一种零碳排放循环自维持的固体氧化物电池系统技术方案

本发明专利技术公开了一种零碳排放循环自维持的固体氧化物电池系统，属于固体氧化物燃料电池发电技术领域，零碳循环的固体氧化物电池系统中的固体氧化物电解池将固体氧化物燃料电池输出口的燃料尾气转化为燃料与氧气；通过外部电源提供的电能进行反应，然后生成新的燃料气体，再经冷凝将未反应的水分离出来存入水罐中；分离出的燃料气体经压缩后存储到燃料罐，可控制再次进入固体氧化物燃料电池进行发电。本发明专利技术通过合理配置调控，可在稳定输出电能的同时实现燃料、水和氧气的三大循环利用。本发明专利技术直接把固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的气路连接起来，可直接用从固体氧化物燃料电池出来的气体的高温，省去了中间气体再次处理的过程。处理的过程。处理的过程。

【技术实现步骤摘要】
一种零碳排放循环自维持的固体氧化物电池系统


[0001]本专利技术属于固体氧化物燃料电池发电
，更具体地，涉及一种零碳排放循环自维持的固体氧化物电池系统。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种通过电化学反应把碳氢化合物中的化学能转化为电能的装置，期间没有燃烧，也没有机械传动，是一种高效、低排放的能量转换技术。它具有全固态结构、燃料气体来源广泛、发电效率高等优点，是当今最有前途的能量转换技术之一。其中，平板式结构SOFC具有短电流路径和低欧姆极化阻抗的特点，这种特点使得它具有高的功率密度和更低的制造成本，因而平板式结构的SOFC更容易达到商业化需求。
[0003]SOFC的燃料来源广泛，以碳氢化合物为主，如甲烷、丙烷和氢气等。以纯氢气为燃料的系统结构简单，不存在重整反应吸热的问题，但是纯氢气的制备、存储和运输成本较高，不适合大范围使用，因而目前应用较多的是以甲烷为燃料的外重整系统。然而，使用碳氢化合物作为燃料进行发电，不可避免地会有CO2排放。即使SOFC是一种低排放的能量转换技术，但当SOFC发电系统大规模商业化后，排出的尾气也会进一步加剧全球变暖。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了零碳循环的固体氧化物电池系统和零碳排放循环自维持的固体氧化物电池系统，其目的在于通过对固体氧化物燃料电池尾气中的CO2进行回收，供给固体氧化物电解池进行共电解反应以生成新的燃料，新的燃料再次利用来发电，从而实现零碳循环的固体氧化物电池系统的自维持；由此解决固体氧化物燃料电池排放二氧化碳影响环境的技术问题。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种零碳循环的固体氧化物电池系统，包括：
[0006]燃料罐，用于存储燃料气体，初始状态所述燃料气体仅包括CH4；
[0007]水罐，用于输出水；
[0008]氧气罐，用于储存O2；
[0009]重整器，与所述燃料罐和所述水罐连通，用于利用CH4和水蒸气发生水蒸气重整反应生成H2和CO，利用CO和水蒸气发生水汽变换反应生成H2和CO2，并输出H2、CO、CO2、剩余的CH4和水蒸气；
[0010]加热模块，与所述氧气罐和所述重整器连接，用于加热所述重整器的输出气体和所述氧气罐的输出气体；
[0011]固体氧化物燃料电池，与所述加热模块连通，用于接收所述加热模块加热后的气体，在工作温度下利用O2和H2产生电流和水蒸气，所述电流为外部负载供电，并输出水蒸气、CO、CO2、剩余的H2、剩余的O2和CH4；
[0012]固体氧化物电解池，与所述固体氧化物燃料电池、所述氧气罐、所述水罐和所述燃料罐连通，在外部电能驱动下将CO2和水蒸气进行电离生成CO、H2和O2，经过冷凝将分离出的水传输至所述水罐，将O2传输至所述氧气罐；将其余的尾气均传输至所述燃料罐，以使所述燃料罐将其余的尾气与剩余的CH4共同作为燃料气体传输至所述重整器发生水蒸气重整反应和水汽变换反应。
[0013]在其中一个实施例中，所述加热模块对所述重整器的输出气体进行电加热并传输给所述固体氧化物燃料电池的阳极；
[0014]所述加热模块对所述氧气罐输出的O2进行电加热并传输给所述固体氧化物燃料电池的阴极，在工作温度下所述O2在阴极的多孔界面处电离出氧负离子O2‑
，O2‑
穿过电解质层与阳极中的H2结合生成水，且阳极的H2释放出电流，能够为外部负载供能。
[0015]在其中一个实施例中，所述固体氧化物燃料电池的阴极将剩余的O2传输给所述固体氧化物电解池的阳极；所述固体氧化物燃料电池的阳极将水蒸气、CO、CO2、剩余的H2和CH4传输给所述固体氧化物电解池的阴极；
[0016]其中，CO2和水蒸气通入阴极的表面，在内部扩散到三相界面，在外界电能的作用下，得到电子生成O2‑
，并生成CO和H2；氧负离子穿过电介质层到达阳极的三相界面，反应失去电子生成O2。
[0017]在其中一个实施例中，所述固体氧化物电解池还与所述重整器连接，经所述重整器将产生的O2传输给所述氧气罐，来自所述固体氧化物电解池的O2携带的余温为所述重整器输出的气体进行换热升温。
