一种基于核能的灵活变负荷发电制氢系统及工作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于核能的灵活变负荷发电制氢系统及工作方法，该系统包括小型氟盐冷却高温堆、固体氧化物电解池制氢系统、固体氧化物燃料电池发电系统、超临界二氧化碳发电系统四者的耦合系统。小型氟盐冷却高温堆作为系统热源，提供高温氟盐；固体氧化物电解池制氢系统利用高温预热气体，实现高效制氢，同时在需要大负荷发电时，转化为固体氧化物燃料电池发电系统，可以利用超临界二氧化碳余热对发热电堆进行冷却；超临界二氧化碳发电系统利用制氢排气的余热加热二氧化碳，实现能量梯级利用，提高发电效率，同时利用分流比例灵活调整发电和制氢比例，实现灵活变负荷。本发明专利技术提供了以小型氟盐冷却高温堆为热源的高温制氢和发电的高效耦合方案。发电的高效耦合方案。发电的高效耦合方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于核能的灵活变负荷发电制氢系统及工作方法


[0001]本专利技术属于新型多用途能量转换系统设计领域，具体涉及一种基于核能的灵活变负荷发电制氢系统及工作方法。

技术介绍

[0002]氟盐冷却高温堆具有高温运行、固有安全、结构紧凑等特点，可以达到700℃高温，适合用于高温发电及高温工艺。超临界二氧化碳发电系统作为新型能量转换系统具有效率高，适应性好，结构紧凑等特点，可以耦合氟盐冷却高温堆组成高效发电系统。固体氧化物电解池高温制氢系统可以实现高效、环保、绿色制氢，是目前效率最高，最有希望大规模应用的制氢方式。固体氧化物电解池高温制氢系统逆向可以转化为固体氧化物燃料电池发电系统。
[0003]但目前针对上述四者的研究相对独立，而且固体氧化物制氢需要700℃高温热源和高温气体，在平常工业系统中难以达到这种条件，而氟盐堆温度可达700℃，二者十分契合；小型氟盐冷却高温堆耦合超临界二氧化碳发电系统的变负荷需要堆侧的流量和温度调控，不利于堆侧的安全稳定运行，无法实现灵活变负荷。另外超临界二氧化碳发电系统负荷较窄，适用范围较小。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于核能的灵活变负荷发电制氢系统及工作方法，该系统以氟盐冷却高温堆为热源，同时耦合超临界二氧化碳发电系统与固体氧化物电解池制氢系统；固体氧化物电解池制氢系统中利用高温氟盐加热水和空气，同时利用电堆高温排气以及超临界二氧化碳发电系统透平出口高温二氧化碳预热水和空气；超临界二氧化碳发电系统中有效利用中温排气预热二氧化碳提高系统发电效率；另外，通过分流阀开度调控发电量和制氢量比例，可以实现更安全稳定的发电系统变负荷控制，同时满足灵活变负荷要求。在大负荷条件下，通过将固体氧化物电解池制氢系统逆向转化为固体氧化物燃料电池发电系统，弥补超临界二氧化碳发电系统负荷不足等缺陷，实现耦合系统大负荷下稳定运行。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于核能的灵活变负荷发电制氢系统，包括小型氟盐冷却高温堆、超临界二氧化碳发电系统、固体氧化物电解池制氢系统和固体氧化物燃料电池发电系统；其中小型氟盐冷却高温堆中熔融盐换热器2的高温氟盐用于加热制氢所需的高温气体，同时也用于加热发电所需的高温高压超临界二氧化碳，通过分流阀14控制发电量与制氢量的比例，使得发电系统变工况运行时不需要堆侧控制，同时能够满足小负荷范围内稳定运行，可实现灵活变负荷；固体氧化物电解池制氢系统出口气体的余热先用于预热进入电堆的气体，排气用于超临界二氧化碳的预热，充分利用不同品味的热量，实现能量的梯级利用，提高系统整体效率；固体氧化物电解池制氢系统可以逆向转化为固体氧化物燃料电池发电系统，使
