一種耦合CO₂資源化利用的制氫儲能方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，用于控制利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電的發(fā)電裝置、制氫裝置及可逆SOFC裝置，并獲取發(fā)電裝置的發(fā)電量Q1、制氫裝置電解水所需的用電量Q2、可逆SOFC裝置共電解水和CO2所需的用電量Q3；當(dāng)Q1>Q2+Q3時，發(fā)電裝置分別向制氫裝置和可逆SOFC裝置供電；當(dāng)Q2+Q3>Q1>Q2時，發(fā)電裝置僅向制氫裝置供電；當(dāng)Q2>Q1時，可逆SOFC裝置進(jìn)入SOFC工作模式，產(chǎn)生的電能為制氫裝置供電。本發(fā)明的方法不僅儲備了可再生能源，還實現(xiàn)了CO2的資源化利用，有效解決了因采用風(fēng)能、太陽能發(fā)電而導(dǎo)致電解制氫的間歇性和波動性問題，并且還能避免消耗常規(guī)電能，大幅降低電解制氫成本、提高電解效率，延長制氫裝置的使用壽命、提高制氫裝置的穩(wěn)定性和能量利用率。
【專利說明】
一種耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于能源利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)能-太陽能-SOEC能源互補的SPE耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在人類的發(fā)展歷程中，煤炭、石油、天然氣等化石能源為人類文明的進(jìn)步做出了卓越的貢獻(xiàn)，未來的幾十年內(nèi)化石能源對人類社會的發(fā)展依然起著舉足輕重的作用。然而，隨著經(jīng)濟(jì)和人口的快速發(fā)展，化石能源的過度開發(fā)及利用率低等因素已造成世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)，并嚴(yán)重地破壞了生態(tài)平衡，尤其是在技術(shù)相對落后的不發(fā)達(dá)國家或者發(fā)展中國家，環(huán)境污染給人們生活帶來的危害日益突出，因此，開發(fā)新型能源，研制清潔高效的能量轉(zhuǎn)換策略已成為人類生存發(fā)展的必然選擇。
[0003]作為一種清潔的可再生能源，氫氣被公認(rèn)為是能源供應(yīng)的最終選擇，固體氧化物電解質(zhì)(SPE)電解水制氫技術(shù)可以制備高純氫，因而非常適用于開發(fā)氫燃料電池。目前SPE制氫的電解效率最高可達(dá)75%，但總的制氫效率卻只有35%，這是因為制氫技術(shù)主要消耗的是電能，平均生產(chǎn)每立方米的氫氣所需的電能為4.5?5.5kWh，電費消耗占整個制氫成本的80%，因此，如何有效降低制氫成本、提高制氫效率是本領(lǐng)域研究的重要課題。
[0004]近年來，利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源的發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了飛速發(fā)展，風(fēng)能和太陽能發(fā)電的生產(chǎn)規(guī)模和市場化也得到進(jìn)一步擴(kuò)大。但由于風(fēng)能和太陽能發(fā)電均存在著不穩(wěn)定、難以智能并網(wǎng)的不足，故而可以將風(fēng)能和太陽能經(jīng)過SPE電解水制氫而間接地儲存在出中，這種方式更有利于能源的儲存和運輸，且運輸過程中不需要復(fù)雜的電網(wǎng)運輸系統(tǒng)、能量損失少。例如，中國專利文獻(xiàn)CN105631230A公開了一種太陽能光伏組件與SPE電解槽的直接耦合優(yōu)化方法，該方法通過對光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)中的串聯(lián)光伏電池板數(shù)量進(jìn)行精確計算，使得光伏組件能夠直接與SPE電解槽連接，從而優(yōu)化了資源配置，提高了制氫系統(tǒng)的整體工作效率。然而，風(fēng)能和太陽能發(fā)電受天氣因素影響較大，夜間無日光、陰天下雨、或者風(fēng)力不足時都會造成風(fēng)能和太陽能單獨發(fā)電存在間歇性和波動性，從而影響SPE電解制氫的效率，上述技術(shù)顯然沒有考慮到這一現(xiàn)實情況，因而無法克服因采用風(fēng)能和太陽能發(fā)電而導(dǎo)致SPE電解制氫的間歇性和波動性等缺陷。
