CN112993347A - 一种基于固态氧化物电池的能源装置及发电系统 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种基于固态氧化物电池的能源装置及发电系统，包括固体氧化物电解电池组件和固体氧化物燃料电池组件，固体氧化物电解电池组件的氢气出口与氢气储罐连通，固体氧化物电解电池组件的一氧化碳出口与一氧化碳储罐连通，氢气储罐和一氧化碳储罐还与固体氧化物燃料电池组件连通，固体氧化物燃料电池组件中的二氧化碳出口与二氧化碳储罐连通，二氧化碳储罐还与固体氧化物电解电池组件连通。本公开固体氧化物燃料电池组件,能够燃烧氢气和/或一氧化碳，将化学能转化为电能;当外部电网或者用户端需要电能时，固体氧化物燃料电池组件可以将SOEC制备收集的氢气和一氧化碳等作为原料而发电，补充用户端或外部电网的电能，转化效率高。

Description

一种基于固态氧化物电池的能源装置及发电系统
技术领域
本公开属于清洁能源技术领域，具体涉及一种基于固态氧化物电池的能源装置及发电系统。
背景技术
电转气技术（power to gas，P2G）是实现中国可再生能源大规模消纳的潜在方案，其核心电解技术按照工作温度可划分为低温与高温电解两类，其中高温电解电池具有转换效率高、转换产物丰富以及支持可逆运行等优势，是未来能源与电力系统中极具吸引力的规模化储能技术。
相较于传统储能，电制氢强调电能向氢能的单向转换，基于燃气的应用终端进行后续消纳，几乎不受能量上限的约束。因此，电制氢是大规模、高效率整合利用新能源富余电力的有效方案，已经受到国内外学术界、产业界的广泛认可与关注。目前，国内外已有诸多新能源制氢试点项目。2017 年9 月，国家发展改革委发布了《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》，提出通过“储电、储热、制氢等多种形式”解决可再生能源消纳问题。2020年1 月，中国科学技术协会主席万钢公开建议“把氢能纳入国家的能源战略体系”，并强调对于“氢能要和水电、风电、光伏发电互相补充”。可以看出，我国近年来也开始了新能源制氢试点项目的研究与布局。但不可否认的是，在电制氢技术与氢能产业的发展方面，我国处于刚刚起步、相对落后的位置。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开第一目的在于提供了一种基于固态氧化物电池的能源装置。
本公开的第二目的在于提供一种发电系统。
为了实现本公开的第一目的，本公开所采用的技术方案如下：
一种基于固态氧化物电池的能源装置，包括以下部件:
固体氧化物电解电池组件，能够将去离子水和二氧化碳共电解产生氢气和一氧化碳，将外部电能转化为化学能;
固体氧化物燃料电池组件,能够燃烧氢气和/或一氧化碳，将化学能转化为电能;
所述固体氧化物电解电池组件的氢气出口与氢气储罐连通，所述固体氧化物电解电池组件的一氧化碳出口与一氧化碳储罐连通，所述氢气储罐和一氧化碳储罐还与固体氧化物燃料电池组件连通，所述固体氧化物燃料电池组件中的二氧化碳出口与二氧化碳储罐连通，所述二氧化碳储罐还与固体氧化物电解电池组件连通。
可选地，所述固体氧化物电解电池组件的二氧化碳入口还与外部的工业二氧化碳管路连通。
可选地，还包括以下部件：
燃料合成装置，与固体氧化物电解电池组件的一氧化碳和氢气的出口连通，燃料合成装置能够将一氧化碳和氢气合成燃料。
可选地，还包括换热组件，换热组件能够将固体氧化物电解电池组件中输出的气体与输入的气体换热，换热组件与固体氧化物电解电池组件连接。