整个耦合系统能够满足大负荷发电，扩展了发电系统的变负荷范围；采用透平出口二氧化碳对空气预热，之后对固体氧化物燃料电池的电堆进行冷却，防止电堆损坏，同时充分利用不同品味能量，提高效率。
[0007]所述小型氟盐冷却高温堆包括小型氟盐冷却高温堆堆芯1、熔融盐换热器2和分流阀14；
[0008]所述固体氧化物电解池制氢系统包括低温气体预热器15、分流阀16、中温气体预热器4、高温气体预热器5、电堆6、预冷器9和氢气容器13、合流阀17；
[0009]所述超临界二氧化碳发电系统包括预冷器9、主压缩机10、再压缩机11、低温回热器8、高温回热器7、熔盐—CO2换热器3、透平12和低温气体预热器15；
[0010]所述小型氟盐冷却高温堆堆芯1工质入口与熔融盐换热器2热侧工质出口相连通，小型氟盐冷却高温堆堆芯1工质出口与熔融盐换热器2热侧工质入口相连通；熔融盐换热器2冷侧工质入口同时与熔盐—CO2换热器3热侧工质出口、高温气体预热器5热侧工质出口相连，熔融盐换热器2冷侧工质出口通过分流阀14同时与熔盐—CO2换热器3热侧工质入口、高温气体预热器5热侧工质入口相连；
[0011]中温气体预热器4冷侧出口与高温气体预热器5冷侧入口相连，高温气体预热器5空气侧出口与电堆6阴极入口相连，水蒸气侧出口与电堆6阳极入口相连，电堆6阳极出口和阴极出口与中温气体预热器4热侧工质入口相连，中温气体预热器4氢气侧出口与低温回热器8氢气侧入口相连，低温回热器8氢气侧出口与预冷器9氢气侧入口相连，预冷器9氢气侧出口与氢气容器13相连；
[0012]低温气体预热器15冷侧出口与中温气体预热器4冷侧入口相连，冷侧工质为水和二氧化碳，低温气体预热器15热侧入口与透平12出口相连，低温气体预热器15热侧出口与高温换热器7热侧入口相连。低温气体预热器15冷侧出口空气通过分流阀16一部分通向中温气体预热器4冷侧，一部分通向电堆6，从电堆6出来后通过合流阀17返回至低温气体预热器15冷侧入口；
[0013]高温回热器7热侧工质入口与低温气体预热器15热侧出口相连，高温回热器7热侧工质出口与低温回热器8热侧工质入口相连，高温回热器7冷侧工质入口同时与低温回热器8冷侧工质出口和再压缩机11出口相连，高温回热器7冷侧工质出口与熔盐—CO2换热器3冷侧工质入口相连，熔盐—CO2换热器3冷侧工质出口与透平12入口相连，透平12出口与低温气体预热器15热侧入口相连；
[0014]低温回热器8冷侧工质入口与主压缩机10出口相连，低温回热器8热侧工质出口同时与预冷器9入口和再压缩机11入口相连，预冷器9出口与主压缩机10入口相连。
[0015]所述熔融盐换热器2冷侧出口温度为700℃，冷侧入口温度为600℃；所述电堆6需要维持在700℃，入口气体保持700℃。
[0016]所述的一种基于核能的灵活变负荷发电制氢系统的工作方法，空气和水分别通入所述低温气体预热器15冷侧入口经透平12出口高温二氧化碳加热，之后通入中温气体预热器4经电堆6高温排气加热，再进入高温气体预热器5经热侧氟盐加热为高温空气和水蒸气，分别通入电堆6阴极和阳极，经电解制氢后电堆6阳极出口为高温氢气，阴极出口为高温氮气和氧气混合物，高温气体再分别通入低温气体预热器4热侧利用余热加热电堆6入口气体，中温气体预热器4出口的氮气和氧气混合物直接排放，出口的氢气通入低温回热器8预
热二氧化碳，再进入预冷器9冷却后进入氢气容器13储存。
[0017]高温FLiBe从小型氟盐冷却高温堆堆芯1出口进入熔融盐换热器2热侧加热低温FLiNaK，低温FLiBe从熔融盐换热器2热侧出口进入小型氟盐冷却高温堆堆芯1循环；经加热的高温FLiNaK从熔融盐换热器2冷侧出口进入分流阀14，通过调整分流阀14开度改变进入超临界二氧化碳发电系统和固体氧化物电解池制氢系统的高温FLiNaK的流量，配合固体氧化物电解池制氢系统中水和空气流量的变化实现对制氢量的控制，配合超临界二氧化碳发电系统中二氧化碳流量的变化实现对发电量的控制，不需要堆芯侧的控制，可以克服小型氟盐冷却高温堆变负荷能力弱的缺点，让系统能够在小负荷下稳定运行。
