多级混合电解制氢系统及电解制氢方法技术方案

本发明专利技术属于新能源技术领域，公开了多级混合电解制氢系统及电解制氢方法，该多级混合电解制氢系统包括一级电解池电堆和二级电解池电堆，一级电解池电堆为高温质子导体电解池电堆、低温质子交换膜电解池电堆、低温碱性电解池电堆和低温阴离子交换膜电解池电堆中的任一个；二级电解池电堆为高温氧离子导体电解电堆；一级电解池电堆的阴极侧与二级电解池电堆的阴极侧串联连通，一级电解池电堆电化学反应生成的氢气能输送至二级电解池电堆的阴极侧。该多级混合电解制氢系统，提升了高温氧离子导体电解电堆的工作效率、耐久性和使用寿命，降低了多级混合电解制氢系统的复杂性和生产成本，避免了循环泵造成的功耗，且提升了制氢效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
多级混合电解制氢系统及电解制氢方法


[0001]本专利技术涉及新能源
，尤其涉及多级混合电解制氢系统及电解制氢方法。

技术介绍

[0003]高温固体氧化物电解池(Solid oxide electrolysis cell，SOEC)是一种高效率的电解制氢装置，高温固体氧化物电解池的电解质材料分为氧离子导体材料和质子导体材料，目前，现有技术中大多采用高温固体氧化物电解池所用的电解质材料大多为氧离子导体材料，如掺杂的氧化锆和掺杂的氧化铈等，阴极材料大多为镍金属颗粒和氧化锆颗粒的混合物，或者镍金属颗粒和氧化铈颗粒的混合物，形成高温氧离子导体电解电堆。但阴极侧的镍金属颗粒在运行温度为500℃～900℃和纯水蒸气的条件下会快速团聚老化，导致高温固体氧化物电解池电堆性能衰减，使用寿命降低，从而导致由高温氧离子导体电解电堆形成的电解制氢系统的性能衰减，使用寿命降低。
[0004]针对这种现象，现有技术中在设计由高温氧离子导体电解电堆形成的电解制氢系统时，需要专门设计氢气循环系统，通过氢气循环系统把高温氧离子导体电解电堆电解产生的氢气循环到高温氧离子导体电解电堆的入口前，并将循环的氢气与水蒸气混合，以避免高温氧离子导体电解电堆的阴极侧的镍金属颗粒在运行温度为500℃～900℃和纯水蒸气的条件下快速团聚老化的问题，以提高高温氧离子导体电解电堆的使用性能和使用寿命。但增加氢气循环系统，增加了系统复杂性，成本高，且可靠性低，且氢气循环系统使用氢气循环泵会增加功耗，影响制氢效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供多级混合电解制氢系统及电解制氢方法，以解决现有技术中由高温氧离子导体电解电堆形成的电解制氢系统，增加氢气循环系统，增加了系统复杂性，成本高，且可靠性低，且氢气循环系统使用氢气循环泵会增加功耗，影响制氢效率的问题。
[0006]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]多级混合电解制氢系统，其包括：
[0008]一级电解池电堆，所述一级电解池电堆为高温质子导体电解池电堆、低温质子交换膜电解池电堆、低温碱性电解池电堆和低温阴离子交换膜电解池电堆中的任一个；
[0009]二级电解池电堆，所述二级电解池电堆为高温氧离子导体电解电堆；
[0010]所述一级电解池电堆的阴极侧与所述二级电解池电堆的阴极侧串联连通，所述一级电解池电堆电化学反应生成的氢气能输送至所述二级电解池电堆的阴极侧。
[0011]作为优选，所述多级混合电解制氢系统包括水供应组件和空气供应组件，所述水供应组件用于向所述一级电解池电堆和所述二级电解池电堆供水，所述空气供应组件用于向所述一级电解池电堆和所述二级电解池电堆供应空气。
[0012]作为优选，所述多级混合电解制氢系统包括第一混合器，所述水供应组件包括第
一加热器，所述第一混合器能够混合所述一级电解池电堆的阴极侧输出的气体和所述水供应组件输出的水，所述第一加热器能够加热所述第一混合器输出的流质，并输送至所述二级电解池电堆的阴极侧。
[0013]作为优选，所述多级混合电解制氢系统还包括二氧化碳供应组件和气体反应器，所述二氧化碳供应组件的输出端与所述第一混合器的输入端连通，所述二级电解池电堆输出的气体能够在所述气体反应器内进行化学反应。
