CN113699557A

CN113699557A - 高温电解系统的运行控制方法、装置

Info

Publication number: CN113699557A
Application number: CN202110843162.1A
Authority: CN
Inventors: 欧绍辉
Original assignee: Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2041-07-26
Also published as: CN113699557B

Abstract

本申请涉及一种高温电解系统的运行控制方法、装置、计算机设备和存储介质。所述方法包括：在高温电解系统运行期间，高温电解系统的工作电压被设置为热中性电压，并且通过改变电解堆的温度调整产物气体的输出量，并使高温电解系统保持在热中性电压工作。采用本方法能够提高温电解系统使用寿命。

Description

高温电解系统的运行控制方法、装置

技术领域

本申请涉及高温电解系统技术领域，特别是涉及一种高温电解系统的运行控制方法。

背景技术

随着高温电解系统技术的发展，为了降低由电解堆衰减和突发性故障带来高温电解技术电解堆性能损失的影响，出现了更佳的高温电解系统的运行控制技术。

传统技术中，高温电解技术通常需要在600摄氏度至1000摄氏度间运行，并且电解堆在运行前需要在室温下一直加热至其工作温度，所以这也意味着需要消耗大量的热量。这一热量需要通过外部热源来获取，例如，加热空气、红外辐射、或者直接使用电解堆所集成的加热器以实现对电解堆的预热。因此，温度上的不均匀性不可避免，而且这一温度上的非均匀特性将会带来因热膨胀导致的电解堆内部热机械应力，并且有导致电解堆陶瓷材料与金属材料相连部分发生陶瓷材料破裂的风险。现在比较常见的降低热机械应力及其潜在所连带的损害的方法为尽量以最慢的速度对系统进行预热。在系统运行期间，电解堆出入口之间的温差可达200K，一种降低热机械应力的方式为通过稳定制氢量从而稳定电解堆内部温度场。这种运行方式对于实验室规模和小型示范项目规模的系统来说可能是可行的，但是对于装机规模达几十到几百兆瓦规模的工业级系统来说，系统需要具有调节功能。

传统的控制方法是通过调整电解池的输入功率而实现的，这种做法会改变电压和电流，从而改变制氢量，并同时通过稳定电解堆的温度，使其始终保持在性能最佳条件下运行。电压的变化会在很大程度上改变系统的温度控制，从而影响电解堆内部的能量平衡，进而造成了电解堆内部的热机械应力。热机械应力会带来使电解堆部件分层或破裂的风险，而电解堆部件的分层或破裂都将导致高温电解系统的性能损失、故障、或造成影响系统安全运行的泄露。专利FR3012472提供了一种调节高温系统输出的方法，即通过在系统热盒内增加电阻式加热器并调整输入功率的方式改变电解堆工作电压及温度区间，从而实现系统制氢量的调整及热能管理。专利FR2921390描述了一种针对降低温度梯度的电解堆设计方法，即在电解堆内加入温度均匀化装置。

然而，目前的传统方式，增加温度均匀化装置的方式，增加了电堆结构的复杂程度的同时也带来了额外的成本，并且还将会削弱高温电解技术的竞争性。调节氢气输出量的方式却不能降低热机械应力，容易降低高温电解系统的使用寿命。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种更佳的，能够提高高温电解系统使用寿命的高温电解系统的运行控制方法、装置、计算机设备和存储介质。

一种高温电解系统的运行控制方法，所述方法包括：

在高温电解系统运行期间，高温电解系统的工作电压被设置为热中性电压，并且通过改变电解堆的温度调整产物气体的输出量。

在一个实施例中，所述高温电解系统，用于水/蒸汽电解生成氢气。

在一个实施例中，所述高温电解系统，还用于二氧化碳电解生成一氧化碳。

在一个实施例中，所述高温电解系统，还用于蒸汽与二氧化碳共电解生成碳氢合成气体。

在一个实施例中，所述高温电解系统的反应温度发生在300摄氏度至1000摄氏度之间。

在一个实施例中，当高温高温电解系统非满载时，使所述高温电解系统在放热模式下进行以补偿热损失。

在一个实施例中，所述高温高温电解系统通过外部加热炉和/或电热器改变原料温度。

在一个实施例中，所述高温电解系统，还用于可逆系统的电解。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