[0005]眾所周知，化石能源的消耗與CO2的排放密切相關(guān)，CO2等溫室氣體所導(dǎo)致的全球性氣候變暖問題已成為當(dāng)今國際社會討論的重要議題。固體氧化物電解池(SOEC)技術(shù)可以共電解CO2和水生產(chǎn)合成氣，使CO2變廢為寶，實現(xiàn)了 CO2的資源化利用。另外，SOEC的逆運行即成為固體氧化物燃料電池(SOFC)，它可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具有燃料適應(yīng)性廣(例如所用燃料可以是H2、C0或碳?xì)浠衔?、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)簡單、部分負(fù)載效率高等優(yōu)點。上述這種既可以處于SOFC工作模式，又可以處于SOEC工作模式的固體氧化物燃料電池，稱之為可逆固體氧化燃料電池，簡稱可逆S0FC。
[0006]綜上所述，如何能夠?qū)崿F(xiàn)可逆SOFC與SPE電解制氫技術(shù)的耦合，使得既可利用SOFC發(fā)電系統(tǒng)為SPE供電以解決因采用風(fēng)能和太陽能發(fā)電而導(dǎo)致SPE電解制氫的間歇性和波動性問題，又可通過SOEC電解系統(tǒng)達(dá)到CO2資源化利用的目的，這依然是本領(lǐng)域研究的技術(shù)空白點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)由于轉(zhuǎn)換效率低而無法實現(xiàn)可逆S0FC與電解制氫耦合的缺陷，進(jìn)而提供一種能夠耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，以解決因采用風(fēng)能和太陽能發(fā)電而導(dǎo)致電解制氫存在間歇性和波動性的問題，同時實現(xiàn)0)2的資源化利用。
[0008]為此，本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為:
[0009]一種耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，用于控制利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電的發(fā)電裝置、制氫裝置及可逆SOFC裝置，獲取所述發(fā)電裝置的發(fā)電量Q1、所述制氫裝置電解水所需的用電量Q2、所述可逆SOFC裝置共電解水和(》2所需的用電量Q3;
[0010]當(dāng)Q1>Q2+Q3時，所述發(fā)電裝置分別向所述制氫裝置和所述可逆SOFC裝置供電，以使所述制氫裝置生產(chǎn)氫氣和氧氣，同時所述可逆SOFC裝置進(jìn)入SOEC工作模式制得含有H2、CO、CH4和C2H4的混合氣體；
[0011 ]當(dāng)Q2+Q3>Q1>Q2時，所述發(fā)電裝置僅向所述制氫裝置供電；
[0012]當(dāng)Q2>Q1時，所述可逆SOFC裝置進(jìn)入SOFC工作模式，利用燃料和空氣發(fā)電，產(chǎn)生的電能為所述制氫裝置供電。
[0013]優(yōu)選地，當(dāng)Ql>Q2+Q3時，還包括將所述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能并網(wǎng)運行。
[0014]優(yōu)選地，當(dāng)Q2>Q1時，還包括將所述可逆SOFC裝置產(chǎn)生的電能并網(wǎng)運行。
[0015]優(yōu)選地，所述燃料為氫氣或所述可逆SOFC裝置在SOEC工作模式下制得的混合氣體。
[0016]優(yōu)選地，所述氫氣由所述制氫裝置電解水而得。
[0017]進(jìn)一步地，利用所述混合氣體加熱電解所需的水。
[0018]更進(jìn)一步地，利用所述可逆SOFC裝置在SOFC工作模式下產(chǎn)生的陰極尾氣加熱電解所需的水。
[0019]優(yōu)選地，在所述可逆SOFC裝置中，氫電極材料為N1-YSZ、N1-SDC、N1-GDC、LSCM或SFM，氧電極材料為BSCF、LSCF或SSC，電解質(zhì)為YSZ、SDC、⑶C或LSGM中的一種或多種。
[0020]優(yōu)選地，在催化劑存在的條件下，所述可逆SOFC裝置共電解水和CO2制得所述混合氣體，所述催化劑為納米銅系催化劑。
[0021]本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點:
