CN102851682B - 风电高温电解制氢系统和方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种风电高温电解制氢系统和方法。所述系统包括：直流电源，将风力发电机组的交流电整流为第一电压的直流电；交流电源，将风力发电机组的交流电变压为第二电压的交流电；高温超热水蒸气制备单元，基于交流电源的交流电制备超热水蒸气；辅助储热单元，接收交流电源的交流电以储存能量；高温电解制氢单元，采用直流电源的直流电对高温超热水蒸气制备单元制备的超热水蒸气进行电解制氢；换热单元，在高温电解制氢单元和辅助储热单元进行热量交换，以使高温电解制氢单元维持在稳定的温度，其中，当交流电源输出的交流电电压显著降低时，辅助储热单元将储存的能量供应给高温超热水蒸气制备单元，以使高温超热水蒸气制备单元稳定地输出超热水蒸气。
Description
技术领域
本发明涉及电解制氢，更具体地讲，本发明涉及一种利用多余的风能或非并网风电的高温电解制氢系统和方法。
背景技术
氢气是一种理想的可再生燃料，氢能经济一直受到大家的关注和重视。氢能的开发，首先要解决既廉价又绿色的氢源问题。但目前，全球96％左右的氢气主要是由天然气(CH4)、煤或石油等化石能源作为原料生产的，由于化石能源含碳，因此化石能源制氢会排放出大量的CO2。此外，由于化石能源制氢存在资源消耗量大和温室气体排放等方面的问题，因此该工艺是不可持续的和不可取的。
电解水制氢是工业上制备氢气的一种重要技术之一，其制得的氢气纯度可高达99％以上，但目前全球仅4％的氢气采用电解制氢。该技术采用水为原料制备氢气，由于没有资源限制和二氧化碳排放，优点比较突出，因此具有一定的发展潜力。举例来说，以2011年全球氢气的年产量5300万吨为标准，如果全球50％的氢气通过电解生产，则一年可以节约标准煤7950万吨和实现二氧化碳减排29150万吨。
目前，电解制氢成本主要取决于电耗成本，对于成熟的碱性电解水制氢技术，制氢的单位电耗高达5kWh/Nm3左右。而如果采用清洁能源发电制氢，由于发电成本很高，很难推广应用。因为目前太阳能发电成本基本是风电发电成本的2.5倍以上，而目前，风电的波动性较大，稳定性难以保证，因此即使采用廉价的风电，成本也较高。因此，利用新能源发电进行的电解制氢发展缓慢、应用受限。
发明内容
本发明的多个方面在于至少解决上述问题和/或缺点，并至少提供以下描述的优点。
根据本发明的一方面，提供一种风电高温电解制氢系统，包括：直流电源，用于将风力发电机组发出的交流电整流为具有第一电压的直流电，并输出具有第一电压的直流电；交流电源，用于将风力发电机组发出的交流电变压为具有第二电压的交流电，并输出具有第二电压的交流电；高温超热水蒸气制备单元，基于交流电源输出的交流电来制备高温超热水蒸气；辅助储热单元，接收交流电源输出的交流电以储存能量；高温电解制氢单元，采用直流电源输出的直流电对高温超热水蒸气制备单元制备的高温超热水蒸气进行电解制氢；换热单元，用于在高温电解制氢单元和辅助储热单元进行热量交换，以保证高温电解制氢单元维持在稳定的工作温度，其中，当交流电源输出的交流电电压显著降低时，辅助储热单元将储存的能量供应给高温超热水蒸气制备单元，以使高温超热水蒸气制备单元基于交流电源输出的交流电和辅助储热单元供应的能量稳定地输出高温超热水蒸气。
所述风力发电机组可以是永磁直驱发电机组。
所述永磁直驱发电机组可以工作在非并网风电运行的状态。
所述高温超热水蒸气可以为700℃到900℃的超热水蒸气。
所述辅助储热单元可以采用熔融盐储热材料。
所述高温电解制氢单元可以采用固体氧化物电解堆(SOEC)来实现。
所述高温电解制氢单元的工作温度可以为700℃到900℃。
所述第一电压可以为36V，所述第二电压可以为380V。
根据本发明的另一方面，提供一种风电高温电解制氢方法，包括：直流电源将风力发电机组发出的交流电整流为具有第一电压的直流电，并输出具有第一电压的直流电；交流电源将风力发电机组发出的交流电变压为具有第二电压的交流电，并输出具有第二电压的交流电；辅助储热单元存储交流电源供应的能量；辅助储热单元通过换热单元保证高温电解制氢单元维持在稳定的工作温度；高温超热水蒸气制备单元基于交流电源提供的交流电将水从室温转换成高温超热水蒸气；通过将高温超热水蒸气泵入高温电解制氢单元中的固体氧化物电解堆(SOEC)的阴极侧，并向SOEC电解堆电极两端施加具有第一电压的直流电，使高温超热水蒸气在SOEC电解堆的阴极侧离解为H2和O2，其中，当交流电源输出的交流电电压显著降低时，辅助储热单元将储存的能量供应给高温超热水蒸气制备单元，以使高温超热水蒸气制备单元基于交流电源输出的交流电和辅助储热单元供应的能量稳定地输出高温超热水 蒸气。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：
