CN213340447U - 一种固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的一体化*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的一体化***，包括反应电池堆，第一管路，第二管路，第四管路和第五管路，还包括第三管路，第三管路上设置有用于将从第二管路输入的燃料气转化为氢气的汽化重整装置，该汽化重整装置连通反应电池堆。将固体氧化物燃料电池发电过程与固体氧化物电解池制氢过程进行一体化集成，同一套***中既能实现发电功能，又能实现电解水制氢功能，具有很好的一体化运行功能，实现了一机多用，便于实践操作，成本较低；通过设置用于将从第二管路输入的燃料气转化为氢气的汽化重整装置，这样该一体化***既能适用于输入氢气来发电，也适用于输入其它燃料气来发电，适用性较广。

Description

一种固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的一体化***

技术领域

本实用新型涉及固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的一体化***。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)发电***是一种高效的能源转化装置，能将天然气、氢气、合成气等燃料气中的化学能直接转化为电能，是一种可用于构建分布式发电***的新型能源转化装置，具有很好的应用前景。SOFC发电***的核心部件是反应电池堆，反应电池堆是燃料气进行发电的场所，在反应电池堆中，燃料气中的化学能转化成电能，并生成水。

固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)***是SOFC发电***的逆反应装置，利用外部电能，SOEC***能将水转化为氢气。SOEC***的核心部件也是反应电池堆，制氢反应在反应电池堆中进行。氢气作为能源气体，是一种清洁能源，具有广泛的用途，对构建氢能社会具有重要意义。SOEC***是制氢的重要设备之一。

例如，申请号为CN201220412342.0(公告号为CN202758976U)的中国实用新型专利公开了《一种便携式高分子燃料电池及制氢发电一体***》，该***包括有依次连接的反应釜、水过滤器、气体杂质过滤器、气体缓冲罐、压力调节阀、燃料电池、DC-DC 转换器、蓄电池，上述的燃料电池上还连接有一个燃料电池控制器。该***是燃料电池及制氢发电一体***，该***可以用作应急备用电源，在无电网情况下，使得照明、为手机，相机等电子产品随时随地充电等成为可能。但是，该***用于SOFC发电功能时主要适用于氢气，不能适用于其它燃料气，适用性较差。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用性较广的固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的一体化***。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的一体化***，包括

反应电池堆，具有间隔设置的第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

第一管路，与反应电池堆的第一输入端连通，用于往反应电池堆中输入含氧气体，从第一管路输入的含氧气体在反应电池堆的第一电极处形成第一电极尾气；

第二管路，与反应电池堆的第二输入端连通，用于往反应电池堆中输入燃料气，从第二管路输入的燃料气在反应电池堆的第二电极处形成第二电极尾气；

第四管路，与反应电池堆的第一输出端连通，用于输出产生的第一电极尾气；

第五管路，与反应电池堆的第二输出端连通，用于输出产生的第二电极尾气；

其特征在于：

还包括第三管路，设置在第二管路和反应电池堆之间，用于往反应电池堆中输入水蒸汽；

所述第三管路上设置有用于将从第二管路输入的燃料气转化为氢气的汽化重整装置，该汽化重整装置连通反应电池堆。

汽化重整装置的结构可以有多种，优选地，所述汽化重整装置包括重整器，该重整器设置在第三管路上且连通第二管路和反应电池堆，重整器具有水蒸汽输入口，重整器用于使从第二管路过来的燃料气和从水蒸汽输入口进入的水蒸汽反应后生成氢气。

作为改进，所述汽化重整装置还包括

水箱，用于提供液态水；以及

汽化预热器，设置第二管路和重整器之间，用于将从水箱过来的液态水汽化成水蒸汽并将水蒸汽通过水蒸汽输入口输入重整器。这样可以通过汽化预热器产生水蒸汽，同时也对从第二管路过来的燃料气进行预热，有利于后续反应的进行。

