一种可逆固体氧化物电池系统及氢氧制备方法技术方案

本发明专利技术涉及电池技术领域，具体为一种可逆固体氧化物电池系统，优化系统的产氢与发电性能，提高能量转换效率，包括SOEC与SOFC两部分，每部分均包括电池本体、加热单元、物质储存与运输单元；SOEC与SOFC的电池本体均包括依次设置的燃料极流道、燃料极电极、电解质、空气极电极、空气极流道，以及对燃料极电极和空气极电极供电的电源；SOEC与SOFC的加热单元均包括燃料极加热器和空气极加热器；SOEC与SOFC共用一个物质供应与储存单元，包括储氧罐、储水罐和储氢罐。储氢罐。储氢罐。

【技术实现步骤摘要】
一种可逆固体氧化物电池系统及氢氧制备方法


[0001]本专利技术涉及电池
，具体为一种可逆固体氧化物电池系统，以及基于该系统的氢氧制备方法。

技术介绍

[0002]随着风电、光伏发电等可再生能源装机容量的提升，其波动性给电网安全与能源供需平衡带来了巨大的挑战，氢能作为一种理想的二次能源，可使得瞬时的电能大规模转化成可长期储存的化学能的形式，打破电能网络与其他能源网络的壁垒，实现不同能源间的互通有无。因此氢能是未来最有希望取代传统化石能源的能源载体。
[0003]可逆固体氧化物电池系统(ReversibleSolidOxideCell，RSOC)可实现电氢能源系统中异质能源的灵活互动，具有广阔的发展空间，它由固体氧化物电解池(solidoxideelectrolysiscell，SOEC)和固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，SOFC)两种模式组成。
[0004]其中，相比于其他电解水制氢方式，固体氧化物电解池，具有全固态、能效高、反应动力学快、灵活性强，潜力大的优点。基本配气方式通常是向燃料极通入水和氢气的混合物(水的摩尔分数一般占90～100％)，空气极通入空气。不加回热系统的SOEC制氢效率在70～90％范围内，产氢所需电压在1.5
‑
3V范围内。
[0005]固体氧化物燃料电池是一种能在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。相比于其他类型的燃料电池，固体氧化物燃料电池有着全固态结构、反应动力学优异、无需贵金属催化剂、燃料灵活性高等不可替代的优点。得益于较高的工作温度(600～1000℃)和灵活的催化剂选用，SOFC不仅可以使用H2作为燃料来源，还可以使用CO、CH4、NH3、煤炭、生物质、废弃有机物等多种物质作为燃料。SOFC以氢气为燃料的基本配气方式通常是向燃料极通入湿润的氢气(水的摩尔分数约占3％左右)，向空气极通入空气，系统的能量转换效率在50
‑
70％范围。
[0006]为促进可逆固体氧化物电池系统的进一步发展，同时为氢能产业提供大规模、低成本的氢气源，提高RSOC系统的能量转换效率、扩大产氢规模成为重要目标，但它常常受到电池内反应动力学、气体运输、运行安全性、制氢速率等方面因素的限制。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服上述
技术介绍
中的不足，提供一种可逆固体氧化物电池系统，以及氢氧制备方法，优化系统的产氢与发电性能，提高能量转换效率。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]可逆固体氧化物电池系统，包括SOEC与SOFC两部分，每部分均包括电池本体、加热单元、物质储存与运输单元；
[0010]SOEC与SOFC的电池本体均包括依次设置的燃料极流道、燃料极电极、电解质、空气极电极、空气极流道，以及对燃料极电极和空气极电极供电的电源；
[0011]SOEC与SOFC的加热单元均包括燃料极加热器和空气极加热器；
[0012]SOEC与SOFC共用一个物质供应与储存单元，包括储氧罐、储水罐和储氢罐，储氧罐通过SOFC的空气极加热器连接SOFC的空气极流道入口，对该空气极流道供氧，储氧罐还与SOFC、SOEC的空气极流道出口连接；储水罐与SOEC的燃料极加热器、空气极加热器连接，储水罐流出的水经过加热后形成水蒸气进入SOEC的燃料极流道、空气极流道，储水罐与SOEC的燃料极流道、空气极流道出口，以及SOFC燃料极流道的出口连接；储氢罐通过SOFC的燃料极加热器连接SOFC的燃料极流道入口，储氢罐还与SOFC、SOEC的燃料极流道出口连接。
[0013]作为优选，所述SOEC部分工作时，燃料极流道和空气极流道都通入水蒸气，系统处于电解模式。
[0014]作为优选，燃料极流道和空气极流道通入的水蒸汽的流量均为50
‑
500mL/min。
[0015]作为优选，所述SOFC部分工作时，燃料极流道通入氢气，空气极流道通入氧气，系统处于燃料电池模式。
[0016]作为优选，氢气和氧气的流量均为50
‑
500mL/min。
