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可逆固体氧化物电池 编辑

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可逆固体氧化物电池

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可逆固体氧化物电池(rSOC)是一种固态电化学装置,可作为固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)交替运行。与SOFC类似,rSOC由夹在两个多孔电极之间的致密电解质制成。它们的工作温度范围为600°C至900°C,因此它们受益于增强的反应动力学和提高低温电化学技术的效率。当用作燃料电池时,可逆固体氧化物电池能够氧化一种或多种气态燃料以产生电和热。当用作电解池时,相同的设备可以消耗电力和热量,将氧化反应的产物转化回有价值的燃料。这些气体燃料可以加压并储存以备后用。出于这个原因,rSOCs最近因其作为季节性储能解决方案的潜力而受到越来越多的关注。

技术说明

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细胞结构及工作原理

可逆固体氧化物电池(rSOC)作为固体氧化物燃料电池,由四个主要部件组成:电解质、燃料和氧电极以及互连。电极是多孔层,有利于反应物在其结构内扩散并催化电化学反应。在SOFC和SOEC等单一技术中,电极具有单一用途,因此以特定名称命名。阳极是发生氧化反应的地方,而阴极是发生还原反应的地方。另一方面,在可逆固体氧化物电池中,两种模式可以在同一设备中交替出现。为此,优选燃料电极和氧电极的通用名称。在燃料电极上,发生涉及燃料氧化(SOFC模式)或产物还原以产生燃料(SOEC模式)的反应。在氧电极上,用于rSOC的最先进材料是用于SOFC的材料。最常见的燃料电极是由用作电子导体的镍和YSZ的混合物制成的,YSZ是一种陶瓷材料,其特点是在高温下对氧离子具有高导电性。最流行的氧电极材料是LSCF和LSC,钙钛矿材料能够催化氧还原和氧化物离子氧化反应。电解质是置于两个电极之间的固态层。它是一种电绝缘体,不透气,但可透过氧离子流。因此,该组件的主要特性是高离子电导率和低电导率。当rSOC在SOFC模式下运行时,氧离子从氧电极流向燃料电极,在此发生燃料氧化。在SOEC模式下,反应物在阳极中被还原并产生氧离子,氧离子流向氧电极。最普遍的电解质材料是YSZ。互连通常由金属材料制成。它们提供或收集参与电化学反应的电子。此外,它们在内部形成有气体通道,以将反应物分布在电池表面上。

极化曲线

表征可逆固体氧化物电池性能的最常用工具是极化曲线。在此图表中,电流密度与电池的工作电压有关。通常的惯例是燃料电池操作为正电流密度,电解操作为负电流密度。当rSOC电路没有闭合并且没有电流被提取或提供给电池时,工作电压就是所谓的开路电压(OCV)。如果两种模式的燃料电极和氧电极中的气体成分相同,则SOEC模式和SOFC的极化曲线具有相同的OCV。当某些电流密度被提取或提供给电池时,工作电压开始偏离OCV。

  • 活化损失,主要在非常低的电流密度下;
  • 欧姆损耗,随电流密度线性增加;
  • 当电极内的反应物耗尽时,在非常高的电流密度下会发生浓度损失。

极化损耗的总和称为过电位。除了开路电压之外,还可以定义另一个基本理论电压。

化学

在处理可逆固体氧化物电池时,可以考虑各种化学物质,这反过来又会影响它们的操作条件和整体效率。

含碳反应物

与低温电化学技术不同,rSOC还可以处理含碳物质,同时降低催化剂中毒的风险。甲烷可以在镍颗粒上进行内部重整以产生氢气,类似于蒸汽重整反应器中发生的情况。随后,产生的气可以进行电氧化。此外,在SOEC模式下工作时,水和二氧化碳可以共同电解生成氢气和一氧化碳,形成各种成分的合成气混合物。氧电极上发生的反应与氢气/蒸汽情况下的反应相同。描述使用碳质反应物的rSOC操作的SOFC和SOEC模式之间循环的一种有用方法是CHO三元图。图中的每个点代表具有不同数量的碳、氢或氧原子的气体混合物。在处理可逆固体氧化物电池的操作时,可以在图中区分三个不同的区域。对于不同的操作条件(即不同的温度和压力),可以在这些区域之间绘制不同的边界线。这三个地区是:

  • 碳沉积区域:位于该区域的气体混合物的特征在于易于在燃料电极上沉积碳的成分;
  • 完全氧化区域:该区域的特点是气体混合物被完全氧化,因此它们不能用作rSOC中的燃料;
  • 操作区域:该区域的特点是适合于rSOC操作的气体混合物。

