【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及固體氧化物燃料電池，具體涉及一種可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)及其運(yùn)行方法。
技術(shù)介紹
1、可逆的固體氧化物燃料電池-電解池技術(shù)(reversible?solid?oxide?fuel?celland?electrolysis?cell，簡稱“rsoc”)在一套系統(tǒng)上結(jié)合了固體氧化物燃料電池(solidoxide?fuel?cell，簡稱“sofc”)發(fā)電功能和固體氧化物電解池(solid?oxideelectrolysis?cell，簡稱“soec”)電解制氫功能。
2、sofc作為一種高效的能量轉(zhuǎn)化裝置，可以將燃料轉(zhuǎn)化為電能，系統(tǒng)發(fā)電效率可以達(dá)到60％以上,是所有發(fā)電設(shè)備中效率最高的一種發(fā)電技術(shù)，且污染物排放水平低，是一種清潔低碳、安全高效的發(fā)電方式,被認(rèn)為是未來最有廣闊發(fā)展和應(yīng)用前景的一項(xiàng)新能源發(fā)電技術(shù)，眾多研究者都投身其中。
3、soec電解制氫系統(tǒng)，在外加電壓、高溫下，電解水蒸氣，產(chǎn)生高純氫氣和氧氣，實(shí)現(xiàn)了電能和熱能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化；相較于較為常見的堿性水電解制氫技術(shù)、質(zhì)子交換膜電解制氫技術(shù)，soec電解制氫的工作效率最高、電流密度最大，soec是目前效率最高的電解水技術(shù)；另一方面，soec電解制氫技術(shù)原料適應(yīng)性廣。soec電解槽進(jìn)料為水蒸氣，若添加二氧化碳后，則可生成合成氣(syngas，氫氣和一氧化碳的混合物)，再進(jìn)一步生產(chǎn)合成燃料(e-fuels，如柴油、航空燃油)；因此soec技術(shù)有望被廣泛應(yīng)用于二氧化碳回收、燃料生產(chǎn)和化學(xué)合成品，具有碳中性循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。
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5、sofc發(fā)電系統(tǒng)與soec電解制氫系統(tǒng)可采用相同的高溫固體氧化物電堆，系統(tǒng)也都包含了空氣預(yù)熱器、燃料預(yù)熱器、換熱式蒸汽發(fā)生器等，如何有機(jī)的將兩者結(jié)合起來，在不同模式下充分利用各個(gè)部件，最大限度的降低系統(tǒng)的復(fù)雜性、實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用是rsoc技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。
6、因此，開發(fā)一款系統(tǒng)架構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、能耗低、可操作性強(qiáng)的rsoc系統(tǒng)對于rsoc系統(tǒng)的發(fā)展具有重要作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決常規(guī)可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)復(fù)雜、模式切換過程復(fù)雜、能耗高、可靠性較低等技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：
2、本專利技術(shù)的第一目的在于提供一種可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，包括rsoc電堆模組、燃料預(yù)熱器、重整器、脫硫器、換熱式蒸汽發(fā)生器、去離子水泵、空氣預(yù)熱器、風(fēng)機(jī)、燃燒器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、截止閥、伴熱帶、電源、控制系統(tǒng)、管道、保溫材料、傳感器等。
3、系統(tǒng)啟動(dòng)前，通過調(diào)節(jié)所述相應(yīng)的截止閥，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在sofc和soec模式下的切換。
4、所述重整器采用貴金屬催化劑，在sofc模式下用于天然氣和水蒸氣的催化重整反應(yīng)，在soec模式下充當(dāng)水蒸氣和氫氣、燃料側(cè)循環(huán)尾氣的混合器。
5、所述催化燃燒器，在sofc模式下，rsoc電堆模組出口的部分燃料尾氣與高溫空氣在燃燒器中混合燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诩訜崛剂项A(yù)熱器、空氣預(yù)熱器、換熱式蒸汽發(fā)生器；在soec模式下，燃燒器以外部天然氣為燃料、rsoc電堆模組出口高溫空氣為助燃劑，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诩訜峥諝忸A(yù)熱器。
