一种发电联合氨电化学制储用的电热氧产供系统的制作方法

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明属于燃料电池分布式发电领域，特别是涉及一种发电联合氨电化学制储用的电热氧产供系统。背景技术：2.在温室效应日趋严重的背景下，减碳趋势已经成为不可阻挡的大潮；我国碳排放量行业中，能源首当其冲，而能源行业中占比最多的部门为发电；在此契机下，新能源行业自然也不负众望，光伏、风电行业在国内政策的大力支持下得到迅猛发展；3.但是光伏和风电发电装置在发电方面存在波动性和随机性等特点，因此为了适用于分布式发电技术，保证其能够实现平稳的供电，一般发电系统内会配备储能装置；4.常见的储能装置包括电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、抽水储能、飞轮储能和制氢储能等方式；这些储能方式在能量转换效率、储能容量、响应时间、功率密度、能量密度和寿命等方面均存在差异；超级电容、超导储能和飞轮储能具有响应速度快、功率密度高的特点，但是其储能总量和时长均有限；压缩空气储能和抽水储能能量具有密度高、储能时间长的特点，但一般适用于10mw以上的大功率应用场景，而且储能成本昂贵；电化学储能如钠硫电池、铅酸蓄电池和锂电池等，具有储能成本低、时长长、充放电速度快的有点，因此得到了广泛的应用，但是其安全方面一直存在隐患；5.制氢储能是将新能源发出的电力用来电解水制得氢气，将氢气储存于高压气罐中，再通入氢燃料电池进行发电，从而能够实现消除新能源发电的波动性；此种技术手段由于具有技术成熟、系统安全可靠性高的优点，所以在分布式发电技术中受到认可；但氢气能量密度和功率密度较低，为了储存足够多能量，需要投资大量费用建设储氢高压罐；6.因此设计一种能够避免大量储氢的发电系统已经成为亟待解决的问题。7.氨作为富氢物质，被视为可持续的燃料，是氢能的理想载体；一方面以氨为燃料的固体氧化物燃料电池可以实现零碳排放发电；另一方面氨具有储能密度高、储能周期长、便于长距离运输、可实现氧气、氢气和电力多联产等优点。氨可以在常压-33℃条件，或者常温1mpa条件下以液氨形式储存，液氨的储存成本是同等含氢的高压储氢技术的1/3。技术实现要素：8.有鉴于此，本发明旨在提出一种发电联合氨电化学制储用的电热氧产供系统,以解决分布式发电系统需要大量高压氢气储存罐的问题。9.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种发电联合氨电化学制储用的电热氧产供系统，包括空气分离装置、电化学合成氨反应器、氧气储罐、储能电池、发电装置、液氨储罐、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、氨燃料高温固体氧化物燃料电池和尾气燃烧器，所述储能电池的电力输入端与发电装置相连，输出端分别与空气分离装置和电化学合成氨反应器相连，所述空气分离装置的氧气输出端与氧气储罐相连，氮气输出端与第三换热器的冷端入口连通，第三换热器的冷端出口与电化学合成氨反应器的阴极入口连通，所述第四换热器的冷端入口通入水，所述第四换热器的冷端出口与电化学合成氨反应器的阳极入口连通，所述电化学合成氨反应器的阳极出口与氧气储罐连通，阴极出口氨气经冷却加压后输送至液氨储罐内，所述液氨储罐的出口端与第二换热器的冷端入口连通，所述第二换热器的冷端出口与氨燃料高温固体氧化物燃料电池的阴极入口连通，所述第一换热器的冷端入口通入空气，冷端出口与氨燃料高温固体氧化物燃料电池的阳极入口连通，所述氨燃料高温固体氧化物燃料电池的阳极和阴极出口均与尾气燃烧器连通，所述尾气燃烧器的输出端分别与第一换热器、第二换热器、第三换热器和第四换热器的热端入口连通。10.更进一步的，所述的发电装置为风力发电装置或光伏发电装置。11.更进一步的，进入所述电化学合成氨反应器阴极的氮气和进入阳极的水的摩尔比为1:3。12.更进一步的，所述电化学合成氨反应器的阴极出口氮气进入液氨储罐内前被冷却至25℃并加压至1mpa。13.更进一步的，空气经所述的第一换热器加热后输出时的温度范围为 600-700℃。14.更进一步的，氨气经所述的第二换热器加热后输出时的温度范围为 600-700℃。15.更进一步的，所述氨燃料高温固体氧化物燃料电池与储能电池电连接。16.更进一步的，所述的电化学合成氨反应器和液氨储罐之间还设有分流器，分流器的输入端与电化学合成氨反应器阴极出口连通，分流器的两个输出端分别与液氨储罐和第二换热器的冷端入口连通。17.更进一步的，所述的氨燃料高温固体氧化物燃料电池的输出产物为热水和电。18.更进一步的，所述尾气燃烧器的热量输出通过总管路输出，总管路与第一换热器、第二换热器、第三换热器和第四换热器分别通过四个分管路连通。19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：20.1、整个分布式发电系统没有碳元素参与，可以实现co2零排放，同时利用氨作为氢的载体储存能量，可以消除新能源发电系统的波动性和随机性；21.2、相比于氢气，氨在常温或常压环境下易于液化，单位体积液态氨的能量比高压气态氢的能量高，储氨所需储罐体积更小，并且液氨储存成本是同等含氢量的高压氢气储罐的1/3，有利于减小发电系统燃料储存装置的尺寸、技术难度以及成本；22.3、电化学合成氨反应器利用了氨燃料高温固体氧化物燃料电池的尾气燃烧热量，实现热量梯级利用，整个系统效率较高；23.4、本系统是以氨作为风、光发电的储能载体，具有储罐体积小、能在常温 1mpa压力下储存液氨，储存成本低，储存时长可跨季度等优势，是一种对外同时输出电力、纯氧和热水的多联产系统，能满足多种用户的不同需求。