在运行区域中,可以描绘燃料混合物和排气混合物。这两个点由一条线连接,该线穿过以恒定H/C比为特征的点。事实上,在两种模式的rSOC运行期间,燃料电极上的气体仅与氧电极交换氧原子,而氢和碳被限制在燃料电极内。在SOFC运行期间,燃料电极中的气体成分向完全氧化区域的边界线移动,从而增加其氧含量。另一方面,在SOEC运行期间,气体混合物从完全氧化的区域向碳沉积区域发展,同时降低了其氧含量。

rSOC的另一种有前途的化学方法是涉及将氨转化为氢和氮的化学方法。氨作为氢载体具有很大的潜力,因为它相对于氢本身具有更高的体积密度,并且可以直接加入到SOFC中。在高于600°C的工作温度时完全向左移动。出于这个原因,对于清洁的氨生产,必须将通过电解产生的氢气与通过氢气氧化和随后的水分离从空气中产生氮气相结合。

用于储能的rSOC系统

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可逆固体氧化物电池作为每周或每月规模的能量存储解决方案受到越来越多的关注。其他大规模电力存储技术,如抽水蓄能水力发电和压缩空气储能,其特点是受地域限制。另一方面,锂离子电池的放电能力有限。在这方面,储氢是一种很有前途的替代方案,因为所生产的燃料可以压缩并储存数月。在所有氢气技术中,rSOCxxx是生产氢气并将其转化回电能的最佳候选者。由于工作温度高,与PEM燃料电池或PEM电解槽等技术相比,它们的特点是效率更高。而且,

往返效率

在处理rSOC时,要考虑的最重要参数是往返效率,它是考虑充电(SOEC)和放电(SOFC)进程的系统效率的衡量标准。为了xxx限度地提高往返效率,两个工作电压必须尽可能接近。这种情况可以通过在两种模式下以低电流密度运行rSOC来实现。在SOFC模式下,这很容易实现,而在SOEC模式下,太低的电压可能会导致吸热操作。如果SOEC模式下的工作电压低于热中性电压,则需要额外的高温热源来维持反应。这些可能来自废工业热或核反应堆。但是,如果不容易接近,电加热是必要的。这可以通过外部添加物或通过以高于热中性电压的工作电压操作电池来提供。不过,这两种解决方案都会不可避免地降低rSOC的往返效率。因此,在可逆操作中,另一方面,热中性电压受反应化学的影响很大。已经证明,在电解操作中增加甲烷的产率可以显着降低反应的热中性电压和热量需求。对于传统的电解槽(在大气压和750°C下运行),产品中的甲烷含量非常低。可通过将工作温度降低至600°C并将工作压力提高至10bar来有效提高压力。例如,热中性电压在750°C和1bar时等于1.27V,而在600°C和10bar时等于1.07V。在这些条件下,rSOC甚至可以在降低的电压下以放热模式运行,从而允许在高温下产生额外的热量。

系统配置

单个可逆固体氧化物电池可以串联排列以形成堆叠。然后可以将单个堆栈安排在模块中,以达到千瓦或兆瓦级的功率能力。设计用于储能目的的大型rSOC系统xxx挑战性的方面之一是热集成。当rSO可逆固体氧化物电池C在电解模式下运行时,系统运行需要热能。必须在两个不同的温度水平下提供热能。水操作需要热量,如果SOEC模式是吸热的,则可能需要额外的高温热量。如果rSOC在SOEC模式下通过放热反应运行,则可以避免后一个要求,这会对往返效率产生负面影响。

 

另一方面,当rSOC在燃料电池模式下运行时,反应的特点是高放热。SOFC操作产生的多余热量可以回收并存储在TES中,然后用于SOEC操作。为此目的考虑的热能存储类型和传热流体是用于聚光太阳能(CSP)技术的那些。导热油可用于在相对较低的温度(例如180°C)下储存热量并用于水分蒸发。或者,以高熔点为特征的相变材料可用于在高温下储存热量并在电解模式下实现吸热操作。在这种情况下,rSOC通常在两种模式下在不同的温度水平下运行(例如,SOFC模式下的850°C和SOEC模式下的800°C)。如果使用含碳化学物质,则可以利用电池内甲烷合成的有益效果来降低电解模式的热量需求。在这方面,已经提出在高压和较低温度(20bar和650°C)下运行的系统来减少甚至消除rSOC系统的热功率需求。共电解产生的合成气可以在一个或多个甲烷化反应器中进一步反应产生甲烷并产生低温热量用于水分蒸发。此外,此类系统中甲烷的形成可能有利于用于储存燃料的罐的尺寸。事实上,甲烷的特征在于比气态氢具有更高的体积能量密度。在计算rSOC系统的往返效率时,定义必须考虑系统内其他组件的净电力消耗(或额外电力生产)。这些组件的集合被视为设备平衡(BOP),可以包括泵、压缩机、膨胀机或风扇,用于系统内部的流体循环和处理。使用蒸汽和氢气运行的rSOC系统可实现的往返效率可达60%左右。另一方面,利用甲烷形成的有益影响的系统,无论是在rSOC内部还是在外部反应堆中,都可以达到70%甚至更高的往返效率。


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词条目录
  1. 可逆固体氧化物电池
  2. 技术说明
  3. 细胞结构及工作原理
  4. 极化曲线
  5. 化学
  6. 含碳反应物
  7. 用于储能的rSOC系统
  8. 往返效率
  9. 系统配置

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