CN111244510A - 一种二氧化碳与水电解重整制氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二氧化碳与水电解重整制氢系统，包括，可逆固体氧化物燃料电池，与所述可逆固体氧化物燃料电池阳极侧管道连接的混气装置以及分别与所述混气装置管道连接的储氢容器、储水容器；逆水汽变换装置，与所述逆水汽变换装置管道连接的储二氧化碳容器；所述储氢容器上设置有压力调装置，所述压力调节装置与所述逆水汽变换装置管道连接。将系统中的水和氢气存储到相应的容器中，其中水可以用做电解用水，节约了电解模式对水的需求，氢气可以用于与二氧化碳进行合成反应，生成容易保存的碳氢化合物，解决了氢气存储成本高、易泄漏的问题。

Description

一种二氧化碳与水电解重整制氢系统
技术领域
本发明涉及氢气制备技术领域，尤其涉及一种二氧化碳与水电解重整制氢系统。
背景技术
电网储能是目前制约可再生能源电网发展的主要因素。可再生能源，如风能，潮汐能，太阳能，均有周期性、波动性的特征，与用电户的耗电周期无法匹配，造成电网电能的大量浪费，甚至威胁电网安全。
可逆氧化物燃料电池由于其可逆性，既能够在电解模式下消耗电能，产生氢气(以电解水为例)，实现电化学储能；亦能够在电池模式下工作，消耗氢气，产生电能，弥补电网的电力缺口。因此固体氧化物燃料电池是一种具有潜力的电化学电网平衡技术。
但上述技术的一个主要缺点是电解产物氢气的大规模储存技术难题。目前的储氢技术主要包括高压储氢、低温液氢储存、金属氢化物储氢。存在氢泄露、容器氢脆、耗能高、成本高等的问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种二氧化碳与水电解重整制氢系统，旨在解决现有采用可逆固体氧化物燃料电池平衡电网时，电解产生的氢气不易存储的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种二氧化碳与水电解重整制氢系统，系统包括：
第一子系统，包括，可逆固体氧化物燃料电池，与所述可逆固体氧化物燃料电池阳极侧管道连接的混气装置以及分别与所述混气装置管道连接的储氢容器、储水容器；
第二子系统，包括，逆水汽变换装置，与所述逆水汽变换装置管道连接的储二氧化碳容器；
所述储氢容器上设置有压力调装置，所述压力调节装置与所述逆水汽变换装置管道连接。
可选地，所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其中，所述第一子系统还包括第一换热器，所述第一换热器分别与所述混气装置及所述可逆固体氧化物燃料电池管道连接。
可选地，所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其中，还包括第一水气分离器，所述第一水气分离器的进口端与所述第一换热器管道连接，气体出口端与所述储氢容器管道连接，水出口端与所述储水容器管道连接。
可选地，所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其中，所述可逆固体氧化物燃料电池的空气进口设置有第二换热器。
可选地，所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其中，所述第二子系统还包括第二水气分离器及储合成气容器，所述第二水气分离器的进口端与所述逆水汽变换装置管道连接，气体出口端与所述储合成气容器管道连接，水出口端与所述储水容器管道连接。
可选地，所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其中，还包括第三换热器，所述第三换热器进口端与所述压力调节装置的出口端管道连接，所述第三换热器进口端与所述逆水汽变换装置的进口端连接。
可选地，所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其中，所述储氢容器与所述第一水气分离器之间设置有空气泵。
可选地，所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其中，所述储二氧化碳容器与所述逆水汽变换装置之间设置有二氧化碳压缩机。
可选地，所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其中，当所述可逆固体氧化物燃料电池工作在进行电解模式时，进入所述混气装置中的水与氢气的质量流量比为30-45:1。
可选地，所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其中，当所述可逆固体氧化物燃料电池工作在电池模式时，则只有氢气进入所述混气装置。