在高温电解系统运行期间，高温电解系统的工作电压被设置为热中性电压，并且通过改变电解堆的温度调整产物气体的输出量，并使高温电解系统保持在热中性电压工作。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

上述高温电解系统的运行控制方法、装置、计算机设备和存储介质，通过在高温电解系统运行期间，高温电解系统的工作电压被设置为热中性电压，并且通过改变电解堆的温度调整产物气体的输出量。高温电解池工作在热中性电压时，因为高温电解系统在绝热条件下运行，所以热应力的产生可以被避免。本申请通过改变电解堆的温度调节产物气体的输出量，并在该过程中最大程度避免了温度梯度变化带来的热机械应力，从而提高了高温电解系统使用寿命。

附图说明

图1为一个实施例中通过加热气体实现温度控制的高温电解系统布局示意图；

图2为一个实施例中通过加热炉实现温度控制的高温电解系统的又一布局示意图；

图3为一个实施例中高温电解池电压和产物气体制取速率与吸热、放热、和绝热不同热区间的关系示意图；

图4为一个实施例中面积比电阻和运行温度的之间的关系图；

图5为一个实施例中高温电解系统的运行控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。高温电解系统的布局示意图，如图1所示，图1显示的是通过第一电加热器④和第二电加热器⑤加热外部供给气体以对电解堆进行加热。高温电解系统包括电解堆①、与电解堆阴极相通的原料回热器/换热器②、与电解堆①阳极相通的原料回热器/换热器③、与电解堆①阴极相通的第一电加热器④、与电解堆阳极相通的空气回热器/换热器③与电解堆阳极相通的第二电加热器⑤。原料输入高温电解系统后，通过电解堆的电解反应转换为产物气体并从电解堆的阴极输出，从电解堆阴极输出气流的热量首先在原料回热器/换热器中被回收，随后进一步被纯化和压缩。空气被通入电解堆的阳极以用于移除电解堆电解反应阳极所生成的氧气。从电解堆阳极输出气流的热量也将在空气回热器/换热器中被回收，并对输入的空气进行预热。

通过加热炉实现温度控制的高温电解系统的又一布局图，如图2所示，和图1的区别在于：在靠近电解堆的外部设置加热炉，通过加热炉在外部对电解堆进行加热。本申请可适用于水/蒸汽的电解(制取氢气)，也可以用于二氧化碳的电解(制取一氧化碳)，以及用于生产合成气体的共电解。因此，本申请适用于所有类型的高温电解技术，且不限于水/蒸汽电解。且本申请的控制策略部分也同样适用于可逆系统(例如可以在燃料电池和电解模式下运行的系统)在电解模式下的运行。通过外部加热炉、加热或冷却入口气体、或结合外部加热炉与加热或冷却入口气体控制温度以实现调节。

高温电解反应可以在吸热、绝热和放热模式下运行：在氢气制取量较低时，该反应过程是吸热的，在逐渐提升氢气制取量时，该反应将逐渐由吸热反应变为放热反应。在反应过程中，电解堆所释放出的热量需要与环境交换，而这种热量的交换将导致电解堆中的温度变化并产生热机械应力。当增加或减少制氢量时，因为电解反应对热量的需求会发生变化(即需要在吸热模式下提供热能和在需要在放热模式下释放热能)，所以高温电解反应通常需要根据需求配套先进的热管理系统。

在本实施例所公开的方法中，高温电解系统运行期间的工作电压始终被设置为热中性电压，并且通过改变电解堆的温度调整产物气体的输出量，使高温电解系统保持在热中性电压工作。

本申请通过将高温电解池工作电压设置为热中性电压，使高温电解系统在绝热条件下运行，该方法不需要因稳定热平衡而增加复杂的热管理系统。同时，改变电解堆的温度调节产物气体的输出量。因为电解堆没有对平衡热能的需求(例如：加热或冷却)使得该方法最大程度避免了温度梯度变化带来的热机械应力，从而提高了高温电解系统使用寿命。

