CN114069001A - 一种可逆固体氧化物电池系统 - Google Patents

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杨波
杨怡萍
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Abstract

本发明实施例涉及一种可逆固体氧化物电池系统，包括电堆以及与电堆连接的反应物回路和空气回路，空气回路包括除湿元件；电堆用于通过电化学反应实现化学能与电能相互转换；反应物回路与电堆的反应物侧连接并用于给电堆提供反应物；空气回路与电堆的空气侧连接并用于给电堆提供空气，除湿元件用于通过电堆的余热驱动对进入电堆的空气进行除湿以降低进入电堆空气的湿度。该可逆固体氧化物电池系统通过电堆、反应物回路和空气回路实现可逆固体氧化物电池内的能量转换；并通过电堆空气侧设置的除湿元件利用电堆余热驱动对进入电堆中空气进行除湿，从而很大程度上降低了进入电堆的空气的湿度，从而提高了该可逆固体氧化物电池系统的寿命。

Description

一种可逆固体氧化物电池系统
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种可逆固体氧化物电池系统。
背景技术
燃料电池和氢能技术是减少能源消耗和全球变暖的解决方案之一。氢气可以由多种能源产生，因此是替代化石燃料的一种能量载体。而燃料电池是将燃料转化为电力的最高效能源转换技术，如固体氧化物燃料电池技术，由于其相同设备既可以作为燃料电池发电也可以作为电解池电解蒸汽产生氢气，因此备受关注。此技术通常被称为可逆固体氧化物电池，通常缩写为rSOC。
rSOC电堆和及其能源转换使用的部件大多由常见的材料制成，如镍和不锈钢。rSOC电堆与低温PEM燃料电堆不同，它不需要贵金属比如铂或稀有铱作为催化剂。在电解蒸汽模式下，rSOC电堆也从根本上比PEM或碱性技术的水电解具有更高的效率，这是由于电化学过电位带来的积极影响，其驱动反应进行从而将化学焓存储到氢气中。因此，rSOC电堆的电解池可以在吸热模式下运行，从而将热量存储到氢气中，而这对于PEM或碱性电解池而言是根本不可能实现的。
尽管rSOC电堆技术具有以上所述的优势，但是由于其技术仍不如PEM或碱性技术成熟，并且rSOC电堆技术在现场试验过程中存在的寿命有限、在恶劣环境下性能衰退等问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种可逆固体氧化物电池系统，用于解决现有rSOC电堆技术在使用过程中存在寿命有限、性能衰退的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种可逆固体氧化物电池系统，包括电堆以及与所述电堆连接的反应物回路和空气回路，所述空气回路包括除湿元件；
所述电堆，用于通过电化学反应实现化学能与电能相互转换；
所述反应物回路，与所述电堆的反应物侧连接并用于给所述电堆提供反应物；
所述空气回路，与所述电堆的空气侧连接并用于给所述电堆提供空气；
所述除湿元件，用于通过所述电堆的余热驱动对进入所述电堆的空气进行除湿以降低进入所述电堆空气的湿度。
优选地，所述反应物回路包括第一送气管道、第一回热器、第一加热器、冷凝器、第一送气元件和蒸汽发生元件，所述第一送气管道用于输送氢气或水蒸气，所述第一送气管道与所述第一回热器的冷侧输入端连接，所述第一回热器的冷侧输出端与所述第一加热器连接，所述第一加热器的冷侧输出端与所述电堆的反应物侧连接，所述电堆的反应物侧排气输出端与所述第一回热器的热侧输入端连接，所述第一回热器的热侧输出端与所述冷凝器的输入端连接，所述冷凝器的输出端与所述第一送气元件的输入端连接，所述第一送气元件的输出端与所述第一送气管道连接，所述蒸汽发生元件与所述第一送气管道连接，所述蒸汽发生元件用于对输送至所述蒸汽发生元件的水进行加热蒸发后形成输送至所述第一送气管道的水蒸气。
优选地，所述反应物回路包括与所述冷凝器输出端的储气元件，所述储气元件用于存储氢气。
