CN117051411A - 一种使用soec电解水制氢系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用SOEC电解水制氢系统及其控制方法，该系统包括水供应系统、冷凝水箱、水泵、蒸汽发生器、加热器、单室SOEC电解模组、冷凝器以及气体分离器；通过水泵向蒸汽发生器通入液态去离子水，同时打开加热器以将液态水转化为水蒸气，并确保水蒸气温度大于250摄氏度，控制水泵流量和加热器功率，一旦水蒸气的入口温度达到400摄氏度以上，允许开启单室SOEC电解模组的电解模式，开始电解产生氢气。本发明的系统和控制方法结合了SOEC技术的优势，具有高效、稳定、灵活、环保等特点，通过采用单室SOEC电解堆和相应的控制方法，可以为氢能产业的发展带来更多的机遇，推动清洁能源的应用和推广。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物电池技术领域，特别是涉及一种使用SOEC(固体氧化物电解池)电解水制氢系统及其控制方法。
背景技术
高温水蒸气电解(High Temperature Steam Electrolysis)是以固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Electrolysis Cell，简称SOFC)为基础的固体氧化物电解池(SOEC)的制氢技术，与传统的碱性水电解和质子交换膜电解(PEM)相比，有望实现高效的水蒸气电解。SOEC电解池由电解质、阴极和阳极等核心部分组装而成。中间是致密的电解质层，两边为多孔的阴极和阳极。以氧离子传导型SOEC为例，较高温度下(700-900摄氏度),在SOEC两侧电极上施加一定的直流电压，H2O在阴极被还原分解产生H2和O2-，O2-穿过致密的固体氧化物电解质层到达阳极，失去电子生成O2。
SOEC电解系统的最基本组成单元是SOEC电解池，多个电解池组装在一起形成SOEC电解堆，多个电解堆和气体处理系统、气体输送系统组成SOEC电解模块，最终多个电解模块和配电设备、其他辅助设备共同组成了完整的SOEC电解系统。现有的SOEC制氢系统相对复杂，阴极一侧使用蒸发装置将液态水转化成水蒸气，再用加热装置将其转化成高温水蒸气进入电解模块，产生的氢气经过气体分离器进行收集，氧气进行排空或收集。除了阴极一侧需要上述的供水系统，阳极一侧还需要空气供应系统，即对进入电解模块的空气进行过滤、预热、加湿及压力调节，为电解模块的阳极供给适宜状态的空气(氧气)。
发明内容
为解决上述难题，本发明的目的在于提供一种使用SOEC电解水制氢系统及其控制方法，利用单室SOEC电解堆，只向电解堆通入水蒸气，完全消除空气供应系统，简化系统，降低成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
第一方面，本发明提供了一种使用SOEC电解水制氢系统，该系统包括：
水供应系统，用于供给去离子水，并与冷凝水箱连通；
冷凝水箱，用于收集和储存冷凝后的水，以循环利用水资源；
水泵，与所述冷凝水箱和蒸汽发生器连通，用于将去离子水从冷凝水箱输送至蒸汽发生器；
蒸汽发生器，用于将输送的去离子水蒸发成水蒸气，并将水蒸气输送至加热器；
加热器，用于调节水蒸气温度，并将水蒸气输入至单室SOEC电解模组内；
单室SOEC电解模组，包含多个单室SOEC电解电堆串并联组成，每个单室SOEC电解电堆由多个单室SOEC单电解池组成；
冷凝器，用于冷凝蒸汽发生器以及单室SOEC电解模组中未反应的水蒸气和混合气体；
气体分离器，与所述冷凝器连接，用于将氢气与氧气从混合气体中分离，以获取纯净的氢气。
作为本发明的进一步方案，所述单室SOEC电解模组的单电解池由电解质、阴极和阳极组成，其中，电解质既具有传导氧离子的能力，也能传导氢离子。
作为本发明的进一步方案，所述加热器的出口温度在200-700摄氏度范围内，确保电解模组内水蒸气处于适宜的电解温度。
作为本发明的进一步方案，在单室SOEC电解模组中，一部分水蒸气在电解过程中产生氢气和氧气，而另一部分水蒸气与产生的氢气和氧气混合，然后流出至蒸汽发生器和冷凝器，最终通过气体分离器将氢气与氧气从混合气体中分离。