[0022]1、本發(fā)明所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，用于控制利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電的發(fā)電裝置、制氫裝置及可逆SOFC裝置，并獲取發(fā)電裝置的發(fā)電量Q1、制氫裝置電解水所需的用電量Q2、可逆SOFC裝置共電解水和⑶2所需的用電量Q3;當(dāng)Q1>Q2+Q3時，發(fā)電裝置分別向制氫裝置和可逆SOFC裝置供電，以使制氫裝置生產(chǎn)氫氣和氧氣，同時可逆SOFC裝置進(jìn)入SOEC工作模式制得含有H2、C0、CH4和C2H4的混合氣體；當(dāng)Q2+Q3>Q1>Q2時，發(fā)電裝置僅向制氫裝置供電；當(dāng)Q2>Q1時，可逆SOFC裝置進(jìn)入SOFC工作模式，利用燃料和空氣發(fā)電，產(chǎn)生的電能為制氫裝置供電。本發(fā)明的方法通過根據(jù)發(fā)電裝置的發(fā)電量、制氫裝置電解所需的用電量和可逆SOFC裝置電解所需的用電量來控制發(fā)電裝置的電能輸出、制氫裝置的電能輸入、及可逆SOFC裝置的電能輸出或輸入，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)因轉(zhuǎn)換效率低而無法實現(xiàn)可逆S0FC與電解制氫耦合的缺陷，使得本發(fā)明可以將風(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能分別儲存到氫氣及上述混合氣體中，不僅儲備了可再生能源，制得了清潔的燃料氣，同時還實現(xiàn)了CO2的資源化利用，并且風(fēng)能和太陽能的結(jié)合使得本發(fā)明基本能夠應(yīng)對各種天氣狀況對發(fā)電裝置產(chǎn)生的負(fù)面影響，即便是在風(fēng)能、太陽能不足的情況下，本發(fā)明還可通過可逆SOFC裝置的發(fā)電繼續(xù)為制氫裝置提供電能，一方面可確保制氫裝置的持續(xù)電解制氫，從而有效解決了因采用風(fēng)能、太陽能發(fā)電而導(dǎo)致電解制氫存在間歇性和波動性的問題，另一方面也可避免制氫裝置消耗常規(guī)的電能，大幅降低了電解制氫的成本、提高了電解效率，使得本發(fā)明的制氫效率可高達(dá)70%，第三方面還有助于延長制氫裝置的使用壽命、提高制氫裝置的穩(wěn)定性和能量利用率。
[0023]2、本發(fā)明所述的耦合⑶2資源化利用的制氫儲能方法，當(dāng)Q1>Q2+Q3時，發(fā)電裝置除了向制氫裝置和可逆SOFC裝置供電外還可以將所述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能并網(wǎng)運行；當(dāng)Q2>Ql時，可逆SOFC裝置除了向制氫裝置供電外還可以將所述可逆SOFC裝置產(chǎn)生的電能并網(wǎng)運行；由此使得本發(fā)明的方法不僅能夠儲氫，還能實現(xiàn)并網(wǎng)運行，在用電高峰期時，發(fā)電裝置可以將多余的電能提供給電網(wǎng)，同時可逆SOFC裝置也可以利用其自身共電解所儲存的化學(xué)能為千家萬戶輸送電力，達(dá)到削峰填谷的目的。
[0024]3、本發(fā)明所述的耦合⑶2資源化利用的制氫儲能方法，由于可逆SOFC裝置在SOEC工作模式下的工作溫度為800°C左右，在如此高溫下共電解水和CO2所產(chǎn)生的混合氣體自身攜帶著大量的熱量，另外，可逆SOFC裝置在SOFC工作模式下產(chǎn)生的陰極尾氣也具有一定的熱量，因而本發(fā)明通過利用該混合氣體或陰極尾氣加熱電解所需的水，從而有利于進(jìn)一步降低制氫成本、提高系統(tǒng)效率，實現(xiàn)熱電聯(lián)供。
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本發(fā)明【具體實施方式】中的技術(shù)方案，下面將對【具體實施方式】描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1為本發(fā)明所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法的流程圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實施例6所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能裝置的示意圖；