为了将水箱中的液态水输入汽化预热器，还包括设置在水箱和汽化预热器之间的水泵，水泵用于将水箱中的液态水输入到汽化预热器中。通过设置水泵，这样水箱中的液态水能较快且较顺畅地进入汽化预热器中。

为了吹扫各管路，还包括与反应电池堆连通的第六管路，该第六管路用于往反应电池堆和各管路中输入惰性气体。惰性气体性质较为稳定，通过输入惰性气体，不容易发生不良反应，同时吹扫各管路以去除各管路中的杂质。

为了使通入的惰性气体较为洁净和流速较为合适。所述第六管路沿惰性气体进入反应电池堆的方向上依次设置有第三过滤阀、第三压力表、朝反应电池堆方向单向打开的第三单向阀、第三减压阀、第三电磁阀和第三流量控制器。这样，经过过滤阀的过滤，进入整个***的惰性气体较为洁净，其压力、流量等均较为合适，有利于节约资源，第三电磁阀能实现自动通断，安全性较高。

为了分离水蒸汽与其它气态物，还包括与第五管路连通的冷凝装置，该冷凝装置用于冷凝从反应电池堆的第二输出端出来的第二电极尾气。通过冷凝装置，水蒸汽冷凝成水珠，从而与其它气态物分离。

冷凝装置的结构可以有多种，优选地，所述冷凝装置包括

第一冷凝分水器，具有与反应电池堆的第二输出端连通的第二电极尾气入口、用于冷却水流入的第一冷却水入口、用于第二电极尾气中的水蒸汽经冷却水冷却后形成的第一冷凝水排出的第一冷凝水排水口、用于第二电极尾气中去除第一冷凝水后的剩余杂质排出的剩余杂质排出口、用于冷却水流出的第一冷却水出口；

第二冷凝分水器，具有用于外部冷却水进入的第二冷却水进入口、用于与第一冷凝分水器的第一冷却水出口通过第一回水管路连通的第三冷却水入口、用于冷却水流出且与第一冷凝分水器的第一冷却水入口通过第二回水管路连通的第二冷却水出口、用于与第一冷凝分水器的剩余杂质排出口通过排出管路连通的剩余杂质进入口、用于剩余杂质中的水蒸汽经冷却水冷却后形成的第二冷凝水排出的第二冷凝水排水口、用于剩余杂质中去除第二冷凝水后的剩余尾气排出的剩余尾气排气口、用于冷却水排出的第三冷却水出口；

所述第一冷却水出口、第一回水管路、第三冷却水入口、第二冷凝分水器、第二冷却水出口、第二回水管路、第一冷却水入口、第一冷凝分水器之间依次连通而形成一个冷却水的循环通路。

通过设置两个冷凝分水器，有利于提高冷凝效果；另外，设置冷却水的循环通路，这样可以循环利用冷却水，有利于节约冷却水。

为了使含氧气体或/和燃料气在反应电池堆的反应速度较为合适，所述第一管路沿含氧气体进入反应电池堆的方向上依次设置有第一过滤阀、第一压力表、朝反应电池堆方向单向打开的第一单向阀、第一减压阀、第一电磁阀、第一流量控制器和第一压力传感器；

或/和，所述第二管路沿燃料气进入反应电池堆的方向上依次设置有第二过滤阀、第二压力表、朝反应电池堆方向单向打开的第二单向阀、第二减压阀、第二电磁阀、第二流量控制器和第二压力传感器。

这样，进入反应电池堆的含氧气体或/和燃料气的洁净度、压力、流量等较为合适，在反应电池堆中的反应速度较为合适，有利于节约资源，第一电磁阀和第二电磁阀能实现自动通断，安全性较高。