优选地，所述第一送气元件为鼓风机、压缩机或喷射器。
优选地，所述空气回路包括第二送气管道、第二送气元件、第二回热器和第二加热器，所述第二送气管道用于输送空气，所述第二送气管道与所述除湿元件的冷侧输入端连接，所述除湿元件的冷侧输出端与所述第二送气元件的输入端连接，所述第二送气元件的输出端与所述第二回热器的冷侧输入端连接，所述第二回热器的冷侧输出端与所述第二加热器的输入端连接，所述第二加热器的输出端与所述电堆的空气侧连接，所述电堆的空气侧输出端与所述第二回热器的热侧输入端连接，所述第二回热器的热侧输出端与所述除湿元件的热侧输入端连接。
优选地，所述空气回路包括第一热负荷，所述第一热负荷用于对所述空气回路输出空气中的余热加以利用，所述第一热负荷与所述除湿元件的热侧输出端或所述第二回热器的热侧输出端连接。
优选地，所可逆固体氧化物电池系统包括加热元件，所述加热元件用于通过加热输送至所述电堆的空气对所述电堆进行加热，所述加热元件设置在所述电堆内对所述电堆进行加热或所述加热元件设置在所述电堆外对所述电堆进行加热。
优选地，所述除湿元件为干燥剂焓轮除湿器、管壳式的膜式除湿器或平板式的膜式除湿器。
优选地，所述可逆固体氧化物电池系统的电解模式为电解水蒸气和/或电解CO2。
优选地，所述可逆固体氧化物电池系统仅在燃料电池模式或仅在电解池模式下运行。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：本申请实施例提供的可逆固体氧化物电池系统包括电堆以及与电堆连接的反应物回路和空气回路，空气回路包括除湿元件；电堆用于通过电化学反应实现化学能与电能相互转换；反应物回路与电堆的反应物侧连接并用于给电堆提供反应物；空气回路与电堆的空气侧连接并用于给电堆提供空气，除湿元件用于通过电堆的余热驱动对进入电堆的空气进行除湿以降低进入电堆空气的湿度。该可逆固体氧化物电池系统通过电堆、反应物回路和空气回路实现可逆固体氧化物电池内的能量转换；并通过电堆空气侧设置的除湿元件利用电堆余热驱动对进入电堆中空气进行除湿，从而很大程度上降低了进入电堆的空气的湿度，从而提高了该可逆固体氧化物电池系统的寿命，解决了现有rSOC电堆技术在使用过程中存在寿命有限、性能衰退的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统的框架图；
图2为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统的原理图；
图3为本申请另一实施例所述的可逆固体氧化物电池系统的原理图；
图4为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统中不同水分饱和度和水分输送驱动力的示意图(以50℃为温差ΔT为例)；
图5为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统中除湿元件除湿的焓轮式结构示意图；
图6为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统中除湿元件管壳式结构下的换热与温度关系图(夹点ΔT＝50℃)。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
现有的固体氧化物电池(SOC)技术已经在实验室条件下证明了其耐久性。例如：2018年12月，Juelich研究中心在SOC电堆运行了10万小时后结束了测试。这表明，在理想条件下，SOC可以连续运行11年以上。这对于商业应用来说是绰绰有余的。然而，这种性能从未在现场试验中显示出来，因为现场试验中系统总是在不太理想的条件下运行。
目前对固体氧化物电池SOC的使用，其电极催化剂的铬中毒是制约SOC寿命的一个因素。此外，SOC在600℃～1000℃温度条件下运行，因此SOC电堆及其系统部件使用的材料还必须承受燃料侧的高还原氛围，或者承受空气侧的高氧化氛围；对于SOC电堆中的金属双极板而言，它必须同时承受两侧的高还原氛围和高氧化氛围，因此只有高合金钢适合SOC电堆反应的环境。
