CN106498431A - 一种碟式太阳能耦合soec电解制氢设备及制氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法，包括光强传感器，光强传感器设置在集热器上，集热器的底部设有聚光器，聚光器的下部设有碟式聚光反射镜，碟式聚光反射镜设在逐日动力轴承箱上，逐日动力轴承箱设在基座上；光强传感器与逐日动力轴承箱内的控制器连接；集热器通过联管式热管与液态金属换热器连接，液态金属换热器与换热器连接，换热器的底部与水箱联通，上部与固体氧化物电解池连接，固体氧化物电解池与氧气储罐和氢气储罐连接。利用了太阳能，综合考虑目前太阳能制氢效率低的现状，利用了SOEC技术思路，针对目前高温固体氧化物电极电解高温水蒸汽存在的热效率问题进行了优化设计，构成了本发明的设备及方法。

Description

一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法

技术领域

本发明涉及太阳能集热和电解制氢技术领域，尤其涉及一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法。

背景技术

太阳能的商业化开发和利用是可再生能源领域的一个重要发展趋势。国际能源署(IEA)预计，到2040年太阳能发电将占世界电力供应的20％以上。聚光式太阳能热发电技术作为太阳能利用的一种重要方式，已成为国际太阳能技术发展的重要方向之一。近几十年来，经过一些国家的持续研究，目前已开发出多种形式的太阳能热发电系统，单级容量从千瓦级发展到兆瓦级，并已进入大规模商业开发和运行阶段。

尽管太阳能行业潜力巨大而且清洁高效，但是由于分布式能源的间歇性及不确定性，导致应用的领域及其供能范围受到极大的限制。一旦将太阳能发电并入电网会出现很大的问题，这主要体现在以下几个方方面：电网调峰能里不足、电压控制难度加大、调度与接纳能力差、光电功率难以预测、需要大规模储能技术的支撑。由于存在种种问题，会导致整体成本较高，且难以物尽其用，很多的能源白白的浪费掉了。因此，将太阳能高效地转化为一种高热密度的能源载体显得极其重要。

当今世界开发新能源迫在眉睫，是因为所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属于不可再生能源。随着化石燃料的消耗量日益增加，而其储量逐渐减少，人们急于寻找替代能源。氢是一种清洁的二次能源。被认为是理想的未来能源，研究用氢作为能源载体已经成为国际上的研究热点，氢能经济已经成为一个热门的话题。21世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且目前我国已在氢能领域取得了多方面的进展。目前高温水蒸气电解制氢是解决大规模氢能源问题的潜在途径之一。

目前我国年产氢气千万余吨，位列世界第一。用于工业的制氢方法主要有甲烷蒸汽重整和电解水制氢。就目前而言，甲烷蒸汽重整是最经济的制氢方法。电解水制氢方法主要有三种：碱性电解水制氢，固体聚合物电解水制氢，及高温固体氧化物电解水制氢。当前比较成熟的制氢方法是碱性电解水制氢，广泛用于工业上大规模的电解水制氢。电能主要为电解制氢提供能量，用电费用占整个电解制氢生产成本的80％左右。因此，电解水制氢技术特别适用于风力发电等可再生能源发电的能源载体。但是碱性制氢系统电解效率与总制氢效率均较低，分别为56％和25％；SPE制氢系统电解效率虽有提高约76％，但其总制氢效率仍较低约35％。高温固体氧化物电解水电解制氢与碱性电解和SPE电解水制氢相比，高温使系统降低了电能消耗，制氢效率得到有效提高，SOEC制氢系统电解效率可达90％以上，总制氢效率高达55％。高温气冷堆耦合的SOEC(固体氧化物电解池)电解制氢系统是目前已知总制氢效率最高的大规模制氢系统。

利用太阳能制氢的途径有太阳能发电与电解水制氢、太阳能光电化学制氢、太阳能热化学分解水及生物质制氢、太阳能光催化分解水制氢。其中太阳能光催化分解水制氢具有系统结构简单、便于操作且投资少的优点，有利于大规模发展。目前研究结果中，当Pt和PdS分别作为还原和氧化助催化剂负载到CdS表面组成Pt-PdS/CdS三元光催化剂体系时，可获得93％产氢量子效率，这是迄今为止报道的最高的光催化产氢量子效率。电解水制氢是最传统的制氢方法，虽然它消耗的一次能源是电，但它能把间断性不稳定的风电、太阳能等直接转化为氢能。电解水制氢的成熟技术主要有两种，即碱性电解液和质子交换膜分解水。

