CN113278992A - 一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统及其工作方法 - Google Patents

一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统及其工作方法。本发明提供的电解槽系统包括：风机、空气换热器、电加热器、空气‑燃气换热器、水箱、水泵、蒸汽发生器、燃气换热器、水蒸气涡轮增压器、阀门、SOEC电堆；其中风机、空气换热器、电加热器和空气‑燃气换热器依次连接，形成阴极侧的供给流路；水箱、水泵、蒸汽发生器、燃气换热器、空气‑燃气换热器和水蒸气涡轮增压器依次连接，形成阳极侧的供给流路。本发明省略了循环泵和阳极电加热器，减少了部件且避免了安全隐患。采用水蒸气涡轮增压器，循环利用阳极尾气中的水蒸气，提高水蒸气利用率，提高SOEC系统效率，且降低寄生功耗和成本。

Description

一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统及其工作方法
技术领域
本发明属于电解池技术领域，更为具体地讲，涉及一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统及其工作方法。
背景技术
固体氧化物电解池(SOEC)是一种先进的电化学能量转化装置,可利用清洁一次能源产生的电能和热能,以H2O和/或CO2为原料,通过高效电解制备氢气或碳氢燃料,有望实现大规模能量高效转化和存储。
目前，大部分SOEC系统如图1所示，阴极侧，空气由风机压缩后，通过和电堆出来高温空气换热后进第一电加热器，将空气温度加热至设定的电堆进口温度后进入电堆；阳极侧，水泵从水箱按照设定的需要给蒸汽发生器提供液态水，蒸汽发生器汽化后形成水蒸气和循环回来的氢气混合，一起进入燃气换热器，和电堆阳极排出气换热后进入第二电加热器，将水蒸气涡轮增压器加热至设定温度后，进入电堆；阳极尾气经过换热后进入冷凝器，将气态水冷凝为液态水，通过水汽分离，液态水回流至水箱循环使用；氢气经过压缩后储存在高压储气装置中，使用时通过循环泵循环至阳极侧与水蒸气混合。
这种SOEC系统存在以下不足：1、该系统至少需要两个电加热器、两个换热器以及一个循环泵等部件，部件较多，体积较大，使用不方便；2、氢气和水的混合气要通过电加热，存在安全隐患；3、水蒸气利用率低，导致整个SOEC系统效率低。
为了提高水蒸气利用率，可以采用高温电动循环泵将SOEC电堆的阳极尾气循环回SOEC电堆入口。但该SOEC系统需要采用高温电动循环泵，成本高，消耗的功率较大。
另一种提高水蒸气利用率的方法是采用引射器作为水蒸气涡轮增压器，将SOEC电堆的阳极尾气引入引射器，通过引射器喷入SOEC电堆。但该方法使用了引射器，加工制造难度大，可调节范围窄，控制难度大。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统，包括：风机、空气换热器、电加热器、空气-燃气换热器、水箱、水泵、蒸汽发生器、燃气换热器、水蒸气涡轮增压器、阀门、SOEC电堆。
其中，风机、空气换热器、电加热器和空气-燃气换热器依次连接，形成阴极侧的供给流路。所述风机用于将空气压缩后送入所述空气换热器；所述空气换热器用于将所述风机送入的空气与所述SOEC电堆排出的高温阴极尾气进行热交换；所述电加热器用于加热空气；所述空气-燃气换热器用于将电加热器加热后的高温空气与阳极侧的水蒸气进行热交换。上述经过空气-燃气换热器热交换后的空气输送进入SOEC电堆。
其中水箱、水泵、蒸汽发生器、燃气换热器、空气-燃气换热器和水蒸气涡轮增压器依次连接，形成阳极侧的供给流路。所述水箱用于储存水；所述水泵用于从所述水箱按照设定的需求量给蒸汽发生器提供液态水；所述蒸汽发生器用于将液态水汽化成水蒸气；所述燃气换热器用于将所述蒸汽发生器形成的水蒸气与SOEC电堆排出的高温阳极尾气进行热交换；所述空气-燃气换热器用于将水蒸气与阴极侧被电加热器加热后的高温空气进行热交换，进一步提高水蒸气温度，形成高温水蒸气；所述水蒸气涡轮增压器包括用于将所述高温水蒸气与常温氢气混合，并将混合后的氢气和水蒸气混合气输送进入SOEC电堆。