[0028]其中，附圖標(biāo)記如下:
[0029]1-太陽能電池;2-風(fēng)力發(fā)電機(jī);3-電解裝置;4-儲氫罐;5-發(fā)電裝置的電輸出端;6_可逆SOFC裝置的電輸出端;7-可逆SOFC裝置的電輸入端，8-可逆SOFC裝置;9-控制單元；10-陰極水回收裝置；11-⑶2氣罐；12-混合氣罐；13-蓄水罐；14-水箱本體；15-第一換熱管道；16-第二換熱管道;17-冷凝回收裝置;18-第一電磁閥；19-第二電磁閥；20-第三電磁閥；21-第四電磁閥；22-第五電磁閥；23-第六電磁閥；24-水汽化器;25-氣體混合器;26-氧氣罐。
【具體實施方式】
[0030]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，下面所描述的本發(fā)明不同實施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。
[0031]實施例1
[0032]如圖1所示，本實施例所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法可用于控制利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電的發(fā)電裝置、SPE制氫裝置及可逆SOFC裝置，所述發(fā)電裝置的發(fā)電量Ql =1200千瓦時、所述SPE制氫裝置電解水所需的用電量Q2 = 58千瓦時、所述可逆SOFC裝置共電解水和CO2所需的用電量Q3 = 95千瓦時；
[0033]在此條件下，所述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能一部分向所述SPE制氫裝置供電，使得所述SPE制氫裝置電解水生產(chǎn)氫氣和氧氣，另一部分向所述可逆SOFC裝置供電，這時所述可逆SOFC裝置進(jìn)入SOEC工作模式，在納米銅系催化劑的作用下共電解水和CO2制得含有H2、C0、CH4和C2H4的混合氣體，而剩余部分電能并網(wǎng)運行。
[0034]在本實施例中，所述可逆SOFC裝置的氫電極材料為N1-YSZ，氧電極材料為LSCF，電解質(zhì)為LSGM。
[0035]實施例2
[0036]如圖1所示，本實施例所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法用于控制利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電的發(fā)電裝置、SPE制氫裝置及可逆SOFC裝置，所述發(fā)電裝置的發(fā)電量Ql =135千瓦時、所述SPE制氫裝置電解水所需的用電量Q2 = 58千瓦時、所述可逆SOFC裝置共電解水和CO2所需的用電量Q3 = 95千瓦時；
[0037]在此條件下，所述發(fā)電裝置僅向所述SPE制氫裝置供電，而可逆SOFC裝置則被切斷電能供應(yīng)。
[0038]在本實施例中，所述可逆SOFC裝置的氫電極材料為LSCM，氧電極材料為BSCF，電解質(zhì)為SDC。
[0039]實施例3
[0040]如圖1所示，本實施例所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法用于控制利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電的發(fā)電裝置、SPE制氫裝置及可逆SOFC裝置，所述發(fā)電裝置的發(fā)電量Ql = 1千瓦時、所述SPE制氫裝置電解水所需的用電量Q2 = 58千瓦時、所述可逆SOFC裝置共電解水和CO2所需的用電量Q3 = 95千瓦時；
[0041]在此條件下，所述可逆SOFC裝置進(jìn)入SOFC工作模式，利用其自身共電解制得的混合氣體作為燃料和空氣發(fā)電，產(chǎn)生的電能可達(dá)86千瓦時，其中一部分電能為所述SPE制氫裝置供電，剩余部分電能則并網(wǎng)運行。
[0042]在本實施例中，所述可逆SOFC裝置的氫電極材料為SFM，氧電極材料為SSC，電解質(zhì)為 GDC 0
[0043]實施例4
[0044]如圖1所示，本實施例所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法用于控制利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電的發(fā)電裝置、SPE制氫裝置及可逆SOFC裝置，所述發(fā)電裝置的發(fā)電量Ql =1142千瓦時、所述SPE制氫裝置電解水所需的用電量Q2 = 58千瓦時、所述可逆SOFC裝置共電解水和CO2所需的用電量Q3 = 95千瓦時；