甲烷蒸汽重整最经济，但其消耗大量化石燃料，产生大量二氧化碳。目前常规碱性电解水制氢技术成本较高、总制氢效率较低而且大部分发电过程也消耗化石燃料排放大量CO₂。从可持续发展以及低碳环保方面考虑，这种制氢方法存在严重的弊端，并且发展前途阻力很大。

电解水制氢是一种常用的制氢方法，目前全世界生产的氢仅有约4％是靠水的电解来生产的。这是由于常规的碱性电解水制氢需要消耗大量的电能，能量转换效率较低、成本较高，因此其应用受到很大限制。

目前制氢方面的研究方向又有了新的进展，主要有超临界水气化有机质制氢、高温固体氧化物制氢这两个方向。

其中超临界水研究处于初级阶段，只能够通过大量实验常规模拟的方法进行操作，并凭借一般经验来提高制氢效率。这是由于超临界水性质复杂，在物理学及化学方面尚无法阐述其作用机理。当然，利用超临界水的强大活泼、氧化等性质可以完成普通状态下无法实现的反应。但其温度374℃、22.1MPa(即220个大气压)这种实验装置要求很高故操作困难。

SOEC的研究还处于起步阶段，不能实现商业化生产，有许多问题有待解决。如能量损失和成本问题氧电极的极化，电解质的欧姆损失和连接体材料成本等；电解池寿命；高效热交换器开发，制氢系统的热管理，废热的利用；氢安全性问题。英文文献指出，在高温氧化物电解水制氢系统当中，由于整个系统中高温(800-1200℃)水蒸汽的存在，使得热效率成为了一个非常严重的问题。因此，在涉及到SOEC相关文献中，主要涉及的仍是高温材料与电解电极的寿命问题。

太阳能热分解水制氢，将水或水蒸气加热到3000K以上，水中的氢和氧便能分解。这种方法制氢效率高，但需要高倍聚光器才能获得如此高的温度，此操作目前只限于实验室中，对于真正投入应用存在着很大的问题，而且对于材料科学方面是一个极大的考验，故一般不采用这种方法制氢。太阳能热化学循环制氢其存在的主要问题是中间物的还原，即使按99.9％～99.99％还原，也还要作0.1％～0.01％的补充，这将影响氢的价格，并造成环境污染。这种方法没有消耗任何外加能源，因此十分的经济环保。但是直接采用太阳能照射光电极分解水制氢技术目前依旧限制于两个方面，一是材料的光腐蚀问题引起的材料寿命，二是制氢整个过程中仅利用了太阳能辐射中的很小一部分即短波辐射，因此整体制氢效率很低。太阳能电解水制氢的热转化率很低，所以如何去设计一个提高热转化率的系统是该方法的关键。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备及制氢方法，将人工黑体应用于装置使得集热器的集热效率大大提高，应用遮热罩将高温集热器的辐射热损失降低。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，包括光强传感器，所述光强传感器设置在集热器上，所述集热器的底部设有聚光器，聚光器的下部设有碟式聚光反射镜，所述碟式聚光反射镜设在逐日动力轴承箱上，所述逐日动力轴承箱设在基座上；所述光强传感器与所述逐日动力轴承箱内的控制器连接；

所述集热器通过联管式热管与液态金属换热器连接，所述液态金属换热器与换热器连接，所述换热器的底部与水箱联通，上部与固体氧化物电解池连接，所述固体氧化物电解池与氧气储罐和氢气储罐连接。

所述聚光器包括上部的凹透镜和下部的凸透镜，所述凸透镜的下部设有人工黑体腔。

所述集热器外部包络遮热罩。

所述聚光器的外部设有保温材料。

所述液态金属换热器与换热器之间设有两条管道，一条管道与所述换热器直接连接，另一条管道上设有液态金属泵。

所述换热器内部的下部设有均流板，上部设有扰流棒。

所述换热器通过保温管与所述固体氧化物电解池连接。

所述固体氧化物电解池包括电解电源，电解电源的负极与多孔阴极电解电极连接，正极与多孔阳极电解电极连接，所述电解电源的负极与氢气分离器连接，所述氢气分离器与氢气储罐连接；所述多孔阳极电解电极与氧气分离器连接，所述氧气分离器与氧气储罐连接。

