CN220692078U - 一种可逆固体氧化物电池储能*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种可逆固体氧化物电池储能***，SOFC为NH3作为储能介质的H‑SOFC以限定发电模式，SOEC为NH3作为储能介质的H‑SOEC以限定电解模式；发电和电解与熔盐蓄热装置耦合实现***的热中性，自循环气体闭路***通过氢氨转化的循环利用向H‑SOFC供应NH3并向H‑SOEC供应H2和N2。根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能***，将NH3的分解与合成中化学能的变化同电能相互联系并转化，实现电能有效存储；同时，利用熔盐蓄热装置，实现热能的存储达到热中性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电化学储能技术，更具体地涉及一种可逆固体氧化物电池储能***。
背景技术
电能的利用具有时效性，而电能的生产却不具备时效性，这种矛盾产生了电能的存储需求。而且，新能源发电装机量的提升和其不可避免的发电波动性加剧了这一需求。
CN114221445A公开一种波浪发电能量存储***及运行该***的能量存储方法，它利用海洋中的波浪及风能发电，将电力进行电解水制氢、变压吸附制氮，并将制得的氢气和氮气合成制备成氨气，把氨气储存起来，并通过设置的燃料电池发电***将储存的氨气转换成电力。显然，该方案先利用电解池电解水制氢，再将制得的氢气与氮气通过传统合成氨工艺制取氨气，这里的氮气来源于空气，氢气来源于电解水，工艺冗长，中间过程能量耗损大，电解效率低。
CN115821303A公开一种耦合SOFC的可再生氢氨能源储能***，其储能部包括用于电解水制氢子***的质子交换膜电解槽、深冷空气分离制氮子***、合成氨工艺工序；释能部包括固体氧化物氨燃料电池工序；储能部以发电设备弃电执行电解水制氢作业作为其启动阶段；释能部的释能过程以储能部制备的氨为燃料驱动燃料电池工作以释放电能。这里的氮气来源于空气，氢气来源于电解水，该方案需要不断提供空气参与反应，空压泵存在功耗和噪音，并且空气的参与会产生水蒸汽和氧气的副产品，气体再次利用时需干燥和提纯。
实用新型内容
为了解决上述现有技术中的电能难以储存等问题，本实用新型提供一种可逆固体氧化物电池储能***。
根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能***，其包括RSOC***、熔盐蓄热装置和自循环气体闭路***，其中，RSOC***由SOFC和SOEC组成，SOFC为NH3作为储能介质的H-SOFC以限定发电模式，SOEC为NH3作为储能介质的H-SOEC以限定电解模式；发电和电解的不同模式时的吸热和产热与熔盐蓄热装置耦合，在工作过程中存储热能并再次分配，实现***的热中性，自循环气体闭路***通过氢氨转化的循环利用向H-SOFC供应NH3并向H-SOEC供应H2和N2。
优选地，在RSOC***中，NH3的分解与合成发生化学能的变化，将化学能与电能联系，从而形成电能的储存和释放的循环，调节电能的峰谷。
优选地，在H-SOFC中，向阳极通入NH3和H2的混合气，向阴极通入H2，发生电化学反应输出电能。
优选地，在H-SOEC中，向阳极通入H2，向阴极通入N2，施加电压发生电化学反应合成NH3。
优选地，H-SOFC运行时放热，其释放的热能存储于熔盐蓄热装置中，H-SOEC运行时吸热，熔盐蓄热装置存储的热能供其利用。
优选地，自循环气体闭路***包括用于存储NH3的第一容器、用于存储H2的第二容器和用于存储N2的第三容器，第一容器通过第一闭路管路连接在H-SOFC和H-SOEC之间以向H-SOFC供应NH3，第二容器通过第二闭路管路连接在H-SOFC和H-SOEC之间以向H-SOEC供应H2，第三容器通过第三闭路管路连接在H-SOFC和H-SOEC之间以向H-SOEC供应N2。
优选地，H-SOEC利用H-SOFC中制取并存储于第二和第三容器中的N2和H2合成NH3。
优选地，H-SOFC将H-SOEC合成的NH3作为燃料分解成N2和H2。
优选地，H-SOEC利用H-SOFC存储于熔盐蓄热装置中的热能实现热中性。
根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能***，针对电能和热能的储运困难的问题，提出以NH3为储能介质，利用氨燃料的可逆固体氧化物燃料电池***将NH3的分解与合成两个化学反应过程中化学能的变化同电能相互联系并转化，实现电能有效存储，减轻了电网负荷的波动；同时，利用熔盐蓄热装置，存储***放热时的热能，并为***在吸热时供热，实现了热能的存储，进而使***能够达到热中性，提高了***的能量利用效率。
附图说明
图1是根据本实用新型的一个优选实施例的可逆固体氧化物电池储能***的整体结构示意图。
图2是图1的质子型固体氧化物燃料电池的工作原理图。
图3是图1的固体氧化物燃料电解池的工作原理图。
