一种可逆固体氧化物电池热管理方法和系统

1.本发明属于可再生能源中的能源(氢能)转换与存储领域，更具体地，涉及一种可逆固体氧化物电池热管理方法和系统。


背景技术：

2.可再生能源受到季节、天气等诸多条件的影响，呈现出间歇性和不稳定的特点。这些因素导致了在能源转换高峰期产生的多余能源无法被充分消纳；反之当能源转换效率下降，则无法满足电网需求。可逆固体氧化物电池(reversible solid oxide cell，rsoc)系统既可以在燃料电池(solid oxide fuel cell,sofc)模式下运行也可以在电解池(solid oxide electrolyser,soe)模式下运行，以平衡可再生能源电网产生的电力波峰与波谷。主要应用在可再生能源电网和气网之间，作为能源转换的枢纽。高温rsoc系统在运行过程中面临诸多热管理问题，首先soe模式与sofc模式之间热性质相反，水蒸汽还原和氢气氧化反应是高度吸热和放热的，这导致在soe模式运行时需要辅热组件满足吸热需求，对系统效率将产生负面的影响，而sofc模式释放的大量热能却未得到合理利用。rsoc系统只基于一套bop组件辅助电堆双向运行，内部包括诸多功耗组件，例如蒸发器、泵、加热器和鼓风机等。特别是当soe模式时，水作为主要原料导致蒸发器产生的汽化功耗非常大，导致电解效率处于一种非理想的水平，限制了其产业化进程。除此以外，空气侧的电堆热尾气在经过换热器热回收后直接被排放到空气中，由于空气回路中气流量大且高温相当这会造成非常高额的热损失，这种情况在sofc模式时愈加明显。诸多因素导致rsoc系统效率没有达到预期，这对系统的热管理水平设计提出了更高的要求。
3.目前，rsoc系统的发展尚处于起步阶段，国内外对于rsoc的热管理研究还只停留在最基本的阶段，如图1，在系统的热管理优化方面并没有得到妥善的考虑。rsoc系统中并不完善的热管理设计一方面会造成系统的效率损失，另外高温气体会对系统危及系统组件的安全，例如燃料回路的次高温尾气在换热器出来之后直接进入冷凝器冷凝，强冷热对流会对冷凝器的材料和结构属性造成很大的考验。而空气侧的空气尾气不但保持高温，而且流量远大于燃料侧，但目前大多数方案是直接将其排放到大气中，这导致系统的效率水平一直达不到预期。因此，设计一种合理的热管理的方法，对于提高系统性能和稳定系统的安全至关重要，也为rsoc系统早日产业化应用奠定基础。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可逆固体氧化物电池热管理方法和系统，其目的在于避免系统的热量损失，提高系统效率和稳定系统安全。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可逆固体氧化物电池热管理方法，包括：
6.s1.收集可逆固体氧化物电池系统中空气侧换热器出口处的热量；
7.s2.将收集的热量作为辅助热源加热电堆入口气体或转换为电力并入电网。
8.进一步地，通过基于潜热储能的相变材料储热装置收集空气侧换热器出口处的热量。
9.进一步地，所述方法还包括，
10.收集可逆固体氧化物电池系统中燃料侧换热器排出的电堆尾气；
11.将收集的电堆尾气作为热源通入蒸发器中汽化液态水。
12.按照本发明的另一方面提供了一种可逆固体氧化物电池热管理系统，包括：空气侧换热器、燃料侧换热器、热回收装置、蒸发器和冷凝器；
13.所述空气侧换热器入口与电堆一侧连接，用于收集电堆产生的高温尾气；
14.所述热回收装置与空气侧换热器出口连接，用于收集空气侧换热器出口处的热量；
15.所述燃料侧换热器入口与电堆另一侧连接，用于接收热回收装置输出的热量和电堆产生的高温气体，加热电堆入口气体；
16.所述蒸发器入口连接燃料侧换热器出口，用于利用燃料侧换热器输出的电堆尾气热量汽化液态水；
17.所述冷凝器与蒸发器出口连接，用于排出蒸发器流出的低温废气。
18.进一步地，所述热回收装置采用基于潜热储能的相变材料。
