金属及金属氧化物转化，从而实现固体氧化物电池能量储存与转化的系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是已发明的由化学燃料直接转化为电能的有效装置，它由陶瓷制成的固体氧化物构成，具有高效、模块化、易选址和低排放等优势。固体氧化物电解池(SOEC)是固体氧化物燃料电池的逆运行，是一种将电能热能转化为化学能的高效率、低污染的能量转化装置。由于具有能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供及储能等民用领域，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动储能电源领域，都有广阔的应用前景。
风能和太阳能是可再生的清洁能源，是煤炭、石油、天然气等化石能源的有效替代，但是由于风能和太阳能具有随机性，风力机组和太阳能电池板所输出电功率的频率、电压均随风速及光辐射量而变，发电量不稳定。现有技术提出使用SOEC将风能和太阳能转化为稳定的化学能储存，再利用SOFC使化学能转化为电能输出的工作模式，以此改良由于风能和太阳能的不稳定性而导致难以利用的现况。
但是在现有技术中SOFC及SOEC系统分离，各自需要通入维持其运行的气体，增加气体制备储存成本，并难以做到真正的、完全的系统耦合，并且SOFC不断通入燃料(H2、CH4等)在阳极反应，存在不能完全密封以及燃料杂质等问题，易造成燃料电池故障损坏。如燃料中常见的杂质硫，若其含量达1％则SOFC无法正常运行。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于固体氧化物电池的能量储存与转化系统，从而实现SOFC及SOEC系统耦合，减少运行成本，增加使用寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)组成的固体氧化物电池(SOC)系统，在SOFC工作模式发电的同时生成水，水与载体上的纳米金属反应生成氢气，氢气又供给SOFC工作；在SOEC工作模式时利用来自所述太阳能风能电池的电能将水电解制氢气，氢气与载体上的纳米金属氧化物反应生成水，水又供给SOEC电解。
本发明的有益效果是，采用金属及金属氧化物作为中间转换物质使燃料进行循环再生，以达到毋须频繁通入燃料和持续可密封的目的，同时避免因多次载入燃料而导致诸多杂质以损坏电池的现象。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为现有SOFC及SOEC系统运行示意图。
图2为本发明所述通过金属及金属氧化物转化的SOFC及SOEC系统运行示意图。
图3为本发明实施例1所述通过金属铁及氧化铁转化的SOFC及SOEC系统运行示意图。
具体实施方式
下面以实施例的方式进一步详细的解释本发明，但本发明绝不局限于实施例。
固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)组成的固体氧化物电池(SOC)系统。
SOFC工作模式：
阴极侧空气中的氧气通过电解质还原为氧离子。
1/2O2+2e-→O2- (1)
在阳极通入略过量的氢气，密封，氧离子透过电解质进入阳极与氢气结合生成水，并向外电路释放出电子，达到发电的目的。
H2+O2-→H2O+2e- (2)
总反应为：
H2+1/2O2→H2O (3)
由于铁粉未完全反应，生成的水再与铁粉在一定条件下继续反应生成氧化铁并释放出氢气。
Fe+H2O→Fe3O4+H2 (4)
此反应放出的氢气再与氧离子结合，完成(3)反应，继而完成(4)反应，(4)反应释放的氢气再进入(3)反应，如此不断循环下去，不断消耗铁粉的同时不断发电。即SOFC发电的同时生成水，水与载体上的金属铁反应生成氢气，氢气又供给SOFC工作；
SOEC工作模式：
水在风能和太阳能提供能量的情况下被电解。水在氢电极(阴极)从外电路得到电子被分解为H2和O2-，产生的H2从氢电极逸出：
H2O+2e-→H2+O2- (5)
O2-则通过电解质迁移至氧电极侧(阳极侧)，失去电子生成氧气。
氧电极(阳极)：
2O2-→O2+4e- (6)
总反应为：
H2O→H2+1/2O2 (7)
产生的氢气将氧化铁还原为铁，反应式如下：
H2+Fe3O4→Fe+H2O (8)
反应生成的水再进入(7)反应，生成的氢气再进入(8)反应，如此不断循环氧化铁还原成铁的同时进行储能。即使用太阳能和风电装置的电能将水电解制氢气，氢气与载体上的纳米氧化铁反应生成水，水又供给SOEC电解。
需要说明的是，在本说明书的指导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于固体氧化物电池的能量储存与转化系统，所述系统包括：
太阳能和风能电池，用于将太阳能风能转化为电能，并为用户和固体氧化物电解池供电；
固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池组成的SOC系统，在SOFC工作模式发电的同时生成水，水与载体上的纳米金属反应生成氢气，氢气又供给SOFC工作；在SOEC工作模式时利用来自所述太阳能风能电池的电能将水电解制氢气，氢气与载体上的纳米金属氧化物反应生成水，水又供给SOEC电解。
2.根据权利要求1所述，其所述纳米金属包括铁、钴、镍、铜、锌等金属。
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