作为改进，所述一体化***还包括

电子负载器，该电子负载器与反应电池堆电连接，用于消耗发电过程中从反应电池堆中输出的电能；以及

供电装置，该供电装置与反应电池堆电连接，用于在制氢过程中给反应电池堆供电。

通过电子负载器消耗产生的电能，通过供电装置在制氢过程中供电。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：将固体氧化物燃料电池发电过程与固体氧化物电解池制氢过程进行一体化集成，同一套***中既能实现发电功能，又能实现电解水制氢功能，具有很好的一体化运行功能，实现了一机多用，便于用户操作，成本较低；通过设置用于将从第二管路输入的燃料气转化为氢气的汽化重整装置，这样该一体化***既能适用于输入氢气来发电，也适用于输入其它燃料气来发电，适用性较广。

附图说明

图1为本实用新型实施例的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，为本实用新型的一个优选实施例。该固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的一体化***包括反应电池堆100、第一管路1、第二管路2、第三管路3、第四管路4、第五管路5、第六管路6、电子负载器200、供电装置900、汽化重整装置和冷凝装置等。

其中，反应电池堆100具有间隔设置的第一输入端101a、第二输入端102b、第一输出端103c和第二输出端104d。反应电池堆100的具体结构可以采用现有技术，反应电池堆100的大小可以根据需要选择，可以是几百瓦、1千瓦、5千瓦或是25千瓦以及更大功率等，功率大小不受限制，按需配置。该***还可以包括用于给反应电池堆100 供热的电炉，电炉也可以采用现有技术。

第一管路1与反应电池堆100的第一输入端101a连通，用于往反应电池堆100中输入含氧气体，含氧气体可以是空气，从第一管路1输入的含氧气体在反应电池堆100 的第一电极处形成第一电极尾气；第一管路1沿含氧气体进入反应电池堆100的方向上依次设置有第一过滤阀101、第一压力表102、朝反应电池堆100方向单向打开的第一单向阀103、第一减压阀104、第一电磁阀105、第一流量控制器106和第一压力传感器 107。

第二管路2与反应电池堆100的第二输入端102b连通，用于往反应电池堆100中输入燃料气，从第二管路2输入的燃料气在反应电池堆100的第二电极处形成第二电极尾气；第二管路2沿燃料气进入反应电池堆100的方向上依次设置有第二过滤阀201、第二压力表202、朝反应电池堆100方向单向打开的第二单向阀203、第二减压阀204、第二电磁阀205、第二流量控制器206和第二压力传感器207。

第三管路3设置在第二管路2和反应电池堆100之间，用于往反应电池堆100中输入水蒸汽。

第四管路4与反应电池堆100的第一输出端103c连通，用于输出第一电极尾气，第一电极尾气主要是在第一电极处反应后生成的产物和反应后剩余的原料。

第五管路5与反应电池堆100的第二输出端104d连通，用于输出第二电极尾气，第二电极尾气主要是在第二电极处反应后生成的产物和反应后剩余的原料。

第六管路6与反应电池堆100连通，用于往反应电池堆100和各管路中输入惰性气体，惰性气体可以是氮气，通入氮气是为了吹扫各管路。第六管路6沿燃料气进入反应电池堆100的方向上依次设置有第三过滤阀301、第三压力表302、朝反应电池堆100 方向单向打开的第三单向阀303、第三减压阀304、第三电磁阀305和第三流量控制器 306。

电子负载器200与反应电池堆100电连接，用于消耗发电过程中从反应电池堆100中输出的电能。

供电装置900与反应电池堆100电连接，用于在制氢过程中给反应电池堆100供电。

汽化重整装置设置在第三管路3上，用于将从第二管路2输入的燃料气转化为氢气。该汽化重整装置连通反应电池堆100。具体地，汽化重整装置包括重整器300、水箱500、汽化预热器700和水泵600。其中，重整器300设置在第三管路3上且连通第二管路2 和反应电池堆100，重整器300具有水蒸汽输入口，用于使从第二管路2过来的燃料气和从水蒸汽输入口进入的水蒸汽反应后生成氢气。水箱800用于提供液态水。汽化预热器700设置在第二管路2和重整器300之间，用于将从水箱800过来的液态水汽化成水蒸汽并将水蒸汽通过水蒸汽输入口输入重整器300。水泵600设置在水箱800和汽化预热器700之间，水泵600用于将水箱800中的水输入到汽化预热器700中。