图1是示出根据本发明实施例的风电高温电解制氢系统的框图；
图2是示出根据本发明另一实施例的风电高温电解制氢方法的框图。
具体实施方式
现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。
本发明采用高温电解制氢技术(High Temperature Electrolysis，简称HTE)，在700℃到900℃左右的高温下进行电解制氢。这样，高温超热水蒸气制氢的部分能量可以由廉价的热能提供。同时，由于高温电解制氢技术是在高温下工作，因此加速了反应动力，降低了电极极化导致的能量损失，提高了系统总效率，降低了电解制氢的电耗，制氢的单位电耗仅为3kWh/Nm3左右，制氢成本大大下降。另一方面，本发明采用多余的风能或廉价的非并网风电作为高温电解制氢的电源，从而进一步显著地降低了高温电解制氢的成本。
此外，本发明利用高温电解制氢系统本身具有高温超热水蒸气制备单元的特点，并增加辅助储热单元，降低电解堆的功率，这样，一方面风能的利用率达到了100％，另一方面多余风电可采用储热材料进行有效的储存，既调节了风电的波动，保证了高温电解制氢单元的平滑电力供应，同时降低了电解堆的投资成本。此外，辅助储热单元中存储的热能可以通过换热对高温电解制氢单元进行保温，避免了高温电解制氢单元的频繁热启动，提高了高温电解制氢单元的效率和寿命。
图1是示出根据本发明实施例的风电高温电解制氢系统的框图。
参照图1，风电高温电解制氢系统100包括直流电源110、交流电源120、高温电解制氢单元130、高温超热水蒸气制备单元140、辅助储热单元150和换热单元160。
直流电源110将风力发电机组发出的交流电整流为具有第一电压的直流 电，并将具有第一电压的直流电施加到高温电解制氢单元130，以进行电解制氢操作。交流电源120将风力发电机组发出的交流电变压为具有第二电压的交流电，并将交流电施加到高温超热水蒸气制备单元140，以制备高温超热水蒸气。同时，交流电源120还将具有第二电压的交流电输出到辅助储热单元150，从而实现风电存储。这里，风力发电机组可采用永磁直驱发电机组，因为永磁直驱发电机组采用永磁体励磁，不需要单独用电进行发电机组的励磁系统，可以减少发电机对电励磁系统的依赖性，非常适合非并网风电运行的场合。然而，可选择地，本发明也可不使用由永磁直驱发电机组提供的非并网风电，而是使用其他类型的风力发电机组提供的多余的风电或分布式风电等廉价风电。
高温超热水蒸气制备单元140基于交流电源120施加的交流电来制备电解制氢用原料，即，700℃到900℃左右的超热水蒸气。加热制备高温超热水蒸气消耗的电能约占整个制氢系统总能耗的14％左右。高温超热水蒸气制备单元140对电能的品质要求较低，可以适应供应电能的波动。
辅助储热单元150可采用廉价的熔融盐储热材料。辅助储热单元150可接收交流电源120输出的交流电，从而储存能量(即，多余的风电)。此外，当风速较低导致风力发电机组供电不足时(即，交流电源120输出的交流电电压显著降低时)，辅助储热单元150可将储存的能量供应给高温超热水蒸气制备单元140，以使高温超热水蒸气制备单元140基于交流电源输出的交流电和辅助储热单元150供应的能量稳定地输出足够的高温超热水蒸气。这样，可以在很大程度上调节风电的波动，保证高温电解制氢单元130的连续运行，提高氢气的产量。
高温电解制氢单元130是风电高温电解制氢系统100的核心。高温电解制氢单元130可采用固体氧化物电解堆(SOEC)来实现。高温电解制氢单元130的工作温度在700℃到900℃，采用直流电源110施加的直流电来对高温超热水蒸气制备单元140制备的高温超热水蒸气进行电解制氢。高温电解制氢单元130消耗的电能约占整个制氢系统总能耗的86％左右。特别地，对于永磁直驱风力发电机组而言，具有得天独厚的优势，可以直接将交直交变换中的直流电施加给SOEC电解堆，不需要风电并网配套的昂贵的整流设备和升压装置，因此可以降低风电场的20-30％投资。
换热单元160用于在高温电解制氢单元130和辅助储热单元150进行热 量交换，以保证高温电解制氢单元130维持在稳定的工作温度，例如，700℃，800℃，900℃。
图2是示出根据本发明实施例的风电高温电解制氢方法的流程图。