19.本发明还提供了一种可逆固体氧化物电池热管理系统，包括：空气侧换热器、燃料侧换热器、热回收装置、蒸发器、冷凝器和热电转换单元；
20.所述空气侧换热器入口与电堆一侧连接，用于收集电堆产生的高温尾气；
21.所述热回收装置入口与空气侧换热器出口连接，用于收集空气侧换热器出口处的热量；
22.所述热电转换单元与热回收装置出口连接，用于将热回收装置输出的热量转换为电力并入电网；
23.所述燃料侧换热器入口与电堆另一侧连接，用于接收电堆产生的高温气体，加热电堆入口气体；
24.所述蒸发器入口连接燃料侧换热器出口，用于利用燃料侧换热器输出的电堆尾气热量汽化液态水；
25.所述冷凝器与蒸发器出口连接，用于排出蒸发器流出的低温废气。
26.进一步地，所述热回收装置采用基于潜热储能的相变材料。
27.本发明还提供了一种可逆固体氧化物电池热管理系统，包括：空气侧换热器、燃料侧换热器、热回收装置、蒸发器、冷凝器和热电转换单元；
28.所述空气侧换热器入口与电堆一侧连接，用于收集电堆产生的高温尾气；
29.所述热回收装置入口与空气侧换热器出口连接，用于收集空气侧换热器出口处的热量；
30.所述热电转换单元与热回收装置出口连接，用于将热回收装置输出的热量转换为电力并入电网；
31.所述燃料侧换热器入口与电堆另一侧连接，用于接收热回收装置输出的热量和电堆产生的高温气体，加热电堆入口气体；
32.所述蒸发器入口连接燃料侧换热器出口，用于利用燃料侧换热器输出的电堆尾气
热量汽化液态水；
33.所述冷凝器与蒸发器出口连接，用于排出蒸发器流出的低温废气。
34.进一步地，所述热回收装置采用基于潜热储能的相变材料。
35.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
36.本发明充分针对燃料和空气回路的气体特性提出了将燃料侧支路和空气侧热回收相结合的热管理方案，避免了复杂工况对系统的干扰。考虑到燃料电极回路的气体流量具有一致性，本发明将燃料侧尾气二次通入进蒸发器，利用内部废热作为理想的热源汽化液态水，从而将蒸发器替代为一个水-气换热器，蒸发器流出相对低温的废气对冷凝器造成的热应力较小；在空气回路中，将次高温的空气由一个热回收单元回收热量，该热回收单元可以是热-电或热-热转换装置，为避免持续的高温对热回收单元的影响，本发明进一步采用基于潜热储能的相变材料存储热量。实验证明，该方案有效保障热安全的前提，实现了很高的系统效率。
附图说明
37.图1是基本rsoc系统流程图；
38.图2是本发明尾气二次利用的rsoc系统流程图；
39.图3是实验数据与仿真模型验证结果；其中(a)为不同电流密度下的单电池电压，(b)为不同电流密度下的功率密度；
40.图4是soe模式对照分析结果；其中，(a)为电流密度(current density)对电解效率(η
soe
)的影响分析，(b)为空气过量比(ε
air
)对η
soe
的影响分析，(c)为燃料利用率(uf)对η
soe
的影响分析，(d)为水蒸气摩尔分数对η
soe
的影响分析；其中，fe&ae表示燃料回路和空气回路的热管理的改进同时存在，fe表示只存在燃料回路热回收支路，ae表示单独存在空气侧的热回收装置，basic表示基本rsoc系统结构；
41.图5是sofc模式对照分析结果；其中，(a)为电流密度对放电效率(η
sofc
)的影响分析，(b)为ε
air
对η
sofc
的影响分析，(c)为uf对η
sofc
的影响分析，(d)为氢气摩尔分数对η
sofc
的影响分析；
42.图6是可逆效率对照分析结果。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
44.基本的rsoc系统由rsoc电堆组成，其他bop组件包括耗电组件，如加热器、泵、鼓风机、蒸发器，以及非耗电组件，如hex(换热)和冷凝器，以使电堆在良好环境运行。rsoc系统是一个没有压缩机和降压阀设备的常压系统，这两个部件被认为是氢气管网组件。由于rsoc系统消耗或产生的氢气直接连接到氢气管道，所以只有一个质量流量控制器(mfc)存
