一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统技术方案

本发明专利技术提供了一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统，该系统包括依次连接的热能供给模块，制氢及分离模块和存储模块，热能供给模块包括依次连接的聚光装置、集热装置、储热高温热管换热器和换热器单元，并加热制氢及分离模块中的水和氢气混合物至800℃以上的水蒸汽与氢气混合物后，电解分离氢气和氧气。和现有技术相比，本发明专利技术提供的制氢系统，无需耗费化石能源，生产过程更为绿色环保，并且大幅的减小了耗电量；其提供稳定热源，解决了光热系统随天气变化而不稳定的情况，提高了系统的可用性，同时提高了系统的电解效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能和氢能综合利用领域，具体讲涉及一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统。
技术介绍
氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。它重量轻、热值高、燃烧性能好、无毒可回收再利用，是优质的二次能源。但是目前制约氢能大规模商业应用的重要因素就是还未找到一种廉价的制氢技术。而太阳能是最普遍一次能源，太阳能集热供热技术的运行成本很低，完全绿色零排放，将太阳能与氢能结合，开发一种更廉价的制氢技术是本专利技术所关注的。现有的制氢技术中，电解水制氢中，电费占整个电解水制氢生产费用的80%左右。而高温蒸汽电解制氢技术采用高温固体氧化物电解池(SOEC)电解水蒸汽，该技术具有电能消耗少、尚效、成本$父低等优点。为电解池提供800°C以上的尚品质热能，可以由可再生能源或核能实现，但燃烧化石能源获得热能被认为并不经济也不环保。常规的太阳能光热聚光系统并不能提供稳定的热能，随着天气的变化或日落之后，系统就无法稳定、持续运行。因此，如何提供一种具有稳定热源并且能够保证系统的持续稳定运行的制氢系统，是本领域人员亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统，该系统无需耗费化石能源，生产过程更为绿色环保，并且大幅的减小了耗电量；其提供稳定热源，解决了光热系统随天气变化而不稳定的情况，提高了系统的可用性和可靠性，同时提高了系统的电解效率。一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统，所述制氢系统包括依次连接的热能供给模块，制氢及分离模块和存储模块，所述制氢及分离模块上设有直流电源，所述制氢及分离模块和存储模块均与水箱连接；所述热能供给模块包括依次连接的聚光装置、集热装置、储热高温热管换热器和换热器单元；所述集热装置安装在所述聚光装置的焦点处，所述集热装置吸收所述聚光装置中的热能，使得所述集热装置的内部温度不低于1000°c ;所述储热高温热管换热器将所述集热装置收集到的热能输送至所述换热器单元;所述换热器单元将所述集热装置收集的热能传输给所述制氢及分离模块，加热所述制氢及分离模块中的水和氢气混合物至800°c以上的水蒸汽与氢气混合物。优选的，所述换热器单元为蒸汽换热器，所述蒸汽换热器通过所述储热高温热管换热器将所述集热装置存储的热能传输给所述制氢及分离模块。优选的，所述换热器单元包括高温储热装置和与所述高温储热装置连接的放热高温热管换热器；所述高温储热装置通过所述储热高温热管换热器存储所述集热装置中的热能，并保持其内部温度高于800°C ;所述放热高温热管换热器将所述高温储热装置存储的热能传输给所述制氢及分离模块。优选的，所述制氢及分离模块包括高温固体氧化物电解池和氢气水蒸汽分离器；所述高温固体氧化物电解池内设有阴极、电解质和阳极；所述高温固体氧化物电解池上设有所述直流电源，所述高温固体氧化物电解池利用所述直流电源提供的电能将高温水蒸汽电解成为氢气与氧气；所述氢气水蒸气分离器与所述高温固体氧化物电解池的阴极侧的顶端连接以接收氢气与水蒸汽的混合物并分离出纯氢气。 优选的，所述存储模块包括氢气冷却器、氢气存储装置、氧气冷却器和氧气存储装置；所述氢气水蒸汽分离器、氢气冷却器和氢气存储器依次连接；所述高温固体氧化物电解池的阳极侧、氧气冷却器和氧气存储装置依次连接，所述氧气冷却器接收并冷却所述高温固体氧化物电解池的阳极侧的氧气；所述氢气冷却器与所述氧气冷却器连接。