在SOC电堆和其系统中使用了许多不同类型的不锈钢和超合金，如AISI411、AISI442、Inconel 600等材料是常见的选择，也有专门开发的合金，如Crofer 22APU和Crofers。在这些情况下，钢被氧化铬层保护，从而防止材料的化学侵蚀。而氧化铬保护剂的优点是具有导电性，且导电性是SOC电堆双极板必需具备的性能。而对于其他辅助系统(BOP)部件，则不需要具有导电性，因此对于这部分最新发展是形成氧化铝不锈钢。
因此，采用高温镀铬不锈钢似乎是SOC电堆和系统的一个很好的材料选择，然而由于铬保护层对环境中的水分很敏感，氧化铬层与水分反应，形成挥发性Cr(VI)。这是一个复杂的反应，涉及各种挥发性铬，而水分在铬的蒸发中起关键作用，如下反应式(1)：
1.5O2(g)+Cr2O3(s)+2H2O(g)→2CrO2(OH)2(g) (1)
这种易挥发的铬会使空气侧电极中毒，而固体氧化物电池SOC电堆反应采用LSM((La0.8Sr0.2)0.98MNO3)和LSCF(La0.5Sr0.4fe0.8Co0.2O3)等电极催化剂材料对铬中毒特别敏感。因此，需要减少铬蒸发的不利影响。许多研究人员正在尝试将电极催化剂改为不易发生铬中毒的LSF(La0.8Sr0.2FeO3)和LNF(LaNi0.6Fe0.4O3)，以提高电极的耐铬性。其他研究人员正在寻找保护涂层，如CuMn2O4尖晶石来抑制铬的蒸发，或者加入铬吸附剂，如SNO(Sr9Ni7O21)使挥发性铬在接触电极催化剂前被捕获，从而减少铬蒸发的不利影响。
由上述反应式(1)可知，挥发性铬的形成需要水分。在实验室中，特别是在测试台中，环境空气中的水分很容易被除去；然而在现场试验中，精确的环境控制是不可能的，由此现有固体氧化物电池SOC电堆反应过程中容易出现催化剂中毒和电堆过度衰退的影响。
本申请实施例提供了一种可逆固体氧化物电池系统，用于解决现有rSOC电堆技术在使用过程中存在寿命有限、性能衰退的技术问题。
图1为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统的框架图，图2为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统的原理图。
如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种可逆固体氧化物电池系统，包括电堆10以及与电堆连接的反应物回路20和空气回路30，空气回路30包括除湿元件32；
电堆10，用于通过电化学反应实现化学能与电能相互转换；
反应物回路20，与电堆10的反应物侧连接并用于给电堆10提供反应物；
空气回路30，与电堆10的空气侧连接并用于给电堆10提供空气；
除湿元件32，用于通过电堆10的余热驱动对进入电堆10的空气进行除湿以降低进入电堆10空气的湿度。
在本申请实施例中，除湿元件32可以为干燥剂焓轮除湿器、管壳式的膜式除湿器或平板式的膜式除湿器。在其他实施例中，除湿元件32为具有除湿功能的其他器件。
在本申请实施例中，电堆优先选用rSOC电堆，rSOC电堆也可以为质子导电陶瓷电池，其容易收到水分影响从而引起电堆性能衰减，电堆主要通过燃烧电池模式与电解模式实现化学能与电能的能量转换。其中，在燃烧电池模式下，电堆10根据反应物回路20提供的氢气反应物和根据空气回路30提供的氧气氧化剂进行反应，产生电力；在电解模式下，电堆10根据反应物回路20提供的水蒸汽进行电解，产生氢气和氧气。由此通过电堆10、反应物回路20和空气回路30实现可逆固体氧化物电池内的能量转换。该可逆固体氧化物电池系统通过空气回路30提供空气，并通过采用除湿元件32实现降低进入电堆10中氧化剂的湿度，从而很大程度上降低了进入电堆10的氧化剂的湿度，从而提高了该可逆固体氧化物电池系统的寿命。
