CN116487661A - 一种可逆固体氧化物电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可逆固体氧化物电池系统，包括电堆、外部电网、空气换热器、氢气换热器和燃烧室，电堆有电加热单元，电堆设有氢气入口、空气入口、氢气出口和空气出口，电加热单元通过固态继电器连接外部电网，电堆内部的氢气电极和氧气电极分别通过双向可调逆变器连接外部电网，空气出口连接空气换热器的壳程入口，氢气出口连接氢气换热器的壳程入口，氢气换热器的壳程出口连接氢气压缩处理系统，空气换热器的管程出口连接空气入口，氢气换热器的管程出口连接氢气入口，氢气出口和空气出口分别连接燃烧室，燃烧室分别连接空气换热器及氢气换热器。优点：能根据外部电网的负载需求来调整系统的工作模式(发电或制氢)。

Description

一种可逆固体氧化物电池系统

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别涉及一种可逆固体氧化物电池系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型高效的发电技术，能将储存在燃料中的化学能直接转换为电能，以其全固态、能量转换效率高、燃料可选范围广、催化剂成本低等特点被认为是具有很好发展前景的燃料电池技术之一。固体氧化物电解池(SOEC)为SOFC逆过程，是一种利用电能高效电解水来制备氢气的电解技术，相对低温电解技术本，SOEC在高温下运行，其所需要的电能较少，有望实现大规模的能量转化和储存。SOEC技术具有高效、可靠、环保等一系列优点。基于上述两种技术，要实现对电网负荷的灵活调整需要将SOFC/SOEC系统并联运行，会存在设备投资大(两套电堆及辅助系统)，能量利用率低(任意一个系统运行时，另一个系统需要一直保温)，系统复杂度高(需要考虑两台设备控制系统的通讯及控制)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可逆固体氧化物电池系统，有效的克服了现有技术的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种可逆固体氧化物电池系统，包括电堆、空气换热器、氢气换热器和燃烧室，上述电堆具有加热其的电加热单元，上述电堆设有氢气入口、空气入口、氢气出口和空气出口，上述电加热单元通过固态继电器连接外部电网，上述电堆内部的氢气电极和氧气电极分别通过双向可调逆变器连接外部电网，上述空气出口通过管线连接上述空气换热器的壳程入口，上述氢气出口通过管线连接上述氢气换热器的壳程入口，上述氢气换热器的壳程出口分别连接氢气压缩处理系统和尾气排放管线，上述空气换热器的管程入口连接空气输送管线，上述空气换热器的管程出口通过管线连接上述空气入口，上述氢气换热器的管程入口分别连接氢气输送管线和去离子水输送管线，上述氢气换热器的管程出口通过管线连接上述氢气入口，上述氢气出口和空气出口分别通过管线连接上述燃烧室的入口，上述燃烧室的出口分别通过管线连接上述空气换热器的壳程入口以及上述氢气换热器的壳程入口。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，上述电加热单元为电加热丝。

进一步，上述空气输送管线的端口处连接有鼓风机，且上述空气输送管线上设有空气流量计。

进一步，上述去离子水输送管线上设有水泵。

进一步，上述氢气压缩处理系统包括氢气冷却器、氢气干燥器和氢气压缩机，上述氢气换热器的壳程出口、氢气冷却器的入口及出口、氢气干燥器的入口及出口和上述氢气压缩机的进口通过管线顺次连接。

进一步，上述空气出口与上述空气换热器的壳程入口之间的管线上设有第一阀门，上述氢气出口与上述氢气换热器的壳程入口之间的管线上设有第二阀门，上述氢气出口与上述燃烧室的入口之间的管线上设有第三阀门，上述空气出口与上述燃烧室的入口之间的管线上设有第四阀门，上述燃烧室的出口与上述空气换热器的壳程入口之间的管线上设有第五阀门，上述燃烧室的出口与上述氢气换热器的壳程入口之间的管线上设有第六阀门，上述尾气排放管线上设有第七阀门，上述氢气冷却器入口处的管线上设有第八阀门。

