一种耦合SOFC的可再生氢氨能源储能系统

一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统
技术领域
1.本发明涉及储能技术领域，尤其是一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统。


背景技术：

2.氨能源具有低碳环保、能量密度高、储运条件成熟便利等优点。基于环境保护需求，近年来我国大力发展非化石能源，在政府的大力支持和推动下，我国的太阳能光伏系统的装机量逐年上升，但光伏系统的装机量快速增长和可再生资源的分布不均导致了输电拥堵。电网的建设跟不上光伏装机和发电的速度，太阳能的装机容量没有得到很好的利用，而导致了大量的电力削减。


技术实现要素：

3.本发明提出一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统，能实现发电设备弃电的环保储运，实现了能量从电到电的高效转化，用于高效输出液氨、电能，副产品纯氧。
4.本发明采用以下技术方案。
5.一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统，所述储能系统的储能部包括用于电解水制氢子系统的质子交换膜电解槽、深冷空气分离制氮子系统、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。
6.所述电解水制氢作业的具体方法为：在储能部的启动阶段，电解水制氢子系统部分的新鲜水在进入电解槽之前经加压泵（e-p1）加压至0.7mpa，再经换热器（e-h1）将水流加热至电解槽工作温度后，送入质子交换膜电解槽（e-e1）；将弃电在电解过程中供给到电解槽，以电流密度为0.3 a/cm2通过电化学反应将水分解成氢气和氧气，从电解槽阴极得到混合水的氢气，从阳极得到氧气和大部分水，从阴极出来的气液混合物使用第二闪蒸罐（e-f2）分离得到产品氢气，将从阳极出口流股经过第一闪蒸罐（e-f1）分离得到的副产品纯氧送至储罐，并将两处闪蒸罐分离出来的水通过第二水泵（e-p2）、第三水泵（e-p3）重新输送到供水流中，用于下一个制氢循环。
7.所述深冷空气分离制氮子系统中，新鲜空气通过一级压缩机（a-c1）压至3.2bar后经冷却器（a-h1）冷却，再进二级压缩机(a-c2)被压缩到10bar，然后在换热器（a-h2）中与从低压蒸馏塔出来的液氮和富氧液体进行换热，换热得到的气液混合物被分流器（a-s1）分为两股，一股流向高压精馏塔（a-r1），另一流股则经过膨胀机（a-e1）膨胀减压至2.5bar之后流向低压精馏塔(a-r2)；高压精馏塔的塔顶产物经冷凝器冷凝后与低压精馏塔的塔顶产物在换热器（a-h3）换热后通过减压阀(a-v1)减压至2.5bar，减压后的流股流入低压精馏塔中间塔板二次精馏，而高压精馏塔的塔底产物同样经过换热器（a-h3）、减压阀（a-v2）换热减压操作后由塔顶塔板进入低压精馏塔；低压精馏塔的塔顶产物为摩尔浓度为99.4%的液氮，塔底产物为摩尔浓度为95.5%
v1）处减压至1.1bar和241k，然后在燃料电极侧换热器（f-h1）中被燃料电极气体加热至1110k，同时燃料电极气体在换热器中从1113k冷却至360k；然后在加热器（f-h2）中将氨加热至1113k的电池操作温度；燃料电极用化学计量反应器（f-sto）表示，氨在ni/ysz燃烧电极上分解为氢气和氮气，热转化率为99.9996%；氧离子从固体氧化物燃料电池（f-f1）阴极通过电解质传输到阳极电极，与氢形成蒸汽；293k和1.01325bar的空气在压缩机（f-c1）中被压缩至298k和1.1bar，然后在氧电极侧换热器（f-h3）中被氧电极气体流股加热至1027k，其中氧电极气体流股从1113k冷却至301k；空气最终在加热器（f-h4）中被加热至1113k的电池操作温度。
19.所述发电设备为光伏发电设备。
20.所述氢氨能源储能系统以氨为储能物质，输出产物为液氨、电能，其副产品为纯氧。