6、所述循環(huán)風(fēng)機(jī)，在sofc模式下，rsoc電堆模組出口的一部分燃料尾氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)作用下與新鮮的天然氣混合進(jìn)入到重整器中發(fā)生催化反應(yīng)，然后進(jìn)入到燃料預(yù)熱器、rsoc電堆模組中發(fā)電；在soec模式下，rsoc電堆模組出口的一部分含水蒸氣的高溫氫氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下和新鮮的水蒸氣混合依次進(jìn)入到重整器、燃料預(yù)熱器、rsoc電堆模組中。
7、所述換熱式蒸氣發(fā)生器，在sofc模式下，系統(tǒng)未發(fā)電階段，換熱式蒸汽發(fā)生器將燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂腿ルx子水換熱產(chǎn)生水蒸氣，系統(tǒng)達(dá)到額定發(fā)電狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)無需外界供應(yīng)去離子水、換熱式蒸汽發(fā)生器不產(chǎn)生蒸汽；soec模式下，換熱式蒸汽發(fā)生器將rsoc電堆模組燃料側(cè)出口高溫尾氣和去離子水換熱產(chǎn)生新鮮的水蒸氣，實(shí)現(xiàn)燃料尾氣的熱量回收。
8、本專利技術(shù)的第二目的在于提供一種可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于：①sofc模式下，系統(tǒng)啟動(dòng)前，打開rsoc電堆模組燃料出口和燃燒器之間的截止閥、打開燃燒器和燃料預(yù)熱器之間的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器到余熱回收之間的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器到重整器的截止閥，關(guān)閉rsoc電堆模組燃料出口和燃料預(yù)熱器之間的截止閥、關(guān)閉換熱式蒸汽發(fā)生器出口到產(chǎn)品氫氣的截止閥、關(guān)閉燃燒器的入口天然氣管道上的截止閥，系統(tǒng)供入天然氣、空氣、去離子水，循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到目標(biāo)值，系統(tǒng)按照一定的速率進(jìn)行升溫、發(fā)電功率的提升；系統(tǒng)在sofc模式下進(jìn)入到額定發(fā)電狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉打開換熱式蒸汽發(fā)生器到重整器的截止閥，系統(tǒng)無需外界提供去離子水產(chǎn)生新鮮的水蒸氣，系統(tǒng)僅需供入天然氣、空氣，rsoc電堆模組出口的一部分燃料尾氣和rsoc電堆模組出口的高溫空氣進(jìn)入到燃燒器中混合燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜崛剂项A(yù)熱器、空氣預(yù)熱器，rsoc電堆模組出口的另一部分燃料尾氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)作用下與新鮮的天然氣混合進(jìn)入重整器發(fā)生催化反應(yīng)，最終進(jìn)入rsoc電堆模組參與發(fā)電；②soec模式下，系統(tǒng)啟動(dòng)前，打開rsoc電堆模組燃料出口和燃料預(yù)熱器之間的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器出口到產(chǎn)品氫氣的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器到重整器的截止閥、打開燃燒器的入口天然氣管道上的截止閥，關(guān)閉rsoc電堆模組燃料出口和燃燒器之間的截止閥、關(guān)閉燃燒器和燃料預(yù)熱器之間的截止閥、關(guān)閉換熱式蒸汽發(fā)生器到余熱回收之間的截止閥、關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)供入啟動(dòng)用的氫氣、去離子水、空氣和燃燒用的天然氣，系統(tǒng)按照一定的速率進(jìn)行升溫、電解制氫負(fù)荷的拉升；統(tǒng)在soec模式下進(jìn)入到額定電解制氫狀態(tài)時(shí)，打開循環(huán)風(fēng)機(jī)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)無需外界提供氫氣，系統(tǒng)僅需供入去離子水、空氣以及燃燒器用的天然氣，rsoc電堆模組出口的一部分燃料尾氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下與新鮮的水蒸氣混合重新進(jìn)入到rsoc電堆模組，rsoc電堆模組出口的另一部分燃料尾氣先后進(jìn)入到燃料預(yù)熱器、換熱式蒸汽發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)熱量的梯級(jí)利用，最終冷凝分離出液態(tài)水得到產(chǎn)品氫氣；外接天然氣進(jìn)入到燃燒器中與rsoc電堆模組出口的高溫空氣混合燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诩訜嵝迈r空氣。