可选地，所述换热组件包括蒸汽发生器和换热器，去离子水储罐依次通过水泵、蒸汽发生器中的蒸汽管、换热器后与固体氧化物电解电池组件的蒸汽入口连通；固体氧化物电解电池组件的阴极出口通过换热器、蒸汽发生器中的氢气管后与氢气储罐连通；所述固体氧化物电解电池组件的阳极出气口通过换热器、蒸汽发生器的氧气出口后与氧气储罐连通。
可选地，所述氢气储罐还通过氢气进气管与蒸汽发生器中蒸汽管连通，所述蒸汽发生器中的氢气管还与蒸汽发生器中蒸汽管连通。
可选地，所述固体氧化物电解电池组件和固体氧化物燃料电池组件中的电池均是扁管式电池。
为了实现本发明的第二目的，本发明所采用的技术方案如下；
一种发电系统，包括上述的能源装置，发电系统还包括：
发电装置，与固体氧化物电解电池组件和输出电缆电连接，发电装置能够通过可再生能源发电；
电网监测控制装置，分别与发电装置、固体氧化物电解电池组件和固体氧化物燃料电池组件电连接，能够监测发电装置的输出电压；当输出电压大于预设电压，控制固体氧化物电解电池组件消耗多余电量；当输出电压小于预设电压，控制固体氧化物燃料电池组件输出缺少的电量。
可选地，所述固体氧化物电解电池组件还通过燃料合成装置与燃料发电装置连通，所述固体氧化物电解电池组件通过电缆或供热管与用户端连接，所述燃料发电装置和输出电缆均与用户端电连接。
可选地，还包括储能单元，所述输出电缆通过储能单元与用户端电连接。
本公开通过结合固体氧化物电解电池组件（SOEC）和固体氧化物燃料电池组件（SOFC），固体氧化物电解电池组件（SOEC）能够利用用电低谷时的电能，将去离子水和二氧化碳共电解产生氢气和一氧化碳，氢气和一氧化碳以化学能方式贮存，在用电高峰时，固体氧化物燃料电池组件（SOFC）能够消耗氢气和/或一氧化碳而发电，补充电网电能。实现用电低谷时储存电能，用电高峰时释放电能的作用，且转化效率较高。
并且，共电解时，电解池的ASR（碱性电解池电解制氢）与单独电解H2O时相近，大约是CO2电解的0.56倍，同时电解H2O和CO2相比单独电解H2O，电解池性能有所提高。另外，高温共电解通过电解H2O和CO2，直接生成高温CO2、CO、H2合成气。大量化工合成反应如费托合成、甲烷化、甲醇化等，使用合成气作为原料，在较高温度压强下生成甲烷、甲醇等对应产物。高温共电解可作为化工合成的前一环节，在物质与能量两方面与后续流程耦合，从而提高系统整体效率。与分别电解H2O和CO2相比，共电解效率更高，且需要更少的电解步骤，降低了反应器成本。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开中的基于固态氧化物电池的能源装置的结构框图；
图2是本公开中另一优选实施例的基于固态氧化物电池的能源装置的结构框图；
图3是本公开中发电系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
实施例一
参阅图1所示，一种基于固态氧化物电池的能源装置，包括以下部件:
固体氧化物电解电池组件1（SOEC），能够将去离子水和二氧化碳共电解产生氢气和一氧化碳，将外部电能转化为化学能，SOEC是一种高转化效率的电制氢技术，也是未来电网中用于新能源消纳的一种重要负荷形式，可以高比例消纳可再生风光能源;该装置可以收集用电低谷时的电网或发电装置的电量，去离子水和二氧化碳共电解产生氢气和一氧化碳，其中氢气和一氧化碳可以分别单独收集，储存化学能；而离子水和二氧化碳共电解又能够很好的解决工业二氧化碳排放的问题；同时，氢气和一氧化碳还能进一步合成甲烷等燃料。SOEC可以由外部电网供电，也可以由发电装置供电，最优的是发电装置供电，例如太阳能或者风电装置供电，当用电高峰时。
