一种可逆固体氧化物电池热管理方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可逆固体氧化物电池热管理方法和系统，属于可再生能源中的能源(氢能)转换与存储领域。考虑到燃料电极回路的气体流量具有一致性，本发明专利技术将燃料侧尾气二次通入进蒸发器，利用内部废热作为理想的热源汽化液态水，从而将蒸发器替代为一个水

【技术实现步骤摘要】
一种可逆固体氧化物电池热管理方法和系统


[0001]本专利技术属于可再生能源中的能源(氢能)转换与存储领域，更具体地，涉及一种可逆固体氧化物电池热管理方法和系统。

技术介绍

[0002]可再生能源受到季节、天气等诸多条件的影响，呈现出间歇性和不稳定的特点。这些因素导致了在能源转换高峰期产生的多余能源无法被充分消纳；反之当能源转换效率下降，则无法满足电网需求。可逆固体氧化物电池(reversible Solid Oxide Cell，rSOC)系统既可以在燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)模式下运行也可以在电解池(Solid Oxide Electrolyser,SOE)模式下运行，以平衡可再生能源电网产生的电力波峰与波谷。主要应用在可再生能源电网和气网之间，作为能源转换的枢纽。高温rSOC系统在运行过程中面临诸多热管理问题，首先SOE模式与SOFC模式之间热性质相反，水蒸汽还原和氢气氧化反应是高度吸热和放热的，这导致在SOE模式运行时需要辅热组件满足吸热需求，对系统效率将产生负面的影响，而SOFC模式释放的大量热能却未得到合理利用。rSOC系统只基于一套BOP组件辅助电堆双向运行，内部包括诸多功耗组件，例如蒸发器、泵、加热器和鼓风机等。特别是当SOE模式时，水作为主要原料导致蒸发器产生的汽化功耗非常大，导致电解效率处于一种非理想的水平，限制了其产业化进程。除此以外，空气侧的电堆热尾气在经过换热器热回收后直接被排放到空气中，由于空气回路中气流量大且高温相当这会造成非常高额的热损失，这种情况在SOFC模式时愈加明显。诸多因素导致rSOC系统效率没有达到预期，这对系统的热管理水平设计提出了更高的要求。
[0003]目前，rSOC系统的发展尚处于起步阶段，国内外对于rSOC的热管理研究还只停留在最基本的阶段，如图1，在系统的热管理优化方面并没有得到妥善的考虑。rSOC系统中并不完善的热管理设计一方面会造成系统的效率损失，另外高温气体会对系统危及系统组件的安全，例如燃料回路的次高温尾气在换热器出来之后直接进入冷凝器冷凝，强冷热对流会对冷凝器的材料和结构属性造成很大的考验。而空气侧的空气尾气不但保持高温，而且流量远大于燃料侧，但目前大多数方案是直接将其排放到大气中，这导致系统的效率水平一直达不到预期。因此，设计一种合理的热管理的方法，对于提高系统性能和稳定系统的安全至关重要，也为rSOC系统早日产业化应用奠定基础。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种可逆固体氧化物电池热管理方法和系统，其目的在于避免系统的热量损失，提高系统效率和稳定系统安全。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种可逆固体氧化物电池热管理方法，包括：
[0006]S1.收集可逆固体氧化物电池系统中空气侧换热器出口处的热量；
[0007]S2.将收集的热量作为辅助热源加热电堆入口气体或转换为电力并入电网。
[0008]进一步地，通过基于潜热储能的相变材料储热装置收集空气侧换热器出口处的热量。
[0009]进一步地，所述方法还包括，
[0010]收集可逆固体氧化物电池系统中燃料侧换热器排出的电堆尾气；
[0011]将收集的电堆尾气作为热源通入蒸发器中汽化液态水。
[0012]按照本专利技术的另一方面提供了一种可逆固体氧化物电池热管理系统，包括：空气侧换热器、燃料侧换热器、热回收装置、蒸发器和冷凝器；
[0013]所述空气侧换热器入口与电堆一侧连接，用于收集电堆产生的高温尾气；
[0014]所述热回收装置与空气侧换热器出口连接，用于收集空气侧换热器出口处的热量；
[0015]所述燃料侧换热器入口与电堆另一侧连接，用于接收热回收装置输出的热量和电堆产生的高温气体，加热电堆入口气体；
[0016]所述蒸发器入口连接燃料侧换热器出口，用于利用燃料侧换热器输出的电堆尾气热量汽化液态水；
[0017]所述冷凝器与蒸发器出口连接，用于排出蒸发器流出的低温废气。
[0018]进一步地，所述热回收装置采用基于潜热储能的相变材料。
[0019]本专利技术还提供了一种可逆固体氧化物电池热管理系统，包括：空气侧换热器、燃料侧换热器、热回收装置、蒸发器、冷凝器和热电转换单元；