一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备的制氢方法，包括

光强传感器通过检测太阳日光强度，判断太阳光线是否垂直入射碟式聚光反射镜，当光强传感器检测光线并非垂直入射时，电信号将传递到位于碟式聚光反射镜底部的逐日动力轴承箱中，通过控制器进行处理信息，并驱动设备动作，直到太阳光线垂直入射为止；

从液态金属换热器处换热得到的高温热源打到换热器中，通过高压水泵将水从水箱中抽出，水泵将高压水送到换热器的底部，高压水冲击均流板，使水分散开，水由于受到高温将会迅速气化，在经过扰流棒的过程中，减速降压通过保温管路进入固体氧化物电解池；

高温的蒸汽进入多孔阴极电解电极，水中的氢离子的电子生成氢气，氢气进入氢气分离器，随后进入氢气储罐；二价阳离子与致密电解质接触交换，将阳离子传递到多孔阳极电解电极发生氧化反应，随后氧气和未电解完全的水蒸气进入氧气分离器，通过分离之后进入氧气储罐。

本发明的有益效果：

在利用太阳能的前提下，设备设计综合考虑目前太阳能制氢效率低的现状，综合利用了SOEC技术思路，针对目前高温固体氧化物电极电解高温水蒸汽存在的热效率问题进行了优化设计，构成太阳能耦合SOEC电解制氢设备及其流程。

针对目前太阳能制氢效率低以及SOEC技术电解漏热量大、电解热效率低的重大问题做了改进，增加了基于人工黑体及联管设计的腔式吸收器、包络遮热罩设计、自动逐日系统设计，设计连接高温集热器、SOEC电解器的碱金属热管，以及能够将高压水一次性换热的到高温低压蒸汽的换热器。通过一系列的绝热保温措施，大大提高了设备整体的热效率，从而提高制氢效率。

固体氧化物电解池在高温条件下操作，一方面能够得到比常规电解方法更高的能源转化效率，产生的污染更小；另一方面SOEC所需的能量可完全来源于太阳能，具有广阔的应用前景，满足我国的可持续发展战略。研究的整套系统能够有效的解决间歇性能源——太阳能，难以并网发电及转化的电、热地域性分布问题，通过将太阳能转化为高效能源载体——氢，能够改善能源分布，促进氢工业蓬勃发展。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为图1中A部分的放大图；

图3为考虑一微段的示意图；

其中，1光强传感器、2集热器、3联管式热管、4液态金属换热器、5聚光器、6碟式聚光反射镜、7逐日动力轴承箱、8基座、9液态金属泵、10换热器、11扰流棒、12均流板、13高压水泵、14水箱、15电解电源、16多孔阴极电解电极、17SOEC电解池、18氢气分离器、19氢气储罐、20氧气分离器、21氧气储罐、22多孔阳极电解电极；

5.1凹透镜、5.2凸透镜；

B液态金属，C水蒸气，D水。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，包括光强传感器1，所述光强传感器1设置在集热器2上，所述集热器2的底部设有聚光器5，聚光器5的下部设有碟式聚光反射镜6，所述碟式聚光反射镜6设在逐日动力轴承箱7上，所述逐日动力轴承箱7设在基座8上；所述光强传感器1与所述逐日动力轴承箱7内的控制器连接；

所述集热器2通过联管式热管3与液态金属换热器4连接，所述液态金属换热器4与换热器10连接，所述换热器10的底部与水箱14联通，上部与SOEC电解池17连接，所述SOEC电解池17与氧气储罐21和氢气储罐19连接。

所述聚光器5包括上部的凹透镜5.1和下部的凸透镜5.2，所述凸透镜5.2的下部设有人工黑体腔。

所述液态金属换热器4与换热器10之间设有两条管道，一条管道与所述换热器直接连接，另一条管道上设有液态金属泵9。

所述换热器内部的下部设有均流板12，上部设有扰流棒11。

所述换热器10通过保温管与所述SOEC电解池17连接。

所述SOEC电解池17包括电解电源15，电解电源15的负极与多孔阴极电解电极16连接，正极与多孔阳极电解电极22连接，所述电解电源15的负极与氢气分离器20连接，所述氢气分离器18与氢气储罐19连接；所述多孔阳极电解电极22与氧气分离器20连接，所述氧气分离器20与氧气储罐21连接。

