高温共电解水和二氧化碳合成甲烷反应特性与系统研究

第1章引言

1.1研究背景及意义

1.2不同电储能技术的特点

1.3不同电解池技术的特点

1.4固体氧化物电解池电制气储能

1.4.1基本工作原理

1.4.2发展历程

1.4.3可逆化操作

1.4.4能量转换过程

1.5SOEC共电解H2O/CO2合成CH4研究现状

1.5.1SOEC界面电化学反应机理研究现状

1.5.2SOEC单元产物定向调控与动态特性研究现状

1.5.3SOEC电制气储能系统集成研究现状

1.5.4研究存在的主要问题

1.6研究思路及研究内容

第2章图案电极电化学反应机理研究

2.1概述

2.2图案电极CO2/CO电化学反应机理

2.2.1实验介绍

2.2.2电化学反应动力学参数

2.2.3反应速率控制步骤分析

2.2.4图案电极基元反应模型

2.2.5图案电极CO2/CO电化学反应机理

2.3图案电极H2O/H2电化学反应机理

2.3.1电化学反应动力学参数

2.3.2反应速率控制步骤分析

2.3.3图案电极基元反应模型

2.3.4图案电极H2O/H2电化学反应机理

2.4本章小结

第3章管式单元共电解H2O/CO2定向合成CH4研究

3.1概述

3.2管式SOEC常压共电解H2O/CO2直接合成

CH4实验测试

3.2.1工作温度和组分对电化学性能的影响

3.2.2工作温度和组分对CH4生成特性的影响

3.3管式SOEC多物理场建模

3.3.1管式单元模型计算域与假设

3.3.2电化学反应动力学和电荷守恒方程

3.3.3多相催化反应动力学和质量守恒方程

3.3.4动量守恒方程

3.3.5能量守恒方程

3.3.6方程求解域和边界条件

3.3.7模型参数、校准和验证

3.3.8管式SOEC内部的基本分布情况

3.4管式SOEC共电解H2O/CO2直接合成CH4的

热流设计

3.4.1流动模式对管式SOEC温度分布和CH4

生成的影响

3.4.2热流设计的实验验证

3.4.3入口气流温度对CH4生成的影响

3.5加压管式共电解H2O/CO2直接合成CH4

3.5.1加压管式单元反应器

3.5.2加压管式单元实验测试系统

3.5.3实验步骤及内容

3.5.4工作压力对电化学性能的影响

3.5.5工作压力对CH4生成特性的影响

3.6中温管式SOEC共电解H2O/CO2直接合成CH4

3.6.1中温管式SOEC模型的实验验证

3.6.2LSGM和ZrO2材料体系管式SOEC对比

3.6.3中温管式SOEC的热中性运行

3.6.4中温管式SOEC热流设计优化

3.6.5中温管式SOEC的加压化运行

3.7本章小结

第4章管式单元共电解H2O/CO2动态特性研究

4.1概述

4.2管式单元动态特性实验

4.2.1实验介绍

4.2.2管式单元动态特性

4.3管式单元动态模型分析

4.3.1动态模型验证

4.3.2电压阶跃变化的影响

4.3.3入口气体阶跃变化的影响

4.4本章小结

第5章可再生能源电力制取CH4储能系统能效优化研究

5.1概述

5.2可再生能源电力合成CH4储能系统建模

5.2.1电解池模块

5.2.2甲烷化反应器模块

5.2.3换热器模块

5.2.4压缩机/透平模块

5.2.5其他模块

5.2.6系统示意图

5.2.7的计算

5.3基于路线1的不同电解技术的能效对比分析

5.4路线1和路线2的对比： 不同SOEC电解模式的

系统能效分析

5.4.1电流密度的影响

5.4.2工作温度的影响

5.4.3工作压力的影响

5.5路线3： SOEC共电解H2O/CO2一步甲烷化的

系统能效分析

5.5.1等温型SOEC一步甲烷化反应器

5.5.2温度梯度型SOEC一步甲烷化反应器

5.6本章小结

第6章风电与天然气融合的储能发电系统供能稳定性研究

6.1概述

6.2风电与天然气融合的分布式储能发电系统动态

仿真建模

6.2.1风电模块和用户负荷模块

6.2.2可逆固体氧化物电解池堆模块

6.2.3锂离子电池储能模块

6.2.4燃气内燃机模块

6.2.5系统动态仿真平台

6.2.6系统评价参数的定义

6.3RSOC的负荷跟随特性与分级调节

6.4不同风电装机容量融入的系统供能稳定性

6.5集成不同储能技术的系统供能稳定性

6.6可再生能源与天然气的融合互补储能策略

6.6.1风电分配模式的影响

6.6.2RSOC和锂离子电池联合储能

6.7本章小结

第7章总结与展望

7.1总结

7.2主要特色及创新点

7.3建议与展望

附录A图案电极基元反应建模方法

A.1模型假设

A.2基元反应与电荷转移反应动力学

A.3电荷传递和质量传递

A.4边界条件和模型求解

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