一种基于固体氧化物电解池的太阳能热电联合制氢系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于固体氧化物电解池的太阳能热电联合制氢系统，属于太阳能电解水制氢技术领域，其包括储水罐

【技术实现步骤摘要】
一种基于固体氧化物电解池的太阳能热电联合制氢系统


[0001]本专利技术涉及太阳能电解水制氢
，尤其涉及一种基于固体氧化物电解池的太阳能热电联合制氢系统
。

技术介绍

[0002]目前的电解水制氢技术主要是碱性水电解
(AEC)、
质子交换膜电解池
(PEM)、
固体氧化物电解池
(SOEC)
等
。
碱性水电解在结构和成本方面比较占优势，但电量消耗过大
、
易腐蚀和爆炸
。
质子交换膜电解池效率相对于碱性电解水电解效率有所提升，其电解过程也比较安全，但是其整体的太阳能制氢系统效率仍然不具备绝对优势，且质子交换膜的价格较为昂贵
。
固定氧化物电解池相较于质子交换膜电解效率更高，且电解池材料为功能陶瓷，原料价格相对较低
。
[0003]SOEC
电解池电解水制氢需维持
700℃
‑
800℃
的高温环境，需液态水转化为
700
‑
800℃
高温水蒸气
。
现有公开号为
CN114855188A
的中国专利技术专利，其公开了一种固体氧化物电解池制氢系统，该系统采用传统电能加热供电，将电解后的氢气进行提纯压缩存储，现有公开号为
CN114024333A
的中国专利技术专利，其公开了一种利用风电
、
光伏与固体氧化物电解制氢联合运行系统，该系统将风电
、
光电提供给电将池和蒸汽发生单元来使系统运行，其蒸汽发生单元采用的是电阻式电热锅炉
。
上述两种技术方案虽然能够稳定持续的输出蒸汽并提供给电解池高温环境，但其仍采用传统电加热方式，导致系统能量利用率低，丧失了使用
SOEC
高温电解水设备的意义
。
[0004]目前公开的利用太阳能将液态水转化为
700℃
‑
800℃
的高温水蒸气技术方案为使用槽式或碟式反光镜将太阳光聚集到中心集热管上，集热管可使用内外管真空结构，内管为不锈钢材质且涂敷太阳能选择性吸收涂层，直接制备高温水蒸气
。
现有公开号为
CN116121786A
的太阳能驱动的固体氧化物电解池分布式多联产系统及方法
、
公开号为
CN116317175A
的太阳能驱动的
RSOC
分布式多联产系统及其联产方法及公开号
CN111139493A
的一种太阳能光伏光热高温电解水制氢系统等中国专利技术专利，公开有集热管使用高温熔融盐作为换热介质，间接制备高温水蒸气的方案
。
[0005]但是上述专利未考虑到固体氧化物电解池阴极催化剂多为还原态金属，因此其工作环境需维持还原气氛
(
含部分氢气
)
，否则电极催化剂将被氧化失活
。
公开号为
CN116417646A
的用于固体氧化物电解器的汽化器和外部蒸汽的专利采用外部氢气储罐维持电解池阴极还原气氛，一定程度上增加了设备成本，实际上，
SOEC
电解产物中含有高温氢气和水蒸气，将高温尾气回流至进气端不仅解决了电解池还原气氛问题，还可进一步提升
SOEC
电解池系统的整体效率，因为换热器的换热效率将远不如气体回流的能量效率
。
充分利用高温电解尾气时保证
SOEC
电解系统效率的关键，实现电解尾气中水蒸气与氢气在高温环境下初步分离将进一步提高
SOEC
电解水制氢系统的整体效率
。
[0006]一般尾气回流方法包括循环泵或引射器回流，循环泵可较为精确控制回流流量，然而由于循环泵工作温度的限制，回流气体需降至较低温度，降温过程大大降低了
SOEC
电
解制氢系统的整体能量效率；引射器可在较高温度下工作，然而由于文丘里管工作原理的固有限制，其受进气流量和排气压力的影响较大，当电解系统运行功率随太阳光照实时变化时，单一依靠引射器无法实现对电解尾气回流流量的精确控制
。