进一步，上述氢气输送管线上设有流量控制器。

本发明的有益效果是：系统设计合理，采用模块化设计灵活性高，集合了SOFC和SOEC两种功能，可实现共发电、共电解一体化工作，能根据外部电网的负载需求来调整系统的工作模式(发电或制氢)；集成后两种工作模式共享燃料供应、空气供应、控制系统，相比单独的SOFC及SOEC系统并联运行，减少了设备投资，减小能量损耗，减小系统复杂程度，提高了电能利用率，增强了电网的稳定性。

附图说明

图1为本发明的可逆固体氧化物电池系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、电堆；2、外部电网；3、空气换热器；4、氢气换热器；5、燃烧室；6、固态继电器；7、双向可调逆变器；8、光伏发电机组；9、风力发电机组；11、电加热单元；12、氢气电极；13、氧气电极；101、鼓风机；102、空气流量计；103、水泵；201、氢气冷却器；202、氢气干燥器；203、氢气压缩机；301、第一阀门；302、第二阀门；303、第三阀门；304、第四阀门；305、第五阀门；306、第六阀门；307、第七阀门；308、第八阀门；401、流量控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例：如图1所示，本实施例的可逆固体氧化物电池系统包括电堆1、空气换热器3、氢气换热器4和燃烧室5，上述电堆1具有加热其的电加热单元11，上述电堆1设有氢气入口、空气入口、氢气出口和空气出口，上述电加热单元11通过固态继电器6连接外部电网2，上述电堆1内部的氢气电极12和氧气电极13分别通过双向可调逆变器7连接外部电网2，上述空气出口通过管线连接上述空气换热器3的壳程入口，上述氢气出口通过管线连接上述氢气换热器4的壳程入口，上述氢气换热器4的壳程出口分别连接氢气压缩处理系统和尾气排放管线，上述空气换热器3的管程入口连接空气输送管线，上述空气换热器3的管程出口通过管线连接上述空气入口，上述氢气换热器4的管程入口分别连接氢气输送管线和去离子水输送管线，上述氢气换热器4的管程出口通过管线连接上述氢气入口，上述氢气出口和空气出口分别通过管线连接上述燃烧室5的入口，上述燃烧室5的出口分别通过管线连接上述空气换热器3的壳程入口以及上述氢气换热器4的壳程入口。

本实施例中，电堆1设有温度监测器，并接入控制系统，同时，可以在外部电网2与上述氢气电极12和氧气电极13之间连接的电路上，以及外部电网2和电加热单元11之间连接的电路上分别设置电流表等电流电压监测装置，并分别接入控制系统，在温度及电流异常事，控制系统报警(控制系统自带报警电路，属于现有技术，在此不做赘述)。

以本系统从常温升温至SOEC工作状态，工作一段时间之后切换至SOFC工作状态为例，简述工作流程如下：

该系统需要在一定温度下运行，为此需要对系统中的电堆单元加热，具体操作步骤如下：

①保持氢气出口和空气出口与空气换热器3、氢气换热器4之间的管线畅通，并关闭尾气排放管线，同时，使燃烧室5进口管线及出口管线。

②通过空气输送管线经空气换热器3向电堆1输送少量空气，同时，通过氢气输送管线向电堆1内部通入少量氢气。

待电堆单元达到800℃时，根据外部电网2的负载和负载变化趋势来选择本系统的工作模式，具体说明如下：

(1)外部电网2的负载较低时，本系统采用SOEC电解模式，电解水产生氢气并收集，具体为：

①打开氢气压缩处理系统与氢气换热器4之间的管线，关闭尾气排放管线；

②根据电堆1的温度变化，调节固态继电器6输出电流，保证电堆1温度稳定在800℃，将双向可调逆变器7的电流方向调整为由外部电网2向电堆1供电方向。

③通过去离子水输送管线向电堆1通入少量的水，根据外部电网2负荷高低，先调整氢气量和去离子水量，然后再调整双向可调逆变器7输入电流大小。此处运行策略为，外部电网2负荷较高时，调整双向可调逆变器7电流，尽量使电网负荷稳定在一定范围之内。并在氢气压缩处理系统出口处收集电解产生的氢气。

