CN117558933A - 可逆固体氧化物电池一体式热管理*** - Google Patents

可逆固体氧化物电池一体式热管理*** Download PDF

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黄旭锐
雷金勇
唐渊
于丰源
廖梓豪
杨瑛
区定容
涂正凯
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Abstract

本发明属于可逆固体氧化物电池相关技术领域,并公开了一种可逆固体氧化物电池一体式热管理***,该***包括可在发电模式与电解模式下相互切换的可逆固体氧化物电池,以及配套设置的第一热管理模块和第二热管理模块,其中该第一热管理模块包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、重整器和燃烧器,相应对发电模式下的热能执行对应管理;该第二热管理模块包括第五换热器、第六换热器、第七换热器、第一预热器和第二预热器,相应对电解模式下的热能执行对应管理。通过本发明,能够对各种复杂工况下的可逆固体氧化物电池执行一体式热管理,与现有电池***相比显著提高了工作效率,同时具备结构紧凑、便于操控等特点。

Description

可逆固体氧化物电池一体式热管理***
技术领域
本发明属于可逆固体氧化物电池相关技术领域,更具体地,涉及一种可逆固体氧化物电池一体式热管理***。
背景技术
可逆固体氧化物电池(rSOC)是一种固态电化学装置,可作为固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)交替运行。它通常由夹在两个多孔电极之间的致密电解质支撑,其工作温度范围为600℃~900℃。当rSOC在SOFC模式下运行时,氧离子从氧电极流向燃料电极,在此发生燃料氧化;而在SOEC模式下,反应物在阳极中被还原并产生氧离子,氧离子流向氧电极。
研究表明,在传统可逆固体氧化物电池***的实际运行中,仍不可避免地存在热损失并导致***效率下降,在此情况下,有必要针对其热管理方式进行研究,以便进一步提高整体***的工作效率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或需求,本发明提出一种可逆固体氧化物电池一体式热管理***,其中通过围绕发电模式和电解模式来分别重新设计配套的换热功能模块,同时对反应物/生成物/热能的流向及利用作出针对性改进,相应适于对各种复杂工况下的可逆固体氧化物电池执行一体式热管理,与现有电池***相比显著提高了工作效率,同时具备结构紧凑、便于操控等特点。
为实现上述目的,按照本发明,提供了一种可逆固体氧化物电池一体式热管理***,其特征在于,该***包括可在发电模式与电解模式下相互切换的可逆固体氧化物电池,以及配套设置的第一热管理模块和第二热管理模块,其中:
该第一热管理模块对应于发电模式而设置,并包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、重整器和燃烧器,其中甲烷、水蒸气分别进入所述第四换热器、第三换热器进行预热,然后混合进入所述重整器发生吸热反应并产生高温氢气;该高温氢气进入所述第二换热器升温以达到可逆固体氧化物电池的进气温度,同时空气进入所述第一换热器进行预热,接着空气与重整气进入可逆固体氧化物电池执行发电模式;执行发电模式后剩余的燃料则进入所述燃烧室完全氧化燃烧,并用于为与可逆固体氧化物电池保持连接的所述第一换热器、第二换热器、第三换热器与第四换热器提供热源;此外,所述燃烧室还可用于为所述重整器提供热源;
该第二热管理模块对应于电解模式而设置,并包括第五换热器、第六换热器、第七换热器、第一预热器和第二预热器,其中空气进入第七换热器进行第一次预热,随后进入所述第二预热器进行第二次预热,然后进入阴极侧;氢气、水蒸气分别进入所述第五换热器、第六换热器进行第一次预热,并且混合进入所述第一预热器进行第二次预热,然后进入可逆固体氧化物电池的阳极侧;执行电解模式后剩余的氢气从阳极出口流出,用于为所述第五换热器、第六换热器提供热源以进行余热回收,与此同时高温空气从阴极出口流出,并用于为第七换热器提供热源以进行余热回收。
进一步优选地,所述第一换热器的工作温度优选为550℃~750℃,所述第二换热器的工作温度优选为550℃~750℃;所述第三换热器的工作温度优选为550℃~650℃,所述第四换热器的工作温度优选为550℃~650℃。
进一步优选地,所述重整器优选采用连续再生式重整器。