本申请提供的一种可逆固体氧化物电池系统包括电堆以及与电堆连接的反应物回路和空气回路，空气回路包括除湿元件；电堆用于通过电化学反应实现化学能与电能相互转换；反应物回路与电堆的反应物侧连接并用于给电堆提供反应物；空气回路与电堆的空气侧连接并用于给电堆提供空气，除湿元件用于通过电堆的余热驱动对进入电堆的空气进行除湿以降低进入电堆空气的湿度。该可逆固体氧化物电池系统通过电堆、反应物回路和空气回路实现可逆固体氧化物电池内的能量转换；并通过电堆空气侧设置的除湿元件利用电堆余热驱动对进入电堆中空气进行除湿，从而很大程度上降低了进入电堆的空气的湿度，从而提高了该可逆固体氧化物电池系统的寿命，解决了现有rSOC电堆技术在使用过程中存在寿命有限、性能衰退的技术问题。
如图1所示，在本申请的一个实施例中，反应物回路20包括反应物供应单元和反应物回收单元；反应物供应单元，用于向电堆10提供加热的氢气或水蒸汽；反应物回收单元，用于回收电堆10排放气体中没有用完的氢气以及对电堆10排放气体热量进行回收利用。空气回路30包括空气供应单元和热量回收单元；空气供应单元，用于向电堆10提供加热的空气；热量回收单元，用于对电堆10排放气体热量进行回收利用。
在本申请实施例中，图2展示了可逆固体氧化物电池系统设计的一种布局形式。值得注意的是，本申请并不局限于这一种系统布局设计，也不只是局限于可逆系统。之所以选择这个系统布局形式作为例子，是因为它代表了可逆固体氧化物电池系统设计，该可逆固体氧化物电池系统既适用于发电，也适用于制氢，该可逆固体氧化物电池系统提供了多种功能和高效的能量转换效率。
如图2所示，在本申请的一个实施例中，反应物回路20包括第一送气管道21、第一回热器22、第一加热器23、冷凝器24、第一送气元件25和蒸汽发生元件27，第一送气管道21用于输送氢气或水蒸气，第一送气管道21与第一回热器22的冷侧输入端连接，第一回热器22的冷侧输出端与第一加热器23连接，第一加热器23的冷侧输出端与电堆10的反应物侧连接，电堆10的反应物侧排气输出端与第一回热器22的热侧输入端连接，第一回热器22的热侧输出端与冷凝器24的输入端连接，冷凝器24的输出端与第一送气元件25的输入端连接，第一送气元件25的输出端与第一送气管道21连接，蒸汽发生元件27与第一送气管道21连接，蒸汽发生元件27用于对输送至蒸汽发生元件27的水进行加热蒸发后形成输送至第一送气管道21的水蒸气。
需要说明的是，由第一送气管道21、第一回热器22和第一加热器23形成反应物供应单元，反应物供应单元主要是用于向电堆10提供在燃烧电池模式下需要的氢气；还用于向电堆10提供在电解模式下需要的水蒸气。由第一回热器22、冷凝器24和第一送气元件25形成反应物回收单元，反应物回收单元主要是用于将电堆10在燃烧电池模式下产生的水蒸气冷凝成水进行排放，将没有用完的氢气与反应产生水蒸气进行分离，进而将没有利用完的氢气重新通过第一送气元件25送回第一送气管道21中再使用；还用于将电堆10在电解模式下产生的氢气通过冷凝器24分离水蒸气后将氢气通过第一送气元件25送回第一送气管道21，以确保整个反应物回路20的还原氛围。
在本申请实施例中，反应物回路20包括与冷凝器24输出端的储气元件26，储气元件26用于存储氢气。
需要说明的是，储气元件26主要是存储电堆10在电解模式下产生的氢气。在本实施例中，由第一回热器22、冷凝器24、第一送气元件25和储气元件26形成反应物回收单元，反应物回收单元主要是用于将电堆10在燃烧电池模式下产生的水蒸气冷凝成水进行排放，实现水蒸气的回收，也将多余的氢气重新通过第一送气元件25送回第一送气管道21中再使用；还用于将电堆10在电解模式下产生的氢气通过冷凝器24滤水后，将氢气作为产品传送至储气元件26存储，还有部分氢气通过第一送气元件25送回第一送气管道21中使用。
在本申请实施例中，第一送气元件为鼓风机、压缩机或喷射器。由蒸汽发生元件27、第一送气管道21、第一回热器22和第一加热器23形成反应物供应单元，反应物供应单元主要是用于向电堆10提供在燃烧电池模式下需要的氢气；还用于通过蒸汽发生元件27将水被加热蒸发得到水蒸气，向电堆10提供在电解模式下需要的水蒸气。