有益效果：本发明提供一种二氧化碳与水电解重整制氢系统，该系统利用可逆固体氧化物电池的电解产气储能模式和电池发电模式来平衡可再生能源电网中的电力波动。在电解工作模式下，系统将首先利用电能在高温下电解水产氢，实现电网储能，氢气进一步与CO2进入逆水气变换反应器，能够制得不同碳氢比的合成气，适宜于后续费托反应、甲醇等的合成，解决氢气的大规模存储的问题。
附图说明
图1是本发明实施实例提供的二氧化碳与水电解重整制氢系统的结构框图。
图2是本发明实施例提供的另一二氧化碳与水电解重整制氢系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明公开一种二氧化碳与水电解重整制氢系统，其包括，第一子系统和第二子系统。其中，所述第一子系统包括，可逆固体氧化物燃料电池10，与所述可逆固体氧化物燃料电池10阳极侧管道连接的混气装置20以及分别与所述混气装置20管道连接的储氢容器30、储水容器40；所述第二子系统包括，逆水汽变换装置50，与所述逆水汽变换装置50管道连接的储二氧化碳容器60；所述储氢容器30上设置有压力调装置70，所述压力调节装置70与所述逆水汽变换装置50管道连接。
本实施例中，利用可逆固体氧化物燃料电池的特性，根据所使用的环境来选择相应的工作模式。当再生能源电网中的电能处于用电的低峰期时，电网出现电力富余，可逆固体氧化物燃料电池工作在电解模式，利用电网中的电能电解水，生成氢气，实现电化学储能。而当电网中的电能处于用电高峰期时，电网出现电力缺口，可逆固体氧化物燃料电池工作在电池模式，消耗氢气，产生电能，弥补电网的电力缺口。
在本实施例中，当可逆固体氧化物燃料电池电解出的氢较多需要存储时，利用系统中的逆水气变换反应器将氢气与二氧化碳气体进行合成反应生成合成气体。解决了现有技术中可逆氧化物燃料电池储能流程中的大规模氢气存储的问题。
具体地，可以预设当储氢容器30中的存储量大于设定的阈值时，例如可以设阈值为50％-70％，启动压力调节装置70，将储氢容器30中的氢气输送到所述逆水汽变换装置50中，逆水汽变换装置50内填充有水气变换反应催化剂，将氢气与二氧化碳转化为一氧化碳与水，既保证了可逆固体氧化物燃料电池在电池模式时，储氢容器的氢气储量充足又起到对氢气的安全存储。
进一步，进入所述逆水汽变换装置50中的氢气与二氧化碳气体的压力为从3MPa到5MPa，从5MPa到7MPa，从7MPa到9MPa，温度为从220℃到240℃，从240℃到260℃，从260℃到280℃，从280℃到300℃。所输入到逆水汽变换装置50中的氢气与二氧化碳体积流量比为2-3。
在一种或多种实施方式中，所述第一子系统还包括第一换热器11，所述第一换热器11分别与所述混气装置20及所述可逆固体氧化物燃料电池10管道连接。
具体地，所述第一换热器11中设置有第一流道和第二流道，其中第一流道用于水和氢气的混合物进入可逆固体氧化物燃料电池10内的，第二流道是用于将可逆固体氧化物燃料电池10内的氢气和水混合物流出的。利用第二流道中的高温氢气和水混合物对第一流道中的低温氢气和水混合物进行预加热，实现热量回收。
在一些实施方式中，二氧化碳与水电解重整制氢系统还包括，第一水气分离器12，所述第一水气分离器12的进口端与所述第一换热器11管道连接，气体出口端与所述储氢容器30管道连接，水出口端与所述储水容器40管道连接。
具体地，从第一换热器的第二流道中流出的氢气和水的混合物，经过第一水气分离器12后，实现氢气与水分离，分离后的氢气通过管道流入储氢容器30，分离后的水则通过管道流入储水容器40中。储水容器中的水以及储氢容器中的氢，均可用于可逆固体氧化物电池。因而实现了对系统中的水的循环利用。
进一步，在所述储氢容器30与第一水气分离器之间还设置有氢气压缩机13，用于将分离后的氢气进行压缩。在所述储氢容器30与混气装置20之间设置有流量阀15，用于控制氢气进入混气装置20的流量。
在一些实施方式中，所述可逆固体氧化物燃料电池10的空气进口设置有第二换热器14。
具体地，在可逆固体氧化物燃料电池10的空气侧设置一个换热器，该换热器的结构、型号可以和第一换热器的结构、型号相同也可以不同。通过设置第二换热器14对空气进行预加热，由于可逆固体氧化物燃料电池10内部是高温环境，而空气的温度相对较低，为了减少能量损失，可以对空气进行预加热。使空气吸收一定的热量后再通入可逆固体氧化物燃料电池10。
在一些实施方式中，所述第二子系统还包括第二水气分离器21及储合成气容器22，所述第二水气分离器21的进口端与所述逆水汽变换装置50管道连接，气体出口端与所述储合成气容器22管道连接，水出口端与所述储水容器40管道连接。
具体地，在所述逆水汽变换装置50内，将需要存储的氢气与二氧化碳进行合成反应生成合成气，所述生成的合成气在进行诸如费托反应，生成易存储的碳氢化合物。反应后的合成气中包含有水，经过所述第二水气分离器21，分离出的水经过管道通入储水容器40中，实现对水的循环利用。