冷凝装置与第五管路5连通，该冷凝装置用于冷凝从反应电池堆100的第二输出端104d出来的第二电极尾气。具体地，冷凝装置包括第一冷凝分水器400和第二冷凝分水器500。

第一冷凝分水器400具有与反应电池堆100的第二输出端104d连通的第二电极尾气入口401、用于冷却水流入的第一冷却水入口402、用于第二电极尾气中的水蒸汽经冷却水冷却后形成的第一冷凝水排出的第一冷凝水排水口403、用于第二电极尾气中去除第一冷凝水后的剩余杂质排出的剩余杂质排出口404、用于冷却水流出的第一冷却水出口405；

第二冷凝分水器500具有用于外部冷却水进入的第二冷却水进入口501、用于与第一冷凝分水器400的第一冷却水出口405通过第一回水管路7连通的第三冷却水入口 502、用于冷却水流出且与第一冷凝分水器400的第一冷却水入口402通过第二回水管路8连通的第二冷却水出口503、用于与第一冷凝分水器400的剩余杂质排出口404通过排出管路9连通的剩余杂质进入口504、用于剩余杂质中的水蒸汽经冷却水冷却后形成的第二冷凝水排出的第二冷凝水排水口505、用于剩余杂质中去除第二冷凝水后的剩余尾气排出的剩余尾气排气口506、用于冷却水排出的第三冷却水出口507；

第一冷却水出口405、第一回水管路7、第三冷却水入口502、第二冷凝分水器500、第二冷却水出口503、第二回水管路8、第一冷却水入口402、第一冷凝分水器400之间依次连通而形成一个冷却水的循环通路。

本实施例的固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)的一体化***，工作原理和工作过程如下。

燃料气发电时，输入的燃料气可以是氢气，也可以是天然气(主要是烃类燃气)或合成气。

①以氢气为燃料气的SOFC发电过程：

以氢气为燃料气时，其总的反应方程式：2H₂+O₂＝2H₂O+电能。电极反应为：

阴极(此时对应第一电极)：O₂+4e^-＝2O^2-

阳极(此时对应第二电极)：2H₂+2O^2-＝2H₂O+4e^-

先打开第六管路6，往第六管路6充入氮气，这样氮气将吹扫整个***的各回路；

接着，通过第一管路1通入33SLM空气(即本实施例中的含氧气体采用空气，在其它实施例中，含氧气体也可以采用纯氧)到反应电池堆的第一电极(此时也就是阴极)，通过第二管路2通入11SLM氢气到反应电池堆100的第二电极(此时也就是阳极)，此时汽化预热器700和重整器300只是用于氢气输入反应电池堆100，是起通道的作用，反应电池堆100的温度为750℃，第一电极尾气(此时也就是阴极尾气，主要是反应后剩余的空气)可以直接排放，第二电极尾气(此时也就是阳极尾气，主要是反应后剩余的氢气和反应产生的水蒸汽)进入冷凝装置进行分离，在冷凝装置中，第二电极尾气中的水蒸汽经过第一冷凝分水器400和第二冷凝分水器500中冷却水的作用冷凝成液态水而与剩余的氢气分离。反应电池堆100输出的功率通过电子负载器200消耗，输出功率可达2kW。

