避免高温电解中产生热机械应力的方法技术

本申请涉及一种避免高温电解中产生热机械应力的方法。所述方法的原理在于：在电解系统运行过程中，通过施加或者移除电能，将所述电解系统的工作电压在开路电压和热中性电压之间瞬时切换。采用本方法可以通过瞬时施加或者移除电能输入实现气体制取的瞬时启动和停止，其响应速度相比现有系统更快；另外，在施加或者移除电能时，不会在机械脆弱的陶瓷电堆内部引起温度梯度，也不需要复杂的热管理来平衡输入高温电解系统电堆的电能和热能。输入高温电解系统电堆的电能和热能。输入高温电解系统电堆的电能和热能。

【技术实现步骤摘要】
避免高温电解中产生热机械应力的方法


[0001]本申请涉及新能源
，特别是涉及一种避免高温电解中产生热机械应力的方法。

技术介绍

[0002]随着新能源技术的发展，氢气作为燃料用于发电时不会排放任何的有害气体，例如，通过水/蒸汽电解制取的氢气可以提供给燃料电池汽车使用，也可以提供给难以电气化的工业领域以实现脱碳，氢能技术的开发得到了很大程度上的发展。
[0003]高温电解通常在600摄氏度至1000摄氏度的温度范围内运行。在该温度区间内，反应的动力学速率较高且不需要昂贵的金属催化剂，所以相比质子交换膜等低温电解技术而言，高温电解具有更大的成本优势。同时，高温电解具有最高的转换效率。然而，由于高温电解电堆通常使用延展性较差的陶瓷材料，其不能很好的承受温度变化，高温电解通常是通过控制反应气体的温度以实现热管理，由于该技术的整个过程以及温度控制较为复杂，使得系统一般不太适用于动态运行。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种避免高温电解中产生热机械应力的方法，能够适用于高温电解系统的动态运行。
[0005]一种避免高温电解中产生热机械应力的方法，所述方法包括：
[0006]在电解系统运行过程中，通过施加或者移除电能，将所述电解系统的工作电压在开路电压和热中性电压之间瞬时切换。
[0007]在其中一个实施例中，所述方法应用于水或蒸汽的电解。
[0008]在其中一个实施例中，所述方法应用于二氧化碳的电解。
[0009]在其中一个实施例中，所述方法应用于蒸汽与二氧化碳的共电解。
[0010]在其中一个实施例中，所述方法应用于电解过程发生在300摄氏度至1000摄氏度下的电解系统。
[0011]在其中一个实施例中，所述电解系统由多个小功率的子系统组成，其中，各所述子系统的负载被单独调节。
[0012]在其中一个实施例中，所述方法适用于可逆系统的电解模式。
[0013]上述避免高温电解中产生热机械应力的方法，在电解系统运行过程中，通过施加或者移除电能，将电解系统的工作电压在开路电压和热中性电压之间瞬时切换。采用该方法的高温电解系统可以通过瞬时施加或者移除电能输入实现气体制取的瞬时启动和停止，其响应速度相比现有系统更快；另外，在施加或者移除电能时，不会在机械脆弱的陶瓷电堆内部引起温度梯度，在施加和移除电源时，不需要复杂的热管理来平衡输入高温电解系统电堆的电能和热能。
附图说明
[0014]图1为一个实施例中吸热区、绝热点和放热区中电池电压U与电流
‑
I的关系示意图；
[0015]图2为一个实施例中传统增加氢气制取量的方法以及其需要维持热平衡时热量Q的变化图；
[0016]图3为一个实施例中电解系统由多个小功率的子系统组成的示意图；
[0017]图4为一个实施例中避免高温电解中产生热机械应力方法的流程示意图；
[0018]图5为一个实施例中阶跃电压的瞬时变化示意图；
[0019]图6为一个实施例中避免高温电解中产生热机械应力装置的结构框图；
[0020]图7为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