在，以控制进入系统的氢气流量。
45.在sofc模式时，氢气被输送到rsoc系统中，水在燃料回路中被汽化。接下来，在混合器中混合的气体进入预热器并被加热。hex在预热器中发挥作用，而不是加热器，加热器保持关闭。混合气体在充分预热后进入电堆，随后进行反应。同时，一定量的在hex中充分预热的空气进入电堆，为tpb(三相边界)中的氧化还原反应提供氧气，释放电能并产生大量的热量，在hex中用于预热燃料混合物或空气。然后，分流的混合物被回收到水箱和氢气网络中。然而，亚高温空气被直接排放到大气中。
46.在soe模式时，作为原料的液态水在电蒸发器中被转化为蒸汽。蒸汽与氢气混合，以防止预热前的电极氧化。与sofc模式不同，加热器连续运行以确保电解所需的热量。空气作为扫气气体，以避免高浓度的氧气腐蚀电堆材料。同样，氢气作为主要产物在冷凝器中被分离，富含氧气的废气也被排放到大气中。
47.可逆固体氧化物电池系统(reversible solid oxide cell,rsoc)面向热安全、高效率的热管理方法，目前的研究可以将这些方法分为3个大方面：
48.第一也是最普遍的，将rsoc系统与储热介质/储热组件结合到一起。由于在sofc模式运行时电堆是放热的，而在soe模式时电堆是吸热的，所以该方案采用储热介质将sofc模式释放的热量收集起来，在soe模式时释放，以减轻在soe模式时电加热功耗，由此提升效率。该方法的局限性是受到两模式持续的时间的制约，当soe模式运行的时间比sofc模式长时，难以满足soe模式下的吸热需求。
49.第二类方法是结合特定的反应性质和工作条件。有研究通过加压(20bar)和甲烷化放热的方式，实现系统的热管理。但是该方式有系统的密封性有严格的要求，并且碳质气体容易使电堆衰减(积碳)。
50.第三个是可变旁路，通过该方式实现充分利用系统内废热。现有研究忽略了在燃料电极回路和空气电极回路的气体性质，实际上空气回路气流量远大于燃料侧。
51.本发明充分针对燃料和空气回路的气体特性提出了将燃料侧支路和空气侧热回收相结合的热管理方案，有效吸取了上述方案的优点，并避免了复杂工况对系统的干扰。该方案将燃料侧尾气二次通入进蒸发器，将蒸发器替代为一个水-气换热器，因为燃料电极回路的气体流量具有一致性；在空气回路中，将次高温的空气由一个热回收单元回收热量，该热回收单元可以是热-电或热-热转换装置，为避免持续的高温对热回收单元的影响，本方案进一步采用基于潜热储能的相变材料存储热量。结果显示，该方案有效保障热安全的前提，实现了很高的系统效率。
52.如图2，本发明在燃料回路，提取从预热单元(换热器)中出来的电堆尾气，将该次高温尾气作为热源通过热旁路通入蒸发器中汽化液态水。该方式下蒸发器不再采取电加热的方式而是类似于一个水-气换热器。在空气回路，空气流量要远大于燃料侧但温度却保持在相近的水准。在空气侧换热器出口处增加一个热回收装置，具体可以是储热单元或汽轮机等。回收的热量可以作为辅助热源供热，也可以通过热电联供的形式被利用。不考虑具体的热回收形式，该热回收装置的热回收功率取决于流体的流量和温度。
53.为了验证本发明方法的有效性，以下实施例对rsoc系统建模及验证；rsoc系统模型由soc电堆和其余的bop组件构成。
[0054][0055][0056]
电堆模型：
[0057]
1、电特性
[0058]ucell
(i,t,p)＝u
nernst-(u
ohm
+u
act
+u
con
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0059]
2、传热传质过程
[0060][0061][0062]
换热器：
[0063][0064]
蒸发器：
[0065][0066]
混合器：
[0067][0068]
鼓风机：
