[发明专利]一种可逆循环绿色能源转换系统及转换方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池发电系统和固体氧化物电解池制氢系统，特别涉及一种对称结构的固体氧化物燃料电池发电系统和对称结构的固体氧化物电解池制氢系统及转换方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种具有高效率、低污染、全固态等优点的新型发电装置。由于其对多种燃料气体(氢气、碳氢化合物等)的广泛适应性，所以具有广泛的应用基础。

SOFC的性能很大程度上受电极材料(阴极和阳极)的催化性能决定。最近的研究表明，传统SOFC的构型能被一种新的构型取代，电极材料可以同时用于阴极和阳极，即对称固体氧化物燃料电池(SSOFC)。因其具有简单的制备工艺，通过改变气流方向就可以有效解决电极表面硫中毒和碳沉积等优点，近期受到了人们的广泛重视。

发展SSOFC技术最直接的目的就是简化SOFC的制备工艺，降低生产成本。与传统的SOFC制备工艺需要多次烧结不同，SSOFC只需要一次烧结过程就可以将电极材料和电解质烧结成形。此外，阳极和阴极都使用同一种材料，有效地改善了电极材料与电解质之间的热匹配问题。因为在传统的SOFC构型中，不仅存在阳极-电解质界面，还存在阴极-电解质界面。而在SSOFC中，只存在电极-电解质一个界面。另外一个采用SSOFC构型的主要优点是：通过简单地改变空气和燃料气的方向，可以解决电极表面硫中毒和碳沉积的问题。更重要的是如果采用的电极材料能够在多次循环的工作条件下保持性能稳定，那么这种材料也可以被用来做固体氧化物电解池(SOEC)的电极材料。

固体氧化物电解池(SOEC)则是将电能转化为化学能的电化学装置，它的运行过程可以看作是SOFC的逆过程。近期，因为SOEC比传统的低温制氢方法更高效、更有实际意义，所以吸引了众多研究者的兴趣。利用固体氧化物电解池的高温水蒸气电解技术能够克服低温电解水制氢技术的缺点，实现高效制氢。由于SOEC是SOFC的逆过程，且SOEC与SOFC结构类似，均为三明治夹层结构，所以如果选择合适的电极材料，那么SSOFC也可以用于SSOEC来制氢。

如何将上述SSOFC-SSOEC集成为一个可逆循环能源转换系统，即对称可逆能源转换系统，并且如何使该系统能够更适合、更优异地使用和工作，成为目前研究的重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种由对称固体氧化物燃料电池发电装置和对称固体氧化物电解池制氢装置的可逆能源转换系统以及利用该系统的转换方法。本发明集成了电化学发电和储能技术；通过SSOFC发电系统将化学能直接转化为电能，通过电力转换系统并入交流电网。本发明的可逆能源转换系统具有容量大、寿命长、成本低、能源转换效率高及环境友好等优势。

本发明采用的技术方案为：

一种可逆循环绿色能源转换系统，包括：结构对称的固体氧化物燃料电池SSOFC和固体氧化物电解池SSOEC，所述结构对称的固体氧化物燃料电池SSOFC和固体氧化物电解池SSOEC阳极和阴极材料一致，电解质采用阳离子导体和质子导体的致密陶瓷薄膜；其中：

固体氧化物燃料电池SSOFC，用于将发电产生电能为用户和固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统提供电能；

固体氧化物电解池SSOEC，用于在电极材料的催化作用下将高温水蒸气生成氢气和氧气；

燃料供给控制系统，通过控制燃料气的流速将燃料气提供给固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆；

热管理系统，用于将固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆所产生的热量回收，为高温水蒸气产生系统提供热源；

氧化气供给控制系统，用于收集固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统阳极侧所产生的氧气，为固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆供氧；

气体分离系统，用于将固体氧化物电解池SSOEC的产氢系统产生氢气和水蒸汽混合气进行干燥、分离，为固体氧化物燃料电池SSOFC的发电电池堆提供纯氢气；

所述固体氧化物燃料电池SSOFC通过燃料供给控制系统与燃料存储罐相连通，固体氧化物燃料电池SSOFC一路连通热管理系统，另一路连通用户；热管理系统经高温水蒸气产生系统连通水蒸气供给控制系统至固体氧化物电解池SSOEC，固体氧化物电解池SSOEC一路依次经氧化气供给控制系统、氧气循环系统连通至固体氧化物燃料电池SSOFC，另一路经气体分离系统连通至燃料供给控制系统；

所述固体氧化物燃料电池SSOFC和固体氧化物电解池SSOEC可互换使用。