一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法技术

技术编号:14823369 阅读:1086 留言:0更新日期:2017-03-16 11:57
本发明专利技术公开了一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法,包括光强传感器,光强传感器设置在集热器上,集热器的底部设有聚光器,聚光器的下部设有碟式聚光反射镜,碟式聚光反射镜设在逐日动力轴承箱上,逐日动力轴承箱设在基座上;光强传感器与逐日动力轴承箱内的控制器连接;集热器通过联管式热管与液态金属换热器连接,液态金属换热器与换热器连接,换热器的底部与水箱联通,上部与固体氧化物电解池连接,固体氧化物电解池与氧气储罐和氢气储罐连接。利用了太阳能,综合考虑目前太阳能制氢效率低的现状,利用了SOEC技术思路,针对目前高温固体氧化物电极电解高温水蒸汽存在的热效率问题进行了优化设计,构成了本发明专利技术的设备及方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能集热和电解制氢
,尤其涉及一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法
技术介绍
太阳能的商业化开发和利用是可再生能源领域的一个重要发展趋势。国际能源署(IEA)预计,到2040年太阳能发电将占世界电力供应的20%以上。聚光式太阳能热发电技术作为太阳能利用的一种重要方式,已成为国际太阳能技术发展的重要方向之一。近几十年来,经过一些国家的持续研究,目前已开发出多种形式的太阳能热发电系统,单级容量从千瓦级发展到兆瓦级,并已进入大规模商业开发和运行阶段。尽管太阳能行业潜力巨大而且清洁高效,但是由于分布式能源的间歇性及不确定性,导致应用的领域及其供能范围受到极大的限制。一旦将太阳能发电并入电网会出现很大的问题,这主要体现在以下几个方方面:电网调峰能里不足、电压控制难度加大、调度与接纳能力差、光电功率难以预测、需要大规模储能技术的支撑。由于存在种种问题,会导致整体成本较高,且难以物尽其用,很多的能源白白的浪费掉了。因此,将太阳能高效地转化为一种高热密度的能源载体显得极其重要。当今世界开发新能源迫在眉睫,是因为所用的能源如石油、天然气、煤,石油气均属于不可再生能源。随着化石燃料的消耗量日益增加,而其储量逐渐减少,人们急于寻找替代能源。氢是一种清洁的二次能源。被认为是理想的未来能源,研究用氢作为能源载体已经成为国际上的研究热点,氢能经济已经成为一个热门的话题。21世纪,我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划,并且目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展。目前高温水蒸气电解制氢是解决大规模氢能源问题的潜在途径之一。目前我国年产氢气千万余吨,位列世界第一。用于工业的制氢方法主要有甲烷蒸汽重整和电解水制氢。就目前而言,甲烷蒸汽重整是最经济的制氢方法。电解水制氢方法主要有三种:碱性电解水制氢,固体聚合物电解水制氢,及高温固体氧化物电解水制氢。当前比较成熟的制氢方法是碱性电解水制氢,广泛用于工业上大规模的电解水制氢。电能主要为电解制氢提供能量,用电费用占整个电解制氢生产成本的80%左右。因此,电解水制氢技术特别适用于风力发电等可再生能源发电的能源载体。但是碱性制氢系统电解效率与总制氢效率均较低,分别为56%和25%;SPE制氢系统电解效率虽有提高约76%,但其总制氢效率仍较低约35%。高温固体氧化物电解水电解制氢与碱性电解和SPE电解水制氢相比,高温使系统降低了电能消耗,制氢效率得到有效提高,SOEC制氢系统电解效率可达90%以上,总制氢效率高达55%。高温气冷堆耦合的SOEC(固体氧化物电解池)电解制氢系统是目前已知总制氢效率最高的大规模制氢系统。利用太阳能制氢的途径有太阳能发电与电解水制氢、太阳能光电化学制氢、太阳能热化学分解水及生物质制氢、太阳能光催化分解水制氢。其中太阳能光催化分解水制氢具有系统结构简单、便于操作且投资少的优点,有利于大规模发展。目前研究结果中,当Pt和PdS分别作为还原和氧化助催化剂负载到CdS表面组成Pt-PdS/CdS三元光催化剂体系时,可获得93%产氢量子效率,这是迄今为止报道的最高的光催化产氢量子效率。电解水制氢是最传统的制氢方法,虽然它消耗的一次能源是电,但它能把间断性不稳定的风电、太阳能等直接转化为氢能。电解水制氢的成熟技术主要有两种,即碱性电解液和质子交换膜分解水。甲烷蒸汽重整最经济,但其消耗大量化石燃料,产生大量二氧化碳。目前常规碱性电解水制氢技术成本较高、总制氢效率较低而且大部分发电过程也消耗化石燃料排放大量CO2。从可持续发展以及低碳环保方面考虑,这种制氢方法存在严重的弊端,并且发展前途阻力很大。电解水制氢是一种常用的制氢方法,目前全世界生产的氢仅有约4%是靠水的电解来生产的。这是由于常规的碱性电解水制氢需要消耗大量的电能,能量转换效率较低、成本较高,因此其应用受到很大限制。目前制氢方面的研究方向又有了新的进展,主要有超临界水气化有机质制氢、高温固体氧化物制氢这两个方向。其中超临界水研究处于初级阶段,只能够通过大量实验常规模拟的方法进行操作,并凭借一般经验来提高制氢效率。这是由于超临界水性质复杂,在物理学及化学方面尚无法阐述其作用机理。当然,利用超临界水的强大活泼、氧化等性质可以完成普通状态下无法实现的反应。但其温度374℃、22.1MPa(即220个大气压)这种实验装置要求很高故操作困难。SOEC的研究还处于起步阶段,不能实现商业化生产,有许多问题有待解决。如能量损失和成本问题氧电极的极化,电解质的欧姆损失和连接体材料成本等;电解池寿命;高效热交换器开发,制氢系统的热管理,废热的利用;氢安全性问题。英文文献指出,在高温氧化物电解水制氢系统当中,由于整个系统中高温(800-1200℃)水蒸汽的存在,使得热效率成为了一个非常严重的问题。因此,在涉及到SOEC相关文献中,主要涉及的仍是高温材料与电解电极的寿命问题。太阳能热分解水制氢,将水或水蒸气加热到3000K以上,水中的氢和氧便能分解。这种方法制氢效率高,但需要高倍聚光器才能获得如此高的温度,此操作目前只限于实验室中,对于真正投入应用存在着很大的问题,而且对于材料科学方面是一个极大的考验,故一般不采用这种方法制氢。太阳能热化学循环制氢其存在的主要问题是中间物的还原,即使按99.9%~99.99%还原,也还要作0.1%~0.01%的补充,这将影响氢的价格,并造成环境污染。这种方法没有消耗任何外加能源,因此十分的经济环保。但是直接采用太阳能照射光电极分解水制氢技术目前依旧限制于两个方面,一是材料的光腐蚀问题引起的材料寿命,二是制氢整个过程中仅利用了太阳能辐射中的很小一部分即短波辐射,因此整体制氢效率很低。太阳能电解水制氢的热转化率很低,所以如何去设计一个提高热转化率的系统是该方法的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题,提供一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法,将人工黑体应用于装置使得集热器的集热效率大大提高,应用遮热罩将高温集热器的辐射热损失降低。为了实现上述目的,本专利技术采用如下技术方案:一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备,包括光强传感器,所述光强传感器设置在集热器上,所述集热器的底部设有聚光器,聚光器的下部设有碟式聚光反射镜,所述碟式聚光反射镜设在逐日动力轴承箱上,所述逐日动力轴承箱设在基座上;所述光强传感器与所述逐日动力轴承箱内的控制器连接;所述集热器通过联管式热管与液态金属换热器连接,所述液态金属换热器与换热器连接,所述换热器的底部与水箱联通,上部与固体氧化物电解池连接,所述固体氧化物电解池与氧气储罐和氢气储罐连接。所述聚光器包括上部的凹透镜和下部的凸透镜,所述凸透镜的下部设有人工黑体腔。所述集热器外部包络遮热罩。所述聚光器的外部设有保温材料。所述液态金属换热器与换热器之间设有两条管道,一条管道与所述换热器直接连接,另一条管道上设有液态金属泵。所述换热器内部的下部设有均流板,上部设有扰流棒。所述换热器通过保温管与所述固体氧化物电解池连接。所述固体氧化物电解池包括电解电源,电解电源的负极与多孔阴极电解电极连接,正极与多孔阳极电解电极连接,所述电解电源的负极与氢气分离器连接,所述氢气分离器与氢气储罐连接;所述多孔阳极电解电极与氧气分离器连接,所述本文档来自技高网
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一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法