所述水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统还包括：冷凝器、水气分离器、增压泵和高压储气瓶。所述冷凝器与所述燃气换热器相连，用于冷凝经燃气换热器流出的阳极尾气；所述水气分离器与所述冷凝器相连，用于分离经冷凝器凝结形成的液态水和氢气，分离得到的液态水流回至水箱循环使用。所述增压泵与所述水气分离器相连，用于将分离得到的氢气压缩储存至所述高压储气瓶中。
所述水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统还包括：流量计。所述流量计分别连接所述高压储气瓶和所述水蒸气涡轮增压器，用于控制进入SOEC电堆的氢气流量。
所述水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统还包括：分别与所述水蒸气涡轮增压器和SOEC电堆阳极端出口相连的阀门。所述水蒸气涡轮增压器包括透平端和压气端，所述透平端与所述空气-燃气换热器的出口以及所述流量计连接，从所述空气-燃气换热器的出口流出的所述高温水蒸气与从流量计流出的常温氢气在所述透平端混合，并推动透平端涡轮旋转，同时，透平端涡轮带动压气端涡轮旋转，所述压气端通过所述阀门与SOEC电堆的阳极出口相连。所述水蒸气涡轮增压器将部分阳极尾气通过压气端涡轮增压后循环回SOEC电堆入口，通过控制所述阀门的开度，控制阳极尾气循环流量；其余部分的阳极尾气经过燃气换热器后进入冷凝器。
本发明还提供一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，包括：
阴极侧：空气由风机压缩后，通过空气换热器和电堆排出的高温阴极尾气进行换热后进入电加热器，将空气温度加热至设定温度后，经空气-燃气换热器与阳极侧的水蒸气进行换热后达到电堆进口温度，然后进入SOEC电堆；
阳极侧：水泵从水箱按照设定的需求量给蒸汽发生器提供液态水，液态水经蒸汽发生器汽化后，形成的水蒸气进入燃气换热器，在燃气换热器中与阳极尾气换热，然后进入空气-燃气换热器，通过与经空气电加热器加热后的高温空气换热，进一步提高水蒸气温度，换热后的高温水蒸气在水蒸气涡轮增压器中和常温氢气混合后进入SOEC电堆。
所述水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，还包括：通过调节空气电加热器功率，使得氢气和水蒸气的混合气达到设定温度后进入SOEC电堆。
所述水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，还包括：阳极尾气经过所述燃气换热器换热后进入冷凝器，通过冷凝器将气态水冷凝为液态水，再通过水气分离器将液态水和氢气分离，分离得到的液态水回流至水箱循环使用，分离得到的氢气经过增压泵压缩后储存在高压储气瓶中。
所述水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，还包括：将所述高压储气瓶中的常温氢气通过流量计引入至水蒸气涡轮增压器中，所述流量计用于控制氢气进入SOEC电堆的流量。
所述水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，还包括：所述空气-燃气换热器的出口流出的所述高温水蒸气与从流量计流出的常温氢气在所述水蒸气涡轮增压器的透平端混合，并推动透平端涡轮旋转，同时，所述透平端涡轮带动所述水蒸气涡轮增压器的压气端涡轮旋转，所述压气端通过阀门与SOEC电堆的阳极出口相连。所述水蒸气涡轮增压器将部分阳极尾气通过压气端涡轮增压后循环回SOEC电堆入口，通过控制所述阀门的开度，控制阳极尾气循环流量；其余部分的阳极尾气经过燃气换热器后进入冷凝器。通过将阳极生成的氢气和未反应的水蒸气部分循环回SOEC电堆入口，为电堆阳极提供氢气的同时，将未反应的高温水蒸气二次进入电堆参加反应，提高水蒸气利用率，从而减小冷凝器和蒸汽发生器功率，提高整个系统效率。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、不采用电加热器直接加热氢气和水蒸气的混合气体，而是通过电加热器加热空气，然后由空气和水蒸气换热来加热水蒸气，再通过高温水蒸气和常温氢气混合实现对氢气的加热，使氢气和水蒸气的混合气体温度达到电堆设定的进口温度，使用氢气的安全性大大提高；
2、省略了循环泵，直接从高压储气罐中减压，通过流量计控制氢气流量进入系统；
3、仅采用一个电加热就可以实现为整个系统提供热能，减少部件，降低成本，简化热管理的控制难度；
