CN114855188A - 一种固体氧化物电解池制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源领域，尤其是一种固体氧化物电解池制氢系统，其包括空气供应支路、燃料供应支路、氢气干燥支路、增压储氢支路以及电解支路，所述空气供应支路、电解支路、燃料供应支路、氢气干燥支路和增压储氢支路依次连接；所述空气供应支路包括空气供应系统、空气换热器、空气电加热器；所述燃料供应支路包括燃料供应系统、燃料换热器、燃料电加热器；所述氢气干燥支路包括冷凝器、气水分离器、干燥塔，本发明通过电化学反应的方式将电能转化为氢能，通过回收热量和电加热的方式预热系统，并根据分级增压的原理存储氢气。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种固体氧化物电解池制氢系统。
背景技术
2020年全国风电、太阳能累计发电量占全社会用电量在9.7%左右，2020年全国弃风电量166.1亿千瓦时，弃光电量52.6亿千瓦时，弃水电量约301亿千瓦时；为了适应供需的调整，引入储能系统。
现有储能系统中，固体氧化物电解池制氢系统因为安全环保、无噪音、燃料成本低、余热利用率高等优势，有广泛应用前景，发展潜力巨大。
发明内容
本发明提出一种固体氧化物电解池制氢系统，燃料电池模块燃料路和空气路出口的高温气体与各自前端低温气体通过换热器进行换热，从而预热进气、冷却出气，再通过电加热对燃料路与空气路的气体进行分别加热，从而进入电堆进行电解制氢；产氢经冷凝、分离、吸附等方式除水后，根据分级增压的原理进行增压存储，且系统在稳定运行后，可切断外部氢气，使用产氢作为保护氢气和吹扫氢气；其中干燥塔根据吸附式原理设计，可通过加热的方式进行再生处理，且干燥塔采用双塔并联的设计，双塔可在干燥除水和加热再生两个模式下循环切换。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种固体氧化物电解池制氢系统，包括空气供应支路、燃料供应支路、氢气干燥支路、增压储氢支路以及电解支路，所述空气供应支路、电解支路、燃料供应支路、氢气干燥支路和增压储氢支路依次连接，所述空气供应支路包括空气供应系统、空气换热器、空气电加热器；所述燃料供应支路包括燃料供应系统、燃料换热器、燃料电加热器；所述氢气干燥支路包括冷凝器、气水分离器、干燥塔；所述增压储氢支路包括氢气缓冲罐、一级增压泵、一级储氢罐、二级增压泵、二级储氢罐；所述电解支路包括燃料电池模块、直流电源。
优选的，所述空气换热器上设置有空气换热器冷进口、空气换热器冷出口、空气换热器热进口、空气换热器热出口；且燃料换热器上设置有燃料换热器冷进口、燃料换热器冷出口、燃料换热器热进口、燃料换热器热出口。
优选的，所述冷凝器上设置有冷凝进口、冷凝出口、冷却进口、冷却出口；且干燥塔上设置有干燥进口、干燥出口、吹扫进口、吹扫出口。
优选的，所述一级储氢罐上设置有一级储氢进口、一级储氢出口、稳压氢气接口；且二级储氢罐上设置有二级储氢进口、二级储氢出口、循环氢气接口；二级储氢出口为产氢出口；稳压氢气接口是用来连通一级储氢罐和氢气缓冲罐，以避免一级增压泵将电堆出气管抽成负压；循环氢气接口是用来连通二级储氢罐和燃料供应系统、干燥塔，使用系统产生的氢气为系统提供保护氢气和吹扫氢气，实现循环制氢。
优选的，所述燃料电池模块上设置有电堆空气进口、电堆空气出口、电堆燃料进口、电堆燃料出口。
优选的，所述空气换热器、空气电加热器、燃料电池模块组成一个加热回路，空气换热器通过换热的方式预热空气进气、冷却空气出气，空气电加热器通过电加热的方式将预热后的空气再次加热后通入燃料电池模块，然后经空气换热器排出；所述燃料换热器、燃料电加热器、燃料电池模块组成一个加热回路，燃料换热器通过换热的方式预热燃料进气、冷却燃料出气，燃料电加热器通过电加热的方式将预热后的燃料再次加热后通入燃料电池模块，然后经燃料换热器排出。
优选的，干燥塔根据吸附式原理、采用双塔并联设计，一塔干燥，另一塔可通过加热的方式进行再生处理，双塔循环切换；干燥塔再生时需通入氢气吹扫，氢气经吹扫进口通入干燥塔，并经吹扫出口、冷凝进口与冷凝器连通。
优选的，增压储氢支路采用分级增压的原理，包括但不限于两级增压。