技术特征：
1.一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统，其特征在于：所述储能系统的储能部包括用于电解水制氢子系统的质子交换膜电解槽、深冷空气分离制氮子系统、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。2.根据权利要求1所述的一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统，其特征在于：所述电解水制氢作业的具体方法为：在储能部的启动阶段，电解水制氢子系统部分的新鲜水在进入电解槽之前经加压泵（e-p1）加压至0.7mpa，再经换热器（e-h1）将水流加热至电解槽工作温度后，送入质子交换膜电解槽（e-e1）；将弃电在电解过程中供给到电解槽，以电流密度为0.3 a/cm2通过电化学反应将水分解成氢气和氧气，从电解槽阴极得到混合水的氢气，从阳极得到氧气和大部分水，从阴极出来的气液混合物使用第二闪蒸罐（e-f2）分离得到产品氢气，将从阳极出口流股经过第一闪蒸罐（e-f1）分离得到的副产品纯氧送至储罐，并将两处闪蒸罐分离出来的水通过第二水泵（e-p2）、第三水泵（e-p3）重新输送到供水流中，用于下一个制氢循环。3.根据权利要求1所述的一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统，其特征在于：所述深冷空气分离制氮子系统中，新鲜空气通过一级压缩机（a-c1）压至3.2bar后经冷却器（a-h1）冷却，再进二级压缩机(a-c2)被压缩到10bar，然后在换热器（a-h2）中与从低压蒸馏塔出来的液氮和富氧液体进行换热，换热得到的气液混合物被分流器（a-s1）分为两股，一股流向高压精馏塔（a-r1），另一流股则经过膨胀机（a-e1）膨胀减压至2.5bar之后流向低压精馏塔(a-r2)；高压精馏塔的塔顶产物经冷凝器冷凝后与低压精馏塔的塔顶产物在换热器（a-h3）换热后通过减压阀(a-v1)减压至2.5bar，减压后的流股流入低压精馏塔中间塔板二次精馏，而高压精馏塔的塔底产物同样经过换热器（a-h3）、减压阀（a-v2）换热减压操作后由塔顶塔板进入低压精馏塔；低压精馏塔的塔顶产物为摩尔浓度为99.4%的液氮，塔底产物为摩尔浓度为95.5%的富氧液体。4.根据权利要求1所述的一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统，其特征在于：所述合成氨工艺工序采用haber-bosch工艺，将电解水制氢子系统和深冷空气分离制氮子系统送来的合格工艺气混合后在四级压缩机（s-c1）压缩至20mpa；经换热器（s-h1）加热至345 ℃后进入第一段合成塔（s-s1）进行氨合成反应，反应后经换热器（s-h2）降温至345 ℃再进入第二段合成塔（s-s2）进行氨合成反应，再经中间换热器（s-h3）降温至330 ℃后进入第三段合成塔（s-s3）进行氨合成反应；从反应塔出来的混合气经第四冷却器（s-h4）、第五冷却器（s-h5）、第六冷却器（s-h6）冷却至5 ℃后进入闪蒸罐（s-f1）分离出液氮，其余气体的10%作为驰放气放出，另一部分作为循环气经加热器（s-h7）重新加热后引到混合器部件（s-m2），与新鲜工艺气混合重新进入反应器中；其中冷却水经第二、第三换热器加热混合后作为热源加热新鲜工艺气；弛放气作为冷源辅助冷却即将进闪蒸罐的混合气。5.根据权利要求1所述的一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统，其特征在于：释能
部的释能过程中，氨作为燃料从112bar和253k的储罐中流出，并在阀门（f-v1）处减压至1.1bar和241k，然后在燃料电极侧换热器（f-h1）中被燃料电极气体加热至1110k，同时燃料电极气体在换热器中从1113k冷却至360k；然后在加热器（f-h2）中将氨加热至1113k的电池操作温度；燃料电极用化学计量反应器（f-sto）表示，氨在ni/ysz燃烧电极上分解为氢气和氮气，热转化率为99.9996%；氧离子从固体氧化物燃料电池（f-f1）阴极通过电解质传输到阳极电极，与氢形成蒸汽；293k和1.01325bar的空气在压缩机（f-c1）中被压缩至298k和1.1bar，然后在氧电极侧换热器（f-h3）中被氧电极气体流股加热至1027k，其中氧电极气体流股从1113k冷却至301k；空气最终在加热器（f-h4）中被加热至1113k的电池操作温度。6.根据权利要求1所述的一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统，其特征在于：所述发电设备为光伏发电设备。7.根据权利要求6所述的一种耦合sofc的可再生氢氨能源储能系统，其特征在于：所述氢氨能源储能系统以氨为储能物质，输出产物为液氨、电能，其副产品为纯氧。

技术总结
本发明提出一种耦合SOFC的可再生氢氨能源储能系统，所述储能系统的储能部包括用于电解水制氢子系统的质子交换膜电解槽、深冷空气分离制氮子系统、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；本发明能实现发电设备弃电的环保储运，实现了能量从电到电的高效转化，用于高效输出液氨、电能，副产品纯氧。副产品纯氧。副产品纯氧。


技术研发人员：黄云云 李诗莹 孙志新
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/3/21