[0014]作为优选，所述二氧化碳供应组件包括二氧化碳气源和第一流量调节阀，所述第一流量调节阀设置于所述二氧化碳气源与所述第一混合器的输入端连通的管路上。
[0015]作为优选，所述多级混合电解制氢系统还包括燃料气体回收组件，所述燃料气体回收组件用于回收所述二级电解池电堆的阴极侧输出的燃料气体。
[0016]作为优选，所述多级混合电解制氢系统还包括氧气回收组件，所述氧气回收组件用于回收所述一级电解池电堆的阳极侧和所述二级电解池电堆的阳极侧输出的氧气。
[0017]作为优选，所述多级混合电解制氢系统还包括热交换组件，所述热交换组件用于将所述一级电解池电堆输出的气体的热量和/或所述二级电解池电堆输出的气体的热量与所述水供应组件输出的水和/或所述空气供应组件输出的空气进行热交换。
[0018]作为优选，所述二级电解池电堆的数量为多个，多个所述二级电解池电堆并联分布，所述一级电解池电堆的阴极侧的输出端与多个所述二级电解池电堆的阴极侧的输入端连通。
[0019]电解制氢方法，其采用上述的多级混合电解制氢系统，所述电解制氢方法包括多级混合电解制氢系统启动方法，所述多级混合电解制氢系统启动方法包括：
[0020]加热空气，并向二级电解池电堆的阳极侧输送加热的空气；
[0021]控制所述一级电解池电堆开始进行电化学反应；
[0022]判断所述一级电解池电堆进行电化学反应产生的氢气占输送至所述二级电解池电堆的阴极侧的总气体的占比是否大于设定比值；
[0023]若是，则将所述一级电解池电堆进行电化学反应产生的氢气输送至所述二级电解池电堆的阴极侧；
[0024]判断所述二级电解池电堆的阳极侧输出的气体的温度是否大于等于第一设定温度；
[0025]若是，则控制所述二级电解池电堆开始进行电化学反应；
[0026]收集所述二级电解池电堆的阴极侧输出的燃料气体。
[0027]作为优选，所述一级电解池电堆为高温质子导体电解池电堆，在向二级电解池电堆的阳极侧输送加热的空气和控制所述一级电解池电堆开始进行电化学反应之间还包括以下步骤：
[0028]向所述一级电解池电堆供应水蒸气，并向所述二级电解池电堆供应水蒸气；
[0029]控制所述一级电解池电堆的升温速率大于所述二级电解池电堆的升温速率；
[0030]判断所述一级电解池电堆的阳极侧输出的气体的温度是否大于等于第二设定温度；
[0031]若是，则控制所述一级电解池电堆开始进行电化学反应。
[0032]作为优选，所述第一设定温度的范围为400℃～800℃；所述水蒸气的温度范围为
150℃～600℃；所述第二设定温度的范围为400℃～800℃。
[0033]作为优选，所述一级电解池电堆为低温质子交换膜电解池电堆、低温碱性电解池电堆和低温阴离子交换膜电解池电堆中的任一个，在向二级电解池电堆的阳极侧输送加热的空气和控制所述一级电解池电堆开始进行电化学反应之间还包括以下步骤：
[0034]判断所述二级电解池电堆的阳极侧输出的气体的温度是否大于等于第三设定温度；
[0035]若是，则向所述二级电解池电堆供应水蒸气；
[0036]依据向所述二级电解池电堆供应水蒸气的量判断所述二级电解池电堆的阴极侧内的空气是否被扫吹干净；
[0037]若是，则控制所述一级电解池电堆开始进行电化学反应。
[0038]作为优选，所述第三设定温度的范围为200℃～600℃。
[0039]作为优选，所述多级混合电解制氢系统还包括二氧化碳供应组件，所述二氧化碳供应组件用于向所述二级电解池电堆供应二氧化碳；将所述一级电解池本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多级混合电解制氢系统，其特征在于，包括：一级电解池电堆(11)，所述一级电解池电堆(11)为高温质子导体电解池电堆(111)、低温质子交换膜电解池电堆(112)、低温碱性电解池电堆(113)和低温阴离子交换膜电解池电堆(114)中的任一个；二级电解池电堆(21)，所述二级电解池电堆(21)为高温氧离子导体电解电堆；所述一级电解池电堆(11)的阴极侧与所述二级电解池电堆(21)的阴极侧串联连通，所述一级电解池电堆(11)电化学反应生成的氢气能输送至所述二级电解池电堆(21)的阴极侧。2.