4、用高温水蒸气涡轮增压器将阳极生成的氢气和未反应的水蒸气部分循环会电堆入口，为电堆阳极提高氢气的同时，将未反应的高温水蒸气二次进入电堆参加反应，提高水蒸气利用率，从而减小冷凝器和蒸汽发生器功率，提高整个系统效率。代替高温阳极循环泵或引射器，
5、水蒸气涡轮增压器利用系统中的高温蒸汽推动涡轮做功，无需电力输入，降低系统寄生功耗。
6、与高温电动循环泵相比，水蒸气涡轮增压器利用系统中的高温蒸汽推动涡轮做功，无需电力输入，功耗小；与引射器相比，水蒸气涡轮增压器更易于制造，且阀门可调节范围大，对流量的可控性更好。
附图说明
图1是现有技术的SOEC系统的结构示意图；
图2是本发明的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的组成结构示意图。
图1中：1-1 风机，1-2 换热器，1-3 第一电加热器，1-4 第二电加热器，1-5 水箱，1-6 水泵，1-7 蒸汽发生器，1-8 换热器，1-9 冷凝器，1-10 SOEC电堆，1-11 循环泵，1-12水气分离器，1-13 增压泵，1-14 高压储气瓶；
图2中：1 风机，2 空气换热器，3 电加热器，4 空气-燃气换热器，5 水箱，6 水泵，7 蒸汽发生器，8 燃气换热器，9 水蒸气涡轮增压器，91 透平端，92 压气端，10 SOEC电堆，11 冷凝器，12 水气分离器，13 增压泵，14 高压储气瓶，15 流量计，16 阀门。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
如附图2所示，一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统，包括：风机1、空气换热器2、电加热器3、空气-燃气换热器4、水箱5、水泵6、蒸汽发生器7、燃气换热器8、水蒸气涡轮增压器9、SOEC电堆10、冷凝器11、水气分离器12、增压泵13、高压储气瓶14、流量计15、阀门16。
风机1、空气换热器2、电加热器3和空气-燃气换热器4依次连接，形成阴极侧的供给流路。所述风机1用于将空气压缩后送入所述空气换热器2；所述空气换热器2用于将所述风机1送入的空气与所述SOEC电堆10排出的高温阴极尾气进行热交换；所述电加热器3用于加热空气；所述空气-燃气换热器4用于将电加热器3加热后的高温空气与阳极侧的水蒸气进行热交换。上述经过空气-燃气换热器4热交换后的空气输送进入所述SOEC电堆10。
水箱5、水泵6、蒸汽发生器7、燃气换热器8、空气-燃气换热器4和水蒸气涡轮增压器9依次连接，形成阳极侧的供给流路。所述水箱5用于储存水；所述水泵6用于从所述水箱5按照设定的需求量给所述蒸汽发生器7提供液态水；所述蒸汽发生器7用于将液态水汽化成水蒸气；所述燃气换热器8用于将所述蒸汽发生器7形成的水蒸气与所述SOEC电堆10排出的高温阳极尾气进行热交换；所述空气-燃气换热器4用于将水蒸气与阴极侧被所述电加热器3加热后的高温空气进行热交换，进一步提高水蒸气温度，形成高温水蒸气；所述水蒸气涡轮增压器9用于将上述高温水蒸气与常温氢气混合。上述经过水蒸气涡轮增压器9混合后的氢气和水蒸气混合气输送进入所述SOEC电堆10的阳极。
具体地，水蒸气涡轮增压器9包括透平端91和压气端92，所述透平端91与所述空气-燃气换热器4的出口以及所述流量计15连接，从所述空气-燃气换热器4的出口流出的所述高温水蒸气与从流量计15流出的常温氢气在所述透平端91混合，并推动透平端涡轮旋转，同时，透平端涡轮带动压气端涡轮旋转，所述压气端92通过所述阀门16与SOEC电堆10的阳极出口相连。所述水蒸气涡轮增压器9将部分阳极尾气通过压气端涡轮增压后循环回SOEC电堆10入口，通过控制所述阀门16的开度，控制阳极尾气循环流量；其余部分的阳极尾气经过燃气换热器8后进入冷凝器11。
所述冷凝器11与所述燃气换热器8相连，用于冷凝经所述燃气换热器8流出的阳极尾气；所述水气分离器12与所述冷凝器11相连，用于分离经冷凝器11凝结形成的液态水和氢气，分离得到的液态水流回至所述水箱5循环使用。所述增压泵13与所述水气分离器12相连，用于将分离得到的氢气压缩储存至所述高压储气瓶14中。所述流量计15分别连接所述高压储气瓶14和所述水蒸气涡轮增压器9，用于控制进入SOEC电堆10的氢气流量。
本发明的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法包括：