[0018]在其中一个实施例中，所述氧气罐、所述燃料罐和所述水罐均经流量计与所述重整器连接，所述流量计用于控制所述氧气罐、所述燃料罐和所述水罐的输出流量，以调节所述固体氧化物燃料电池的发电功率和所述固体氧化物电解池的耗电功率。
[0019]按照本专利技术的另一方面，提供了一种零碳排放循环自维持的固体氧化物电池系统，包括：所述的零碳循环的固体氧化物电池系统和外部发电装置；
[0020]所述外部发电装置用于提供外部负载的供电需求和所述零碳循环的固体氧化物电池系统提供供电需求；所述零碳循环的固体氧化物电池系统提供供电需求包括：为其中的加热模块提供电能进行电加热；以及，为其中的所述固体氧化物电解池提供驱动电能。
[0021]在其中一个实施例中，所述零碳排放循环自维持的固体氧化物电池系统还包括：储能装置；
[0022]当所述外部发电装置提供的电能满足所述外部负载及所述零碳循环的固体氧化物电池系统的供电需求时，所述外部发电装置和所述零碳循环的固体氧化物电池系统产生的多余的电能通过所述储能装置存储。
[0023]在其中一个实施例中，当所述外部发电装置提供的电能不能满足所述外部负载及所述零碳循环的固体氧化物电池系统的供电需求时，则所述固体氧化物燃料电池及所述储能装置存储提供其余的需求功率输出。
[0024]在其中一个实施例中，所述储能装置为锂电池储能装置。
[0025]在其中一个实施例中，所述外部发电装置包括风力发电装置和光伏发电装置。
[0026]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：
[0027](1)本专利技术提供的零碳循环的固体氧化物电池系统，固体氧化物电解池用于将固体氧化物燃料电池输出口的燃料尾气(主要为CO2和H2O)转化为燃料与氧气；通过外部电源提供的电能进行反应，然后生成新的燃料气体(主要为H2、CO和CH4)，再经过冷凝将未反应的水分离出来并存入水罐中；分离出的燃料气体经过压缩后存储到燃料罐中，可控制再次进入固体氧化物燃料电池进行发电。本方案通过合理的配置调控，零碳循环的固体氧化物电池系统可在稳定输出电能的同时，实现燃料、水和氧气的三大循环利用。此外，本专利技术直接把固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的气路连接起来，可以直接利用从固体氧化物燃料电池出来的气体的高温，而且省去了中间气体进行再次处理的过程。
[0028](2)本方案中的零碳循环的固体氧化物电池系统，以电加热的方式给进入固体氧化物燃料电池的气体进行加热升温，以满足入固体氧化物燃料电池内部电化学反应所需要的高温条件，使得固体氧化物燃料电池在工作温度下利用O2和H2产生电流和水蒸气；利用电加热的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种零碳循环的固体氧化物电池系统，其特征在于，包括：燃料罐，用于存储燃料气体，初始状态所述燃料气体仅包括CH4；水罐，用于输出水；氧气罐，用于储存O2；重整器，与所述燃料罐和所述水罐连通，用于利用CH4和水蒸气发生水蒸气重整反应生成H2和CO，利用CO和水蒸气发生水汽变换反应生成H2和CO2，并输出H2、CO、CO2、剩余的CH4和水蒸气；加热模块，与所述氧气罐和所述重整器连接，用于加热所述重整器的输出气体和所述氧气罐的输出气体；固体氧化物燃料电池，与所述加热模块连通，用于接收所述加热模块加热后的气体，在工作温度下利用O2和H2产生电流和水蒸气，所述电流为外部负载供电，并输出水蒸气、CO、CO2、剩余的H2、剩余的O2和CH4；固体氧化物电解池，与所述固体氧化物燃料电池、所述氧气罐、所述水罐和所述燃料罐连通，在外部电能驱动下将CO2和水蒸气进行电离生成CO、H2和O2，经过冷凝将分离出的水传输至所述水罐，将O2传输至所述氧气罐；将其余的尾气均传输至所述燃料罐，以使所述燃料罐将其余的尾气与剩余的CH4共同作为燃料气体传输至所述重整器发生水蒸气重整反应和水汽变换反应。2.如权利要求1所述的零碳循环的固体氧化物电池系统，其特征在于，所述加热模块对所述重整器的输出气体进行电加热并传输给所述固体氧化物燃料电池的阳极；所述加热模块对所述氧气罐输出的O2进行电加热并传输给所述固体氧化物燃料电池的阴极，在工作温度下所述O2在阴极的多孔界面处电离出氧负离子O2‑
，O2‑
穿过电解质层与阳极中的H2结合生成水，且阳极的H2释放出电流，能够为外部负载供能。3.如权利要求2所述的零碳循环的固体氧化物电池系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池的阴极将剩余的O2传输给所述固体氧化物电解池的阳极；所述固体氧化物燃料电池的阳极将水蒸气、CO、CO2、剩余的H2和CH4传输给所述固体氧化物电解池的阴极；其中，CO2和水蒸气通入阴极的表面，在内部扩散到三相界面，在外界电能的作用下，得到电子生成O2‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋建华，孙亚婷，张冰涛，周仁杰，田海川，秦宏川，
申请(专利权)人：深圳华中科技大学研究院，
类型：发明
国别省市：