[0017]作为优选，所述燃料极加热器和空气极加热器均设有内管段和外壳流道，内管段和外壳流道相互隔离且彼此换热，内管段设有加热模块；SOEC和SOFC的燃料极流道、空气极流道入口均与相应加热器的内管段连接，SOEC和SOFC的燃料极流道、空气极流道出口均与相应加热器的外壳流道连接后，再与相应的储氧罐或储水罐或储氢罐连接。
[0018]作为优选，所述燃料极电极所采用的材料为Ni
‑
YSZ，所述电解质为钇稳定氧化锆/钐掺杂氧化铈双层电解质，所述空气极电极所采用的材料为镧锶钴铁氧体材料。
[0019]作为优选，所述电池本体的反应温度为600～1000℃。
[0020]作为优选，所述电池本体为管状电池。
[0021]本专利技术还提供一种氢氧制备方法，该方法包括：
[0022](1)在可再生能源所产电能富余的条件下，向SOEC部分的燃料极流道和空气极流道都通入水蒸气，促进电解反应正向进行，降低产氢电压，系统处于电解模式，
[0023]燃料极电极(阴极)：H2O+2e
‑
→
H2+O2‑
；
[0024]空气极电极(阳极)：O
2—
‑
2e
‑
→
0.5O2；
[0025]水在燃料极电极被还原成氢气，同时产生O2‑
，O2‑
通过电解质运输到空气极电极，在空气极电极被氧化产生氧气，生成的氧气被由空气极流道入口通入的水蒸汽吹扫携带流出；
[0026](2)在可再生能源所发电能不足的条件下，向SOFC部分的空气极流道通入纯氧替代空气，促进燃料电池内电化学反应正向进行，系统处于燃料电池模式；
[0027]燃料极电极(阳极)：H2+O2‑
→
H2O；
[0028]空气极电极(阴极)：0.5O2→
O2‑
；
[0029]氧气在空气极电极被还原成O2‑
，产生的O2‑
通过电解质运输到燃料极电极，与燃料极氢气结合，发生氧化反应生成水。
[0030]本专利技术具有的有益效果是：
[0031](1)配气方式：处于电解状态时，空气极通入水蒸汽替代了空气；处于燃料电池状态时，空气极通入氧气，该配气方式促进电化学反应正向移动，降低了电解池产氢所需电压，提高了燃料电池的发电功率。(2)回热利用：系统的空气极和氧气极分别含有回热装置，
一方面重新利用了反应产物的热能，另一方面节约了预热反应物所需的热能，大大提高了系统的能量转换效率。(3)为医疗产业提供纯氧：该系统处于电解模式下空气极产物为氧气和水的混合物，分离方式简单，储氧罐中的氧气除了可以为燃料电池空气极提供反应物之外，还可以为医疗产业提供较低成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可逆固体氧化物电池系统，其特征在于：包括SOEC与SOFC两部分，每部分均包括电池本体、加热单元、物质储存与运输单元；SOEC与SOFC的电池本体均包括依次设置的燃料极流道、燃料极电极、电解质、空气极电极、空气极流道，以及对燃料极电极和空气极电极供电的电源；SOEC与SOFC的加热单元均包括燃料极加热器和空气极加热器；SOEC与SOFC共用一个物质供应与储存单元，包括储氧罐、储水罐和储氢罐，储氧罐通过SOFC的空气极加热器连接SOFC的空气极流道入口，对该空气极流道供氧，储氧罐还与SOFC、SOEC的空气极流道出口连接；储水罐与SOEC的燃料极加热器、空气极加热器连接，储水罐流出的水经过加热后形成水蒸气进入SOEC的燃料极流道、空气极流道，储水罐与SOEC的燃料极流道、空气极流道出口，以及SOFC燃料极流道的出口连接；储氢罐通过SOFC的燃料极加热器连接SOFC的燃料极流道入口，储氢罐还与SOFC、SOEC的燃料极流道出口连接。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SOEC部分工作时，燃料极流道和空气极流道都通入水蒸气，系统处于电解模式。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：燃料极流道和空气极流道通入的水蒸气的流量均为50
‑
500mL/min。4.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SOFC部分工作时，燃料极流道通入氢气，空气极流道通入氧气，系统处于燃料电池模式。5.根据权利要求4所述的可逆固体氧化物电池系统，其特征在于：氢气和氧气的流量均为50
‑
500mL/min。6.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：所述燃料极加热器和空气极加热器均设有内管段和外壳流道，内管段和外壳流道相互隔离且彼此换热，内管段设有加热模块；SOEC和SOFC的燃料极流道、空气极流道入口均...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙怡，陈晓琳，钱瑭，韩雨，郑楠，徐浩然，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：