图4是图1的自循环气体闭路***的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，根据本实用新型的一个优选实施例的可逆固体氧化物电池储能***包括可逆固体氧化物电池(Reversible Solid Oxide Cell，RSOC)***、熔盐蓄热装置和自循环气体闭路***，其中，RSOC***由固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)和固体氧化物燃料电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)组成，其分别与熔盐蓄热装置耦合以实现热量的循环利用，SOFC为基于氨燃料的质子型固体氧化物燃料电池(H-SOFC)以限定RSOC的发电模式，SOEC为基于氨燃料的质子型固体氧化物燃料电解池(H-SOEC)以限定RSOC的电解模式，自循环气体闭路***包括用于存储氨气(NH3)的第一容器(例如NH3瓶)、用于存储氮气(H2)的第二容器(例如H2瓶)和用于存储氢气(N2)的第三容器(例如N2瓶)，第一容器通过第一闭路管路连接在H-SOFC和H-SOEC之间以向H-SOFC供应NH3，第二容器通过第二闭路管路连接在H-SOFC和H-SOEC之间以向H-SOEC供应H2，第三容器通过第三闭路管路连接在H-SOFC和H-SOEC之间以向H-SOEC供应N2。
在RSOC***中，NH3作为储能介质，NH3分解与合成过程中发生化学能的变化，将化学能与电能联系，从而形成电能的储存和释放的循环，调节电能的峰谷。也就是说，根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能***的RSOC***，能量密度高，具有直接高效分解和合成NH3的先进功能，NH3的分解和合成反应都简单无副反应，利用NH3分解与合成过程中化学能的变化，形成电能-化学能-电能的转化，实现储能和释能的循环，调节电能的峰谷。特别想要说明的是，与现有技术中的相变不同，本实用新型提出对NH3的化学能进行利用，借助于无副反应且能量密度大的NH3的分解和合成过程，实现高效率的储能释能。在此基础上，本实用新型首次提出H-SOFC和H-SOEC的结合，在相对较低的温度下，可以实现能源的高效转换、储存和利用，有助于提高能源***的可持续性和灵活性，推动清洁能源技术的发展。
在RSOC***中，H-SOFC运行时放热，其释放的热能存储于熔盐蓄热装置中，H-SOEC运行时吸热，熔盐蓄热装置存储的热能供其利用，发电和电解的不同模式时的吸热和产热与熔盐蓄热装置耦合，在工作过程中存储热能并再次分配，实现***的热中性。也就是说，根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能***的RSOC***，耦合熔盐蓄热装置的储热功能，将SOFC模式时的放热利用到SOEC模式的吸热上，使***的热能能够高效地利用，从而实现储能***的热中性，而提高***的储能效率。
根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能方法包括：在用电波峰时，通过H-SOFC启用发电模式用以补充电能利用的缺口，减轻电网负荷压力；在用电波谷时，通过H-SOEC在电解模式下利用多余的电能，制备NH3。
H-SOFC由电池片堆叠而成，电池片由阳极流道、阳极功能层、电解质、阴极功能层和阴极流道组成，如图2所示，利用电化学反应，将NH3分解成N2和H2。具体操作方式是向阳极流道中通入NH3和H2的混合气，向阴极流道中通入H2，在电堆中发生下式(1)的电化学反应，输出电能，释放热量。
SOFC的阴极：6H+→3H2-6e-
SOFC的阳极：2NH3→N2+6H++6e- (1)
H-SOEC由电池片堆叠而成，电池片由阳极流道、阳极功能层、电解质、阴极功能层和阴极流道组成，如图3所示，其是H-SOFC的逆反应，利用电化学反应，将H-SOFC中产生的N2和H2合成为NH3，无副反应NOX等的产生。具体操作方式是向阳极流道中通入H2，向阴极流道中通入N2，施加电压，在电堆中发生下式(2)的电化学反应，合成NH3，吸收热量。
SOEC的阴极：N2+6H++6e-→2NH3
SOEC的阳极：3H2-6e-→6H+ (2)
如图4所示，H-SOEC制得的NH3储存在NH3瓶中，通过第一闭路管路可供H-SOFC利用，H-SOFC的尾气为H2和N2，其分别存储在H2瓶和N2瓶中，通过第二和第三闭路管路可以供下轮H-SOEC的再次利用，以此完成气体循环。特别地，根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能***内的气体的利用方式为投料和产品循环利用，气体***为封闭***，因此，初次运行后，无需再向***提供气体，与环境大气不产生物质交流，无漏气风险，安全性能高。与现有技术中的来源于空气中的N2相比，本实用新型提供氢氨转化的循环利用，N2是***自动生成的，无空气参与。
相比于有空气参与反应且有副产品产生的现有技术，根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能***的作为储能介质的气体循环是封闭***，不需反复提纯，不会造成额外功耗。
