一种可逆循环绿色能源转换系统及转换方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及固体氧化物燃料电池发电系统和固体氧化物电解池制氨系统，特别设 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氨系 统及转换方法。
【背景技术】
[0002] 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(氨气、碳氨化合物等)的广泛适应性，所W具有广泛的应用 基础。
[0003] 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W同时用于阴极和阳极，即对称固 体氧化物燃料电池(SS0FC)。因其具有简单的制备工艺，通过改变气流方向就可W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。
[0004] 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W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W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，那么运种材料也可W 被用来做固体氧化物电解池(SOEC)的电极材料。
[0005] 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W看作是SOFC的逆过程。近期，因为SOEC比传统的低溫制氨方法更高效、更有实际意义， 所W吸引了众多研究者的兴趣。利用固体氧化物电解池的高溫水蒸气电解技术能够克服低 溫电解水制氨技术的缺点，实现高效制氨。由于SOEC是SOFC的逆过程，且SOEC与SOFC结构类 似，均为S明治夹层结构，所W如果选择合适的电极材料，那么SSOFC也可W用于SSOEC来制 氨。
[0006] 如何将上述SS0FC-SS0EC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】
[0007] 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 物电解池制氨装置的可逆能源转换系统W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。
[0008] 本发明采用的技术方案为：
[0009] -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 SS0EC，所述结构对称的固体氧化物燃料电池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：
[0010] 固体氧化物燃料电池 SS0FC，用于将发电产生电能为用户和固体氧化物电解池 SSOEC的产氨系统提供电能；
[0011] 固体氧化物电解池 SS0EC，用于在电极材料的催化作用下将高溫水蒸气生成氨气 和氧气；
[0012] 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；
[0013] 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， 为高溫水蒸气产生系统提供热源；
[0014] 氧化气供给控制系统，用于收集固体氧化物电解池 SSOEC的产氨系统阳极侧所产 生的氧气，为固体氧化物燃料电池 SSOFC的发电电池堆供氧；
[0015] 气体分离系统，用于将固体氧化物电解池 SSOEC的产氨系统产生氨气和水蒸汽混 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氨气；
[0016] 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-路连通热管理系统，另一路连通负载/用户；热管理系统经高溫 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 SS0EC，固体氧化物电解池 SSOEC-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 SS0FC， 另一路经气体分离系统连通至燃料供给控制系统；
[0017] 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。
[0018] 进一步，所述固体氧化物燃料电池 SSOFC分别通过燃料供给控制系统供给燃料气， 通过空气进口供给空气，通过固体氧化物燃料电池 SSOFC产生的氧气经氧化气供给控制系 统和氧气循环系统供给氧气。
[0019] 进一步，所述固体氧化物燃料电池 SSOFC通过DC/AC转化器分别连接至用户和固体 氧化物电解池 SSOEC。
[0020] 进一步，所述气体分离系统与燃料供给控制系统之间设有储放氨系统。
[0021] 相应地，本发明给出了一种可逆循环绿色能源转换方法，包括两种模式：
[0022] A 模式:SSOFC 发电-SSOEC 产氨
[0023] 1)开启燃料存储罐，将燃料气氨气通过燃料供给控制系统调节控制通入固体氧化 物燃料电池 SSOFC的发电电池堆阳极侧的燃料气的流速；
[0024] 2)同时，在固体氧化物燃料电池 SSOFC的发电电池堆阴极侧通入氧气，控制进氧 量;或转变通入气流的方向，在阴极通入燃料气，阳极通入氧化气，并开启空气进口阀，调节 进入固体氧化物燃料电池 SSOFC的发电电池堆的空气流量；
[0025] 3)加热固体氧化物燃料电池 SSOFC至一定溫度，发电产生的电能通过DC/AC转化器 将发出的直流电转换为交流电，实现发电功能，分别为用户和SSOEC产氨系统供电；
[0026] 4)固体氧化物电解池 SSOEC的产氨系统在阴极侧通入高溫水蒸气，加热一定溫度 后，则在阴极产生氨气和水蒸气，阳极产生氧气;或转变气流方向，在阳极通入高溫水蒸气， 则在阳极产生氨气和水蒸气，阴极产生氧气;实现产氨功能，为固体氧化物燃料电池 SSOFC 发电电池堆提供氨气和氧气；
[0027] 5)阳极产生氧气经氧化气供给控制系统和氧气循环系统至固体氧化物燃料电池 SSOFC发电电池堆；
[0028] 6)在阴极产生氨气和水蒸气的混合气经气体分离系统连通至燃料供给控制系统 至固体氧化物燃料电池 SSOFC发电电池堆；
[00巧]B模式：SSOFC产氨-SSOEC发电
[0030] 7)固体氧化物燃料电池 SSOFC两端阳极和阴极分别停止通入氧化气和燃料气，并 同时通入氮气惰性气体作为保护气氛;然后在任意一端通入高溫水蒸气，随后停止通入保 护气体，则转换为SSOEC制氨模式。
[0031] 进一步，所述固体氧化物燃料电池 SS0FC3产生的余热经热管理系统、高溫水蒸气 产生系统、水蒸气供给系统至固体氧化物电解池 SSOEC产氨系统。在此过程中利用余热回收 系统和高溫水蒸气产生系统产生