在本申请实施例中，在燃料电池模式下，氢气通过第一送气管道21送至第一回热器22和第一加热器23进行加热，加热后的氢气被送至电堆10经过反应转化为水蒸汽；产生的水蒸汽在冷凝器24中冷凝成水，而剩余的未转化的氢气通过第一送气元件25送回第一送气管道21，并与新进入第一送气管道21的氢气进行混合，此反应物回路20采用了再循环过程能够最大程度的利用氢气燃料，从而确保该可逆固体氧化物电池系统的高能量转换效率。
在本申请实施例中，在电解模式下，水在蒸汽发生元件27中被加热并蒸发成水蒸气，采用蒸汽发生元件27蒸发水过程需要的热量可以来自该可逆固体氧化物电池系统的反应物回路回收的热量，也可以采用外部元件提供的的热量(如电加热提供的热量)。水蒸汽被送至第一回热器22和第一加热器23加热，加热后被送至电堆10以产生氢气。经过电堆10后，剩余的水蒸汽在冷凝器24中冷凝并排放，氢气作为产品被送出该可逆固体氧化物电池系统以进行进一步的纯化和储存。该可逆固体氧化物电池系统也可以将少量的氢气送回反应物回路，以确保整个反应物回路的还原氛围。
在本申请实施例中，空气回路30包括第二送气管道31、除湿元件32、第二送气元件33、第二回热器34和第二加热器35，第二送气管道31用于输送空气，第二送气管道31与除湿元件32的冷侧输入端连接，除湿元件32的冷侧输出端与第二送气元件33的输入端连接，第二送气元件33的输出端与第二回热器34的冷侧输入端连接，第二回热器34的冷侧输出端与第二加热器34的输入端连接，第二加热器34的输出端与电堆10的空气侧连接，电堆10的空气侧输出端与第二回热器34的热侧输入端连接，第二回热器34的热侧输出端与除湿元件32的热侧输入端连接。
需要说明的是，由第二送气管道31、除湿元件32、第二送气元件33、第二回热器34和第二加热器35形成空气供应单元，空气供应单元主要是用于通过第二送气管道31将空气送入除湿元件32中，减少空气中的水分，之后通过第二送气元件33将除湿后的空气送入第二回热器34和第二加热器35中加热，将加热后的空气传送至电堆10中，为电堆10在燃料电池模式下提供空气中的氧气，氧气用于电化学反应，而在电解模式下空气能够带走电化学反应产生的氧气。由第二回热器34和除湿元件32形成热量回收单元，热量回收单元主要是对电堆10在燃料电池模式或电解模式反应后空气混合物中的热量进行回收和利用，提高能源利用率，节约资源。其中，空气混合物包括空气、氧气等混合形成的混合物。
在本申请实施例中，空气回路30包括第一热负荷36，第一热负荷36用于对排出空气中的余热加以利用，第一热负荷36与除湿元件32的热侧输出端或第二回热器34的热侧输出端连接。
图3为本申请另一实施例所述的可逆固体氧化物电池系统的原理图。
如图3所示，空气回路30包括第二热负荷37，第二热负荷37设置在第二回热器34的热侧输出端与除湿元件32的热侧输入端之间。
需要说明的是，若第二回热器34的空气混合物的热量对于除湿元件32来说太热，可以在空气混合物进入除湿元件32之前执行第二热负荷37，如图3所示。这个第二热负荷37位置的变化以及其他部件(比如鼓风机)的位置变化可以根据需求设置，并不是唯一的。
在本申请实施例中，热量回收单元主要是空气混合物被送至第二回热器34，在第二回热器34可以将空气混合物中的热量被回收来预热新鲜空气，之后的空气混合物经过第二回热器34送出至除湿元件32，空气混合物还是存在比较高的热量，故而被送至除湿元件32的热侧入口以吸收冷测入口空气混合物中的水分，并从除湿元件32中排出水分后将空气混合物排出传送至第一热负荷36中第二热负荷37将空气混合物中剩余的热量作为热负荷用于其他目的，例如用于加热水或为集中供暖提供热量等。
图4为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统中不同水分饱和度和水分输送驱动力的示意图(以50℃为温差ΔT为例)。