固体氧化物燃料电池组件2（SOFC）,能够燃烧氢气和/或一氧化碳，将化学能转化为电能; 当外部电网或者用户端需要电能时，固体氧化物燃料电池组件2可以将SOEC制备收集的氢气和一氧化碳等作为原料而发电，补充用户端或外部电网的电能。
所述固体氧化物电解电池组件1的氢气出口与氢气储罐3连通,SOEC制备的氢气可以由氢气储罐3来储存,阳极出口氧气可以由氧气储罐9收集，电解生成的氢气具有多种利用方式。如加压液化后通过储氢罐储存运输，作为化工原料参与后续化工合成反应，以及作为可燃性气体直接通入天然气管道等。所述固体氧化物电解电池组件1的一氧化碳出口与一氧化碳储罐4连通，SOEC制备的一氧化碳可以输送至一氧化碳储罐4储存；所述氢气储罐3和一氧化碳储罐4还与固体氧化物燃料电池组件2连通，可以由SOFC产生电能，所述固体氧化物燃料电池组件2中的二氧化碳出口与二氧化碳储罐5连通，所述二氧化碳储罐5还与固体氧化物电解电池组件1连通，二氧化碳进行收集以后可以重新输送给SOEC进行电解。二氧化碳不直接排出，系统内循环中实现碳中和。
本实施例的优点在于，离子水和二氧化碳共电解与分别电解离子水和二氧化碳相比，共电解效率更高，且需要更少的电解步骤，降低了反应器成本。共电解时电解池的ASR与单独电解H2O时相近，大约是CO2电解的0.56倍，电解池性能有所提高。SOFC-SOEC联合系统在效率、长期可持续性和低二氧化碳排放方面具有明显优势。并且该系统由外部电网功能供能时，可以在电网低价时购入电能电解产生氢气和一氧化碳，电网高价时燃烧氢气和/或一氧化碳，将化学能转化为电能。
所述固体氧化物电解电池组件1和固体氧化物燃料电池组件2中的电池均优选采用扁管式电池，扁管式电池的出发点是将管式电池“压扁”以增大电池之间的接触面积，其横截面形状不是正圆形，而是长扁圆形，长扁的气道可以进一步划分为若干个气室，以增加上下两极之间的导电通路。提高电解效率和燃料电池的效率。
在另一个实施例中，能源装置20还包括以下部件：
燃料合成装置6，与固体氧化物电解电池组件1的一氧化碳和氢气的出口连通，燃料合成装置6能够将一氧化碳和氢气合成燃料。高温共电解H2O和CO2直接生成高温CO2、CO、H2合成气，高温合成气在燃料合成装置6中，会进行大量化工合成反应如费托合成甲烷化、甲醇化等，使用合成气作为原料，在较高温度压强下生成对应产物，如甲烷、甲醇等有机化合物燃料。高温共电解可作为化工合成的前一环节，在物质与能量两方面与后续流程耦合，从而提高系统整体效率。
固体氧化物电解电池组件1的阴极出口会产生高温的蒸汽、CO、H2合成气，如果需要CO或H2单独气体，则可以将其分离后单独收集，如果需要进行燃料合成，则阴极出口直接与燃料合成装置6连通，燃料合成装置6的出气口再对CO或H2单独气体进行分离后收集。
由于本装置可以将二氧化碳作为原料，固体氧化物电解电池组件1的二氧化碳入口还可以与外部的工业二氧化碳管路连通。用于将外部工厂排放的部分二氧化碳电解，并且电解后CO可以用于合成燃料，可起到减少碳排放、生成可持续燃料的作用。
参阅图2所示，在另一优选实施例中，为了对固体氧化物电解电池组件1产生的高温气体进行热量收集与管理，能源装置20还包括换热组件7，换热组件7能够将固体氧化物电解电池组件1中输出的气体与输入的气体换热，换热组件7与固体氧化物电解电池组件1连接。
固体氧化物电解电池组件1的阴极出口会产生高温水蒸气和H2，阳极出口会产生高温O2，该高温气体可以将去离子水和二氧化碳进行预热，将去离子水加热成水蒸气，水蒸气和二氧化碳再通入固体氧化物电解电池组件1中进行电解。通过对电解池进行热管理，提高了系统效率，实现热管理的核心元件为换热器，通过换热器设计，能够在系统中加入能量循环，回收利用出口气体余热。使用夹点分析设计换热网络或采用不同的换热器设计，可达到75%~83%的系统效率。