在一个实施例中，所述高温电解系统，用于二氧化碳电解生成一氧化碳。

在一个实施例中，所述高温电解系统，用于蒸汽与二氧化碳共电解生成碳氢合成气体。

其中，高温电解堆的电解过程为：原料输入高温电解堆后，通过电解堆的电解反应转换为产物气体并从电解堆的阴极输出；空气被通入电解堆的阳极以用于移除电解堆电解反应阳极所生成的氧气。

其中，高温电解系统的电解反应可以在吸热、绝热、以及放热模式下工作(图3)：在产物气体制备量较低的情况下电解反应处于吸热模式，并随着产物气体制备量的不断增加而开始放热。在吸热与放热之间的临界转换点被称为绝热点。

原料在此处是气体，在电解蒸气制备氢气时，原料一般指蒸汽。高温电解系统处于吸热与放热之间的临界转换点被称为绝热点。即通过改变高温电解系统的温度并使电解反应在热中性点下进行，从而实现对产物气体制备量的调节。在该公开的调节产物气体制备量的过程中，保持高温电解池工作在热中性电压。热中性电压是电池在绝热工况下的高温电解池的工作电压，此时输入电池的能量等于制取产物需要的能量。在该公开的调节产物气体制备量的过程中，使高温电解池工作在热中性电压。高温电解池工作在热中性电压时，在绝热条件下运行可以避免热应力的产生。本申请在对产物气体制备量调节的过程中，既实现了对产物气体制备量的调节，也因为反应在绝热条件下的运行使该过程最大程度避免了温度梯度变化带来的热机械应力，从而提高了高温电解系统使用寿命。

在吸热与放热之间的临界转换点被称为绝热点，在这种情况下的热中性电压U_tn、反应焓ΔH_r、以及法拉第常数F具有以下关系：

U_tn＝ΔH_r/2F (1)

制氢量Φ与电流I和电解堆内电池数量Ncell成正比关系：

Φ＝-I×N_cell/2F (2)

高温固体氧化物电解电池电压U是不同气体能斯特电压U₀的函数，U通常随着电流I的增加而降低，而这个斜率也被称为面积比电阻(ASR)

U＝U₀-I×ASR (3)

在给定电压的情况下，面积比电阻越小电流越大，而不同的材料将也将会拥有不同的能量密度。因此，工业领域的目标主要为通过寻找更优的材料以降低面积比电阻。本发明利用面积比电阻与温度的关系对氢气输出与电能输入进行调节。高温固体氧化物电解过程是与热能相关的，因此其所涉及的动力学通常符合阿雷尼乌斯定律。面积比电阻ASR主要受反应动能E_a影响，所以它会随着温度T的升高而呈指数型降低(见图4)。

ASR(T)＝ASR⁰ exp(-E_a/RT) (4)

通过结合公式(1)和(4)，在热平衡情况下制氢量与温度的关系可以表示为：

Φ(T)＝-N_cell×(U₀-ΔH_r/2F)/(2F×ASR⁰ exp(-E_a/RT)) (5)

公式(5)给出了明确的制氢量与运行温度之间的关系。图3描绘出了一个通过改变运行温度以调节氢气输出的例子。

高温电解池电压和产物气体制取速率之间的关系示意图，如图3所示，示意图中有四条线段，各对应不同的温度，线段为实线的运行温度要明显高于线段为虚线的运行温度，整段全为实线的运行温度最高，整段全为虚线的运行温度最低。图3中有两个黑点，两个黑点可以连成一条线，该线对应的值为热中性电压。在该公开的运行过程中，将高温电解池电压始终保持在热中性电压。当需要增加产物气体制备量时，相应地需要提高产物气体制取速率，对应图3则需要提高高温电解系统的运行温度；当需要减少产物气体制备量时，相应地需要减小产物气体制取速率，对应图3则需要减小高温电解系统的运行温度。

调节产物气体制备量：例如需要增加产物气体制备量时，则升高电加热器的温度，使高温电解系统的运行温度随着升高。根据图4，运行温度升高，则面积比电阻减小。产物气体能斯特电压保持不变，且高温电解池电压保持恒定(仍保持在热中性电压工作)，根据公式(3)可知流经高温电解池的电流越大(电流决定了产物气体的制取量，因每制取1mol的产物气体，需要2mol的电子)面积比电阻越小。因此可知，运行温度升高，产物气体制取速率上升，从而产物气体制备量增加。减少产物气体制备量同理。