进一步优选地,所述燃烧器优选采用整体式燃烧器的形式,并且其工作方式为绝热燃烧。
进一步优选地,所述第五换热器的工作温度优选为450℃~550℃,所述第六换热器的工作温度优选为450℃~550℃,所述第七换热器的工作温度优选为450℃~550℃。
进一步优选地,所述第一预热器优选采用对流式预热器的形式,并且其工作温度优选为500℃~750℃。
进一步优选地,所述第二预热器优选采用对流式预热器的形式,并且其工作温度优选为500℃~750℃。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,通过围绕其发电模式和电解模式来分别重新设计配套的换热功能模块,同时对反应物/生成物/热能的流向及利用作出针对性改进,相应适于对各种复杂工况下的可逆固体氧化物电池执行一体式热管理,与现有电池***相比显著提高了工作效率,同时具备结构紧凑、便于操控等特点;较多的实际测试表明,本发明的一体式热管理***相较于传统固体氧化物电池***效率可提升至70%以上。
附图说明
图1是按照本发明的可逆固体氧化物电池一体式热管理***的整体流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1是按照本发明的可逆固体氧化物电池一体式热管理***的整体流程图。参看图1,该***主要包括可在发电模式与电解模式下相互切换的可逆固体氧化物电池(rSOFC),以及配套设置的第一热管理模块和第二热管理模块,下面将逐一进行具体解释说明。
对于该可逆固体氧化物电池,它可以采用本领域各种常规的布置形式,其中在SOFC模式下,氧气接收电子形成氧离子,穿过电解质到达阳极,与在阳极失去电子形成的氢离子发生反应形成水。而SOEC模式下,水蒸气接收电子形成氢气和氧离子,氧离子穿过电解质到达阴极失去电子形成氧气,具体反应方程为:
(SOFC模式)
(SOEC模式)
作为本发明的关键改进之一,该第一热管理模块对应于发电模式而设置,并包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、重整器和燃烧器,其中甲烷、水蒸气分别进入所述第四换热器、第三换热器进行预热,然后混合进入所述重整器发生吸热反应并产生高温氢气;该高温氢气进入所述第二换热器降温以达到可逆固体氧化物电池的进气温度,接着进入可逆固体氧化物电池执行发电模式;执行发电模式后剩余的燃料则进入所述燃烧室完全氧化燃烧,并用于为与可逆固体氧化物电池保持连接的所述第一换热器、第二换热器提供热源;此外,所述燃烧室还可用于为所述重整器提供热源。
更具体地,在发电模式下,第三换热器、第四换热器起到为燃料预热的作用,随后通入重整器进行甲烷水汽重整反应产生氢气,这是一个吸热的过程,因此,重整器后的气体降温,需要再一次换热,从而达到rSOC的进气温度。随后,剩余的燃料在燃烧室中完全氧化燃烧,为第一换热器、第二换热器提供换热所需要的热源
作为本发明的另一关键改进,该第二热管理模块对应于电解模式而设置,并包括第五换热器、第六换热器、第七换热器、第一预热器和第二预热器,其中氢气、水蒸气分别进入所述第五换热器、第六换热器进行第一次预热,并且混合进入所述第一预热器进行第二次预热,然后进入可逆固体氧化物电池的阳极侧;执行电解模式后剩余的氢气从阳极出口流出,用于为所述第五换热器、第六换热器提供热源以进行余热回收,与此同时高温空气从阴极出口流出,并用于为第七换热器提供热源以进行余热回收。
更具体地,氢气和水蒸气分别通过第五换热器、第六换热器进行第一道预热,而后混合进入第一预热器进行第二次预热达到指定温度,接着进入rSOC的阳极侧。空气作为辅助气体,通过第七换热器的第一次预热后通入第六预热器进行第二次预热而后进入rSOC的阴极。rSOC阳极出口为氢气,用于为第五换热器、第六换热器提供热源;阴极出口为氧气、氮气即高温空气,为第七换热器提供热源。第五换热器、第六换热器主要用于对尾气进行余热回收,然而这部分热量不足以将进气预热到指定温度,因此需要预热器(本质为电加热器)对其进行第二次预热,从而满足其温度需求。
综上,本发明通过围绕其发电模式和电解模式来分别重新设计配套的换热功能模块,同时对反应物/生成物/热能的流向及利用作出针对性改进,相应适于对各种复杂工况下的可逆固体氧化物电池执行一体式热管理,与现有电池***相比显著提高了工作效率,同时具备结构紧凑、便于操控等特点;较多的实际测试表明,本发明的一体式热管理***相较于传统固体氧化物电池***效率可提升至70%以上,因而具备广阔的应用前景。
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。