在本实施例中，换热组件7示例性的包括蒸汽发生器71和换热器72，蒸汽发生器71是通过收集固体氧化物电解电池组件1输出的高温气体加热去离子水，产生蒸气；换热器是用于通过高温气体去加热蒸汽，将蒸汽加热；去离子水储罐8依次通过水泵10、蒸汽发生器71中的蒸汽管、换热器72后与固体氧化物电解电池组件1的蒸汽入口连通；固体氧化物电解电池组件1的阴极出口通过换热器72、蒸汽发生器71中的氢气管后与氢气储罐3连通，阴极出口产生的650℃的蒸汽和氢气的混合气体首先通过换热器72，将蒸汽加热至595℃左右，然后再进入蒸汽发生器71，将去离子水加热成水蒸气；所述固体氧化物电解电池组件1的阳极出气口通过换热器72、蒸汽发生器71的氧气出口后与氧气储罐9连通。固体氧化物电解电池组件1的阳极出口产生的高温氧气同样依次通过换热器72、蒸汽发生器71加热固体氧化物电解电池组件1的输入气体。该换热组件7还可以根据需要将高温蒸汽收集，通入用户端或厂房，作为蒸汽能源使用。提高热能利用的多样性。
作为本申请的一个优选实施例，所述氢气储罐3还通过氢气进气管与蒸汽发生器71中蒸汽管连通，所述蒸汽发生器71中的氢气管还与蒸汽发生器71中蒸汽管连通。由于固体氧化物电解电池组件1的阴极输入的蒸汽和二氧化碳需要添加10%左右的氢气，所以该氢气的获取可以通过换热器换热后的氢气，也可以由氢气储罐3获取。
实施例二
参阅图3所示，本公开还提供一种发电系统，包括上述的能源装置20，发电系统还包括：
发电装置30，与固体氧化物电解电池组件1和输出电缆电连接，发电装置30能够通过可再生能源发电装置；发电装置30可以是常规发电装置也可以是可再生能源发电装置，可再生能源发电装置可以是太阳能发电装置、风能发电装置等，能源装置20的电能也可以由公共电网在用电低谷时期提供。
电网监测控制装置40，分别与发电装置30、固体氧化物电解电池组件1和固体氧化物燃料电池组件2电连接，能够监测发电装置30输出电压的波形，控制固体氧化物燃料电池组件2输出与发电装置30输出电压的波形互补的电压，电压合并后从输出电缆输出稳定电压。
当发电装置30是可再生能源发电装置时，发电装置30发出的电力受外部环境影响较大，发电电量不稳定，所以通过电网监测控制装置40实时监测发电装置30输出的电能质量，当电能较高时，可以将电能分出至固体氧化物电解电池组件1，用于去离子水和二氧化碳共电解；当电能较低时，固体氧化物燃料电池组件2输出的电能可以作为发电装置输出的电能的补充，实现实时对系统输出的电能进行调峰调谷，稳定电能质量的作用。整个系统不依赖化石能源，不产生二氧化碳排放，真正在微网范围内实现用电的“碳中和”，对可再生能源的利用率可达80%以上。
当发电装置30是常规的火力发电装置时，能源装置20不但能够对系统输出的电能进行调峰调谷，而且能够收集部分火力发电装置的二氧化碳，在用电低谷时，利用富余的电能电解去离子水和CO2形成一氧化碳和氢气，一氧化碳和氢气还能够进一步的合成燃料，减少碳排放。
本发电系统能最大限度提升可再生能源的利用效率，减少微电网中储能单元的使用。当风光发电能满足用户使用时，实时利用SOFC稳定电能品质，供给用户；当风光发电存在富余时，实时利用余电制取氢（或共解气），加以储存或者将其发电量实时并网，不会对电网造成冲击；当风光发电不足时，利用储存的氢气（或共解气）作为燃料，供给SOFC发电，满足用户需求。