附图说明24.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：25.图1为本发明所述的一种发电联合氨电化学制储用的电热氧产供系统的结构示意图。26.空气分离装置1；电化学合成氨反应器2；氧气储罐3；储能电池4；发电装置5；液氨储罐6；第一换热器7；第二换热器8；第三换热器9；第四换热器 10；氨燃料高温固体氧化物燃料电池11；尾气燃烧器12；分流器13。具体实施方式27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。28.参见附图说明本实施方式，一种发电联合氨电化学制储用的电热氧产供系统，包括空气分离装置1、电化学合成氨反应器2、氧气储罐3、储能电池4、发电装置5、液氨储罐6、第一换热器7、第二换热器8、第三换热器9、第四换热器10、氨燃料高温固体氧化物燃料电池11和尾气燃烧器12，所述储能电池4的电力输入端与发电装置5相连，输出端分别与空气分离装置1和电化学合成氨反应器2相连，所述空气分离装置1的氧气输出端与氧气储罐3相连，氮气输出端与第三换热器9的冷端入口连通，第三换热器9的冷端出口与电化学合成氨反应器2的阴极入口连通，所述第四换热器10的冷端入口通入水，所述第四换热器10的冷端出口与电化学合成氨反应器2的阳极入口连通，所述电化学合成氨反应器2的阳极出口与氧气储罐3连通，阴极出口氨气经冷却加压后输送至液氨储罐6内，所述液氨储罐6的出口端与第二换热器8的冷端入口连通，所述第二换热器8的冷端出口与氨燃料高温固体氧化物燃料电池11的阴极入口连通，所述第一换热器7的冷端入口通入空气，冷端出口与氨燃料高温固体氧化物燃料电池11的阳极入口连通，所述氨燃料高温固体氧化物燃料电池 11的阳极和阴极出口均与尾气燃烧器12连通，所述尾气燃烧器12的输出端分别与第一换热器7、第二换热器8、第三换热器9和第四换热器10的热端入口连通。29.在本实施例中，所述的发电装置5为风力发电装置或光伏发电装置。30.在本实施例中，所述氨燃料高温固体氧化物燃料电池11与储能电池4电连接，可以根据工况让氨燃料高温固体氧化物燃料电池11对储能电池4进行补充电能。31.在本实施例中，所述的电化学合成氨反应器2和液氨储罐6之间还设有分流器13，分流器13的输入端与电化学合成氨反应器2阴极出口连通，分流器13 的两个输出端分别与液氨储罐6和第二换热器8的冷端入口连通，分流器13 的使用便于根据使用工况调节氨气的流向。32.在本实施例中，所述尾气燃烧器12的热量输出通过总管路输出，总管路与第一换热器7、第二换热器8、第三换热器9和第四换热器10分别通过四个分管路连通，所述尾气燃烧器12输出的热量重新供给第一换热器7、第二换热器 8、第三换热器9和第四换热器10，并根据换热器实际工况决定是否供给。33.使用时，发电装置5进行发电，然后将电能的储存在储能电池4内，储能电池4的电能供给空气分离装置1和电化学合成氨反应器2进行使用，供给空气分离装置1将空气分离为氮气和氧气，氧气被输送到氧气储罐3内进行储存，氮气被输送到第三换热器9内进行换热，被加入到400-500℃后，进入到电化学合成氨反应器2的阴极，水经过换热器加热到400-500℃后进入到电化学合成氨反应器2的阳极，进入所述电化学合成氨反应器2阴极的氮气和进入阳极的水的摩尔比为1:3，电化学合成氨反应器2内，阴阳极气体在1bar、500℃进行电催化反应，阳极内发生的反应为：3h2o→3/2o2+6h++6e-，阴极内发生的反应为：n2+6h++6e-→2nh3，氧气会进入到氧气储罐3内进行储存,氨气经过分流器13的作用会进行分流，根据使用工况来进行调节氨气的流向；氨气进入第二换热器8内被加热至600-700℃后，输入氨燃料高温固体氧化物燃料电池11的阴极，空气经第一换热器7加热至600-700℃后，输入氨燃料高温固体氧化物燃料电池11的阳极，阴极和阳极在氨燃料高温固体氧化物燃料电池 11内以700℃的反应温度发生反应，阴极的反应为：2nh3→n2+6h++6e-，阳极的反应为：3/2o2+6h++6e‑→3h2o，氨燃料高温固体氧化物燃料电池 11的输出产物为热水和电，阴极和阳极出口的气体混合通入到尾气燃烧器12 内释放化学能，然后将热量传递给第一换热器7、第二换热器8、第三换热器9 和第四换热器10进行换热使用。34.氨气的分流主要包括以下几种情况：当电化学合成氨反应器2工作，而氨燃料高温固体氧化物燃料电池11不工作时，合成的氨气全部进入液氨储罐6内，进入前被被冷却至25℃，加压至1mpa。35.当电化学合成氨反应器2和氨燃料高温固体氧化物燃料电池11同时工作时，合成的氨气优先直接供给氨燃料高温固体氧化物燃料电池11，多余的氨气输入液氨储罐6。36.当电化学合成氨反应器2不工作而氨燃料高温固体氧化物燃料电池11工作时，由液氨储罐6供给氨气给氨燃料高温固体氧化物燃料电池11，尾气燃烧器 12只对第一换热器7和第二换热器8进行加热。37.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。









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