优选的，二级储氢罐储气压力约0.2-0.3MPa，其通过循环氢气接口与燃料供应系统连通，且通过吹扫进口与干燥塔连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过回收热量和电加热的方式预热系统，通过冷凝、分离、吸附的方式去除氢气中的水汽，并根据分级增压的原理存储氢气，并使用系统产氢作为保护氢气和吹扫氢气，从而实现循环制氢的目的。
附图说明
图1为本发明提出的一种固体氧化物电解池制氢系统的结构示意图。
图中：1、空气供应支路；11、空气供应系统；12、空气换热器；13、空气电加热器；2、燃料供应支路；21、燃料供应系统；22、燃料换热器；23、燃料电加热器；3、氢气干燥支路；31、冷凝器；32、气水分离器；33、干燥塔；4、增压储氢支路；41、氢气缓冲罐；42、一级增压泵；43、一级储氢罐；44、二级增压泵；45、二级储氢罐；5、电解支路；51、燃料电池模块；52、直流电源；1201、空气换热器冷进口；1202空气换热器冷出口；1203、空气换热器热进口；1204、空气换热器热出口；2201、燃料换热器冷进口；2202燃料换热器冷出口；2203、燃料换热器热进口；2204、燃料换热器热出口；3101、冷凝进口；3102、冷凝出口；3103、冷却进口；3104、冷却出口；3301、干燥进口；3302、干燥出口；3303、吹扫进口；3304、吹扫出口；4301、一级储氢进口；4302、一级储氢出口；4303、稳压氢气接口；4501、二级储氢进口；4502、二级储氢出口；4503、循环氢气接口；5101、电堆空气进口；5102、电堆空气出口；5103、电堆燃料进口；5104、电堆燃料出口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1，一种固体氧化物电解池制氢系统，包括空气供应支路1、燃料供应支路2、氢气干燥支路3、增压储氢支路4以及电解支路5，空气供应支路1、电解支路5、燃料供应支路2、氢气干燥支路3和增压储氢支路4依次连接，空气供应支路1包括空气供应系统11、空气换热器12、空气电加热器13；燃料供应支路2包括燃料供应系统21、燃料换热器22、燃料电加热器23；氢气干燥支路3包括冷凝器31、气水分离器32、干燥塔33；增压储氢支路4包括氢气缓冲罐41、一级增压泵42、一级储氢罐43、二级增压泵44、二级储氢罐45；电解支路5包括燃料电池模块51、直流电源52。
本实施例中，空气换热器12上设置有空气换热器冷进口1201、空气换热器冷出口1202、空气换热器热进口1203、空气换热器热出口1204；且燃料换热器22上设置有燃料换热器冷进口2201、燃料换热器冷出口2202、燃料换热器热进口2203、燃料换热器热出口2204。
本实施例中，冷凝器31上设置有冷凝进口3101、冷凝出口3102、冷却进口3103、冷却出口3104；且干燥塔33上设置有干燥进口3301、干燥出口3302、吹扫进口3303、吹扫出口3304。
本实施例中，一级储氢罐43上设置有一级储氢进口4301、一级储氢出口4302、稳压氢气接口4303；且二级储氢罐45上设置有二级储氢进口4501、二级储氢出口4502、循环氢气接口4503；二级储氢出口4502为产氢出口；稳压氢气接口4303是用来连通一级储氢罐43和氢气缓冲罐41，以避免一级增压泵42将电堆出气管抽成负压；循环氢气接口4503是用来连通二级储氢罐45和燃料供应系统21、干燥塔33，使用系统产生的氢气为系统提供保护氢气和吹扫氢气，实现循环制氢。
本实施例中，燃料电池模块51上设置有电堆空气进口5101、电堆空气出口5102、电堆燃料进口5103、电堆燃料出口5104。
本实施例中，空气供应支路1中，空气换热器12通过换热的方式预热空气进气、冷却空气出气，空气电加热器13通过电加热的方式将预热后的空气再次加热后，经电堆空气进口5101通入燃料电池模块51，然后通过电堆空气出口5102、空气换热器热进口1203、空气换热器热出口1204排出；
燃料供应支路2中，燃料换热器22通过换热的方式预热燃料进气、冷却燃料出气，燃料电加热器23通过电加热的方式将预热后的燃料再次加热后，经电堆燃料进口5103通入燃料电池模块51，然后通过电堆燃料出口5104、燃料换热器热进口2203、燃料换热器热出口2204排出；
氢气干燥支路3中，氢气经燃料换热器22冷却降温后，经冷凝进口3101通入冷凝器31进行冷凝除水，经气水分离器32、干燥进口3301通入干燥塔33中进行干燥除水，然后经干燥出口3302排出；