在一个实施例中，所述固体氧化物电解电池组件1还通过燃料合成装置6与燃料发电装置60连通，所述固体氧化物电解电池组件1通过电缆或供热管与用户端50连接，所述燃料发电装置60和输出电缆均与用户端50电连接。燃料发电装置60可以作为输出电能的补充，目的是在固体氧化物燃料电池组件2供电不足时，作为电能的补充。该燃料发电装置60可以采用燃料合成装置6合成后的燃料，也可以采用外部采购的燃料等，该燃料发电装置60可以是燃气轮机，由燃气轮机和SOFC配合发电，发电效率较高。发电系统还可以包括储能单元70，所述输出电缆通过储能单元70与用户端50电连接。储能单元70可以是电池组，其可以作为电能的临时储备单元，也可以作为系统内的应急电源。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种基于固态氧化物电池的能源装置，其特征在于，包括以下部件:
固体氧化物电解电池组件，能够将去离子水和二氧化碳共电解产生氢气和一氧化碳，将外部电能转化为化学能;
固体氧化物燃料电池组件,能够燃烧氢气和/或一氧化碳，将化学能转化为电能;
所述固体氧化物电解电池组件的氢气出口与氢气储罐连通，所述固体氧化物电解电池组件的一氧化碳出口与一氧化碳储罐连通，所述氢气储罐和一氧化碳储罐还与固体氧化物燃料电池组件连通，所述固体氧化物燃料电池组件中的二氧化碳出口与二氧化碳储罐连通，所述二氧化碳储罐还与固体氧化物电解电池组件连通。
2.根据权利要求1所述的基于固态氧化物电池的能源装置，其特征在于，还包括以下部件：
燃料合成装置，与固体氧化物电解电池组件的一氧化碳和氢气的出口连通，燃料合成装置能够将一氧化碳和氢气合成燃料。
3.根据权利要求1所述的基于固态氧化物电池的能源装置，其特征在于，所述固体氧化物电解电池组件的二氧化碳入口还与外部的工业二氧化碳管路连通。
4.根据权利要求1所述的基于固态氧化物电池的能源装置，其特征在于，还包括换热组件，换热组件能够将固体氧化物电解电池组件中输出的气体与输入的气体换热，换热组件与固体氧化物电解电池组件连接。
5.根据权利要求4所述的基于固态氧化物电池的能源装置，其特征在于：所述换热组件包括蒸汽发生器和换热器，去离子水储罐依次通过水泵、蒸汽发生器中的蒸汽管、换热器后与固体氧化物电解电池组件的蒸汽入口连通；固体氧化物电解电池组件的阴极出口通过换热器、蒸汽发生器中的氢气管后与氢气储罐连通；所述固体氧化物电解电池组件的阳极出气口通过换热器、蒸汽发生器的氧气出口后与氧气储罐连通。
6.根据权利要求5所述的基于固态氧化物电池的能源装置，其特征在于：所述氢气储罐还通过氢气进气管与蒸汽发生器中蒸汽管连通，所述蒸汽发生器中的氢气管还与蒸汽发生器中蒸汽管连通。
7.根据权利要求5所述的基于固态氧化物电池的能源装置，其特征在于：所述固体氧化物电解电池组件和固体氧化物燃料电池组件中的电池均是扁管式电池。
8.一种发电系统，其特征在于，包括权利要求1所述的能源装置，发电系统还包括：
发电装置，分别与固体氧化物电解电池组件和输出电缆电连接，发电装置能够发电；
电网监测控制装置，分别与发电装置、固体氧化物电解电池组件和固体氧化物燃料电池组件电连接，能够监测发电装置的输出电压；当输出电压大于预设电压，控制固体氧化物电解电池组件消耗多余电量；当输出电压小于预设电压，控制固体氧化物燃料电池组件输出缺少的电量。
9.根据权利要求8所述的发电系统，其特征在于：所述固体氧化物电解电池组件还通过燃料合成装置与燃料发电装置连通，所述固体氧化物电解电池组件通过电缆或供热管与用户端连接，所述燃料发电装置和输出电缆均与用户端电连接。
10.根据权利要求9所述的发电系统，其特征在于：还包括储能单元，所述输出电缆通过储能单元与用户端电连接。
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