阴极侧：空气由风机1压缩后，通过空气换热器2和SOEC电堆10排出的高温阴极尾气进行换热后进入电加热器3，将空气温度加热至设定温度后，经空气-燃气换热器4与阳极侧的水蒸气进行换热后达到电堆进口温度，然后进入SOEC电堆10；
阳极侧：水泵6从水箱5按照设定的需求量给蒸汽发生器7提供液态水，液态水经蒸汽发生器7汽化后，形成的水蒸气进入燃气换热器8，在燃气换热器8中与阳极尾气换热，然后进入空气-燃气换热器4，通过与经电加热器3加热后的高温空气换热，进一步提高水蒸气温度，换热后的高温水蒸气在水蒸气涡轮增压器9中和常温氢气混合后进入SOEC电堆10；在上述过程中，通过调节电加热器3功率，使得氢气和水蒸气的混合气达到设定温度后进入SOEC电堆10；阳极尾气经过燃气换热器8换热后进入冷凝器11，通过冷凝器11将气态水冷凝为液态水，再通过水气分离器12将液态水和氢气分离，分离得到的液态水回流至水箱5循环使用，分离得到的氢气经过增压泵13压缩后储存在高压储气瓶14中；将所述高压储气瓶14中的常温氢气通过流量计15引入至水蒸气涡轮增压器9中，所述流量计15用于控制氢气进入SOEC电堆10的流量；所述空气-燃气换热器4的出口流出的所述高温水蒸气与从流量计15流出的常温氢气在所述水蒸气涡轮增压器9的透平端91混合，并推动透平端涡轮旋转，同时，所述透平端涡轮带动所述水蒸气涡轮增压器9的压气端涡轮旋转，压气端92通过阀门与SOEC电堆10的阳极出口相连；所述水蒸气涡轮增压器9将部分阳极尾气通过压气端涡轮增压后循环回SOEC电堆10入口，通过控制所述阀门16的开度，控制阳极尾气循环流量；其余部分的阳极尾气经过燃气换热器8后进入冷凝器11。通过将阳极生成的氢气和未反应的水蒸气部分循环回SOEC电堆10入口，为电堆阳极提供氢气的同时，将未反应的高温水蒸气二次进入电堆10参加反应，提高水蒸气利用率，从而减小冷凝器11和蒸汽发生器7功率，提高整个系统效率。
本实施方式的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统具有以下有益效果：（1）不采用电加热器直接加热氢气和水蒸气的混合气体，而是通过电加热器加热空气，然后由空气和水蒸气换热来加热水蒸气，再通过高温水蒸气和常温氢气混合实现对氢气的加热，使氢气和水蒸气的混合气体温度达到电堆设定的进口温度，使用氢气的安全性大大提高；（2）省略了循环泵，直接从高压储气罐中减压，通过流量计控制氢气流量进入系统；（3）仅采用一个电加热就可以实现为整个系统提供热能，减少部件，降低成本，简化热管理的控制难度；（4）用高温水蒸气涡轮增压器将阳极生成的氢气和未反应的水蒸气部分循环会电堆入口，为电堆阳极提高氢气的同时，将未反应的高温水蒸气二次进入电堆参加反应，提高水蒸气利用率，从而减小冷凝器和蒸汽发生器功率，提高整个系统效率。代替高温阳极循环泵或引射器；（5）水蒸气涡轮增压器利用系统中的高温蒸汽推动涡轮做功，无需电力输入，降低系统寄生功耗；（6）与高温电动循环泵相比，水蒸气涡轮增压器利用系统中的高温蒸汽推动涡轮做功，无需电力输入，功耗小；与引射器相比，水蒸气涡轮增压器的更易于制造，且阀门可调节范围大，对流量的可控性更好。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术作出的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统，其特征在于，包括：风机、空气换热器、电加热器、空气-燃气换热器、水箱、水泵、蒸汽发生器、燃气换热器、水蒸气涡轮增压器、阀门、SOEC电堆；
其中，风机、空气换热器、电加热器和空气-燃气换热器依次连接，形成阴极侧的供给流路；所述风机用于将空气压缩后送入所述空气换热器；所述空气换热器用于将所述风机送入的空气与所述SOEC电堆排出的高温阴极尾气进行热交换；所述电加热器用于加热空气；所述空气-燃气换热器用于将电加热器加热后的高温空气与阳极侧的水蒸气进行热交换，经过空气-燃气换热器热交换后的空气输送进入SOEC电堆；