一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备的制氢方法，包括

光强传感器通过检测太阳日光强度，判断太阳光线是否垂直入射碟式聚光反射镜，当光强传感器检测光线并非垂直入射时，电信号将传递到位于碟式聚光反射镜底部的逐日动力轴承箱中，通过控制器进行处理信息，并驱动设备动作，直到太阳光线垂直入射为止；

从液态金属换热器处换热得到的高温热源打到换热器中，通过高压水泵将水从水箱中抽出，水泵将高压水送到换热器的底部，高压水冲击均流板，使水分散开，水由于受到高温将会迅速气化，在经过扰流棒的过程中，减速降压通过保温管路进入固体氧化物电解池；

高温的蒸汽进入多孔阴极电解电极，水中的氢离子的电子生成氢气，氢气进入氢气分离器，随后进入氢气储罐；二价阳离子与致密电解质接触交换，将阳离子传递到多孔阳极电解电极发生氧化反应，随后氧气和未电解完全的水蒸气进入氧气分离器，通过分离之后进入氧气储罐。

如图所示，发明装置包括光强传感器1、集热器2、联管式热管3、液态金属换热器4、聚光器5、碟式聚光反射镜6、逐日动力轴承箱7、基座8、液态金属泵9、换热器10、扰流棒11、均流板12、高压水泵13、水箱14、电解电源15、多孔阴极电解电极16、SOEC电解池17、氢气分离器18、氢气储罐19、氧气分离器20、氧气储罐21、多孔阳极电解电极22。

本发明主要包括四个大的装置，分别是太阳能碟式聚光反射器、包含人工黑体耦合聚光器的集热器、液态金属换热器系统及SOEC电解池。下面将分别叙述这四大模块的组成及基本操作方式。

太阳能碟式聚光反射器主要由以下几个部分组成，光强传感器1、反射镜6、逐日动力轴承箱7、基座8。设备操作如下，光强传感器1通过感光原件，检测太阳日光强度，判断太阳光线是否垂直入射反光镜6，当传感器检测光线并非垂直入射时，此时电信号将传递到位于反光镜底部的逐日动力轴承箱7中，通过单片机进行处理信息，并驱动设备动作，直到太阳光线垂直入射为止，完成逐日过程，从而保证装置较高的光热转化效率。

包含人工黑体耦合聚光器的集热器主要由联管式热管3、液态金属换热器4、聚光器5三大部分组成，通过TracePro及fluent模拟表明，集热器设置为联管布置方式，将会有效的降低集热管内部的对流损失和辐射损失。由于集热设备会产生高温，故将集热器外部包络遮热罩进而减少与外界环境的辐射热损失。对于太阳光而言，并不是完全意义上的平行光，而是带有6’偏角的光线族，因此通过反射镜聚光之后并不能形成一点，而是变成一个椭球体光斑，故为了增加设备光热转化率就必须要尽可能减少这部分光学损失。因此设备考虑设置聚光器5及人工黑体腔，这样就可以尽可能的将高倍聚光的光能转化为热能。聚光器5的基本构造由凹透镜5.1、凸透镜5.2构成，凹透镜5.1将反射镜汇聚来的光线进行发散处理将光线变为平行光，随后由凸透镜5.2将光线进一步汇聚到人工黑体腔中，此时将会尽可能地减少由于光源本身的带来的损失。聚光器5外表面及其内部都做了相关的处理，其内表面采用镀银处理降低其内部光学损失，另外外部也有相关的保温减少热损措施。

联管式热管3加工组装为联管形式，将集热器2与液态金属换热器4相连接，如此布置的目的是将处于较高位置的高温热能换到较低的平面处，一是方便后续操作，二是为了降低碟式聚光器头部的重量，减少逐日能耗。应用液态金属换热器4的主要原因是其换热效果超过现有的所有的金属，换热效率能够满足设备要求。

液态金属换热器系统由液态金属换热器4、换热器10以及附属的液态金属泵9组成，对于换热器10主要由扰流棒11、均流板12组成。由于SOEC电解堆需要低压水蒸汽作为原料，因此，需要设计换热器10将高压水直接换热为低压蒸汽。整个过程如下，从液态金属换热器4处换热得到的高温热源通过泵(附图中没有给出)打到换热器10中，通过高压水泵13将水从水箱14中抽出，泵送到换热器10的底部，高压水冲击均流板12，使水分散开水由于受到高温将会迅速气化，在经过扰流棒11的过程中，减速降压通过保温管路进入SOEC电解池17。