作为本发明的进一步方案，所述单室SOEC电解模组中被电解的水蒸气占全部水蒸气的0.01％-20％，确保了高效的氢气产生。
第二方面，本发明还提供了一种使用SOEC电解水制氢的控制方法，包括启动步骤和停机步骤；其中，启动步骤包括：
通过水泵向蒸汽发生器通入液态去离子水，同时打开加热器以将液态水转化为水蒸气，并确保水蒸气温度大于250摄氏度；
控制水泵流量和加热器功率，确保水蒸气的升温速率大于100摄氏度/小时，直至水蒸气的入口温度达到400摄氏度以上；
一旦水蒸气的入口温度达到400摄氏度以上，允许开启单室SOEC电解模组的电解模式，开始电解产生氢气；
其中，停机步骤包括：
停机时，停止单室SOEC电解模组的电解，继续保持加热器出口温度在额定运行温度范围内；
从加热器流出的水蒸气对单室SOEC电解模组、蒸汽发生器、冷凝器和气体分离器以及残存氢气的管道进行吹扫；
降低水泵转速和进入系统的水流量，同时降低加热器功率，使系统逐渐达到热平衡状态。
作为本发明的进一步方案，在单室SOEC电解模组中被电解的水蒸气占全部水蒸气的0.01％-20％。
作为本发明的进一步方案，当进入单室SOEC电解模组的水蒸气的入口温度达到400-700摄氏度时，逐步降低加热器加热功率达到系统热平衡。
相对于现有技术，本发明提出的使用SOEC电解水制氢系统及其控制方法具有以下有益效果：
1.高效制氢：该系统采用SOEC技术，能够高效地将水分解成氢气和氧气，从而实现高效制氢。SOEC技术具有较高的电解效率和能量转换效率，相比传统水电解制氢方法，能够节约能源和降低碳排放。
2.简化系统结构：该系统中只使用单室SOEC电解堆，完全消除了空气供应系统，简化了系统结构，降低了系统的复杂性和成本。
3.稳定性和长寿命：单室SOEC电解模组采用稳定的阴极材料，使其在纯水蒸气条件下能够长期稳定工作，延长了系统的使用寿命。
4.灵活控制：控制方法中的启动步骤和停机步骤使系统能够在运行和停止时进行灵活控制，确保系统稳定运行和安全停机，同时最大程度地利用能源资源。
5.温度调节：加热器的存在允许对水蒸气温度进行调节，使其进入单室SOEC电解模组时处于适宜的电解温度范围，提高了电解效率。
6.混合气体分离：气体分离器可以有效地将单室SOEC电解模组中产生的氢气和氧气从混合气体中分离，避免二次反应燃烧，提高氢气的纯度。
7.减少碳排放：使用SOEC电解水制氢系统可以将传统氢气生产中的碳排放量降低，为绿色和可持续的能源生产贡献一份力量。
8.灵活调控产氢量：通过控制进入单室SOEC电解模组的水蒸气流量，可以灵活调控产氢量，适应不同的氢气需求。
综上所述，该系统和控制方法结合了SOEC技术的优势，具有高效、稳定、灵活、环保等特点，是一种可行的用于水制氢的先进系统。通过采用单室SOEC电解堆和相应的控制方法，可以为氢能产业的发展带来更多的机遇，推动清洁能源的应用和推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的使用SOEC电解水制氢系统的示意图。
图2是本发明的使用SOEC电解水制氢系统中串联电解堆的结构原理图。
图3是本发明的使用SOEC电解水制氢系统中串并联电解堆的结构原理图。
附图标记：
1-水供应系统、2-冷凝水箱、3-水泵、4-蒸汽发生器、5-加热器、6-单室SOEC电解模组、7-冷凝器、8-气体分离器。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种使用SOEC电解水制氢系统及其控制方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图3所示，本发明提供一种使用SOEC电解水制氢系统，该系统包括水供应系统1、冷凝水箱2、水泵3、蒸汽发生器4、加热器5、单室SOEC电解模组6、冷凝器7以及气体分离器8。其中，所述水供应系统1与冷凝水箱2连通，用于供给去离子水；所述冷凝水箱2用于收集和储存冷凝后的水，以循环利用水资源；所述水泵3与所述冷凝水箱2和蒸汽发生器4连通，所述水泵3用于将去离子水从冷凝水箱2输送至蒸汽发生器4；所述蒸汽发生器4用于将输送的去离子水蒸发成水蒸气，并将水蒸气输送至加热器5；所述加热器5用于调节水蒸气温度，并将水蒸气输入至单室SOEC电解模组6内；所述单室SOEC电解模组6包含多个单室SOEC电解电堆串并联组成，每个单室SOEC电解电堆由多个单室SOEC单电解池组成；所述冷凝器7用于冷凝蒸汽发生器4以及单室SOEC电解模组6中未反应的水蒸气和混合气体；所述气体分离器8与所述冷凝器7连接，用于将氢气与氧气从混合气体中分离，以获取纯净的氢气。
