本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池，具體涉及一種可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)及其運行方法。

背景技術：

1、可逆的固體氧化物燃料電池-電解池技術(reversible?solid?oxide?fuel?celland?electrolysis?cell，簡稱“rsoc”)在一套系統(tǒng)上結合了固體氧化物燃料電池(solidoxide?fuel?cell，簡稱“sofc”)發(fā)電功能和固體氧化物電解池(solid?oxideelectrolysis?cell，簡稱“soec”)電解制氫功能。

2、sofc作為一種高效的能量轉化裝置，可以將燃料轉化為電能，系統(tǒng)發(fā)電效率可以達到60％以上,是所有發(fā)電設備中效率最高的一種發(fā)電技術，且污染物排放水平低，是一種清潔低碳、安全高效的發(fā)電方式,被認為是未來最有廣闊發(fā)展和應用前景的一項新能源發(fā)電技術，眾多研究者都投身其中。

3、soec電解制氫系統(tǒng)，在外加電壓、高溫下，電解水蒸氣，產(chǎn)生高純氫氣和氧氣，實現(xiàn)了電能和熱能向化學能的轉化；相較于較為常見的堿性水電解制氫技術、質子交換膜電解制氫技術，soec電解制氫的工作效率最高、電流密度最大，soec是目前效率最高的電解水技術；另一方面，soec電解制氫技術原料適應性廣。soec電解槽進料為水蒸氣，若添加二氧化碳后，則可生成合成氣(syngas，氫氣和一氧化碳的混合物)，再進一步生產(chǎn)合成燃料(e-fuels，如柴油、航空燃油)；因此soec技術有望被廣泛應用于二氧化碳回收、燃料生產(chǎn)和化學合成品，具有碳中性循環(huán)的優(yōu)點。

4、sofc和soec技術的運行模式均具有可逆化的特點。如果把soec電解水制氫與sofc發(fā)電組合成一套系統(tǒng)，可形成一套高效產(chǎn)氫或電的化學儲能裝置；電力過剩時可利用再生能源的剩余電力制氫，將電能高效轉化為化學能(氫能)。在電力緊張時，又可以將儲存的氫氣發(fā)電，通過電化學反應得到電能。

5、sofc發(fā)電系統(tǒng)與soec電解制氫系統(tǒng)可采用相同的高溫固體氧化物電堆，系統(tǒng)也都包含了空氣預熱器、燃料預熱器、換熱式蒸汽發(fā)生器等，如何有機的將兩者結合起來，在不同模式下充分利用各個部件，最大限度的降低系統(tǒng)的復雜性、實現(xiàn)能量的梯級利用是rsoc技術發(fā)展的重要方向之一。

6、因此，開發(fā)一款系統(tǒng)架構簡單、穩(wěn)定可靠、能耗低、可操作性強的rsoc系統(tǒng)對于rsoc系統(tǒng)的發(fā)展具有重要作用。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決常規(guī)可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)復雜、模式切換過程復雜、能耗高、可靠性較低等技術問題，本發(fā)明提供如下技術方案：

2、本發(fā)明的第一目的在于提供一種可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，包括rsoc電堆模組、燃料預熱器、重整器、脫硫器、換熱式蒸汽發(fā)生器、去離子水泵、空氣預熱器、風機、燃燒器、循環(huán)風機、截止閥、伴熱帶、電源、控制系統(tǒng)、管道、保溫材料、傳感器等。

3、系統(tǒng)啟動前，通過調節(jié)所述相應的截止閥，可實現(xiàn)系統(tǒng)在sofc和soec模式下的切換。

4、所述重整器采用貴金屬催化劑，在sofc模式下用于天然氣和水蒸氣的催化重整反應，在soec模式下充當水蒸氣和氫氣、燃料側循環(huán)尾氣的混合器。

5、所述催化燃燒器，在sofc模式下，rsoc電堆模組出口的部分燃料尾氣與高溫空氣在燃燒器中混合燃燒，產(chǎn)生的高溫煙氣用于加熱燃料預熱器、空氣預熱器、換熱式蒸汽發(fā)生器；在soec模式下，燃燒器以外部天然氣為燃料、rsoc電堆模組出口高溫空氣為助燃劑，產(chǎn)生的高溫煙氣用于加熱空氣預熱器。

6、所述循環(huán)風機，在sofc模式下，rsoc電堆模組出口的一部分燃料尾氣在循環(huán)風機作用下與新鮮的天然氣混合進入到重整器中發(fā)生催化反應，然后進入到燃料預熱器、rsoc電堆模組中發(fā)電；在soec模式下，rsoc電堆模組出口的一部分含水蒸氣的高溫氫氣在循環(huán)風機的作用下和新鮮的水蒸氣混合依次進入到重整器、燃料預熱器、rsoc電堆模組中。