水箱、水泵、蒸汽发生器、燃气换热器、空气-燃气换热器和水蒸气涡轮增压器依次连接，形成阳极侧的供给流路；所述水箱用于储存水；所述水泵用于从所述水箱按照设定的需求量给蒸汽发生器提供液态水；所述蒸汽发生器用于将液态水汽化成水蒸气；所述燃气换热器用于将所述蒸汽发生器形成的水蒸气与SOEC电堆排出的高温阳极尾气进行热交换；所述空气-燃气换热器用于将水蒸气与阴极侧被电加热器加热后的高温空气进行热交换，进一步提高水蒸气温度，形成高温水蒸气；所述水蒸气涡轮增压器包括用于将所述高温水蒸气与常温氢气混合，并将混合后的氢气和水蒸气混合气输送进入SOEC电堆。
2.根据权利要求1所述的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统，其特征在于，还包括：冷凝器、水气分离器、增压泵和高压储气瓶；所述冷凝器与所述燃气换热器相连，用于冷凝经燃气换热器流出的阳极尾气；所述水气分离器与所述冷凝器相连，用于分离经冷凝器凝结形成的液态水和氢气，分离得到的液态水流回至水箱循环使用；所述增压泵与所述水气分离器相连，用于将分离得到的氢气压缩储存至所述高压储气瓶中。
3.根据权利要求2所述的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统，其特征在于，还包括：流量计；所述流量计分别连接所述高压储气瓶和所述水蒸气涡轮增压器，用于控制进入SOEC电堆的氢气流量。
4.根据权利要求3所述的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统，其特征在于，还包括：分别与所述水蒸气涡轮增压器和SOEC电堆阳极端出口相连的阀门；
所述水蒸气涡轮增压器包括透平端和压气端，所述透平端与所述空气-燃气换热器的出口以及所述流量计连接，从所述空气-燃气换热器的出口流出的所述高温水蒸气与从流量计流出的常温氢气在所述透平端混合，并推动透平端涡轮旋转，同时，透平端涡轮带动压气端涡轮旋转，所述压气端通过所述阀门与SOEC电堆的阳极出口相连；
所述水蒸气涡轮增压器将部分阳极尾气通过压气端涡轮增压后循环回SOEC电堆入口，通过控制所述阀门的开度，控制阳极尾气循环流量；其余部分的阳极尾气经过燃气换热器后进入冷凝器。
5.一种水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，其特征在于，包括：
阴极侧：空气由风机压缩后，通过空气换热器和电堆排出的高温阴极尾气进行换热后进入电加热器，将空气温度加热至设定温度后，经空气-燃气换热器与阳极侧的水蒸气进行换热后达到电堆进口温度，然后进入SOEC电堆；
阳极侧：水泵从水箱按照设定的需求量给蒸汽发生器提供液态水，液态水经蒸汽发生器汽化后，形成的水蒸气进入燃气换热器，在燃气换热器中与阳极尾气换热，然后进入空气-燃气换热器，通过与经电加热器加热后的高温空气换热，进一步提高水蒸气温度，换热后的高温水蒸气在水蒸气涡轮增压器中和常温氢气混合后进入SOEC电堆。
6.根据权利要求5所述的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，其特征在于，还包括：通过调节空气电加热器功率，使得氢气和水蒸气的混合气达到设定温度后进入SOEC电堆。
7.根据权利要求6所述的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，其特征在于，还包括：阳极尾气经过所述燃气换热器换热后进入冷凝器，通过冷凝器将气态水冷凝为液态水，再通过水气分离器将液态水和氢气分离，分离得到的液态水回流至水箱循环使用，分离得到的氢气经过增压泵压缩后储存在高压储气瓶中。
8.根据权利要求7所述的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，其特征在于，还包括：将所述高压储气瓶中的常温氢气通过流量计引入至水蒸气涡轮增压器中，所述流量计用于控制氢气进入SOEC电堆的流量。
9.根据权利要求7所述的水蒸气涡轮增压的燃料电池电解槽系统的工作方法，其特征在于，还包括：所述空气-燃气换热器的出口流出的所述高温水蒸气与从流量计流出的常温氢气在所述水蒸气涡轮增压器的透平端混合，并推动透平端涡轮旋转，同时，所述透平端涡轮带动所述水蒸气涡轮增压器的压气端涡轮旋转，所述压气端通过阀门与SOEC电堆的阳极出口相连；所述水蒸气涡轮增压器将部分阳极尾气通过压气端涡轮增压后循环回SOEC电堆入口，通过控制所述阀门的开度，控制阳极尾气循环流量；其余部分的阳极尾气经过燃气换热器后进入冷凝器。
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