[0018]超临界二氧化碳在主压缩机10中升压，依次在低温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于核能的灵活变负荷发电制氢系统，其特征在于，包括小型氟盐冷却高温堆、超临界二氧化碳发电系统、固体氧化物电解池制氢系统和固体氧化物燃料电池发电系统；其中小型氟盐冷却高温堆中熔融盐换热器(2)的高温氟盐用于加热制氢所需的高温气体，同时也用于加热发电所需的高温高压超临界二氧化碳，通过分流阀(14)控制发电量与制氢量的比例，使得发电系统变工况运行时不需要堆侧控制，同时能够满足小负荷范围内稳定运行，可实现灵活变负荷；固体氧化物电解池制氢系统出口气体的余热先用于预热进入电堆的气体，排气用于超临界二氧化碳的预热，充分利用不同品味的热量，实现能量的梯级利用，提高系统整体效率；固体氧化物电解池制氢系统能够逆向转化为固体氧化物燃料电池发电系统，使整个耦合系统能够满足大负荷发电，扩展了发电系统的变负荷范围；采用透平出口二氧化碳对空气预热，之后对固体氧化物燃料电池的电堆进行冷却，防止电堆损坏，同时充分利用不同品味能量，提高效率；所述小型氟盐冷却高温堆包括小型氟盐冷却高温堆堆芯(1)、熔融盐换热器(2)和分流阀(14)；所述固体氧化物电解池制氢系统包括低温气体预热器(15)、分流阀(16)、中温气体预热器(4)、高温气体预热器(5)、电堆(6)、预冷器(9)和氢气容器(13)、合流阀(17)；所述超临界二氧化碳发电系统包括预冷器(9)、主压缩机(10)、再压缩机(11)、低温回热器(8)、高温回热器(7)、熔盐—CO2换热器(3)、透平(12)和低温气体预热器(15)；所述小型氟盐冷却高温堆堆芯(1)工质入口与熔融盐换热器(2)热侧工质出口相连通，小型氟盐冷却高温堆堆芯(1)工质出口与熔融盐换热器(2)热侧工质入口相连通；熔融盐换热器(2)冷侧工质入口同时与熔盐—CO2换热器(3)热侧工质出口、高温气体预热器(5)热侧工质出口相连，熔融盐换热器(2)冷侧工质出口通过分流阀(14)同时与熔盐—CO2换热器(3)热侧工质入口、高温气体预热器(5)热侧工质入口相连；中温气体预热器(4)冷侧出口与高温气体预热器(5)冷侧入口相连，高温气体预热器(5)空气侧出口与电堆(6)阴极入口相连，水蒸气侧出口与电堆(6)阳极入口相连，电堆(6)阳极出口和阴极出口与中温气体预热器(4)热侧工质入口相连，中温气体预热器(4)氢气侧出口与低温回热器(8)氢气侧入口相连，低温回热器(8)氢气侧出口与预冷器(9)氢气侧入口相连，预冷器(9)氢气侧出口与氢气容器(13)相连；低温气体预热器(15)冷侧出口与中温气体预热器(4)冷侧入口相连，冷侧工质为水和二氧化碳，低温气体预热器(15)热侧入口与透平(12)出口相连，低温气体预热器(15)热侧出口与高温换热器(7)热侧入口相连。低温气体预热器(15)冷侧出口空气通过分流阀(16)一部分通向中温气体预热器(4)冷侧，一部分通向电堆(6)，从电堆(6)出来后通过合流阀(17)返回至低温气体预热器(15)冷侧入口；高温回热器(7)热侧工质入口与低温气体预热器(15)热侧出口相连，高温回热器(7)热侧工质出口与低温回热器(8)热侧工质入口相连，高温回热器(7)冷侧工质入口同时与低温回热器(8)冷侧工质出口和再压缩机(11)出口相连，高温回热器(7)冷侧工质出口与熔盐—CO2换热器(3)冷侧工质入口相连，熔盐—CO2换热...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵全斌，许家源，侯敏，种道彤，王进仕，张大林，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：