[0020]所述空气侧换热器入口与电堆一侧连接，用于收集电堆产生的高温尾气；
[0021]所述热回收装置入口与空气侧换热器出口连接，用于收集空气侧换热器出口处的热量；
[0022]所述热电转换单元与热回收装置出口连接，用于将热回收装置输出的热量转换为电力并入电网；
[0023]所述燃料侧换热器入口与电堆另一侧连接，用于接收电堆产生的高温气体，加热电堆入口气体；
[0024]所述蒸发器入口连接燃料侧换热器出口，用于利用燃料侧换热器输出的电堆尾气热量汽化液态水；
[0025]所述冷凝器与蒸发器出口连接，用于排出蒸发器流出的低温废气。
[0026]进一步地，所述热回收装置采用基于潜热储能的相变材料。
[0027]本专利技术还提供了一种可逆固体氧化物电池热管理系统，包括：空气侧换热器、燃料侧换热器、热回收装置、蒸发器、冷凝器和热电转换单元；
[0028]所述空气侧换热器入口与电堆一侧连接，用于收集电堆产生的高温尾气；
[0029]所述热回收装置入口与空气侧换热器出口连接，用于收集空气侧换热器出口处的热量；
[0030]所述热电转换单元与热回收装置出口连接，用于将热回收装置输出的热量转换为电力并入电网；
[0031]所述燃料侧换热器入口与电堆另一侧连接，用于接收热回收装置输出的热量和电堆产生的高温气体，加热电堆入口气体；
[0032]所述蒸发器入口连接燃料侧换热器出口，用于利用燃料侧换热器输出的电堆尾气
热量汽化液态水；
[0033]所述冷凝器与蒸发器出口连接，用于排出蒸发器流出的低温废气。
[0034]进一步地，所述热回收装置采用基于潜热储能的相变材料。
[0035]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
[0036]本专利技术充分针对燃料和空气回路的气体特性提出了将燃料侧支路和空气侧热回收相结合的热管理方案，避免了复杂工况对系统的干扰。考虑到燃料电极回路的气体流量具有一致性，本专利技术将燃料侧尾气二次通入进蒸发器，利用内部废热作为理想的热源汽化液态水，从而将蒸发器替代为一个水
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气换热器，蒸发器流出相对低温的废气对冷凝器造成的热应力较小；在空气回路中，将次高温的空气由一个热回收单元回收热量，该热回收单元可以是热
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电或热
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热转换装置，为避免持续的高温对热回收单元的影响，本专利技术进一步采用基于潜热储能的相变材料存储热量。实验证明，该方案有效保障热安全的前提，实现了很高的系统效率。
附图说明
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可逆固体氧化物电池热管理方法，其特征在于，包括：S1.收集可逆固体氧化物电池系统中空气侧换热器出口处的热量；S2.将收集的热量作为辅助热源加热电堆入口气体或转换为电力并入电网。2.根据权利要求1所述的一种可逆固体氧化物电池热管理方法，其特征在于，通过基于潜热储能的相变材料储热装置收集空气侧换热器出口处的热量。3.根据权利要求1或2所述的一种可逆固体氧化物电池热管理方法，其特征在于，所述方法还包括，收集可逆固体氧化物电池系统中燃料侧换热器排出的电堆尾气；将收集的电堆尾气作为热源通入蒸发器中汽化液态水。4.一种可逆固体氧化物电池热管理系统，其特征在于，包括：空气侧换热器、燃料侧换热器、热回收装置、蒸发器和冷凝器；所述空气侧换热器入口与电堆一侧连接，用于收集电堆产生的高温尾气；所述热回收装置与空气侧换热器出口连接，用于收集空气侧换热器出口处的热量；所述燃料侧换热器入口与电堆另一侧连接，用于接收热回收装置输出的热量和电堆产生的高温气体，加热电堆入口气体；所述蒸发器入口连接燃料侧换热器出口，用于利用燃料侧换热器输出的电堆尾气热量汽化液态水；所述冷凝器与蒸发器出口连接，用于排出蒸发器流出的低温废气。5.根据权利要求4所述的一种可逆固体氧化物电池热管理系统，其特征在于，所述热回收装置采用基于潜热储能的相变材料。6.一种可逆固体氧化物电池热管理系统，其特征在于，包括：空气侧换热器、燃料侧换热器、热回收装置、蒸发器、冷凝器和热电转换单元；所述空气侧换热器入口与电堆一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曦，刘国强，彭靖轩，赵魏，李泽新，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：