固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池联合发电系统

摘要

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池电堆单元、固体氧化物电解池电堆单元、太阳能供电装置、功率变换器、燃料存储罐及相应的出入口通道及流量控制阀门、CO2捕捉存储罐及相应的出入口通道及流量控制阀门、换热器单元、空气尾气分流控制阀门、空气入口控制阀门及空气压缩机。本发明的固体氧化物电解池电堆单元能够利用外部的提供电能(如太阳能等)，在高压的环境下，将CO2和H2O转化成燃料气体CH4和H2等，因此将由固体氧化物燃料电池出来的燃料尾气和空气尾气通入电解池中，并且利用太阳能供电装置，进行反应，生成新的燃料气体，再次通入到燃料电池电堆中进行发电。

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)联合发电系统，它是一种能够利用太阳能将尾气重新转化为燃料气体，从而提高系统效率并且实现碳元素的循环利用的系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种能将碳氢化合物中的化学能通过电化学反应转化为电能的装置，通常工作在600-800℃。它具有高效率，无污染，安静等优点，被誉为21世纪最具前景的绿色发电技术之一。其中，平板式SOFC因具有高能比、易组装等优点而成为SOFC技术应用的主流。

SOFC主要以碳氢化合物作为其发电的燃料，例如甲烷，氢气等。其中，当前研究的绝大部分SOFC发电系统，均是采用甲烷作为其燃料气体。然而，对于使用这种碳氢化合物的燃料来说，系统发电后所排出的尾气中，总会含有CO2这一气体。CO2是导致全球变暖，引发温室效应的主要气体，目前，大规模控制CO2排放技术，CO2捕集、利用和封存技术已受到世界各国政府的高度重视。现阶段主要的CO2电化学转化技术主要包括：以碱性溶液或质子交换膜为电解质的低温电化学转化技术(-20-200℃)和以固体氧化物为电解质的高温电化学转化技术(600-1000℃)。固体氧化物电解池便是采用第二种转化技术的典型代表，它是一种全固态结构，气体产物易分离，避免了使用液态电解质所带来的蒸发、腐蚀和电解液流失问题，同时也不需要采用贵金属电极，因此，SOEC的CO2/H2O共电解技术被认为是目前将CO2 转化为燃料的最可行、最具有前景的技术路径之一。它的主要是通过外部提供的电能和热能，在内部进行CO2/H2O共电解反应，生成CO,H2和O2等。

当前对于SOFC发电系统的研究，主要集中在如何更好的控制系统的性能，提高系统的效率，实现更快更安全的功率跟踪等，而对于系统所排出的尾气中的CO2并未做更多的处理，只是简单的排入大气中，这样一来，当大规模使用SOFC发电系统时，排出的尾气将会加剧全球变暖，引发温室效应。因此，为了解决这一问题，需要在发电的前提下，构建一种能够回收利用尾气中CO2的系统。

发明内容

针对现有研究技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种能够对尾气中的CO2进行回收，同时，利用外部可用的风能或是太阳能，对CO2/H2O进行共电解反应，生成新的燃料，再次进行发电的固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池联合发电系统。在系统中，增加SOEC电堆部分，SOEC主要负责CO2的回收利用，产生新的燃料；同时，它在发生反应时需要的电能可以利用光伏、风电所发的电，从而提高系统的效率。

为了实现上述技术目的，本发明技术方案为：

一种固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池联合发电系统，包括固体氧化物燃料电池电堆单元、固体氧化物电解池电堆单元、太阳能供电装置、功率变换器、燃料存储罐及相应的出入口通道及流量控制阀门、CO2捕捉存储罐及相应的出入口通道及流量控制阀门、换热器单元、空气尾气分流控制阀门、空气入口控制阀门及空气压缩机；其中：

固体氧化物燃料电池电堆单元，其空气输入端、燃料输入端分别接换热器单元的空气输出端和燃料输出端，固体氧化物电解池电堆单元的燃料输入端接固体氧化物燃料电池电堆单元的燃料输出端，并且在靠近电解池电堆单元燃料输入口的管道处安置了一个CO2捕捉存储罐，设置有输入和输出口与管道连接，由流量控制阀门控制；固体氧化物燃料电池的空气尾气输 出端，经过一个分流控制阀门，部分空气尾气直接进入换热器换热后排入大气中，另一部分空气尾气经过一个三通管道，可允许外部空气进入，然后一起压缩进入固体氧化物电解池的空气输入端；固体氧化物电解池的空气输出端和燃料输出端分别接换热器的空气输入和燃料输入，在靠近换热器燃料输入口的管道处安置了一个燃料存储罐，设置有输入和输出口与管道连接，由流量控制阀门控制。

所述固体氧化物电解池电堆单元用于回收固体氧化物燃料电池燃料尾气(主要为CO2)，通过由太阳能供电装置提供的电能，进行反应，然后生成新的燃料气体(主要为CH4和H2)，再经过换热器送入到固体氧化物燃料电池进行发电；空气输入口处输入的空气由固体氧化物燃料电池空气输出端输出的空气和从大气中的空气混合而成，同时经过压缩机的加压，使得固体氧化物电解池工作在高压(20bar)情况下，保证内部反应的正常进行。整个过程提高了系统的效率，同时实现了CO2的循环利用。

