[发明专利]一种基于固体氧化物电池的储电及制合成气的系统和方法

说明书

本发明公开一种基于固体氧化物电池的储电及制合成气方法，具体为一种使用单个固体氧化物电池器件，通过调节阴极气体来实现发电/电解和高效制合成气。固体氧化物电池在两种模式下运行：在发电过程中，阴极通入空气，阳极通入碳氢燃料；在电解过程中，阴极气体切换为CO₂或者H₂O，阳极仍然通入碳氢燃料。电解过程碳氢燃料和氧气的化学能转化为电能，发电过程电能转化为合成气的化学能。整个发电/电解过程产生的合成气是化工行业的重要原料。本储电方法区别于传统的可逆燃料电池运行储电方法，仅通过改变阴极气体方式即可实现发电/电解切换，同时可有效降低电解电压，有望提高电解效率。

技术领域

本发明涉及储能及制合成气领域，具体为一种在单个固体氧化物电池中通过调节阴极气体来实现发电/电解和制合成气的系统和方法。

背景技术

目前大量化石燃料直接的燃烧发电、发热，释放了大量的CO₂，造成大气中CO₂含量持续升高，是引起全球气候变化的主要因素之一。包括中国在内大部分国家均制定了CO₂减排目标。另一方面，风电、光伏等新能源发电技术发展迅速，在我国发电装机中占据越来越大的份额。然而，风能和太阳能均具有波动性的特点，造成发电不稳定，并网困难，产生了大量弃风弃光现象。这不仅造成资源浪费，还严重阻碍新能源技术的发展。因此，为了最终实现低碳社会的目标，急需发展可靠的可再生能源储电技术及CO₂减排技术。

固体氧化物电池(Solid Oxide Cell，简称SOC)作为一种可逆的电化学能量转换装置，可以实现燃料化学能及电能间的直接高效转化，具有能量转换效率高、环境友好(SOx，NOx排放低，无噪音污染)的突出优点。以目前最广泛应用的Ni/YSZ支撑型SOC电池(另一侧电极材料为钙钛矿)为例，SOC可以以固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)和固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell,SOEC)两种模式运行，如图2中模式一和模式二(以CO₂/H₂O共电解为例)所示。以发电模式运行时，Ni/YSZ电极通入氢气或者多种含碳燃料(煤、石油、天然气等)，钙钛矿电极通入空气，可实现燃料化学能到电能的高效转换(发电效率50％～60％)。以SOEC电解模式运行时，Ni/YSZ电极通入H₂O和CO₂，钙钛矿电极通入空气，可以实现将电能转化为燃料(如氢气、合成气)和氧气的化学能。SOEC高温电解相比于传统低温电解技术(如质子膜燃料电池和碱性电解池)，可大大降低电解电压，降低电解产热，因此具有更高的电解效率。而且低温电解很难实现CO₂电解，SOEC却可实现。但是SOEC运行时电池衰减较快，主要与钙钛矿电极产生的氧气导致的电极剥离有关。氧气的利用也是一个难题，以空气作为钙钛矿电极气体时，产生的氧气与空气混合，会造成高纯氧气收集困难；以纯氧气作为钙钛矿电极气体时，又会对电堆中连接体材料的抗氧化性提出更高要求，且会导致电解电压升高，不利于电解效率提升。为了解决氧气利用问题，并进一步降低单位产气率下的电能消耗，在电解水制氢或共电解H₂O/CO₂制合成气领域，发展了甲烷辅助电解技术，包括天然气辅助电解水(专利号US6051125A)，甲烷部分氧化辅助电解(专利号US9574274B2)及煤气辅助共电解制备合成气(专利号CN107180985 A)等技术，如图2中的运行模式三。模式三下钙钛矿电极侧通入甲烷等碳氢燃料代替模式二中的空气，与产生的氧气发生甲烷部分氧化重整反应，产生合成气；Ni/YSZ电极仍然通入H₂O/CO₂。不仅解决了钙钛矿电极中氧气的利用问题，还可以大大降低了电极两侧的氧分压差，因此相同电解电流下，电压更低(可降低1V左右)。此外，电解过程中使用甲烷的部分化学能代替电能，降低了电能消耗。研究表明，模式三相比于模式二具有更高的能量转化效率，在相同的电解电压下也有更高的产气率(专利号US9574274B2)。