[0045]在此條件下，所述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能一部分向所述SPE制氫裝置供電，使得所述SPE制氫裝置電解水生產(chǎn)氫氣和氧氣，另一部分向所述可逆SOFC裝置供電，這時所述可逆SOFC裝置進(jìn)入SOEC工作模式，在納米銅系催化劑的作用下共電解水和CO2制得含有H2、C0、CH4和C2H4的混合氣體，而剩余部分電能并網(wǎng)運行；
[0046]與此同時，利用所述混合氣體與水換熱，以加熱水，再將經(jīng)加熱的水用作所述SPE制氫裝置和所述可逆SOFC裝置電解所需的水源。
[0047]在本實施例中，所述可逆SOFC裝置的氫電極材料為N1-SDC，氧電極材料為SSC，電解質(zhì)為YSZ。
[0048]實施例5
[0049]如圖1所示，本實施例所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法用于控制利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電的發(fā)電裝置、SPE制氫裝置及可逆SOFC裝置，所述發(fā)電裝置的發(fā)電量Ql = 1千瓦時、所述SPE制氫裝置電解水所需的用電量Q2 = 58千瓦時、所述可逆SOFC裝置共電解水和CO2所需的用電量Q3 = 95千瓦時；
[0050]在此條件下，所述可逆SOFC裝置進(jìn)入SOFC工作模式，利用其自身共電解制得的混合氣體作為燃料和空氣發(fā)電，產(chǎn)生的電能可達(dá)86千瓦時，其中一部分電能為所述SPE制氫裝置供電，剩余部分電能則并網(wǎng)運行；
[0051]與此同時，利用所述可逆SOFC裝置排出的陰極尾氣與水換熱，以加熱水，再將經(jīng)加熱的水用作所述SPE制氫裝置電解所需的水源。
[0052]在本實施例中，所述可逆SOFC裝置的氫電極材料為N1-GDC，氧電極材料為LSCF，電解質(zhì)為GDC。
[0053]實施例6
[0054]上述實施例1-5中所述的方法是基于如圖2所示的耦合CO2資源化利用的制氫儲能裝置而實現(xiàn)的，該裝置包括發(fā)電裝置、制氫裝置、可逆SOFC裝置及控制單元，其中:所述發(fā)電裝置包括太陽能電池I和風(fēng)力發(fā)電機(jī)2;所述制氫裝置包括電解裝置3及與所述電解裝置3相連的儲氫罐4和氧氣罐26，所述電解裝置3與所述發(fā)電裝置的電輸出端5相連;所述可逆SOFC裝置8的電輸入端7與所述發(fā)電裝置的電輸出端5相連，所述可逆SOFC裝置8的電輸出端6與所述電解裝置3相連，所述可逆SOFC裝置8還設(shè)置有0)2進(jìn)口和燃料進(jìn)口 ；所述控制單元9用于根據(jù)所述發(fā)電裝置的發(fā)電量、所述制氫裝置電解所需的用電量和所述可逆SOFC裝置8電解所需的用電量控制所述發(fā)電裝置的電能輸出、控制所述制氫裝置的電能輸入、以及控制所述可逆SOFC裝置8的電能輸出或輸入。
[0055]本實施例所述的裝置通過設(shè)置控制單元，使得控制單元能夠根據(jù)發(fā)電裝置的發(fā)電量Q1、制氫裝置電解所需的用電量Q2以及可逆SOFC裝置電解所需的用電量Q3三者間的大小關(guān)系決定發(fā)電裝置的電能輸出、制氫裝置的電能輸入、及可逆SOFC裝置的電能輸出或輸入，具體地講，當(dāng)Q1>Q2+Q3時，發(fā)電裝置分別向制氫裝置和可逆SOFC裝置供電，使得制氫裝置發(fā)生電解制得氫氣，同時可逆SOFC裝置也進(jìn)入SOEC工作模式共電解水和CO2制得含H2、C0、CH4和C2H4的混合氣體，從而將風(fēng)能、太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能分別儲存到氫氣及上述混合氣體中，不僅儲備了可再生能源，同時還實現(xiàn)了CO2的資源化利用；當(dāng)Q2+Q3>Q1>Q2時，發(fā)電裝置僅向制氫裝置供電，以保證持續(xù)制氫;而當(dāng)Q2>Q1時，即發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能無法滿足制氫裝置電解所需的電能，則可逆SOFC裝置進(jìn)入SOFC工作模式，利用燃料和空氣發(fā)電，進(jìn)而為制氫裝置提供電能，由此確保制氫裝置的持續(xù)電解制氫，從而有效解決因采用風(fēng)能、太陽能發(fā)電而導(dǎo)致電解制氫的間歇性和波動性問題。并且，本實施例的裝置通過利用風(fēng)能和太陽能等可再生能源發(fā)電為制氫裝置和可逆SOFC裝置工作提供電能，風(fēng)能和太陽能的結(jié)合使得本實施例的裝置基本能夠應(yīng)對各種天氣狀況對發(fā)電裝置產(chǎn)生的負(fù)面影響；即便在風(fēng)能、太陽能不足的情況下本實施例還可通過可逆SOFC裝置發(fā)電繼續(xù)為制氫裝置提供電能，一方面避免制氫裝置消耗常規(guī)的電能，大幅降低了電解制氫的成本、提高了電解效率，使得本實施例的制氫效率可高達(dá)70%，另一方面還有助于延長電解裝置的使用壽命、提高電解裝置的穩(wěn)定性和能量利用率。