9、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，①有別于常規(guī)的rsoc系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用rsoc電堆模組燃料尾氣循環(huán)工藝、管道上特殊位置設(shè)置的截止閥，實(shí)現(xiàn)了sofc發(fā)電模式與soec電解制氫模式的有機(jī)結(jié)合、自由切換；②該系統(tǒng)采用rsoc電堆模組燃料尾氣循環(huán)工藝，通過調(diào)整管道上不同位置的截止閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在sofc模式和soec本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，包括rSOC電堆模組、燃料預(yù)熱器、重整器、脫硫器、換熱式蒸汽發(fā)生器、去離子水泵、空氣預(yù)熱器、風(fēng)機(jī)、燃燒器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、截止閥、伴熱帶、電源、控制系統(tǒng)、管道、保溫材料、傳感器等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)啟動(dòng)前，通過調(diào)節(jié)所述相應(yīng)的截止閥，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在SOFC和SOEC模式下的切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，其特征在于，所述重整器采用貴金屬催化劑，在SOFC模式下用于天然氣和水蒸氣的催化重整反應(yīng)，在SOEC模式下充當(dāng)水蒸氣和氫氣、燃料側(cè)循環(huán)尾氣的混合器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，其特征在于，所述催化燃燒器，在SOFC模式下，rSOC電堆模組出口的部分燃料尾氣與高溫空氣在燃燒器中混合燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诩訜崛剂项A(yù)熱器、空氣預(yù)熱器、換熱式蒸汽發(fā)生器；在SOEC模式下，燃燒器以外部天然氣為燃料、rSOC電堆模組出口高溫空氣為助燃劑，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诩訜峥諝忸A(yù)熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱式蒸氣發(fā)生器，在SOFC模式下，系統(tǒng)未發(fā)電階段，換熱式蒸汽發(fā)生器將燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂腿ルx子水換熱產(chǎn)生水蒸氣，系統(tǒng)達(dá)到額定發(fā)電狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)無需外界供應(yīng)去離子水、換熱式蒸汽發(fā)生器不產(chǎn)生蒸汽；SOEC模式下，換熱式蒸汽發(fā)生器將rSOC電堆模組燃料側(cè)出口高溫尾氣和去離子水換熱產(chǎn)生新鮮的水蒸氣，實(shí)現(xiàn)燃料尾氣的熱量回收。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于：①SOFC模式下，系統(tǒng)啟動(dòng)前，打開rSOC電堆模組燃料出口和燃燒器之間的截止閥、打開燃燒器和燃料預(yù)熱器之間的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器到余熱回收之間的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器到重整器的截止閥，關(guān)閉rSOC電堆模組燃料出口和燃料預(yù)熱器之間的截止閥、關(guān)閉換熱式蒸汽發(fā)生器出口到產(chǎn)品氫氣的截止閥、關(guān)閉燃燒器的入口天然氣管道上的截止閥，系統(tǒng)供入天然氣、空氣、去離子水，循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到目標(biāo)值，系統(tǒng)按照一定的速率進(jìn)行升溫、發(fā)電功率的提升；系統(tǒng)在SOFC模式下進(jìn)入到額定發(fā)電狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉打開換熱式蒸汽發(fā)生器到重整器的截止閥，系統(tǒng)無需外界提供去離子水產(chǎn)生新鮮的水蒸氣，系統(tǒng)僅需供入天然氣、空氣，rSOC電堆模組出口的一部分燃料尾氣和rSOC電堆模組出口的高溫空氣進(jìn)入到燃燒器中混合燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜崛剂项A(yù)熱器、空氣預(yù)熱器，rSOC電堆模組出口的另一部分燃料尾氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)作用下與新鮮的天然氣混合進(jìn)入重整器發(fā)生催化反應(yīng)，最終進(jìn)入rSOC電堆模組參與發(fā)電；②SOEC模式下，系統(tǒng)啟動(dòng)前，打開rSOC電堆模組燃料出口和燃料預(yù)熱器之間的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器出口到產(chǎn)品氫氣的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器到重整器的截止閥、打開燃燒