干燥塔33根据吸附式原理、采用双塔并联设计，一塔干燥，另一塔可通过加热的方式进行再生处理，双塔循环切换；
干燥塔33再生时需通入吹扫氢气以带走干燥剂中吸附的水汽，而吹扫氢气经吹扫进口3303通入干燥塔33，并经吹扫出口3304、冷凝进口3101通入冷凝器31中，与系统产氢实现汇流；
增压储氢支路4中，增压单元采用分级增压的原理，氢气经干燥除水后，通入氢气缓冲罐41中，经一级增压泵42、一级储氢进口4301通入一级储氢罐43，再经一级储氢出口4302、二级增压泵44、二级储氢进口4501通入二级储氢罐45；
一级储氢罐43通过稳压氢气接口4303与氢气缓冲罐41连通，以确保一级增压泵42不会将氢气管路抽成负压；
二级储氢罐45通过循环氢气接口4503与燃料供应系统21连通，且通过吹扫进口3303与干燥塔33连通，通过二级储氢罐45为系统提供保护氢气和吹扫氢气，从而实现循环制氢；
电解支路5中，在系统运行正常后，直流电源52为燃料电池模块51提供电解制氢所需的电能。
此固体氧化物电解池制氢系统在启动阶段使用外部氢气作为保护气体，空气和燃料经空气换热器12、燃料换热器22，通过热交换的方式对高温的空气尾气和产氢进行热量回收；再经空气电加热器13、燃料电加热器23，通过电加热的方式进行进气预热；经预热后的空气、燃料分别通入燃料电池模块51中进行电解制氢；产氢经冷凝、分离、吸附等方式除水后，再由分级增压系统增压存储至储氢罐；在系统稳定工作后，二级储氢罐45经循环氢气接口4503与燃料供应系统21连通，经干燥进口3303与干燥塔33连通，从而切断外部氢气，使用系统产氢为系统提供保护氢气和吹扫氢气，实现循环产氢；此外，干燥塔33采用双塔并联设计，一塔干燥，另一塔可通过加热的方式进行再生处理，双塔循环切换；再生过程中，吹扫氢气经吹扫进口3303通入干燥塔33，并经吹扫出口3304、冷凝进口3101通入冷凝器31，与系统产氢实现汇流。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种固体氧化物电解池制氢系统，包括空气供应支路（1）、燃料供应支路（2）、氢气干燥支路（3）、增压储氢支路（4）以及电解支路（5），其特征在于，所述空气供应支路（1）、电解支路（5）、燃料供应支路（2）、氢气干燥支路（3）和增压储氢支路（4）依次连接，所述空气供应支路（1）包括空气供应系统（11）、空气换热器（12）、空气电加热器（13）；所述燃料供应支路（2）包括燃料供应系统（21）、燃料换热器（22）、燃料电加热器（23）；所述氢气干燥支路（3）包括冷凝器（31）、气水分离器（32）、干燥塔（33）；所述增压储氢支路（4）包括氢气缓冲罐（41）、一级增压泵（42）、一级储氢罐（43）、二级增压泵（44）、二级储氢罐（45）；所述电解支路（5）包括燃料电池模块（51）、直流电源（52）。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物电解池制氢系统，其特征在于，所述空气换热器（12）上设置有空气换热器冷进口（1201）、空气换热器冷出口（1202）、空气换热器热进口（1203）、空气换热器热出口（1204）；且燃料换热器（22）上设置有燃料换热器冷进口（2201）、燃料换热器冷出口（2202）、燃料换热器热进口（2203）、燃料换热器热出口（2204）。
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物电解池制氢系统，其特征在于，所述冷凝器（31）上设置有冷凝进口（3101）、冷凝出口（3102）、冷却进口（3103）、冷却出口（3104）；且干燥塔（33）上设置有干燥进口（3301）、干燥出口（3302）、吹扫进口（3303）、吹扫出口（3304）。
4.根据权利要求1所述的一种固体氧化物电解池制氢系统，其特征在于，所述一级储氢罐（43）上设置有一级储氢进口（4301）、一级储氢出口（4302）、稳压氢气接口（4303）；且二级储氢罐（45）上设置有二级储氢进口（4501）、二级储氢出口（4502）、循环氢气接口（4503）。
5.根据权利要求1所述的一种固体氧化物电解池制氢系统，其特征在于，所述燃料电池模块（51）上设置有电堆空气进口（5101）、电堆空气出口（5102）、电堆燃料进口（5103）、电堆燃料出口（5104）。
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