集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统，在储能阶段通过压缩空气与吸热型化学反应相耦合，不仅实现物理/化学能的混合存储，还能提高了压缩热的能量品位；在释能阶段，采用与压缩空气储能压力相匹配的固体氧化物燃料电池

【技术实现步骤摘要】
集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统


[0001]本专利技术属于储能制氢
，具体涉及一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统。

技术介绍

[0002]随着世界范围内化石能源的日益枯竭，以及日益严重的环境污染和生态破坏等问题，大力发展可再生能源技术并高效利用化石能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的有效途径。然而，可再生能源的间歇性和不可调度性给其并网带来巨大挑战，从而使可再生能源被大量削减。为了确保可再生能源的高渗透率，同时解决电网波动问题，非高峰时段的电能存储技术和高峰时段的发电技术得到广泛关注。在目前的电能存储技术中，压缩空气储能因可靠性高、寿命长、成本低等特点被认为是最有前途的技术之一；然而目前压缩空气储能系统在释能阶段采用的发电技术效率较低，从而限制了整体系统的能量效率。相比于传统的发电技术，固体氧化物燃料电池由于具有效率高、燃料灵活、污染物排放低等诸多优点在发电领域受到广泛关注。压缩空气储能与固体氧化物燃料电池相结合的储能技术为未来提高可再生能源的占比提供了一种新兴的替代方案。
[0003]另一方面，氢能作为一种清洁的二次能源载体，有多种来源途径，并且氢能可高效地转化为电和热，在未来能源系统中具有广阔的应用途径。氢能的属性可以助力构建以新能源为主体的新型电力系统，必定在未来终端能源体系中占据重要地位。目前，氢能的开发与利用技术已经成为新一轮世界能源技术变革的重要方向，也是很多产业未来发展的战略制高点，发展氢能对实现“碳达峰、碳中和”具有重大意义。