在一种实施方式中，二氧化碳与水电解重整制氢系统，还包括第三换热器23，所述第三换热器23进口端与所述压力调节装置70的出口端管道连接，所述第三换热器23进口端与所述逆水汽变换装置50的进口端连接。
具体地，从所述可逆固体氧化物燃料电池10的空气侧出来的富氧气体中含有很高的热量，可以将其通过所述第三换热器23为氢气进行加热，使温度达到反应要求温度后进入逆水汽变换装置50，从而实现对热量做进一步的回收利用。
在一些实施方式中，所述储二氧化碳容器30与所述逆水汽变换装置50之间设置有二氧化碳压缩机24。通过二氧化碳压缩机24将储二氧化碳容器中的二氧化碳气体输送到所述逆水汽变换装置中。
在一些实施方式中，当所述可逆固体氧化物燃料电池工作在进行电解模式时，进入所述混气装置中的水与氢气的质量流量比为30-45:1。少量的氢气混入用于保持阳极气体足够的还原性，避免催化颗粒氧化失活。
在一些实施方式中，当所述可逆固体氧化物燃料电池工作在电池模式时，则只有氢气进入所述混气装置中。
综上所述，本发明提供了一种二氧化碳与水电解重整制氢系统，所述系统包括：第一子系统，包括，可逆固体氧化物燃料电池，与所述可逆固体氧化物燃料电池阳极侧管道连接的混气装置以及分别与所述混气装置管道连接的储氢容器、储水容器；第二子系统，包括，逆水汽变换装置，与所述逆水汽变换装置管道连接的储二氧化碳容器；所述储氢容器上设置有压力调装置，所述压力调节装置与所述逆水汽变换装置管道连接。通过可逆固体氧化物燃料电池来平衡电网的波动，例如当电网出现电力富余时，可逆固体氧化物燃料电池利用电网中的电能电解水，产生氢气和氧气，避免了电能的浪费。将系统中的水和氢气存储到相应的容器中，其中水可以用做电解用水，节约了电解模式对水的需求，氢气可以用于与二氧化碳进行合成反应，生成容易保存的碳氢化合物，解决了氢气存储成本高、易泄漏的问题。当电网出现电力缺口时，可逆固体氧化物燃料电池在电池模式下为电网辅助供电，从而实现了对电网的再平衡。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种二氧化碳与水电解重整制氢系统，包括：
第一子系统，包括，可逆固体氧化物燃料电池，与所述可逆固体氧化物燃料电池阳极侧管道连接的混气装置以及分别与所述混气装置管道连接的储氢容器、储水容器；
第二子系统，包括，逆水汽变换装置，与所述逆水汽变换装置管道连接的储二氧化碳容器；
所述储氢容器上设置有压力调装置，所述压力调节装置与所述逆水汽变换装置管道连接。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其特征在于，所述第一子系统还包括第一换热器，所述第一换热器分别与所述混气装置及所述可逆固体氧化物燃料电池管道连接。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其特征在于，还包括第一水气分离器，所述第一水气分离器的进口端与所述第一换热器管道连接，气体出口端与所述储氢容器管道连接，水出口端与所述储水容器管道连接。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其特征在于，所述可逆固体氧化物燃料电池的空气进口设置有第二换热器。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其特征在于，所述第二子系统还包括第二水气分离器及储合成气容器，所述第二水气分离器的进口端与所述逆水汽变换装置管道连接，气体出口端与所述储合成气容器管道连接，水出口端与所述储水容器管道连接。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其特征在于，还包括第三换热器，所述第三换热器进口端与所述压力调节装置的出口端管道连接，所述第三换热器进口端与所述逆水汽变换装置的进口端连接。
7.根据权利要求1-6任一所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其特征在于，所述储氢容器与所述第一水气分离器之间设置有氢气压缩机。
8.根据权利要求5所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其特征在于，所述储二氧化碳容器与所述逆水汽变换装置之间设置有二氧化碳压缩机。
9.根据权利要求1所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其特征在于，当所述可逆固体氧化物燃料电池工作在进行电解模式时，进入所述混气装置中的水与氢气的质量流量比为30-45:1。
10.根据权利要求1所述的二氧化碳与水电解重整制氢系统，其特征在于，当所述可逆固体氧化物燃料电池工作在电池模式时，则只有氢气进入所述混气装置中。
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