技术实现思路

[0007]为进一步提高太阳能电解水制氢系统能量效率，匹配太阳能的波动性特征，本专利技术提供一种基于固体氧化物电解池的电解产气部分回流的太阳能热电联合制氢系统
。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于固体氧化物电解池的太阳能热电联合制氢系统，包括阴极通路和阳极通路，所述阴极通路包括储水罐
、
主输水泵
、
中温太阳能集热器
、
启动储氢罐
、
引射器
、
高温太阳能集热器
、
固体氧化物电解池
、
高温水蒸气
‑
氢气分离器以及水气分离器；所述储水罐
、
主输水泵
、
中温太阳能集热器
、
启动储氢罐
、
引射器
、
高温太阳能集热器
、
固体氧化物电解池及高温水蒸气
‑
氢气分离器通过阴极管路依次连接；
[0009]所述储水罐用以储存电解用水，所述主输水泵将电解用水输送至中温太阳能集热器，所述中温太阳能集热器将电解用水加热成中温高压水蒸气；
[0010]在启动阶段，启动储氢罐向中温高压水蒸气额外补充氢气，用以还原固体氧化物电解池阴极催化剂；
[0011]中温高压水蒸气通入引射器主流道，所述引射器用于回流经高温水蒸气
‑
氢气分离器分离后的混合气体，并将其与中温高压水蒸气混合均匀后输送至高温太阳能集热器；
[0012]经过高温太阳能集热器后，混合气被加热到设定温度，之后混合气进入固体氧化物电解池阴极，在太阳能电池提供的电解电压下，水蒸气发生电解反应，在固体氧化物电解池的阴极侧生成氢气，在阳极侧生成氧气；
[0013]经固体氧化物电解池产生的电解产气进入高温水蒸气
‑
氢气分离器初步分离，所述高温水蒸气
‑
氢气分离器包括尾气回流腔和氢气排气腔，所述高温水蒸气
‑
氢气分离器与引射器之间设有回流管路，所述尾气回流腔通过回流管路与引射器低压区连通；
[0014]所述氢气排气腔通过排气管路与水气分离器连接，以进一步分离出水蒸气；且经水气分离器分离产生的冷凝水经循环泵泵送至储水罐，经水气分离器分离后的氢气输入储罐或管网
。
[0015]进一步，所述中温太阳能集热器的加热温度为
400℃
‑
500℃
；所述高温太阳能集热器的加热温度为
750℃
‑
850℃。
[0016]进一步，所述高温水蒸气
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于固体氧化物电解池的太阳能热电联合制氢系统，其特征在于：包括阴极通路和阳极通路，所述阴极通路包括储水罐
(1)、
主输水泵
(2)、
中温太阳能集热器
(3)、
启动储氢罐
(4)、
引射器
(6)、
高温太阳能集热器
(7)、
固体氧化物电解池
(8)、
高温水蒸气
‑
氢气分离器
(13)
以及水气分离器
(18)
；所述储水罐
(1)、
主输水泵
(2)、
中温太阳能集热器
(3)、
启动储氢罐
(4)、
引射器
(6)、
高温太阳能集热器
(7)、
固体氧化物电解池
(8)
及高温水蒸气
‑
氢气分离器
(13)
通过阴极管路依次连接；所述储水罐
(1)
用以储存电解用水，所述主输水泵
(2)
将电解用水输送至中温太阳能集热器
(3)
，所述中温太阳能集热器
(3)
将电解用水加热成中温高压水蒸气；在启动阶段，启动储氢罐
(4)
向中温高压水蒸气额外补充氢气，用以还原固体氧化物电解池
(8)
阴极催化剂；中温高压水蒸气通入引射器
(6)
主流道，所述引射器
(6)
用于回流经高温水蒸气
‑
氢气分离器
(13)
分离后的混合气体，并将其与中温高压水蒸气混合均匀后输送至高温太阳能集热器
(7)
；经过高温太阳能集热器
(7)
后，混合气被加热到设定温度，之后混合气进入固体氧化物电解池阴极
(9)
，在太阳能电池
(12)
提供的电解电压下，水蒸气发生电解反应，在固体氧化物电解池
(8)
的阴极侧生成氢气，在阳极侧生成氧气；经固体氧化物电解池
(8)
产生的电解产气进入高温水蒸气
‑
氢气分离器
(13)
初步分离，所述高温水蒸气
‑
氢气分离器
(13)
包括尾气回流腔
(16)
和氢气排气腔
(15)
，所述高温水蒸气
‑
氢气分离器
(13)

【专利技术属性】
技术研发人员：张纪豪，权蒙豪，许文瀚，彭申，袁湘楠，韩敏芳，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：