在本申请实施例中，气体进入除湿元件32的冷侧输入端和热侧输入端的流量是相似的。在燃料电池模式下，电堆10通常在氧气利用率低于20％的情况下运行(即lamba＞5)。因此，除湿元件32的冷侧输入端中至少95％的摩尔流量将返回到除湿元件32的热侧输入端，来驱动除湿过程。两股气流之间的温差由第二回热器34的设计尺寸决定。出于成本原因，实际系统中第二回热器34的夹点温差一般在50℃以上，即除湿元件32的冷侧输入端和热侧输入端两端气流之间的温差在50℃以上。当除湿元件32的冷侧输入端和热侧输入端两端气流之间的温差在50℃以上，这个温差导致了除湿元件32的冷侧输入端和热侧输入端两端之间的气流相对湿度的差异。由于在平衡状态下空气中的最大含水量随温度增加呈指数增长，因此在这除湿元件32的冷侧输入端和热侧输入端的不同温度下水饱和点的差异足以驱动除湿元件32。例如，如图4所示，以温度33℃、相对湿度60％的空气为例进行了计算，其中空气的含水量为3vol％：除湿元件32的热侧输入端的高温空气为83℃(即温差为50℃)，其饱和湿度为53.4vol％；由于除湿元件32的热侧输入端高温空气的含水量约为3vol％，其相对湿度约为5.6％。故而除湿元件32的热侧输入端高温空气非常干燥，能够对除湿元件32的冷侧输入端进口空气进行除湿。同理，该可逆固体氧化物电池系统在电解模式下运行时，也会发生类似的过程，氧气在空气回路中产生，因此返回除湿元件32的热侧入口的气流摩尔流量大于冷侧入口的气流摩尔流量，其可以为除湿元件32提供更大的驱动力。
需要说明的是，除湿元件32的冷侧输入端和热侧输入端两端气流之间的温差由第二回热器35的设计尺寸决定。除湿元件32的冷侧输入端和热侧输入端两端气流之间的温差一般在50℃以上，能够节约成本。在本实施例中，当除湿元件32的热侧气流将热量传递给除湿元件32的冷测气流，在第二回热器25的尺寸较大时(即可以理解为换热过程更充分)，除湿元件32热侧气流可以将更多的热量传递给除湿元件32的冷测气流，故而两股气流之间的温差较小。当第二回热器35的尺寸较小时(即可以理解为换热过程不是这么充分)，热侧气流可以传递给冷测气流的热量较少，故而两股气流之间的温差较大。
图5为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统中除湿元件除湿的结构示意图，图6为本申请实施例所述的可逆固体氧化物电池系统中除湿元件管壳式结构下的换热与温度关系图(夹点ΔT＝50℃)。
在本申请实施例中，该可逆固体氧化物电池系统被送入电堆10的空气已经被移除了水分，根据反应式(1)所示的铬蒸发被有效地抑制。除湿元件32是由电堆10的空气侧排放的空气混合物中的余热驱动，因此该可逆固体氧化物电池系统效率保持不变。
需要说明的是，除湿元件32可以是基于干燥剂或者是基于膜，它可以是以除湿轮形式(如图5所示)的除湿器，或者与管壳式(如图6所示)/板式换热器组合的除湿器。
如图2所示，在本申请的一个实施例中，该可逆固体氧化物电池系统包括加热元件，加热元件主要用于通过加热输送至电堆10的空气对电堆10进行加热，加热元件设置在电堆10内对电堆10进行加热，或加热元件设置在电堆10外对电堆10进行加热。
需要说明的是，加热元件用于对电堆10进行加热，加热元件设置在电堆10内，或加热元件与电堆10连接。其中加热元件可以为加热器。
在本申请实施例中，该可逆固体氧化物电池系统可以依据不同形式的除湿元件进行灵活设计，在保持高效率优势的同时，采用电堆10的空气侧排出的空气混合物的热量对电堆10的空气侧进口的空气进行除湿，从而很大程度上降低了进入电堆的空气的湿度，解决了铬蒸发的根本来源，同时缓解了对于能够耐受铬中毒的新型电极催化剂和防止铬释放的新型材料及涂层材料的需求。本申请实施例能够防止电堆在燃料电池和电解模式下遭受的电堆性能过度衰退，提高了电堆及其系统的寿命。
在本申请实施例中，该可逆固体氧化物电池系统统的电解模式为电解水蒸气和/或电解CO2。
在本申请实施例中，该可逆固体氧化物电池系统仅在燃料电池模式或仅在电解池模式下运行。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，包括电堆以及与所述电堆连接的反应物回路和空气回路，所述空气回路包括除湿元件；