优选的，所述换热单元与所述高温固体氧化物电解池连接；所述换热单元将热能传输至所述高温固体氧化物电解池，使所述高温固体氧化物电解池内温度不低于800°C。优选的，所述高温固体氧化物电解池与所述水箱之间连接有给水泵。优选的，所述氢气冷却器和氧气冷却器均通过循环水泵与所述水箱连接。优选的，所述聚光装置为蝶式聚光装置或塔式聚光装置。优选的，所述高温储热装置采用高温陶瓷基复合相变储热材料或者高温陶瓷显热储热材料。 从上述的技术方案可以看出，本专利技术提供了一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统，该系统包括依次连接的热能供给模块，制氢及分离模块和存储模块，热能供给模块包括依次连接的聚光装置、集热装置、储热高温热管换热器和换热器单元，并加热制氢及分离模块中的水和氢气混合物至800°C以上的水蒸汽与氢气混合物后，电解分离氢气和氧气。和现有技术相比，本专利技术提供的制氢系统，无需耗费化石能源，生产过程更为绿色环保，并且大幅的减小了耗电量；其提供稳定热源，解决了光热系统随天气变化而不稳定的情况，提高了系统的可用性，同时提高了系统的电解效率。与最接近的现有技术比，本专利技术提供的技术方案具有以下优异效果:1、本专利技术提供的技术方案，通过聚光装置、集热装置、储热高温热管换热器和换热器单元的设置，使得该系统无需耗费化石能源，生产过程更为绿色环保，并且大幅的减小了耗电量；其提供稳定热源，解决了光热系统随天气变化而不稳定的情况，提高了系统的可用性和可靠性，同时提高了系统的电解效率。2、本专利技术提供的技术方案，采用太阳能光热聚光系统为电解水系统提供高品质热能，无需耗费化石能源，生产过程更为绿色环保。3、本专利技术提供的技术方案，高温储热装置容量根据制氢系统的热负荷需求来确定，满足一个要求全天候连续工作的系统需要配置15小时甚至大容量的储热系统。高温相变储热系统为固体氧化物电解水制氢系统提供稳定热源，解决了光热系统随天气变化而不稳定的情况，提高了系统的可用性。4、本专利技术提供的技术方案，耦合了太阳能光热系统为固体氧化物电解水制氢系统提供尚温热能，相比于常规喊性电解水制氛，系统电解效率提尚20%以上。5、本专利技术提供的技术方案，聚光器的形式和面积根据制氢系统的热负荷需求和储热装置容量来选择，分布式系统一般采用碟式聚光系统，可以提供50-200kW热功率；规模化系统采用塔式聚光系统，可以提供30丽左右的热功率，满足了不同形式系统的功率要求，适用性广泛。6、本专利技术提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统的连接示意图。图2是本专利技术的制氢系统中的换热器单元为蒸汽换热器时的连接示意图。图3是本专利技术的制氢系统的换热器单元包括高温储热装置和放热高温热管换热器时的连接示意图。其中，1-聚光装置、2-集热装置、3-储热高温热管换热器、4-高温储热装置、5-放热高温热管换热器、6-直流电源、7-高温固体氧化物电解池、8-氢气水蒸汽分离器、9-氢气冷却器、10-氢气存储装置、11-氧气冷却器、12-氧气存储装置、13-水箱、14-给水泵、15-循环水泵、16-阳极、17-电解质、18-阴极、19-换热器单元、20-热能供给模块、21-制氢及分离模块、22-存储模块、23-蒸汽换热器。【具体实施方式】下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合太阳能光热的高温电解水制氢系统，所述制氢系统包括依次连接的热能供给模块，制氢及分离模块和存储模块，所述制氢及分离模块上设有直流电源，所述制氢及分离模块和存储模块均与水箱连接；其特征在于，所述热能供给模块包括依次连接的聚光装置、集热装置、储热高温热管换热器和换热器单元；所述集热装置安装在所述聚光装置的焦点处，所述集热装置吸收所述聚光装置中的热能，使得所述集热装置的内部温度不低于1000℃；所述储热高温热管换热器将所述集热装置收集到的热能输送至所述换热器单元；所述换热器单元将所述集热装置收集的热能传输给所述制氢及分离模块，加热所述制氢及分离模块中的水和氢气混合物至800℃以上的水蒸汽与氢气混合物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵波，王乐，杨岑玉，肖宇，赵鹏程，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网智能电网研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11