②以烃类燃料气为燃料的SOFC发电的过程如下，下面以甲烷为例。

通过甲烷制备氢气的反应方程式：CH₄+H₂O＝3H₂+CO

同样地，先打开第六管路6，往第六管路6充入氮气，以吹扫整个***的各回路；

通过第一管路1通入33SLM空气到反应电池堆的第一电极(此时也就是阴极)，通过第二管路2通入3.4SLM甲烷到反应电池堆的第二电极(此时也就是阳极)，汽化预热器700用于将从水箱800过来的液态水汽化成高温水蒸汽，因为甲烷也经过汽化预热器700，所以甲烷也得以预热，接着，甲烷和水蒸汽进入重整器300中，在重整器300 中反应后生成氢气和一氧化碳，然后氢气、一氧化碳和含氧空气在反应电池堆100中反应，一氧化碳可以被燃烧。此时，第二电极尾气(也就是阳极尾气)主要是剩余的甲烷、剩余的水蒸汽、剩余的一氧化碳和反应生成的水蒸汽，第二电极尾气进入冷凝装置，具体地，第二电极尾气中的水蒸汽经过第一冷凝分水器400和第二冷凝分水器500中冷却水的作用冷凝成液态水而与剩余的气态物分离。

其余同上述采用氢气的发电过程。

③固体氧化物电解池SOEC制氢的基本过程：

总的制氢反应方程式：2H₂O+电能＝2H₂+O₂，

阴极(此时对应第二电极)：H₂O+2e^-＝H₂+O^2-

阳极(此时对应第一电极)：O^2-＝1/2O₂+2e^-

先打开第六管路6，往第六管路6充入氮气，以吹扫整个***的各回路；

通过供电装置900对反应电池堆100外加2kW电能，通过第一管路1通入含氧气体(含氧气体可以是空气，也可以是纯氧)到反应电池堆100的第一电极，通过第三管路3通入一定量的水蒸汽到反应电池堆100的第二电极，水蒸汽和含氧气体进入反应电池堆100后进行电解反应。第一电极尾气(此时为阳极尾气)主要是生成的氧气和多余的空气，可以直接排放；第二电极尾气(此时为阴极尾气)主要是产生的氢气和反应剩余的水蒸汽，第二电极尾气进入冷凝装置，第二电极尾气中的水蒸汽经过第一冷凝分水器400和第二冷凝分水器500中冷却水的作用冷凝成液态水而与剩余的氢气分离。

制氢时，第二管路2可以关闭，也可以通入少量氢气，起引流的作用。

这样，可以在同一套设备上既能实现SOFC发电功能，又能实现SOEC电解水制氢功能，便于操作，成本较低，本实施例在实现SOFC功能时，既能适用于输入氢气来发电，也适用于输入能转化为氢气的其它燃料气来发电，适用性较广。

Claims (10)

1.一种固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池的一体化***，包括

反应电池堆(100)，具有间隔设置的第一输入端(101a)、第二输入端(102b)、第一输出端(103c)和第二输出端(104d)；

第一管路(1)，与反应电池堆(100)的第一输入端(101a)连通，用于往反应电池堆(100)中输入含氧气体，从第一管路(1)输入的含氧气体在反应电池堆(100)的第一电极处形成第一电极尾气；

第二管路(2)，与反应电池堆(100)的第二输入端(102b)连通，用于往反应电池堆(100)中输入燃料气，从第二管路(2)输入的燃料气在反应电池堆(100)的第二电极处形成第二电极尾气；

第四管路(4)，与反应电池堆(100)的第一输出端(103c)连通，用于输出产生的第一电极尾气；

第五管路(5)，与反应电池堆(100)的第二输出端(104d)连通，用于输出产生的第二电极尾气；

其特征在于：

还包括第三管路(3)，设置在第二管路(2)和反应电池堆(100)之间，用于往反应电池堆(100)中输入水蒸汽；

所述第三管路(3)上设置有用于将从第二管路(2)输入的燃料气转化为氢气的汽化重整装置，该汽化重整装置连通反应电池堆(100)。

2.根据权利要求1所述的一体化***，其特征在于：所述汽化重整装置包括重整器(300)，该重整器(300)设置在第三管路(3)上且连通第二管路(2)和反应电池堆(100)，重整器(300)具有水蒸汽输入口，重整器(300)用于使从第二管路(2)过来的燃料气和从水蒸汽输入口进入的水蒸汽反应后生成氢气。