上述方案的技术效果体现在：

本发明具有一个固体氧化物电解池电堆单元，主要用于回收燃料电池燃料输出端的尾气，同时利用太阳能装置提供的电能，在高压的环境下，进行反应生成新的燃料。具体过程是燃料电池燃料输出端的尾气直接通入固体氧化物电解池的燃料输入口，其空气输入口通入加压过后的空气(由固体氧化物燃料电池空气输出端输出的部分空气和从大气中的空气混合而成)，在外部提供的电能下，主要发生以下反应(1)和反应(2)，其中反应(1)是吸热反应，而反应(2)是放热反应，为了能维持整个系统正常工作时所需的热量，所希望的是尽可能促进反应(2)的发生，所以需要在空气输入口对空气进行加压，保证能工作在高压环境下，以促进反应(2)的进行。

CO₂+H₂O→CO+H₂+O₂>

3H₂+CO→CH₄+H₂O>

作为进一步优选的技术方案如下：

所述的燃料存储罐和CO2捕捉存储罐分别具有相应的出入口通道及流量控制阀门，便于在不同的情况下，进行燃料以及尾气的存储和释放。

该进一步的优选方案的技术效果体现在：

所述的CO2捕捉存储罐安装在固体氧化物燃料电池燃料输出端到固体氧化物电解池燃料输入端的管道上，并靠近电解池燃料输入端。存储罐与管道通过两个通道连接，一个是尾气进入存储罐的通道，一个是尾气离开存储罐的通道，两个通道均有对应的流量控制阀门控制。当外界太阳光照不强时，此时太阳能供电装置所能提供的电能降低，对应的供给固体氧化物电解池的尾气需要相应的减少，否则多余的尾气将不能完全反应，所以应控制尾气进入存储罐通道上的阀门打开，使得一部分尾气存入存储罐内；当外界太阳光照较强时，此时太阳能供电装置所能提供的电能升高，对应的供给固体氧化物电解池的尾气需要相应的增加，否则会浪费一部分的电能，所以应控制尾气离开存储罐通道上的阀门打开，使得一部分尾气从存储罐通入管道，然后进入固体氧化物电解池进行反应。

所述的燃料存储罐安装在固体氧化物电解池燃料输出端到换热器燃料输入端的管道上，并靠近换热器燃料输入端。存储罐与管道通过两个通道连接，一个是燃料进入存储罐的通道，一个是燃料离开存储罐的通道，两个通道均有对应的流量控制阀门控制。此阀门的控制情况与CO2捕捉存储罐上相应的阀门控制有关：当外界太阳光照不强时，此时太阳能供电装置所能提供的电能降低，对应的供给固体氧化物电解池的尾气需要相应的减少，为了能维持不变的发电功率，则需要适当增加燃料的流量，所以应控制燃料离开存储罐通道上的阀门打开，使得一部分燃料从存储罐通入管道，然后一起进行换热，再进入固体氧化物燃料电池进行反应；当外界太阳光照较强时，此时太阳能供电装置所能提供的电能升高，对应的供给固体氧化物电解池的尾气需要相应的增加，那么电解池反应生成的燃料气体也相应增加，所以应 控制燃料进入存储罐通道上的阀门打开，在保证正常的燃料供应下，将多余的燃料存入存储罐中。

附图说明

图1是本发明固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池联合发电系统结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示为发明的发电系统结构框图，本发明的系统具有一个固体氧化物电解池电堆单元2，从固体氧化物燃料电池电堆单元1出来的燃料尾气和空气尾气进入电解池电堆，在高压和外部提供的太阳能下，进行反应，生成新的燃料气体，再经过换热器3，再次通入到固体氧化物燃料电池电堆进行发电，在这个过程中不仅提高了系统的效率，还实现了CO2的循环利用。

固体氧化物燃料电池电堆单元1中，所排出的燃料尾气(主要为CO2)和空气尾气分别经过通道13和通道14进入固体氧化物电解池电堆单元2中，太阳能供电装置5可为电解池内的反应提供电能，通道14内的空气尾气和经过空气入口阀门12进入通道的空气混合后，经过压缩机4进行加压，再通入电解池内，保证内部反应是在高压环境下进行，从而促进反应(2)的进行，为整个系统提供所需的热量。从电解池出来的新的燃料(主要为CH4和H2)和空气，经过换热器3换热后，再次进入燃料电池电堆进行发电，所发的电能经过功率变换器19对外输出。对于燃料存储罐6来说，通过与通道15连接的进入/离开管道上的控制阀门8和9，来控制由电解池出 来的燃料气体的流量：当需要增大燃料流量时，则控制阀门9的开度，使一部分燃料由存储罐进入通道中；当需要减少燃料流量时，则控制阀门8的开度，使一部分燃料存入存储罐中。对于CO2捕捉存储罐7来说，通过与通道13连接的进入/离开管道上的控制阀门10和11，来控制由燃料电池出来的燃料尾气的流量：当需要增大燃料尾气流量时，则控制阀门11的开度，使一部分燃料尾气由存储罐进入通道中；当需要减少燃料尾气流量时，则控制阀门10的开度，使一部分燃料尾气存入存储罐中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。