【技术保护点】
一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备,其特征是,包括光强传感器,所述光强传感器设置在集热器上,所述集热器的底部设有聚光器,聚光器的下部设有碟式聚光反射镜,所述碟式聚光反射镜设在逐日动力轴承箱上,所述逐日动力轴承箱设在基座上;所述光强传感器与所述逐日动力轴承箱内的控制器连接;所述集热器通过联管式热管与液态金属换热器连接,所述液态金属换热器与换热器连接,所述换热器的底部与水箱联通,上部与固体氧化物电解池连接,所述固体氧化物电解池与氧气储罐和氢气储罐连接。

【技术特征摘要】
1.一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备,其特征是,包括光强传感器,所述光强传感器设置在集热器上,所述集热器的底部设有聚光器,聚光器的下部设有碟式聚光反射镜,所述碟式聚光反射镜设在逐日动力轴承箱上,所述逐日动力轴承箱设在基座上;所述光强传感器与所述逐日动力轴承箱内的控制器连接;所述集热器通过联管式热管与液态金属换热器连接,所述液态金属换热器与换热器连接,所述换热器的底部与水箱联通,上部与固体氧化物电解池连接,所述固体氧化物电解池与氧气储罐和氢气储罐连接。2.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备,其特征是,所述聚光器包括上部的凹透镜和下部的凸透镜,所述凸透镜的下部设有人工黑体腔。3.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备,其特征是,所述集热器外部包络遮热罩。4.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备,其特征是,所述聚光器的外部设有保温材料。5.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备,其特征是,所述液态金属换热器与换热器之间设有两条管道,一条管道与所述换热器直接连接,另一条管道上设有液态金属泵。6.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备,其特征是,所述换热器内部的下部设有均流板,上部设有扰流棒。7.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐周云刘鹏岳昉泽杜晓丽张思宇宋宇丹张磊王率
申请(专利权)人:中国石油大学华东
类型:发明
国别省市:山东;37

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