3.根据权利要求2所述的一体化***，其特征在于：所述汽化重整装置还包括

水箱(800)，用于提供液态水；以及

汽化预热器(700)，设置第二管路(2)和重整器(300)之间，用于将从水箱(800)过来的液态水汽化成水蒸汽并将水蒸汽通过水蒸汽输入口输入重整器(300)。

4.根据权利要求3所述的一体化***，其特征在于：还包括设置在水箱(800)和汽化预热器(700)之间的水泵(600)，水泵(600)用于将水箱(800)中的液态水输入到汽化预热器(700)中。

5.根据权利要求1所述的一体化***，其特征在于：还包括与反应电池堆(100)连通的第六管路(6)，该第六管路(6)用于往反应电池堆(100)和各管路中输入惰性气体。

6.根据权利要求5所述的一体化***，其特征在于：所述第六管路(6)沿惰性气体进入反应电池堆(100)的方向上依次设置有第三过滤阀(301)、第三压力表(302)、朝反应电池堆(100)方向单向打开的第三单向阀(303)、第三减压阀(304)、第三电磁阀(305)和第三流量控制器(306)。

7.根据权利要求1所述的一体化***，其特征在于：还包括与第五管路(5)连通的冷凝装置，该冷凝装置用于冷凝从反应电池堆(100)的第二输出端(104d)出来的第二电极尾气。

8.根据权利要求7所述的一体化***，其特征在于：所述冷凝装置包括

第一冷凝分水器(400)，具有与反应电池堆(100)的第二输出端(104d)连通的第二电极尾气入口(401)、用于冷却水流入的第一冷却水入口(402)、用于第二电极尾气中的水蒸汽经冷却水冷却后形成的第一冷凝水排出的第一冷凝水排水口(403)、用于第二电极尾气中去除第一冷凝水后的剩余杂质排出的剩余杂质排出口(404)、用于冷却水流出的第一冷却水出口(405)；

第二冷凝分水器(500)，具有用于外部冷却水进入的第二冷却水进入口(501)、用于与第一冷凝分水器(400)的第一冷却水出口(405)通过第一回水管路(7)连通的第三冷却水入口(502)、用于冷却水流出且与第一冷凝分水器(400)的第一冷却水入口(402)通过第二回水管路(8)连通的第二冷却水出口(503)、用于与第一冷凝分水器(400)的剩余杂质排出口(404)通过排出管路(9)连通的剩余杂质进入口(504)、用于剩余杂质中的水蒸汽经冷却水冷却后形成的第二冷凝水排出的第二冷凝水排水口(505)、用于剩余杂质中去除第二冷凝水后的剩余尾气排出的剩余尾气排气口(506)、用于冷却水排出的第三冷却水出口(507)；

所述第一冷却水出口(405)、第一回水管路(7)、第三冷却水入口(502)、第二冷凝分水器(500)、第二冷却水出口(503)、第二回水管路(8)、第一冷却水入口(402)、第一冷凝分水器(400)之间依次连通而形成一个冷却水的循环通路。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的一体化***，其特征在于：所述第一管路(1)沿含氧气体进入反应电池堆(100)的方向上依次设置有第一过滤阀(101)、第一压力表(102)、朝反应电池堆(100)方向单向打开的第一单向阀(103)、第一减压阀(104)、第一电磁阀(105)、第一流量控制器(106)和第一压力传感器(107)；

或/和，所述第二管路(2)沿燃料气进入反应电池堆(100)的方向上依次设置有第二过滤阀(201)、第二压力表(202)、朝反应电池堆(100)方向单向打开的第二单向阀(203)、第二减压阀(204)、第二电磁阀(205)、第二流量控制器(206)和第二压力传感器(207)。

10.根据权利要求1～8中任一项所述的一体化***，其特征在于：所述一体化***还包括

电子负载器(200)，该电子负载器(200)与反应电池堆(100)电连接，用于消耗发电过程中从反应电池堆(100)中输出的电能；以及

供电装置(900)，该供电装置(900)与反应电池堆(100)电连接，用于在制氢过程中给反应电池堆(100)供电。

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