在使用SOEC电解水制氢系统运行时，去离子水被水供应系统1加入冷凝水箱2，冷凝水箱2中的水被水泵3输送至蒸汽发生器4中进行蒸发形成水蒸气，水蒸气通过加热器5调节温度后进入单室SOEC电解模组6，一部分水蒸气在单室SOEC模组中电解产生氢气和氧气，另一部分水蒸气混合氢气与氧气一起流出单室SOEC电解模组6进入蒸汽发生器4完成热交换后进入冷凝器7，混合气体冷凝后冷凝水进入冷凝水箱2，氢气氧气与部分水蒸气进入气体分离器8分离出氢气与氧气。
在本实施例中，所述单室SOEC电解模组6的单电解池由电解质、阴极和阳极组成，其中，电解质既具有传导氧离子的能力，也能传导氢离子。
在单室SOEC电解模组6中，一部分水蒸气在电解过程中产生氢气和氧气，而另一部分水蒸气与产生的氢气和氧气混合，然后流出至蒸汽发生器和冷凝器7，最终通过气体分离器8将氢气与氧气从混合气体中分离。
其中，所述单室SOEC电解模组6中被电解的水蒸气占全部水蒸气的0.01％-20％，确保了高效的氢气产生。
为确保该单室SOEC电解模组6电解时产生的氢气与氧气不再次反应燃烧，在本实施例中，所述加热器5的出口温度在200-700摄氏度范围内，确保电解模组内水蒸气处于适宜的电解温度。
在本实施例中，该单室SOEC单电解池由电解质、阴极、阳极组成。该电解质可以导氧离子，也可以传导氢离子。示例性的，阴极材料为在纯水蒸气条件下能够长期稳定的阴极材料，稳定的阴极材料包含：
稀土元素、过渡金属元素掺杂的氧化铈；
碱金属元素、过渡金属元素、稀土元素掺杂的钙钛矿钛酸盐；
碱金属元素、过渡金属元素、稀土元素掺杂的钙钛矿铬酸盐；
碱金属元素、过渡金属元素、稀土元素掺杂的钙钛矿铁酸盐；
碱金属元素、过渡金属元素、稀土元素掺杂的钙钛矿锰酸盐；
碱金属元素、过渡金属元素、稀土元素掺杂的钙钛矿镍酸盐；
碱金属元素、过渡金属元素、稀土元素掺杂的钙钛矿钒酸盐；
碱金属元素、过渡金属元素、稀土元素掺杂的钙钛矿锆酸盐；
碱金属元素、过渡金属元素、稀土元素掺杂的钙钛矿铈酸盐。
本发明的使用SOEC电解水制氢系统采用SOEC技术，能够高效地将水分解成氢气和氧气，从而实现高效制氢。SOEC技术具有较高的电解效率和能量转换效率，相比传统水电解制氢方法，能够节约能源和降低碳排放。
本发明的使用SOEC电解水制氢系统中，只使用单室SOEC电解堆，完全消除了空气供应系统，简化了系统结构，降低了系统的复杂性和成本；单室SOEC电解模组6采用稳定的阴极材料，使其在纯水蒸气条件下能够长期稳定工作，延长了系统的使用寿命。
参见图1至图3所示，本发明还提供了一种使用SOEC电解水制氢的控制方法，该控制方法基于上述的使用SOEC电解水制氢系统进行电解产生氢气，该控制方法包括启动步骤和停机步骤。
其中，启动步骤包括下以下步骤：
S101、通过水泵3向蒸汽发生器4通入液态去离子水，同时打开加热器5以将液态水转化为水蒸气，并确保水蒸气温度大于250摄氏度；
S102、控制水泵3流量和加热器5功率，确保水蒸气的升温速率大于100摄氏度/小时，直至水蒸气的入口温度达到400摄氏度以上；
S103、一旦水蒸气的入口温度达到400摄氏度以上，允许开启单室SOEC电解模组6的电解模式，开始电解产生氢气。
其中，停机步骤包括以下步骤：
S201、停机时，停止单室SOEC电解模组6的电解，继续保持加热器5出口温度在额定运行温度范围内；
S202、从加热器5流出的水蒸气对单室SOEC电解模组6、蒸汽发生器、冷凝器7和气体分离器8以及残存氢气的管道进行吹扫；
S203、降低水泵3转速和进入系统的水流量，同时降低加热器5功率，使系统逐渐达到热平衡状态。
在本实施例中，在单室SOEC电解模组6中被电解的水蒸气占全部水蒸气的0.01％-20％。