(2)外部电网2的负载较高时，本系统采用SOFC发电模式，消耗之前电解产生的氢气发电，具体操作步骤如下：

①停止固态继电器6电流输入，停止双向可调逆变器7电流输入，并停止去离子水向电堆1的输送；

②先打开尾气排放管线，关闭氢气压缩处理系统与氢气换热器4之间的管线，再打开燃烧室5与氢气出口及氢气换热器4之间的管路(使管线畅通)，同时，打开燃烧室5与空气出口及空气换热器3之间的管路(使管线畅通)，再关闭空气出口及氢气出口分别空气换热器3及氢气换热器4之间的管路；

③调整氢气流量控制器的氢气进气流量，使电堆单元稳定在750℃。此时，氢气经过氢气换热器后进入电堆，由电堆燃气处口进入燃烧室，尾气分两部分，一部分进入空气换热器，一部分进入氢气换热器。

④将双向可调逆变器7电流方向调整为向外部电网2输出电能，

⑤加大氢气项电堆1输入流量，加大空气向电堆1输入流量，再增加双向可调逆变器7输出电流大小。并保证电堆1温度稳定在750℃。此处运行策略为，外部电网2的负载持续减少时，消耗之前电解产生的氢气发电，尽量保持外部电网2的负载稳定。

更具体地，本实施例的可逆固体氧化物电池系统的基本工作原理如下：

本系统有两种工作模式，SOEC(电解水)模式，工作温度800℃；SOFC(发电)模式，工作温度750℃。

SOEC模式：外部电网2通过固态继电器6输入电流给电加热单元11加热电堆1；去离子水输送管线输出的去离子水和氢气输送管线的氢气一同进入氢气换热器4预热；空气输送管线输送的空气进入空气换热器3，两路换热之后的气体分别进入电堆1，水被双向可调逆变器7输入的电流电解，在氢气电极12产生氢气，在氧气电极13产生氧气。产生的高温气体分别经氢气出口和空气出口返回到两个换热器(氢气换热器4和空气换热器3)预热进入电堆1的气体，氢气被氢气压缩处理系统压缩处理后收集。富氧空气直接排放到大气中。

SOFC模式：停止固态继电器6电流输入。氢气进入氢气换热器4，然后进入电堆1。空气进入空气换热器3，然后进入电堆1。设置双向可调逆变器7电流方向为输出(即就是电堆1向外部电网2输出)，调节输出电流即调整系统的输出功率。未用完的氢气和空气经电堆1的空气出口和氢气出口分别进入燃烧室5混合燃烧，燃烧后的尾气分别进去两个换热器(氢气换热器4和空气换热器3)给进入电堆1的空气预热，来维持电堆1温度。

本实施例中，上述电加热单元11采用常规的电加热丝即可。

本实施例中，在上述空气输送管线的端口处连接有鼓风机101，通过鼓风机101可以促进空气进入电堆1，通过调整输出功率即可调节送入电堆1的空气流量，且上述空气输送管线上设有空气流量计102，可以通过空气流量计102实时监测进入电堆1的空气流量信息，以便根据电堆1的温度及监测结果及时的调节流量大小。

本实施例中，上述去离子水输送管线上设有水泵103，通过水泵103来达到调节输入电堆1水量的流速及大小。

作为一种优选的实施方式，上述氢气压缩处理系统包括氢气冷却器201、氢气干燥器202和氢气压缩机203，上述氢气换热器4的壳程出口、氢气冷却器201的入口及出口、氢气干燥器202的入口及出口和上述氢气压缩机203的进口通过管线顺次连接。

上述实施方案中，氢气压缩处理系统在工作中，先对收集的氢气进行冷却，然后干燥，最后再进行压缩后收集存储在专用的氢气储瓶中。

作为一种优选的实施方式，上述空气出口与上述空气换热器3的壳程入口之间的管线上设有第一阀门301，上述氢气出口与上述氢气换热器4的壳程入口之间的管线上设有第二阀门302，上述氢气出口与上述燃烧室5的入口之间的管线上设有第三阀门303，上述空气出口与上述燃烧室5的入口之间的管线上设有第四阀门304，上述燃烧室5的出口与上述空气换热器3的壳程入口之间的管线上设有第五阀门305，上述燃烧室5的出口与上述氢气换热器4的壳程入口之间的管线上设有第六阀门306，上述尾气排放管线上设有第七阀门307，上述氢气冷却器201入口处的管线上设有第八阀门308。