根据权利要求1所述的多级混合电解制氢系统，其特征在于，所述多级混合电解制氢系统包括水供应组件和空气供应组件，所述水供应组件用于向所述一级电解池电堆(11)和所述二级电解池电堆(21)供水，所述空气供应组件用于向所述一级电解池电堆(11)和所述二级电解池电堆(21)供应空气。3.根据权利要求2所述的多级混合电解制氢系统，其特征在于，所述多级混合电解制氢系统包括第一混合器(5)，所述水供应组件包括第一加热器(31)，所述第一混合器(5)能够混合所述一级电解池电堆(11)的阴极侧输出的气体和所述水供应组件输出的水，所述第一加热器(31)能够加热所述第一混合器(5)输出的流质，并输送至所述二级电解池电堆(21)的阴极侧。4.根据权利要求3所述的多级混合电解制氢系统，其特征在于，所述多级混合电解制氢系统还包括二氧化碳供应组件(6)和气体反应器(7)，所述二氧化碳供应组件(6)的输出端与所述第一混合器(5)的输入端连通，所述二级电解池电堆(21)输出的气体能够在所述气体反应器(7)内进行化学反应。5.根据权利要求4所述的多级混合电解制氢系统，其特征在于，所述二氧化碳供应组件(6)包括二氧化碳气源(61)和第一流量调节阀(62)，所述第一流量调节阀(62)设置于所述二氧化碳气源(61)与所述第一混合器(5)的输入端连通的管路上。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的多级混合电解制氢系统，其特征在于，所述多级混合电解制氢系统还包括燃料气体回收组件(8)，所述燃料气体回收组件(8)用于回收所述二级电解池电堆(21)的阴极侧输出的燃料气体。7.根据权利要求1
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5任一项所述的多级混合电解制氢系统，其特征在于，所述多级混合电解制氢系统还包括氧气回收组件(9)，所述氧气回收组件(9)用于回收所述一级电解池电堆(11)的阳极侧和所述二级电解池电堆(21)的阳极侧输出的氧气。8.根据权利要求2
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5任一项所述的多级混合电解制氢系统，其特征在于，所述多级混合电解制氢系统还包括热交换组件，所述热交换组件用于将所述一级电解池电堆(11)输出的气体的热量和/或所述二级电解池电堆(21)输出的气体的热量与所述水供应组件输出的水和/或所述空气供应组件输出的空气进行热交换。9.根据权利要求1
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5任一项所述的多级混合电解制氢系统，其特征在于，所述二级电解池电堆(21)的数量为多个，多个所述二级电解池电堆(21)并联分布，所述一级电解池电堆(11)的阴极侧的输出端与多个所述二级电解池电堆(21)的阴极侧的输入端连通。10.电解制氢方法，其特征在于，采用权利要求1
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9任一项所述的多级混合电解制氢系统，所述电解制氢方法包括多级混合电解制氢系统启动方法，所述多级混合电解制氢系统
启动方法包括：加热空气，并向二级电解池电堆(21)的阳极侧输送加热的空气；控制所述一级电解池电堆(11)开始进行电化学反应；判断所述一级电解池电堆(11)进行电化学反应产生的氢气占输送至所述二级电解池电堆(21)的阴极侧的总气体的占比是否大于设定比值；若是，则将所述一级电解池电堆(11)进行电化学反应产生的氢气输送至所述二级电解池电堆(21)的阴极侧；判断所述二级电解池电堆(21)的阳极侧输出的气体的温度是否大于等于第一设定温度；若是，则控制所述二级电解池电堆(21)开始进行电化学反应；收集所述二级电解池电堆(21)的阴极侧输出的燃料气体。11.根据权利要求10所述的电解制氢方法，其特征在于，所述一级电解池电堆(11)为高温质子导体电解池电堆(111...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈雪松，朱江，王晓阳，张桂梅，贺静芝，
申请(专利权)人：山东国创燃料电池技术创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：