在本实施例中，当进入单室SOEC电解模组6的水蒸气的入口温度达到400-700摄氏度时，逐步降低加热器5加热功率达到系统热平衡。
本发明的使用SOEC电解水制氢的控制方法中，通过启动步骤和停机步骤使系统能够在运行和停止时进行灵活控制，确保系统稳定运行和安全停机，同时最大程度地利用能源资源；加热器5的存在允许对水蒸气温度进行调节，使其进入单室SOEC电解模组6时处于适宜的电解温度范围，提高了电解效率；气体分离器8可以有效地将单室SOEC电解模组6中产生的氢气和氧气从混合气体中分离，避免二次反应燃烧，提高氢气的纯度；使用SOEC电解水制氢系统可以将传统氢气生产中的碳排放量降低；通过控制进入单室SOEC电解模组6的水蒸气流量，可以灵活调控产氢量，适应不同的氢气需求。
本发明的使用SOEC电解水制氢系统及其控制方法，结合了SOEC技术的优势，具有高效、稳定、灵活、环保等特点，是一种可行的用于水制氢的先进系统。通过采用单室SOEC电解堆和相应的控制方法，可以为氢能产业的发展带来更多的机遇，推动清洁能源的应用和推广。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种使用SOEC电解水制氢系统，其特征在于，包括：
水供应系统，用于供给去离子水，并与冷凝水箱连通；
冷凝水箱，用于收集和储存冷凝后的水；
水泵，与所述冷凝水箱和蒸汽发生器连通，用于将去离子水从冷凝水箱输送至蒸汽发生器；
蒸汽发生器，用于将输送的去离子水蒸发成水蒸气，并将水蒸气输送至加热器；
加热器，用于调节水蒸气温度，并将水蒸气输入至单室SOEC电解模组内；
单室SOEC电解模组，包含多个单室SOEC电解电堆串并联组成，每个单室SOEC电解电堆由多个单室SOEC单电解池组成；
冷凝器，用于冷凝蒸汽发生器以及单室SOEC电解模组中未反应的水蒸气和混合气体；
气体分离器，与所述冷凝器连接，用于将氢气与氧气从混合气体中分离，以获取纯净的氢气。
2.根据权利要求1所述的使用SOEC电解水制氢系统，其特征在于，所述单室SOEC电解模组的单电解池由电解质、阴极和阳极组成，其中，电解质用于传导氧离子以及传导氢离子。
3.根据权利要求2所述的使用SOEC电解水制氢系统及其控制方法，其特征在于，所述加热器的出口温度在200-700摄氏度范围内。
4.根据权利要求3所述的使用SOEC电解水制氢系统，其特征在于，在单室SOEC电解模组中，一部分水蒸气在电解过程中产生氢气和氧气，而另一部分水蒸气与产生的氢气和氧气混合，并流出至蒸汽发生器和冷凝器，通过气体分离器将氢气与氧气从混合气体中分离。
5.根据权利要求4所述的使用SOEC电解水制氢系统，其特征在于，所述单室SOEC电解模组中被电解的水蒸气占全部水蒸气的0.01％-20％。
6.一种使用SOEC电解水制氢的控制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的使用SOEC电解水制氢的系统电解产生氢气；该控制方法包括启动步骤和停机步骤；其中，启动步骤包括：
通过水泵向蒸汽发生器通入液态去离子水，同时打开加热器以将液态水转化为水蒸气，并确保水蒸气温度大于250摄氏度；
控制水泵流量和加热器功率，确保水蒸气的升温速率大于100摄氏度/小时，直至水蒸气的入口温度达到400摄氏度以上；
一旦水蒸气的入口温度达到400摄氏度以上，允许开启单室SOEC电解模组的电解模式，开始电解产生氢气；
其中，停机步骤包括：
停机时，停止单室SOEC电解模组的电解，继续保持加热器出口温度在额定运行温度范围内；
从加热器流出的水蒸气对单室SOEC电解模组、蒸汽发生器、冷凝器和气体分离器以及残存氢气的管道进行吹扫；
降低水泵转速和进入系统的水流量，同时降低加热器功率，使系统逐渐达到热平衡状态。
7.根据权利要求6所述的使用SOEC电解水制氢的控制方法，其特征在于，在单室SOEC电解模组中被电解的水蒸气占全部水蒸气的0.01％-20％。
8.根据权利要求6所述的使用SOEC电解水制氢的控制方法，其特征在于，当进入单室SOEC电解模组的水蒸气的入口温度达到400-700摄氏度时，逐步降低加热器加热功率达到系统热平衡。
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