技术实现思路
<br/>[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统，包括压缩空气热化学储能制氢系统和固体氧化物燃料电池释能制氢系统；在储能阶段通过压缩空气与吸热型化学反应相耦合，不仅实现物理/化学能的混合存储，还能提高压缩热的能量品位；在释能阶段，采用与压缩空气储能压力相匹配的固体氧化物燃料电池
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透平系统，通过能量梯级利用准则，高效地将存储的化学能和压力能转化为电能；此外，在储能和释能阶段，均以氢气为能量载体实现低品位热能到高品位化学能的转化，在实现储能和制氢一体化应用模式的同时，提高系统的能量利用效率。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，包括蒸发反应器，蒸发反应器的燃料入口依次经燃料蒸发器、燃料预热器和燃料泵后与液态燃料储罐的出口连接；蒸发反应器的燃料出口依次经燃料预热器和气液分离器后分两路，一路与液态燃料储罐的入口连接，另一路经氢气分离器与气态燃料储罐的入口连接；蒸发反应器的热源入口与空气压缩机连接；蒸发反应器的热源出口依次经燃料蒸发器和余热回收器后与空气储罐的入口
连接，余热回收器的冷侧与蓄热器连接；
[0007]气态燃料储罐的出口经混合器和燃料加热器与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接，空气储罐的出口依次经空气预热器和空气加热器后与固体氧化物燃料电池的阴极入口连接，空气预热器的热侧与蓄热器连接；固体氧化物燃料电池的阳极出口分两路，一路经循环压缩机与混合器的入口连接，另一路与燃烧室的燃料入口连接，固体氧化物燃料电池的阴极与燃烧室的空气入口连接，燃烧室的出口依次经透平、燃料加热器和空气加热器后与蒸发反应器的热源入口；蒸发反应器的液态水入口与水泵连接。
[0008]具体的，蒸发反应器包括蒸发反应管，蒸发反应管的入口经第五三通阀分两路，一路与第四三通阀的第一出口连接，另一路经引射器与第四三通阀的第二出口连接，蒸发反应管的气态水出口与引射器的第二入口连接。
[0009]进一步的，蒸发反应管包括多个，多个蒸发反应管并联设置。
[0010]进一步的，蒸发反应管由内至外依次包括燃料流道、热源流道和水流道。
[0011]更进一步的，燃料流道为螺旋结构。
[0012]再进一步的，水流道、热源流道及燃料流道沿燃料流道的螺旋线同轴设置。
[0013]更进一步的，热源流道上间隔设置有翅片。
[0014]再进一步的，多个翅片沿热源流道的外壁中心对称设置。
[0015]本专利技术的另一技术方案是，一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法，利用集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，包括以下步骤：
[0016]在储能阶段，采用空气压缩机压缩后的空气作为热化学反应的热源，蒸发反应器内仅发生燃料的反应过程；水泵停止工作，蒸发反应器的水流道内无水流过，燃料流入蒸发反应器的燃料流道，在没有水的参与下发生裂解反应，产生合成气，空气流经蒸发反应器为裂解反应提供热量；
[0017]在释能阶段，采用气体燃料燃烧后的尾气作为热化学反应的热源，蒸发反应器内同时发生燃料的反应过程和水的蒸发过程；水泵向蒸发反应器中供水，水流道内有水流过，液态水吸收热源热量后生成气态水，燃料流入引射器的第一入口，同时蒸发形成的气态水被引射器的第二入口吸入，两股气体充分混合后流入燃料流道发生重整反应，产生氢气和二氧化碳，尾气为重整反应和液态水的蒸发提供热量。
[0018]具体的，在储能阶段和释能阶段，均通过氢气分离器向外输出氢气；
[0019]在储能阶段，氢气分离器输出的一氧化碳流入气态燃料储罐中存储；
[0020]在释能阶段，氢气分离器输出的二氧化碳排入大气；
[0021]在储能阶段，采用蓄热工质回收空气的余热并存储于蓄热器中；
[0022]在释能阶段，采用蓄热工质吸收蓄热器中存储的热量，用于预热流经空气预热器的空气。
[0023]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0024]本专利技术集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，在储能阶段，通过压缩空气阶段产生的压缩热驱动吸热型热化学反应产生合成气，将压缩热的低品位热能转化为合成气的高品位化学能，同实现物理/化学能的混合存储(即，压力能和化学能)；在释能阶段，固体氧化物燃料电池
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透平系统通过能量的梯级利用，将存储的压力能和化学能高效地转化为电能输出，且释能系统所需的高压燃料和空气已在储能阶段获得，可大大减少传
统固体氧化物燃料电池
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透平系统中压缩燃料和空气所消耗的功，从而显著提高系统的发电量和效率，采用一氧化碳作固体氧化物燃料电池的燃料，避免了传统固体氧化物燃料电池系统中燃料重整消耗的热量，可进一步提高系统的发电量；此外，尾气的低品位热能可进一步转化为氢气的高品位化学能，提高系统的能量效率。
[0025]进一步的，采用结构紧凑的新型蒸发反应器，集成液体蒸发功能与燃料反应功能于一体，根据不同需求，既可同时实现液体的蒸发和燃料的反应，又可仅实现燃料的反应；蒸发反应器在储能阶段发生燃料的裂解反应生成合成气，实现储能和制氢的双重目的，在释能阶段发生燃料和水的重整反应，实现制氢和余热回收的双重目的；蒸发反应管的入口经第五三通阀分两路，一路与第四三通阀的第一出口连接，另一路经引射器与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，包括蒸发反应器(5)，蒸发反应器(5)的燃料入口依次经燃料蒸发器(4)、燃料预热器(3)和燃料泵(2)后与液态燃料储罐(1)的出口连接；蒸发反应器(5)的燃料出口依次经燃料预热器(3)和气液分离器(8)后分两路，一路与液态燃料储罐(1)的入口连接，另一路经氢气分离器(9)与气态燃料储罐(11)的入口连接；蒸发反应器(5)的热源入口与空气压缩机(6)连接；蒸发反应器(5)的热源出口依次经燃料蒸发器(4)和余热回收器(13)后与空气储罐(14)的入口连接，余热回收器(13)的冷侧与蓄热器(15)连接；气态燃料储罐(11)的出口经混合器(17)和燃料加热器(18)与固体氧化物燃料电池(22)的阳极入口连接，空气储罐(14)的出口依次经空气预热器(20)和空气加热器(21)后与固体氧化物燃料电池(22)的阴极入口连接，空气预热器(20)的热侧与蓄热器(15)连接；固体氧化物燃料电池(22)的阳极出口分两路，一路经循环压缩机(23)与混合器(17)的入口连接，另一路与燃烧室(24)的燃料入口连接，固体氧化物燃料电池(22)的阴极与燃烧室(24)的空气入口连接，燃烧室(24)的出口依次经透平(25)、燃料加热器(18)和空气加热器(21)后与蒸发反应器(5)的热源入口；蒸发反应器(5)的液态水入口与水泵(26)连接。2.根据权利要求1所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，蒸发反应器(5)包括蒸发反应管(30)，蒸发反应管(30)的入口经第五三通阀(28)分两路，一路与第四三通阀(27)的第一出口连接，另一路经引射器(29)与第四三通阀(27)的第二出口连接，蒸发反应管(30)的气态水出口与引射器(29)的第二入口连接。3.根据权利要求2所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，蒸发反应管(30)包括多个，多个蒸发反应管(30)并联设置。4.根据权利要求2所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，蒸发...

【专利技术属性】
技术研发人员：席光，仲理科，姚尔人，胡杨，邹瀚森，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：