[0056]在本實施例中，所述控制單元9包括順次連接的A/D轉(zhuǎn)換器、變壓器和控制器;所述控制器用于將所述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能傳輸給所述電解裝置3、所述可逆SOFC裝置8和/或電網(wǎng)、以及將所述可逆SOFC裝置8產(chǎn)生的電能傳輸給所述電解裝置3和/或電網(wǎng)，從而使得本實施例的裝置不僅能夠儲氫，還能實現(xiàn)并網(wǎng)運行，在用電高峰期時，發(fā)電裝置可以將多余的電能提供給電網(wǎng)，同時可逆SOFC裝置也可以利用其自身共電解所儲存的化學(xué)能為千家萬戶輸送電力，達(dá)到削峰填谷的目的。
[0057]作為優(yōu)選的實施方式，所述燃料進(jìn)口與所述儲氫罐4相連通，以利用制氫裝置電解產(chǎn)生的氫氣作為SOFC的燃料進(jìn)行發(fā)電。進(jìn)一步地，所述可逆SOFC裝置8還設(shè)置有陰極尾氣出口，所述陰極尾氣出口與陰極水回收裝置10相連。
[0058]作為可選擇的實施方式，本實施例中的裝置還包括與所述可逆SOFC裝置8的CO2進(jìn)口相連接的CO2氣罐11、分別與所述可逆SOFC裝置8的進(jìn)水口和所述電解裝置3的進(jìn)水口相連接的蓄水罐13、水汽化器24、氣體混合器25、以及與所述可逆SOFC裝置8的出氣口相連接的混合氣罐12;在本實施例中，蓄水罐13中的水經(jīng)水汽化器24汽化后與來自CO2氣罐11中的CO2氣體在氣體混合器25中充分混合，而后進(jìn)入可逆SOFC裝置8中發(fā)生共電解，產(chǎn)生含H2、CO、CH4和(:出4的混合氣體并儲存于混合氣罐12中，該混合氣體既可以作為SOFC的燃料使用，也可經(jīng)分離后分別得到純凈的H2、CO、CH4和C2H4氣體。
[0059]由于可逆SOFC裝置8在SOEC工作模式下的工作溫度為800°C左右，在如此高溫下共電解水和CO2所產(chǎn)生的混合氣體自身攜帶著大量的熱量，并且，可逆SOFC裝置8在SOFC工作模式下產(chǎn)生的陰極尾氣也具有一定的熱量，因而作為優(yōu)選的實施方式，本實施例所述的裝置還設(shè)置有換熱水箱，所述換熱水箱包括水箱本體14和沿所述水箱本體14的外壁螺旋設(shè)置的第一換熱管道15和第二換熱管道16，其中，所述水箱本體14設(shè)置有入水口和出水口，所述入水口與所述蓄水罐13相連通，所述出水口分別與所述可逆SOFC裝置8的進(jìn)水口和所述電解裝置3的進(jìn)水口相連接，所述第一換熱管道15的兩端分別與所述可逆SOFC裝置8的出氣口和所述混合氣罐12相連通，所述第二換熱管道16的兩端分別與所述陰極尾氣出口與陰極水回收裝置10相連通;從而能夠利用混合氣體和陰極尾氣分別預(yù)熱電解過程中所需的水源，從而有利于進(jìn)一步降低制氫成本、提高系統(tǒng)效率，實現(xiàn)熱電聯(lián)供。
[0060]為盡可能地獲得純凈的燃料氣體，本實施例所述的裝置還包括冷凝回收裝置17，其設(shè)置于所述水箱本體14與所述混合氣罐12之間的第一換熱管道15上，并與所述可逆SOFC裝置8的出氣口和所述混合氣罐12相連通，如此可以除去共電解所產(chǎn)生的混合氣體中摻雜的水蒸汽。
[0061]考慮到冷凝回收裝置和陰極水回收裝置中的水均較為純凈且具有一定的溫度，因而本實施例所述的裝置還進(jìn)一步設(shè)置了第一電磁閥18和第二電磁閥19，以分別將所述冷凝回收裝置17、所述陰極水回收裝置10與所述水箱本體14相連。除此之外，本實施例所述的裝置還包括設(shè)置在所述CO2氣罐11與所述可逆SOFC裝置8的⑶2進(jìn)口之間的連接線路上的第三電磁閥20，設(shè)置在所述蓄水罐13與所述可逆SOFC裝置8的進(jìn)水口之間的連接線路上的第四電磁閥21，設(shè)置在所述可逆SOFC裝置8的進(jìn)氫口與所述儲氫罐4之間的連接線路上的第五電磁閥22，以及設(shè)置在所述蓄水罐13與所述水箱本體14之間的連接線路上的第六電磁閥23，并通過所述控制器控制上述六個電磁閥的開/斷，以實現(xiàn)CO2氣體、氫氣、水蒸汽和水的自動化供應(yīng)，從而也有利于提高本實施例所述裝置的制氫儲能效率。