器的入口天然氣管道上的截止閥，關(guān)閉rSOC電堆模組燃料出口和燃燒器之間的截止閥、關(guān)閉燃燒器和燃料預(yù)熱器之間的截止閥、關(guān)閉換熱式蒸汽發(fā)生器到余熱回收之間的截止閥、關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)供入啟動(dòng)用的氫氣、去離子水、空氣和燃燒用的天然氣，系統(tǒng)按照一定的速率進(jìn)行升溫、電解制氫負(fù)荷的拉升；統(tǒng)在SOEC模式下進(jìn)入到額定電解制氫狀態(tài)時(shí)，打開循環(huán)風(fēng)機(jī)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)無需外界提供氫氣，系統(tǒng)僅需供入去離子水、空氣以及燃燒器用的天然氣，rSOC電堆模組出口的一部分燃料尾氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下與新鮮的水蒸氣混合重新進(jìn)入到rSOC電堆模組，rSOC電堆模組出口的另一部分燃料尾氣先后進(jìn)入到燃料預(yù)熱器、換熱式蒸汽發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)熱量的梯級(jí)利用，最終冷凝分離出液態(tài)水得到產(chǎn)品氫氣；外接天然氣進(jìn)入到燃燒器中與rSOC電堆模組出口的高溫空氣混合燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诩訜嵝迈r空氣。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，包括rsoc電堆模組、燃料預(yù)熱器、重整器、脫硫器、換熱式蒸汽發(fā)生器、去離子水泵、空氣預(yù)熱器、風(fēng)機(jī)、燃燒器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、截止閥、伴熱帶、電源、控制系統(tǒng)、管道、保溫材料、傳感器等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)啟動(dòng)前，通過調(diào)節(jié)所述相應(yīng)的截止閥，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在sofc和soec模式下的切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，其特征在于，所述重整器采用貴金屬催化劑，在sofc模式下用于天然氣和水蒸氣的催化重整反應(yīng)，在soec模式下充當(dāng)水蒸氣和氫氣、燃料側(cè)循環(huán)尾氣的混合器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，其特征在于，所述催化燃燒器，在sofc模式下，rsoc電堆模組出口的部分燃料尾氣與高溫空氣在燃燒器中混合燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诩訜崛剂项A(yù)熱器、空氣預(yù)熱器、換熱式蒸汽發(fā)生器；在soec模式下，燃燒器以外部天然氣為燃料、rsoc電堆模組出口高溫空氣為助燃劑，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥糜诩訜峥諝忸A(yù)熱器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，其特征在于，所述循環(huán)風(fēng)機(jī)，在sofc模式下，rsoc電堆模組出口的一部分燃料尾氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)作用下與新鮮的天然氣混合進(jìn)入到重整器中發(fā)生催化反應(yīng)，然后進(jìn)入到燃料預(yù)熱器、rsoc電堆模組中發(fā)電；在soec模式下，rsoc電堆模組出口的一部分含水蒸氣的高溫氫氣在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下和新鮮的水蒸氣混合依次進(jìn)入到重整器、燃料預(yù)熱器、rsoc電堆模組中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱式蒸氣發(fā)生器，在sofc模式下，系統(tǒng)未發(fā)電階段，換熱式蒸汽發(fā)生器將燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂腿ルx子水換熱產(chǎn)生水蒸氣，系統(tǒng)達(dá)到額定發(fā)電狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)無需外界供應(yīng)去離子水、換熱式蒸汽發(fā)生器不產(chǎn)生蒸汽；soec模式下，換熱式蒸汽發(fā)生器將rsoc電堆模組燃料側(cè)出口高溫尾氣和去離子水換熱產(chǎn)生新鮮的水蒸氣，實(shí)現(xiàn)燃料尾氣的熱量回收。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：熊少強(qiáng)，林梓榮，陳錦芳，白帆飛，
申請(專利權(quán))人：廣東佛燃科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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