所述电堆，用于通过电化学反应实现化学能与电能相互转换；
所述反应物回路，与所述电堆的反应物侧连接并用于给所述电堆提供反应物；
所述空气回路，与所述电堆的空气侧连接并用于给所述电堆提供空气；
所述除湿元件，用于通过所述电堆的余热驱动对进入所述电堆的空气进行除湿以降低进入所述电堆空气的湿度。
2.根据权利要求1所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，所述反应物回路包括第一送气管道、第一回热器、第一加热器、冷凝器、第一送气元件和蒸汽发生元件，所述第一送气管道用于输送氢气或水蒸气，所述第一送气管道与所述第一回热器的冷侧输入端连接，所述第一回热器的冷侧输出端与所述第一加热器连接，所述第一加热器的冷侧输出端与所述电堆的反应物侧连接，所述电堆的反应物侧排气输出端与所述第一回热器的热侧输入端连接，所述第一回热器的热侧输出端与所述冷凝器的输入端连接，所述冷凝器的输出端与所述第一送气元件的输入端连接，所述第一送气元件的输出端与所述第一送气管道连接，所述蒸汽发生元件与所述第一送气管道连接，所述蒸汽发生元件用于对输送至所述蒸汽发生元件的水进行加热蒸发后形成输送至所述第一送气管道的水蒸气。
3.根据权利要求2所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，所述第一送气元件为鼓风机、压缩机或喷射器。
4.根据权利要求2所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，所述反应物回路包括与所述冷凝器输出端连接的储气元件，所述储气元件用于存储氢气。
5.根据权利要求1所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，所述空气回路包括第二送气管道、第二送气元件、第二回热器和第二加热器，所述第二送气管道用于输送空气，所述第二送气管道与所述除湿元件的冷侧输入端连接，所述除湿元件的冷侧输出端与所述第二送气元件的输入端连接，所述第二送气元件的输出端与所述第二回热器的冷侧输入端连接，所述第二回热器的冷侧输出端与所述第二加热器的输入端连接，所述第二加热器的输出端与所述电堆的空气侧连接，所述电堆的空气侧输出端与所述第二回热器的热侧输入端连接，所述第二回热器的热侧输出端与所述除湿元件的热侧输入端连接。
6.根据权利要求5所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，所述空气回路包括第一热负荷，所述第一热负荷用于对所述空气回路输出空气中的余热加以利用，所述第一热负荷与所述除湿元件的热侧输出端或所述第二回热器的热侧输出端连接。
7.根据权利要求5所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，包括加热元件，所述加热元件用于通过加热输送至所述电堆的空气对所述电堆进行加热，所述加热元件设置在所述电堆内对所述电堆进行加热，或所述加热元件设置在所述电堆外对所述电堆进行加热。
8.根据权利要求1所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，所述除湿元件为干燥剂焓轮除湿器、管壳式的膜式除湿器或平板式的膜式除湿器。
9.根据权利要求1所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，所述可逆固体氧化物电池系统的电解模式为电解水蒸气和/或电解CO2。
10.根据权利要求1所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于，所述可逆固体氧化物电池系统仅在燃料电池模式或仅在电解池模式下运行。
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