[0069][0070]
水泵：
[0071]
[0072]
热回收装置：
[0073][0074]
模型验证的结果如图3中(a)-(b)所示，当cd从0.25a cm-2
变化到0.25a cm-2
时，实验和模拟电压之间的偏差比较大，随着|cd|的增加，实验数据和模拟结果的一致性很好(趋势相似，数值接近)。在图3中(a)中观察到测量的堆栈电压的最大偏差仅为0.032v。它导致的电堆功率密度的约0.0106wcm-2
的偏差，这完全在可接受的范围内。通过实验和模拟结果的高度一致性，认为该模型是合理且有效的。
[0075]
设置稳态性能指标：
[0076]
1、输入参数
[0077]
设置的主要参数有燃料利用率、空气过量比、燃料摩尔分数、工作电流。
[0078][0079][0080][0081][0082][0083]
2、效率指标
[0084][0085][0086][0087]
对照分析实验结果
[0088]
对照组设置：
[0089]
分别为fe&ae、ae、fe与basic，表示同时存在燃料和空气回路的热管理装置、仅存在空气侧的热回收单元、仅存在燃料侧的蒸发器旁路、基本系统结构。
[0090]
结果显示：
[0091]
1)soe模式效率
[0092]
参考图4中(a)-(d)，配置ae下效率增益取自曲线fe&ae与fe，ae与basic之间偏差的平均值，分别为(a)8.21％，(b)10％，(c)8.09％，(d)8.2％，综合的平均效率增益为8.625％，也就是在存在空气侧热回收单元的前提下，rsoc系统的电解效率的平均增益为8.625％。配置fe的效率增益取自fe&ae与ae，fe与basic之间的平均偏差，分别为(a)1.28％，(b)1.075％，(c)1.52％，(d)1.24％，综合的平均效率增益为1.28％，仅存在燃料回路蒸发器旁路时平均电解效率增益为1.28％。
[0093]
2)sofc模式效率
[0094]
参考图5中(a)-(d)，配置ae的平均效率增益分别为(a)19.79％，(b)17.21％，(c)15.9％，(d)16.37％，存在空气侧热回收单元综合平均效率增幅为17.32％。配置ae的平均效率增益分别为(a)0.79％，(b)0.73％，(c)0.82％，(d)1.42％，配置fe平均效率增幅为0.94％。
[0095]
3)往返性能(往返效率)
[0096]
参考图6，曲线fe&ae与fe，ae与basic之间平均偏差分别为17％与16.7％，而曲线fe&ae与ae，fe与basic之间的平均偏差分别为1.17％与0.84％。ae和fe的综合平均效率增幅为16.85％，1％。配置ae依旧保持了较高的增幅，远大于配置fe。
[0097]
4)参数影响研究
[0098]
不同操作参数会影响电堆出口尾气的流量和温度，而流量和温度这两个参数决定尾气二次利用的效果，也就是说直接影响效率增益，特别是空气回路侧。通过比较四种配置下的效率影响，结合图4-6可见，配置fe&ae(也就是同时配备空气侧和燃料侧热管理装置/支路)时的效率远远高出配置basic(指如图1所示的基本的rsoc系统结构)，因此可以充分的证明本发明发法可以有效提高系统经济性能。
[0099]
参数研究主要包括soe和sofc模式下的工作电流、空气过量比、燃料利用率与燃料摩尔分数，分别如图4和5所示。
[0100]
主要结论：
[0101]
在两模式下，对模式效率影响最大的两个输入参数分别是电流密度和空气过量比，电解效率和放电效率都随电流密度的增大而降低，随空气过量比的增大而降低。在soe模式，空气过量比对电解效率的影响更显著，而在sofc模式时电流对放电效率的影响最显著。对于燃料利用率和摩尔分数，尽管都是随着燃料利用率和摩尔分数的增大效率上升，但是对应效率的变化率都是极小的，这说明对效率的影响较小。
[0102]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。