Claims (7)

1.一种可逆固体氧化物电池一体式热管理***,其特征在于,该***包括可在发电模式与电解模式下相互切换的可逆固体氧化物电池,以及配套设置的第一热管理模块和第二热管理模块,其中:
该第一热管理模块对应于发电模式而设置,并包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、重整器和燃烧器,其中甲烷、水蒸气分别进入所述第四换热器、第三换热器进行预热,然后混合进入所述重整器发生吸热反应并产生高温氢气;该高温氢气进入所述第二换热器升温以达到可逆固体氧化物电池的进气温度,同时空气进入所述第一换热器进行预热,接着空气与重整气进入可逆固体氧化物电池执行发电模式;执行发电模式后剩余的燃料则进入所述燃烧室完全氧化燃烧,并用于为与可逆固体氧化物电池保持连接的所述第一换热器、第二换热器、第三换热器与第四换热器提供热源;此外,所述燃烧室还可用于为所述重整器提供热源;
该第二热管理模块对应于电解模式而设置,并包括第五换热器、第六换热器、第七换热器、第一预热器和第二预热器,其中空气进入第七换热器进行第一次预热,随后进入所述第二预热器进行第二次预热,然后进入阴极侧;氢气、水蒸气分别进入所述第五换热器、第六换热器进行第一次预热,并且混合进入所述第一预热器进行第二次预热,然后进入可逆固体氧化物电池的阳极侧;执行电解模式后剩余的氢气从阳极出口流出,用于为所述第五换热器、第六换热器提供热源以进行余热回收,与此同时高温空气从阴极出口流出,并用于为第七换热器提供热源以进行余热回收。
2.如权利要求1所述的***,其特征在于,所述第一换热器的工作温度优选为550℃~750℃,所述第二换热器的工作温度优选为550℃~750℃;所述第三换热器的工作温度优选为550℃~650℃,所述第四换热器的工作温度优选为550℃~650℃。
3.如权利要求1或2所述的***,其特征在于,所述重整器优选采用连续再生式重整器。
4.如权利要求1-3任意一项所述的***,其特征在于,所述燃烧器优选采用整体式燃烧器的形式,采用绝热燃烧。
5.如权利要求1-4任意一项所述的***,其特征在于,所述第五换热器的工作温度优选为450℃~550℃,所述第六换热器的工作温度优选为450℃~550℃,所述第七换热器的工作温度优选为450℃~550℃。
6.如权利要求1-5任意一项所述的***,其特征在于,所述第一预热器优选采用对流式预热器的形式,并且其工作温度优选为500℃~750℃。
7.如权利要求6所述的***,其特征在于,所述第二预热器优选采用对流式预热器的形式,并且其工作温度优选为500℃~750℃。
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