高温的蒸汽进入多孔阴极电解电极16水中的氢离子的电子，生成氢气，氢气进入分离器18，随后进入氢气储罐19；二价阳离子与致密电解质接触交换，将阳离子传递到阳极22发生氧化反应，随后氧气和未电解完全的水蒸气进入分离器20，通过分离之后进入氧气储罐21。

在换热器中由于水在换热过程中发生相变，考虑到对换热体总体选取控制体并进行开口系能量方程分析的方法较为复杂和困难，为了简化期间，现只对液态金属取微元体，应用伯努利方程做定性分析。对于直接接触式换热器，水的换热过程可作如下分析：

考虑一微段如图3所示，水在换热器中直接接触高温的液态金属B，换热剧烈水将会立刻沸腾变为水蒸气C；液态金属进出口的流量相差不大，故可以省略速度项影响。对a、b断面所处的液态金属进行分析并化简，可得：

由于液态金属的密度很大，故它对系统的能量影响必须加以考虑。因此，化简的模型可视为液态金属的压能与其位能相互转化，而液态金属所具有的压力可视为其附近介质传递的，即水和水蒸气的压力，因此，整个换热过程中，水所具有的压能将会克服液态金属重力做功，从而引起水压力下降，从而实现该换热过程的高低压转化。

本发明基于蝶式太阳能聚光集热，并结合SOEC技术将太阳能转化的热能变为氢能。将人工黑体应用于装置使得集热器的集热效率大大提高，应用遮热罩将高温集热器的辐射热损失降低。设计新型联管式腔体吸收器克服了传统真空集热管向外界有光学损失、辐射换热、对流换热的缺点，提高了吸收器的集热效率。通过软件模拟实验发现：添加人工黑体腔可明显提高集热管集热效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，其特征是，包括光强传感器，所述光强传感器设置在集热器上，所述集热器的底部设有聚光器，聚光器的下部设有碟式聚光反射镜，所述碟式聚光反射镜设在逐日动力轴承箱上，所述逐日动力轴承箱设在基座上；所述光强传感器与所述逐日动力轴承箱内的控制器连接；

所述集热器通过联管式热管与液态金属换热器连接，所述液态金属换热器与换热器连接，所述换热器的底部与水箱联通，上部与固体氧化物电解池连接，所述固体氧化物电解池与氧气储罐和氢气储罐连接。

2.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，其特征是，所述聚光器包括上部的凹透镜和下部的凸透镜，所述凸透镜的下部设有人工黑体腔。

3.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，其特征是，所述集热器外部包络遮热罩。

4.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，其特征是，所述聚光器的外部设有保温材料。

5.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，其特征是，所述液态金属换热器与换热器之间设有两条管道，一条管道与所述换热器直接连接，另一条管道上设有液态金属泵。

6.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，其特征是，所述换热器内部的下部设有均流板，上部设有扰流棒。

7.如权利要求1所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，其特征是，所述换热器通过保温管与所述固体氧化物电解池连接。

8.如权利要求1-7任意一项所述一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备，其特征是，所述固体氧化物电解池包括电解电源，电解电源的负极与多孔阴极电解电极连接，正极与多孔阳极电解电极连接，所述电解电源的负极与氢气分离器连接，所述氢气分离器与氢气储罐连接；所述多孔阳极电解电极与氧气分离器连接，所述氧气分离器与氧气储罐连接。

9.一种碟式太阳能耦合SOEC电解制氢设备的制氢方法，其特征是，包括

光强传感器通过检测太阳日光强度，判断太阳光线是否垂直入射碟式聚光反射镜，当光强传感器检测光线并非垂直入射时，电信号将传递到位于碟式聚光反射镜底部的逐日动力轴承箱中，通过控制器进行处理信息，并驱动设备动作，直到太阳光线垂直入射为止；

从液态金属换热器处换热得到的高温热源打到换热器中，通过高压水泵将水从水箱中抽出，水泵将高压水送到换热器的底部，高压水冲击均流板，使水分散开，水由于受到高温将会迅速气化，在经过扰流棒的过程中，减速降压通过保温管路进入固体氧化物电解池；

高温的蒸汽进入多孔阴极电解电极，水中的氢离子的电子生成氢气，氢气进入氢气分离器，随后进入氢气储罐；二价阳离子与致密电解质接触交换，将阳离子传递到多孔阳极电解电极发生氧化反应，随后氧气和未电解完全的水蒸气进入氧气分离器，通过分离之后进入氧气储罐。