参照图2，在步骤201，直流电源110将永磁直驱发电机组发出的交流电整流为36V直流电，并将36V直流电输送给高温电解制氢单元130。在步骤202，交流电源120将永磁直驱发电机组发出的交流电通过变压为380V交流电，并将380V交流电提供给辅助储热单元150和高温超热水蒸气制备单元140。在步骤203，辅助储热单元150存储交流电源120供应的能量。在步骤204，辅助储热单元150通过换热单元160保证高温电解制氢单元130维持在稳定的工作温度。在步骤205，高温超热水蒸气制备单元140基于交流电源120提供的交流电将水从室温转换成700℃到900℃的高温超热水蒸气。这里，当风速较低导致风力发电机组供电不足时，辅助储热单元150可将储存的能量供应给高温超热水蒸气制备单元140，以使高温超热水蒸气制备单元140基于交流电源输出的交流电和辅助储热单元150供应的能量稳定地输出足够的高温超热水蒸气。以上步骤201至步骤205的顺序可以根据实际需要任意调整，只要保证步骤201至步骤205在步骤206之前执行即可。在步骤206，通过将700℃到900的超热水蒸气泵入高温电解制氢单元130中的SOEC电解堆的阴极侧，并向SOEC电解堆电极两端施加36V电压，在催化剂的作用下使高温超热水蒸气在SOEC电解堆的阴极侧离解为H2和O2。这里，O2透过电解质达到SOEC电解堆的阳极，从而生成O2。
本发明采用非并网风电进行高温水蒸气电解制氢(HTSE)。对于永磁直驱发电机组来说，可以直接将直流电施加给SOEC单元，不需要风电并网配套的昂贵的整流设备和升压装置，因此能够降低风电场的20-30％投资。此外，本发明包含一个采用廉价的熔融盐储热材料的辅助储热单元，一方面可以储存多余的风电，另一方面当风速较低风电供应不足时，可以利用该单元储存的能量补充高温电解制氢系统需要消耗的能量，从而在很大程度上调节风电的波动，保证高温电解制氢单元的连续运行，提高氢气的产量，降低投资成本。
虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种风电高温电解制氢系统，包括：
直流电源，用于将风力发电机组发出的交流电整流为具有第一电压的直流电，并输出具有第一电压的直流电；
交流电源，用于将风力发电机组发出的交流电变压为具有第二电压的交流电，并输出具有第二电压的交流电；
高温超热水蒸气制备单元，与交流电源连接，基于交流电源输出的交流电来制备高温超热水蒸气；
辅助储热单元，接收交流电源输出的交流电以储存能量；
高温电解制氢单元，采用直流电源输出的直流电对高温超热水蒸气制备单元制备的高温超热水蒸气进行电解制氢；
换热单元，分别与辅助储热单元及高温电解制氢单元连接，用于在高温电解制氢单元和辅助储热单元进行热量交换，以保证高温电解制氢单元维持在稳定的工作温度；
其中，当交流电源输出的交流电电压显著降低时，辅助储热单元将储存的能量供应给高温超热水蒸气制备单元，以使高温超热水蒸气制备单元基于交流电源输出的交流电和辅助储热单元供应的能量稳定地输出高温超热水蒸气。
2.根据权利要求1所述的风电高温电解制氢系统，其中，所述风力发电机组是永磁直驱发电机组。
3.根据权利要求2所述的风电高温电解制氢系统，其中，所述永磁直驱发电机组工作在非并网风电运行的状态。
4.根据权利要求1所述的风电高温电解制氢系统，其中，所述高温超热水蒸气为700℃到900℃的超热水蒸气。
5.根据权利要求1所述的风电高温电解制氢系统，其中，所述辅助储热单元采用熔融盐储热材料。
6.根据权利要求1所述的风电高温电解制氢系统，其中，所述高温电解制氢单元采用固体氧化物电解堆(SOEC)来实现。
7.根据权利要求1所述的风电高温电解制氢系统，其中，所述高温电解制氢单元的工作温度为700℃到900℃。
8.根据权利要求1所述的风电高温电解制氢系统，其中，所述第一电压为36V，所述第二电压为380V。
9.一种风电高温电解制氢方法，包括：
直流电源将风力发电机组发出的交流电整流为具有第一电压的直流电，并输出具有第一电压的直流电；
交流电源将风力发电机组发出的交流电变压为具有第二电压的交流电，并输出具有第二电压的交流电；
辅助储热单元存储交流电源供应的能量；
辅助储热单元通过换热单元保证高温电解制氢单元维持在稳定的工作温度；
高温超热水蒸气制备单元基于交流电源提供的交流电将水从室温转换成高温超热水蒸气；
通过将高温超热水蒸气泵入高温电解制氢单元中的固体氧化物电解堆(SOEC)的阴极侧，并向SOEC电解堆电极两端施加具有第一电压的直流电，使高温超热水蒸气在SOEC电解堆的阴极侧离解为H2和O2-，
其中，当交流电源输出的交流电电压显著降低时，辅助储热单元将储存的能量供应给高温超热水蒸气制备单元，以使高温超热水蒸气制备单元基于交流电源输出的交流电和辅助储热单元供应的能量稳定地输出高温超热水蒸气。
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2012
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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