本实施例中，通过获取电解堆内电池数量、能斯特电压和反应焓，根据电解堆内电池数量、能斯特电压、反应焓和当前运行温度，可以得到气体制备量与温度之间的关系。

在一个实施例中，如图5所示，高温电解系统的运行控制方法，包括：

步骤S502，获取高温电解系统的运行温度。

在获取高温电解系统的运行温度后，执行步骤S504，校验是否需要增加电解堆中的产物气体制备量；

当需要增加电解堆中的产物气体制备量时，执行步骤S506，升高第一电加热器和第二电加热器的加热温度，使入口气体温度升高，增加产物气体制备量；

当不需要增加电解堆中的产物气体制备量时，执行步骤S508，不升高第一电加热器和第二电加热器的加热温度，并执行步骤S510，校验是否需要降低电解堆中的产物气体制备量；

当步骤510的判断结果为是时，即需要降低电解堆中的产物气体制备量时，执行步骤S512，降低第一电加热器和第二电加热器的加热温度，使入口气体温度降低，减少产物气体制备量；

当不需要降低电解堆中的产物气体制备量时，执行步骤S514，不降低第一电加热器和第二电加热器的加热温度，并返回步骤S504，校验是否需要增加电解堆中的产物气体制备量。

具体地，在运行前，高温电解系统将会从室温一直加热至额定条件下运行所需的温度。理想情况下，高温电解系统的加热方式应为在入口气体进入电解堆前便通过电加热器和电加热器对入口气体进行加热。另一种方式则为通过外部的加热炉在外部对电解堆进行加热。当电解堆温度达到运行温度时，应向电解堆供应更多的原料和空气，以快速地提升系统功率并使高温电解系统在热中性电压下运行。因为高温电解系统在绝热条件下工作，所以负载变化不会带来热机械应力。可以通过改变温度来实现对系统的调节。在理想情况下，可以通过调节电加热器以改变气体入口温度。如果需要输出更多的，则可以逐渐升高高温电解系统的温度。因为有更多的热量被送至电解堆，所以电解堆的温度将逐渐升高并且面积比电阻会降低。稳压器将保证热中性电压不变以使反应在绝热条件下进行。因此，这种工作模式可以预防因温度梯度变化带来的热机械应力。同理，如果需要更少的产物气体输出，则可以逐渐降低电解堆入口气体的温度。而随着面积比电阻的升高，电解堆的输入电流和制氢量将会降低。

应该理解的是，虽然上述实施例涉及的各流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，上述实施例涉及的各流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

获取高温电解系统的运行温度。

校验是否需要增加电解堆中的产物气体制备量；

当需要增加电解堆中的产物气体制备量时，升高第一电加热器和第二电加热器的加热温度，使入口气体温度升高，增加产物气体制备量；

当不需要增加电解堆中的产物气体制备量时，不升高第一电加热器和第二电加热器的加热温度，并校验是否需要降低电解堆中的产物气体制备量；

当需要降低电解堆中的产物气体制备量时，降低第一电加热器和第二电加热器的加热温度，使入口气体温度降低，减少产物气体制备量；

当不需要降低电解堆中的产物气体制备量时，不降低第一电加热器和第二电加热器的加热温度，并返回至校验是否需要增加电解堆中的产物气体制备量。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

校验是否需要增加电解堆中的产物气体制备量；

在一个实施例中，计算机可读存储介质，在被处理器执行时还实现以下步骤：

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种高温电解系统的运行控制方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温电解系统，用于水/蒸汽电解生成氢气。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温电解系统，用于二氧化碳电解生成一氧化碳。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温电解系统，用于蒸汽与二氧化碳共电解生成碳氢合成气体。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温电解系统的反应温度发生在300摄氏度至1000摄氏度之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当高温高温电解系统非满载时，使所述高温电解系统在放热模式下进行以补偿热损失。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温高温电解系统通过外部加热炉和/或电热器改变原料温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温电解系统，还用于可逆系统的电解。

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。