[0021]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0022]本申请提供的避免高温电解中产生热机械应力的方法，可以应用于高温电解系统中。通常，将电解技术用于平衡电网时，需要严格满足输电系统运营商的各项指标，包括装机容量、负荷跟踪能力、运行时长以及安装地址等。对于以上所提及的四项指标而言，负荷跟踪能力的满足是最具有挑战性的，这也是为什么现在用于平衡电网的电解技术主要都是低温电解技术而不是高温电解技术的原因。高温电解通常在600摄氏度至1000摄氏度的温度范围内运行，在该温度区间内，反应的动力学速率较高且不需要昂贵的金属催化剂，所以相比质子交换膜等低温电解技术而言，高温电解具有更大的成本优势。同时，高温电解具有最高的转换效率。然而，由于高温电解电堆通常使用延展性较差的陶瓷材料，其不能很好的承受温度变化。高温电解通常是通过控制反应气体的温度以实现热管理，由于该技术的整个过程以及温度控制较为复杂，使得系统一般不太适用于动态运行。
[0023]由于电解水蒸气制取氢气是高温电解最为常见的形式，下面将以高温电解水蒸气制取氢气为例对本申请提出的方法进行说明：氢气的制取量和制取氢气需要的电能通常由外部电源控制，例如可以由电力电子设备控制，即通过控制电解池电堆的电压U保持不变以实现恒压控制，或者控制电解池电堆的电流I保持不变以实现恒流控制。而电解池电堆是由多个单电池组成，每一个单电池都是一个相同的重复单元，电压U是所有串联的单电池电压的总和，故而电解池的控制方法不随电池数量的改变而改变，因此，下面以单个电池的控制方法为例进行说明。
[0024]在一个实施例中，提供了一种避免高温电解中产生热机械应力的方法，包括以下步骤：在电解系统运行过程中，通过施加或者移除电能，将电解系统的工作电压在开路电压和热中性电压之间瞬时切换。
[0025]通常，高温电解系统中电池电压U与输入电流I(当运行在电解模式下电流I为负值)为线性关系，即
[0026]U＝U0‑
I*ASR
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0027]式中，U0是开路电压，其由输入气体组分、压力和温度决定，其中欧姆斜率通常称
为面积比电阻或ASR(如图1所示)。
[0028]制氢量Φ与电流I和电堆内电池数量N
cell
成正比关系：
[0029]Φ＝
‑
I*N
cell
/2F
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0030]通过公式(1)和公式(2)可得到在当前电压和电流对应的工况下，电解系统电堆所消耗的净功率P可以被表示为：
[0031]P＝
‑
N
cell
*U*I＝2U0*Φ*F+(4ASR*Φ2*F2)/N
cell
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0032]通过公式(3)可以看出，氢气制取所需要的电能与氢气的制取量具有非线性关系。由于制氢量可以通过U或I来控制，因此我们可以通过改变电解池设定的电压U或I来选择电解系统所需的工况点。但是每单位氢气所储存的化学能是固定的，这是由氢气的热力学性质(焓)决定的，故而制取每单位氢气所需的能量是固定的，这意味着电解系统制氢时需要额外的热量平衡和温度控制，以克服来自电源的非线性功率的输入，以使高温电解保持在稳定状态。通常，当制氢量较低时，电解系统在吸热工况下运行，电解系统的电堆需要额外的热量以保持恒定的温度；当制氢量较高时，电解系统在放热工况下运行，电解系统的电堆需要额外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种避免高温电解中产生热机械应力的方法，其特征在于，所述方法包括：在电解系统运行过程中，通过施加或者移除电能，将所述电解系统的工作电压在开路电压和热中性电压之间瞬时切换。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用于水或蒸汽的电解。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用于二氧化碳的电解。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用于蒸...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧绍辉，杨波，杨怡萍，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司广州供电局，
类型：发明
国别省市：