回到图1，当耗电波峰时，需要***向外输出电能以补充用电器的功耗，通过H-SOFC启动发电模式，结合图2，直接将NH3作为燃料，通入电池的阳极流道中，H2作为辅助气，通入电池的阴极流道中，经电化学反应，NH3会分解为H2和N2。N2由阳极流道流出并收集于储气瓶(参见图4)中，H2由阴极流道流出并收集于储气瓶(参见图4)中。回到图1，待用电波谷时，调整为电解模式，将多余的电量通入H-SOEC，利用H-SOFC中制取并存储于储气瓶中的N2和H2分别通入H-SOEC的阴极和阳极，结合图3，经电化学反应，直接将N2和H2合成NH3由阴极流道排出，无副反应产生，排出的NH3收集于储气瓶(参见图4)中，以供下个循环中H-SOFC利用。
回到图1，当用电波峰时，H-SOFC运行时会释放电能和热能，电能用于补充发电，热能存储于熔盐蓄热装置中。待用电波谷时，H-SOEC吸收电能和热能，电网中的余电可用于维持电堆的电解，H-SOFC存储于熔盐蓄热装置的热能可用于给H-SOEC电堆供热。具体说来，H-SOFC运行时为放热过程，H-SOEC运行时为吸热过程，利用熔盐蓄热装置的储热能力，将H-SOFC运行时放出的余热品质高的热能存储起来，以供给H-SOEC运行时使用，实现热中性，或作为高品热源供给其他的用热装置，提高***的热利用和储能效率。
如此，根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能方法，可实现电能-化学能-电能的能源灵活转化，具有广阔的发展空间和应用前景。根据本实用新型的可逆固体氧化物电池储能***，利用化学能的变化和具体的化学物质易于存储的特性，通过RSOC装置实现电能-化学能-电能的循环，进而实现了电能的高效存储；同时还通过熔盐蓄热装置实现***热能的存储和再分配，进而实现***的热中性，可以解决电能和热能难以存储的问题，能够将用电波谷时的弃电和发电装置的高品质余热进行环保储运，在用电波峰时接力供电和供热，实现了能量从电到电、从热到热的高效转化，具有全固态、能效高、燃料灵活、噪音低的优点，能够极大地促进能源体系清洁化发展、助力实现“双碳”目标。
此外，由于H-SOFC和H-SOEC互为逆反应，根据物质守恒定律，其生成和消耗的气量不会改变，因此在循环过程中，无需和外界环境进行物质交换，可以将NH3的分解和合成的循环气路制造成密闭气路，无气体泄露风险，提高了***的安全性。
以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种可逆固体氧化物电池储能***，其特征在于，该可逆固体氧化物电池储能***包括RSOC***、熔盐蓄热装置和自循环气体闭路***，其中，RSOC***由SOFC和SOEC组成，SOFC为NH3作为储能介质的H-SOFC以限定发电模式，SOEC为NH3作为储能介质的H-SOEC以限定电解模式；发电和电解的不同模式时的吸热和产热与熔盐蓄热装置耦合，在工作过程中存储热能并再次分配，实现***的热中性，自循环气体闭路***通过氢氨转化的循环利用向H-SOFC供应NH3并向H-SOEC供应H2和N2。
2.根据权利要求1所述的可逆固体氧化物电池储能***，其特征在于，在RSOC***中，NH3的分解与合成发生化学能的变化，将化学能与电能联系，从而形成电能的储存和释放的循环，调节电能的峰谷。
3.根据权利要求2所述的可逆固体氧化物电池储能***，其特征在于，在H-SOFC中，向阳极通入NH3和H2的混合气，向阴极通入H2，发生电化学反应输出电能。
4.根据权利要求2所述的可逆固体氧化物电池储能***，其特征在于，在H-SOEC中，向阳极通入H2，向阴极通入N2，施加电压发生电化学反应合成NH3。
5.根据权利要求1所述的可逆固体氧化物电池储能***，其特征在于，H-SOFC运行时放热，其释放的热能存储于熔盐蓄热装置中，H-SOEC运行时吸热，熔盐蓄热装置存储的热能供其利用。
6.根据权利要求1所述的可逆固体氧化物电池储能***，其特征在于，自循环气体闭路***包括用于存储NH3的第一容器、用于存储H2的第二容器和用于存储N2的第三容器，第一容器通过第一闭路管路连接在H-SOFC和H-SOEC之间以向H-SOFC供应NH3，第二容器通过第二闭路管路连接在H-SOFC和H-SOEC之间以向H-SOEC供应H2，第三容器通过第三闭路管路连接在H-SOFC和H-SOEC之间以向H-SOEC供应N2。
7.根据权利要求6所述的可逆固体氧化物电池储能***，其特征在于，H-SOEC利用H-SOFC中制取并存储于第二和第三容器中的N2和H2合成NH3。
8.根据权利要求7所述的可逆固体氧化物电池储能***，其特征在于，H-SOFC将H-SOEC合成的NH3作为燃料分解成N2和H2。
9.根据权利要求1所述的可逆固体氧化物电池储能***，其特征在于，H-SOEC利用H-SOFC存储于熔盐蓄热装置中的热能实现热中性。
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| GR01 | Patent grant | ||
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