[0062]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項】
1.一種耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，用于控制利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電的發(fā)電裝置、制氫裝置及可逆SOFC裝置，其特征在于: 獲取所述發(fā)電裝置的發(fā)電量Q1、所述制氫裝置電解水所需的用電量Q2、所述可逆SOFC裝置共電解水和CO2所需的用電量Q3; 當(dāng)Q1>Q2+Q3時，所述發(fā)電裝置分別向所述制氫裝置和所述可逆SOFC裝置供電，以使所述制氫裝置生產(chǎn)氫氣和氧氣，同時所述可逆SOFC裝置進(jìn)入SOEC工作模式制得含有H2、CO、CH4和C2H4的混合氣體； 當(dāng)Q2+Q3>Q1>Q2時，所述發(fā)電裝置僅向所述制氫裝置供電； 當(dāng)Q2>Q1時，所述可逆SOFC裝置進(jìn)入SOFC工作模式，利用燃料和空氣發(fā)電，產(chǎn)生的電能為所述制氫裝置供電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，其特征在于，當(dāng)Q1>Q2+Q3時，還包括將所述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能并網(wǎng)運行。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，其特征在于，當(dāng)Q2>Q1時，還包括將所述可逆SOFC裝置產(chǎn)生的電能并網(wǎng)運行。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，其特征在于，所述燃料為氫氣或所述可逆SOFC裝置在SOEC工作模式下制得的混合氣體。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，其特征在于，所述氫氣由所述制氫裝置電解水而得。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，其特征在于，利用所述混合氣體加熱電解所需的水。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，其特征在于，利用所述可逆SOFC裝置在SOFC工作模式下產(chǎn)生的陰極尾氣加熱電解所需的水。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，其特征在于，在所述可逆SOFC裝置中，氫電極材料為N1-YSZ、N1-SDC、N1-GDC、LSCM或SFM，氧電極材料為BSCF、LSCF或SSC，電解質(zhì)為YSZ、SDC、⑶C或LSGM中的一種或多種。9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的耦合CO2資源化利用的制氫儲能方法，其特征在于，在催化劑存在的條件下，所述可逆SOFC裝置共電解水和CO2制得所述混合氣體，所述催化劑為納米銅系催化劑。
【文檔編號】C25B1/04GK106086924SQ201610587320
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月22日 公開號201610587320.0, CN 106086924 A, CN 106086924A, CN 201610587320, CN-A-106086924, CN106086924 A, CN106086924A, CN201610587320, CN201610587320.0
【發(fā)明人】趙鵬程, 劉鋒, 杜兆龍, 牛萌, 肖宇, 蘇鎮(zhèn)西, 劉偉, 霍現(xiàn)旭, 趙洪磊, 蔣菱, 趙鵬翔, 趙錦, 趙正凱, 王誠
【申請人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院, 國網(wǎng)天津市電力公司, 國網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司