上述实施方案中，通过八个阀门的灵活开闭来实现整个系统中SOEC模式以及SOFC模式的灵活切换，最佳的，八个阀门均采用电控阀，接入控制系统，通过控制系统来实现八个阀门的智能开关，配合电堆1的温度监测信息以及氢气、空气的流量信息来实现SOEC模式以及SOFC模式的智能切换操作。

本实施例中，在上述氢气输送管线上设有流量控制器401，通过流量控制器401来实时监测氢气的输送量，从而满足不同模式的供气需求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“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。

在本发明中，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，除非另有明确的限定。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中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。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或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种可逆固体氧化物电池系统，其特征在于：包括电堆(1)、空气换热器(3)、氢气换热器(4)和燃烧室(5)，所述电堆(1)具有加热其的电加热单元(11)，所述电堆(1)设有氢气入口、空气入口、氢气出口和空气出口，所述电加热单元(11)通过固态继电器(6)连接外部电网(2)，所述电堆(1)内部的氢气电极(12)和氧气电极(13)分别通过双向可调逆变器(7)连接外部电网(2)，所述空气出口通过管线连接所述空气换热器(3)的壳程入口，所述氢气出口通过管线连接所述氢气换热器(4)的壳程入口，所述氢气换热器(4)的壳程出口分别连接氢气压缩处理系统和尾气排放管线，所述空气换热器(3)的管程入口连接空气输送管线，所述空气换热器(3)的管程出口通过管线连接所述空气入口，所述氢气换热器(4)的管程入口分别连接氢气输送管线和去离子水输送管线，所述氢气换热器(4)的管程出口通过管线连接所述氢气入口，所述氢气出口和空气出口分别通过管线连接所述燃烧室(5)的入口，所述燃烧室(5)的出口分别通过管线连接所述空气换热器(3)的壳程入口以及所述氢气换热器(4)的壳程入口。

2.根据权利要求1所述的一种可逆固体氧化物电池系统，其特征在于：所述电加热单元(11)为电加热丝。

3.根据权利要求1所述的一种可逆固体氧化物电池系统，其特征在于：所述空气输送管线的端口处连接有鼓风机(101)，且所述空气输送管线上设有空气流量计(102)。

4.根据权利要求1所述的一种可逆固体氧化物电池系统，其特征在于：所述去离子水输送管线上设有水泵(103)。

5.根据权利要求1所述的一种可逆固体氧化物电池系统，其特征在于：所述氢气压缩处理系统包括氢气冷却器(201)、氢气干燥器(202)和氢气压缩机(203)，所述氢气换热器(4)的壳程出口、氢气冷却器(201)的入口及出口、氢气干燥器(202)的入口及出口和所述氢气压缩机(203)的进口通过管线顺次连接。

6.根据权利要求5所述的一种可逆固体氧化物电池系统，其特征在于：所述空气出口与所述空气换热器(3)的壳程入口之间的管线上设有第一阀门(301)，所述氢气出口与所述氢气换热器(4)的壳程入口之间的管线上设有第二阀门(302)，所述氢气出口与所述燃烧室(5)的入口之间的管线上设有第三阀门(303)，所述空气出口与所述燃烧室(5)的入口之间的管线上设有第四阀门(304)，所述燃烧室(5)的出口与所述空气换热器(3)的壳程入口之间的管线上设有第五阀门(305)，所述燃烧室(5)的出口与所述氢气换热器(4)的壳程入口之间的管线上设有第六阀门(306)，所述尾气排放管线上设有第七阀门(307)，所述氢气冷却器(201)入口处的管线上设有第八阀门(308)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种可逆固体氧化物电池系统，其特征在于：所述氢气输送管线上设有流量控制器(401)。