7、所述換熱式蒸氣發(fā)生器，在sofc模式下，系統(tǒng)未發(fā)電階段，換熱式蒸汽發(fā)生器將燃燒器產(chǎn)生的高溫煙氣和去離子水換熱產(chǎn)生水蒸氣，系統(tǒng)達到額定發(fā)電狀態(tài)時，系統(tǒng)無需外界供應去離子水、換熱式蒸汽發(fā)生器不產(chǎn)生蒸汽；soec模式下，換熱式蒸汽發(fā)生器將rsoc電堆模組燃料側出口高溫尾氣和去離子水換熱產(chǎn)生新鮮的水蒸氣，實現(xiàn)燃料尾氣的熱量回收。

8、本發(fā)明的第二目的在于提供一種可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)的運行方法，其特征在于：①sofc模式下，系統(tǒng)啟動前，打開rsoc電堆模組燃料出口和燃燒器之間的截止閥、打開燃燒器和燃料預熱器之間的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器到余熱回收之間的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器到重整器的截止閥，關閉rsoc電堆模組燃料出口和燃料預熱器之間的截止閥、關閉換熱式蒸汽發(fā)生器出口到產(chǎn)品氫氣的截止閥、關閉燃燒器的入口天然氣管道上的截止閥，系統(tǒng)供入天然氣、空氣、去離子水，循環(huán)風機的轉速逐漸達到目標值，系統(tǒng)按照一定的速率進行升溫、發(fā)電功率的提升；系統(tǒng)在sofc模式下進入到額定發(fā)電狀態(tài)時，關閉打開換熱式蒸汽發(fā)生器到重整器的截止閥，系統(tǒng)無需外界提供去離子水產(chǎn)生新鮮的水蒸氣，系統(tǒng)僅需供入天然氣、空氣，rsoc電堆模組出口的一部分燃料尾氣和rsoc電堆模組出口的高溫空氣進入到燃燒器中混合燃燒，產(chǎn)生的高溫煙氣加熱燃料預熱器、空氣預熱器，rsoc電堆模組出口的另一部分燃料尾氣在循環(huán)風機作用下與新鮮的天然氣混合進入重整器發(fā)生催化反應，最終進入rsoc電堆模組參與發(fā)電；②soec模式下，系統(tǒng)啟動前，打開rsoc電堆模組燃料出口和燃料預熱器之間的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器出口到產(chǎn)品氫氣的截止閥、打開換熱式蒸汽發(fā)生器到重整器的截止閥、打開燃燒器的入口天然氣管道上的截止閥，關閉rsoc電堆模組燃料出口和燃燒器之間的截止閥、關閉燃燒器和燃料預熱器之間的截止閥、關閉換熱式蒸汽發(fā)生器到余熱回收之間的截止閥、關閉循環(huán)風機，系統(tǒng)供入啟動用的氫氣、去離子水、空氣和燃燒用的天然氣，系統(tǒng)按照一定的速率進行升溫、電解制氫負荷的拉升；統(tǒng)在soec模式下進入到額定電解制氫狀態(tài)時，打開循環(huán)風機至目標轉速、系統(tǒng)無需外界提供氫氣，系統(tǒng)僅需供入去離子水、空氣以及燃燒器用的天然氣，rsoc電堆模組出口的一部分燃料尾氣在循環(huán)風機的作用下與新鮮的水蒸氣混合重新進入到rsoc電堆模組，rsoc電堆模組出口的另一部分燃料尾氣先后進入到燃料預熱器、換熱式蒸汽發(fā)生器，實現(xiàn)熱量的梯級利用，最終冷凝分離出液態(tài)水得到產(chǎn)品氫氣；外接天然氣進入到燃燒器中與rsoc電堆模組出口的高溫空氣混合燃燒，產(chǎn)生的高溫煙氣用于加熱新鮮空氣。

9、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：可逆的固體氧化物燃料電池-電解池系統(tǒng)，①有別于常規(guī)的rsoc系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用rsoc電堆模組燃料尾氣循環(huán)工藝、管道上特殊位置設置的截止閥，實現(xiàn)了sofc發(fā)電模式與soec電解制氫模式的有機結合、自由切換；②該系統(tǒng)采用rsoc電堆模組燃料尾氣循環(huán)工藝，通過調整管道上不同位置的截止閥的開關，實現(xiàn)系統(tǒng)在sofc模式和soec模式下的自由切換；③充分利用了系統(tǒng)中的各個部件，最大限度的簡化了rsoc系統(tǒng)的工藝架構；④在sofc模式和soec模式下均實現(xiàn)了能量的梯級利用，降低了系統(tǒng)能耗；⑤系統(tǒng)架構簡單、穩(wěn)定可靠、能耗低、可操作性強。